Để ổn định tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu, trong điều kiện dải động đầu vào lớn, trong tất cả các máy thu vô tuyến người ta thường phải sử dụng kết hợp các biện pháp: hạn chế công suất t[r]
(1)NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH DẢI ĐỘNG MÁY THU CÁC ĐÀI RADAR ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC THẾ HỆ MỚI
Vũ Hỏa Tiễn1, Trần Ngọc Quý2, Lê Văn Sâm3*
Tóm tắt: Trong báo đề xuất nghiên cứu hệ tự động điều khiển thu –
phát khép kín qua hệ thống máy phát, nhằm mục đích tự động hóa hồn tồn q trình ổn định dải động đài radar điều khiển hỏa lực hệ mới, cự ly mục tiêu thay đổi dải rộng Bài báo phân tích vấn đề mang tính nguyên lý, khảo sát số đặc trưng quan trọng hệ thống máy thu loại đài radar điều khiển hỏa lực (ПН-30H6E) hệ có trang bị, sở liệu thực tham số để dẫn sở xây dựng luật điều khiển máy phát Đây là sở ban đầu để hình thành hệ tự động thu – phát nói
Từ khóa: Radar điều khiển hỏa lực, Bộ điều khiển máy phát, Ổn định dải động máy thu
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong đài radar hệ nói chung đài radar điều khiển hỏa lực (PПН) nói riêng, cơng suất tín hiệu thăm dị khơng gian thường khơng thay đổi [1], [2] Vấn đề gắn liền với giá trị dải động đầu vào máy thu lớn, thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu dải cự ly (R)từ hàng trăm xuống vài km Mặt khác, yêu cầu máy thu đài radar ổn định biên độ tín hiệu mục tiêu đầu so với giá trị cho trước [2] Yêu cầu nhằm bảo đảm độ tin cậy cho thuật toán phát hay xác định tọa độ mục tiêu.Yêu cầu ổn định biên độ tín hiệu đầu máy thu hoàn toàn đồng nghĩa với yêu cầu ổn định tỷ số tín/tạp (S/N) tốn phát hiện, ta coi mức tạp âm máy thu khơng thay đổi
Để ổn định tỷ số tín/tạp đầu máy thu, điều kiện dải động đầu vào lớn, tất máy thu vô tuyến người ta thường phải sử dụng kết hợp biện pháp: hạn chế cơng suất tín hiệu đầu vào suy giảm (SGTH); tự động thay đổi hệ số khuếch đại máy thu (mạch APY); điều chỉnh khuếch đại tay (PPY);tự động điều chỉnh khuếch đại theo thời gian (BAPY);…Trong biện pháp đó, việc thay đổi khuếch đại tay (PPY) suy giảm tín hiệu (SGTH) tuyến thu đài radar q trình chưa hồn tồn tự động hóa, tức có can thiệp người
Từ góc độ khác, khảo sát quy luật thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu dải động đầu vào máy thu, ta nhận thấy quy luật thay đổi hệ số suy giảm khuếch đại máy thu lànhữnghàm phi tuyến Nếu xét toàn dải động, tính tới tính phi tuyến đặc trưng khuếch đại máy thu, tín hiệu đầu nhìn chung bị méo, thơng tin tọa độ mục tiêu bị sai lệch, điều không nên có radar điều khiển hỏa lực
(2)2 PHÂN TÍCH CƠ SỞ XÂY DỰNG TUYẾN THU – PHÁT TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH DẢI ĐỘNG THEO TỶ SỐ TÍN/TẠP
Tuyến thu-phát đài radar điều khiển hỏa lực đại có sơ đồ cấu trúc rút gọn hình [4]
Theo cấu trúc hệ thống thu - phát hình 1, ta thấy rõ ràng hệ thống không hệ tự động điều chỉnh Cụ thể phần máy phát làm việc theo chế độ quy luật riêng máy tính trung tâm khơng khép kín với máy thu Nếu đặt vấn đề khép kín hai hệ thống máy phát máy thu thành hệ tự động điều chỉnh ta cần giải vấn đề sau:
- Một phải khảo sát xây dựng đặc trưng dải động đầu vào máy thu, tức quy luật thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (hoặc thay đổi tỷ số S/N) phụ thuộc vào cự ly mục tiêu thay đổi
- Hai xây dựng đặc trưng khuếch đại máy thu sở tốn phát tín hiệu mục tiêu tạp, tức đặt điều kiện tỷ số S/N đầu máy thu khơng thay đổi tồn dải cự ly mục tiêu
- Ba xây dựng thuật tốn điều khiển máy phát tín hiệu dị khơng gian sở đặc trưng khuếch đại máy thu Thuật toán điều khiển máy phát đài radar đóng vai trị vịng hồi tiếp âm, có tác dụng ổn định dải động đầu vào máy thu, thơng qua ổn định khuếch đại tồn tuyến, có tỷ số S/N đầu
Cấu trúc hệ thống thu – phát đài radar điều khiển hỏa lực cấu trúc hệ tự động ổn định tỷ số S/N hình Đối tượng điều khiển hệ máy phát xung dị khơng gian, khép kín qua khơng gian tới đầu vào máy thu khâu phản hồi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Đặc điểm hệ hở hình có hệ số truyền (hệ số khuếch đại) thay đổi phi tuyến, hệ phi tuyến Nguyên nhân làm cho đặc trưng khuếch đại hệ thống phi tuyến có mặt SGTH có hệ số thay đổi nhảy bậc có điều chỉnh khuếch đại tay (PPY)
Hình Mơ hình cấu trúc hệ thống thu-phát quan sát mục tiêu đài radar РПН. Trong đó: KĐCT Khuếch đại cao tần; Bộ SGTH Bộ suy giảm tín hiệu; KĐTT -Khuếch đại trung tần; ABT - Bộ tự động báo động (phát mục tiêu) theo tỷ số
(S/N); fns - Tần số ngoại sai; R - Cự ly tới mục tiêu; V - Vận tốc mục tiêu
8dB
Đồng ABT Lọc số
Trộn 3 Lọc
R -V KĐTT
2 Trộn
2 KĐTT
1 Trộn
1
Hiện hình
Bộ
SGTH 18dB
24dB
Từ máy tính trung tâm
fns3
fns2
Xung chọn R
fns1 APY
KĐCT Máy phát
KĐTT3 Mục tiêu
(3)Hình Mơ hình cấu trúc hệ tự động điều khiển thu – phát quan sát mục tiêu
2.1 Khảo sát xác định dải động tín hiệu đầu vào máy thu
Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu xác định công thức nguyên lý radar [1],[3]:
2
3
'
4 ( )
p p t mt
px
P G G P
R t L
(1)
Trong đó: Ppx – biên độ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu đầu vào máy thu; Pp - công suất đỉnh xung máy phát;Gp,Gt- hệ số khuếch đại anten phát thu tương ứng; - bước sóng; mt - diện tích phản xạ hiệu dụng (PXHD) mục tiêu; ,’- hiệu suất truyền lượng từ máy phát đến anten từ anten máy thu; R(t)- cự lytớimục tiêu, hàm theo thời gian;L - tổng mát, suy giảm đường truyềncủa hệ thống
Theo số liệu tham khảo từ đàiРПН[4], ta có: Pp=75kW; Gp=Gt=43dB; =3cm;
=0.8; ’=0.9; R=(5÷300)Km; L=10dB Nếu chọn cố định loại mục tiêu B-1 với diện tích PXHD mt=10m2, kết khảo sát theo (1) cự ly mục tiêu thay đổi từ 300km đến 5km ta nhận dải động đầu vào máy thu, đặc trưng cho thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ hình
Hình Dải động tín hiệu đầu vào máy thu quan sát đài РПН
8dB
Đồng ABT Lọc số
Trộn 3 Lọc
R -V KĐTT
2 Trộn
2 KĐTT
1 Trộn
1 Bộ
SGTH 18dB
24dB
fns3
fns2
Xung chọn R
fns1 APY
KĐCT Máy phát
KĐTT3 Mục tiêu
Bộ
ĐK F(R;S/N)
S/N Luật
ĐK
R Tín
hiệu ĐK
(4)Theo số liệu khảo sát, cự ly mục tiêulà 300km, tín hiệu phản xạ có cơng suất nhỏ làPpx_min=-149.2dB, xác định độ nhạy thực tế máy thu Khi cự ly mục tiêu 5km, tín hiệu phản xạ có cơng suất cực đại làPpx_max=-78.1dB, xác định mức tải máy thu
Nhận xét: Dải động máy thu xác định hiệu D=(Ppx_max-Ppx_min)=71.1dB
trong điều kiện công suất đỉnh xung dị diện tích PXHD mục tiêu khơng thay đổi (Pp=const., σ=const.) có giá trị lớn.Đặc trưng dải động phi tuyến
2.2 Khảo sát đặc trưng khuếch đại tuyến thu đài РПН
Đối với tuyến thu vô tuyến bất kỳ, phương pháp xác định hệ số khuếch đại tổng có dạng sau:
out Σ
in
U K =
U theo yêu cầu trì: Uout=U =const.0 (2)
Trong đó:KΣ- hệ số khuếch đại tồn tuyến thu; Uin, Uout- biên độ tín hiệu tương ứng với đầu vào đầu máy thu
Hệ số khuếch đại toàn tuyến xác định biểu thức:
N
Σ i
i=1
K =K ; i=1,2,3, ,N (3) Với i số tầng xử lý tín hiệu máy thu, tính từ đầu vào
Về nguyên tắc, máy thu Uout cần phải ổn định mức xác định để đảm bảo cho thiết bị khác (hệ thống hình, hệ tọa độ,…) hoạt động Trong đó, thể hình 3, Uin thay đổi dải động D tương đối lớn Chính hệ số khuếch đại tồn tuyến thiết phải thay đổi theo quy luật ngược với quy luật dải động để ổn định Uout
Trong thực tế, đài radar đài РПН thường sử dụng mạch: SGTH; BAPY, APY; PPY để thay đổi KΣ, ổn định Uout Trong số mạch đó, có mạch BAPY APY tự động điều chỉnh khuếch đại Các mạch lại điều chỉnh tay hay nhảy bậc Dưới sơ đồ tuyến thu thực tế đài РПН [4], thể phân bố phần tử điều chỉnh khuếch đại, bao gồm suy giảm số (Digital)
Hình Sơ đồ phân bố hệ số khuếch đại tuyến thu đài РПН
Bit Вit 4 Вit 3 Bit 2 Bit
KĐCT
(K1)
KĐTT sơ
bộ(K2)
BSG-I
(K3.1-K3.3)
KĐTT (I, II) (K4.1.K4.2)
KĐTT-III
(K5)
BSG-II (Digital)
(K6.1-K6.5)
APY KĐTT
IV (K8)
BSG-III (Digital)
(K7)
0.5dB; 1dB; 2dB; 4dB; 8dB
0 1 0 0 0
ABT/Hiện hình
Uout
(5)Nếu coi hệ số mạch truyền biến đổi tín hiệu tuyến thu 1, hệ số khuếch đại tổng KΣ tuyến thu đài РПН theo (3) hình xác định cụ thể sau:
8
Σ i
i=1
K =K ; i=1,2,3, ,8 (4) Trong cần lưu ý hệ số suy giảm khuếch đại suy giảm (BSG) (4) lấy giá trị rời rạc (Ki.j) xác định Hệ số suy giảm BSG-III điều chỉnh tự động nhờ mạch APY theo nguyên lý số (Digital Control) Khi K7 xem thay đổi tuyến tính
Theo thuyết minh đài РПН [4], hệ số khuếch đại toàn tuyến thay đổi bởi: - Các tầng khuếch đại với hệ số cố định K1.K2.K4.1.K4.2.K5.K8;
- Các BSG nhảy bậc tay số: (K3.1÷K3.3); (K6.1÷K6.5); - APY số tác động làm thay đổiK7[data(APY)]
Hệ số khuếch đại toàn tuyến thu thay đổi dải 71dB, phù hợp với dải động Hệ thống APY cho phép thay đổi hệ số khuếch đại khoảng 11,5dB liệu 5bit thay đổi từ 00000 đến 10000.BSG-I, dạng Attenuator, đầu vào máy thu suy giảm tín hiệu tương ứng với mức 8dB, 18dB, 24dB chuyển mạch [4]
Sử dụng liệu dải động đầu vào khảo sát (hình 3), cố định hệ số khuếch đại tồn tuyến (KΣ=const.) xác định theo (4), tính tới tham số đài РПН, ta nhận đặc trưng thay đổi biên độ tín hiệu (hay S/N) đầu máy thu (Uout) tồn dải cự ly hình
(6)Từ hình rút nhận xét sau:
- Đặc trưng khuếch đại máy thu(hình 6) bao gồm đoạn thẳng gấp khúc, tương ứng với giai đoạn thay đổi hệ số suy giảm (HSSG) hệ số khuếch đại (HSKĐ) tay PPY
- Phần tuyến tính đoạn đặc trưng tự động điều chỉnh khuếch đại hệ thống APY
- Đặc trưng khuếch đại phi tuyến, có dạng ngược so với đặc trưng dải động thể hình
Hình Đặc trưng khuếch đại máy thu đài РПН dải cự ly mục tiêu
2.3 Biện luận sở xây dựng luật điều khiển máy phát để thu hẹp dải động máy thu
Căn vào kết khảo sát đặc trưng dải động D (hình 3), đặc trưng khuếch đại K (hình 6), biểu thức (1) xác định cơng suất (Ppx) tín hiệu phản xạ từ mục tiêu giá trị cho trước tỷ số S/N (hay biên độ Uout), ta có sở để thu hẹp dải động máy thu đến mức hệ thống cần trì mạch APY
Cơ sởổn định dải động D trước hết phải dựa nguyên lý thay đổicông suất tín hiệu phản xạ (1) phụ thuộc vào tham số: cơng suất đỉnh xung dị Pp đầu máy phát; diện tích PXHD; quy luật thay đổi cự ly R(t) mục tiêu.Tức ta cần tìmraquy luật điều khiển máy phátdựatrên sở phụ thuộccơng suất tín hiệu phản xạ vào cự ly mục tiêu vàyêu cầu tỉ số S/N đầu máy thu (F(R,S/N)) hình thể
Quy luật F(R,S/N) tìm dựa sở quy luật thay đổi HSKĐ tuyến thu khảo sát hình Như để xây dựng luật điều khiển máy phát xung dò F(R, S/N) hệ thống, phương pháp ta cần xấp xỉ (approximation) đặc trưng khuếch đại tuyến thu Hàm F(R, S/N) hình thành sở tham chiếu hàm khuếch đại xấp xỉ với tham số tức thời R S/N tuyến
Dưới báo trình bày hai phương pháp xấp xỉ đặc trưng khuếch đại GCA (Gain CharacteristicApproximation) theo phép nội suy hàm số lý thuyết Fuzzy Logic
(7)Từ đặc trưng dải động hình 3, đặc trưng khuếch đại máy thu hình giá trị dải làm việc APY, PPY, SGTH [4], hồn tồn tìm tọa độ điểm gấp khúc (điểm đánh dấu thời điểm bật suy giảm) đặc trưng bảng
Bảng 1. Thống kê điểm bật suy giảm tuyến thu theo cự ly mục tiêu
R [km] 17,86 50,36 79,8 154,75 300
HSKĐ [dB] 22 40 48 59,5 71
Sử dụng phép nội suy hàm số [5] tìm hàm số GCA theo bảng Tuy nhiên, để đồ thị hàm GCA bám sát đường đặc trưng hình cần bổ sung số điểm lân cận điểm bảng Kết thu biểu thức (5)
GCA = f(R) =-1,145.10-20R10+1,96.10-17R9-1,46.10-14R8+6,2.10-12R7-1,65.10-9R6++ 2,89.10-7R5-0,33.10-4R4 + 0,25.10-2R3- 0.12R2+3.57R-15.18 (5) Đặc trưng GCA nhận sau nội suy dải R=(5-300)km, S/N=1.2 đường cong nét đứt màu đỏ thể hình Rút nhận xét đặc trưng GCA theo nội suy hàm số trơn đặc trưng khuếch đại (đường liền màu xanh) ban đầu Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp GCA để đạt độ xác cao so với đường chuẩn, hàm nội suy phải có bậc cao, trường hợp hình hàm bậc 10.Đây trở ngại liên quan tới yêu cầu thời gian thực giải thuật toán điều khiển cho trang bị, địi hỏi hệ thống tính tốn có cấu hình cao, tốc độ tính tốn lớn
Hình Đặc trưng khuếch đại xấp xỉ (GCA) máy thu РПН theo nội suy hàm số 2.3.2 Sử dụng lý thuyết Fuzzy Logic
Để tìm hàm FLA (Fuzzy Logic Approximation ) theo lý thuyết Fuzzy Logic [6], ta sử dụng liêu bảng để xây dựng thuật toán điều khiển mờ với tín hiệu vào cự ly R, đầu khuếch đại xấp xỉ FLA Các bước bao gồm:
- Mờ hóa đầu vào đầu ra: