Kỹ thuật nén xung trong các hệ thống rađa hiện đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN ********* KỸ THUẬT NÉN XƯNG TRONG CÁC HỆ THỐNG RAĐA HIỆN ĐẠI (Pulse compression technique using ỉn modern radar systems) MÃ SỐ: QT-08-09 CHỦ TRÌ ĐÉ TÀI : CÁC CÁN B ộ THAM GIA: ĐỎ TRUNG KIÊN THS NGUYỄN ANH ĐỨC THS LÊ QUANG THẢO rTiẠl HC-: / ' TPI 'i : ■ ! > T / HÀ NỘI - 2008 ~ n _ Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt) a Tên đề tài, mã sổ Kỹ thuật nén xung hệ thống rađa đại QT-08-09 Mã số : b Chủ trì đề tài ThS Đỗ Trung Kiên, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN c Các cán tham gia ThS Nguyễn Anh Đức ThS Lê Quang Thảo d Mục tiều nội dung nghiên cứu Tìm hiểu kĩ thuật xử lí túi hiệu số cho hệ thống rađa đại, đặc biệt kỹ thuật nén xung tăng độ phân giải mục tiêu e Các kết đạt ■ 01 báo VNU 2008: Simulation of Alternative Transmission of Barker Code and M-Code in Radar System to Detect Near and Far Targets ■ 01 báo in Kỷ yếu Proceedings of ICT.rda'08 Hanoi Aug 8-9, 2008: Ngbỉên cửu kĩ thuật phát tín hiệu mã xen kẽ tìm kiếm mục tiêu gần xa hệ thống rađa đại ■ 01 chương trình mơ kỹ thuật nén xung ■ 01 khóa luận tốt nghiệp sinh viên khóa K49, 2008 f Tình hình kỉnh phí đề tài: Đã tốn hết kinh phí đề tài Chi phí hết kinh phí tạm ứng đề tài là: 20.188.000VNĐ - Th khốn chun mơn: 12.000.000VNĐ - Dịch vụ Internet 1.518.000VNĐ - Mua sắm vật tư, linh kiện điện tử 4.520.000VNĐ - Seminar khoa học 550.000VNĐ - Chi phí điện, nước, sở vật chất 800.000VNĐ Quản lý phí 800.000VNĐ KHOA QUẢN LÝ CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI PGS.TS Nguyễn Thế Bình ThS ĐỖ Trung Kiên TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN Summary {by English) a Project, code P ulse com pression technique using in m odern radar system s Code : QT-08-09 b Main responsible person MS Do Trung Kien, Faculty of Physics, Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University c Incorporated members MS Nguyen Anh Due MS Le Quang Thao d Purposes and contents Reseach of pulse compresson for improvement of radar resolution e Results ■ 01 paper of VNU Journal Simulation of Alternative Transmission of Barker Code and M-Code in Radar System to Detect Near and Far Targets ■ 01 paper of Proceedings of ICT.rda'08 Hanoi Aug 8-9, 2008: Nghiên cứu kĩ thuật phát tín hiệu mã xen kẽ tìm kiếm mục tiêu gần xa hệ thổng rađa đại ■ 01 simulation program of Pulse Compression ■ 01 thesises of undergraduated student K49, 2008 MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC TIÊU ĐỀ TÀI CÁC KÉT QUẢ CHÍNH KỸ THUẬT NÉN XUNG TRONG CÁC HỆ THỐNG RAĐA 1.1 Tổng quan hệ thống rađa .6 1.2 Kỹ thuật nén xung nâng cao độ phân giải Nén xung sử dụng mã Barker 2.1 Sự tương quan 10 2.2 Mã Barker 13 Kết mô việc phát mã xen kẽ, điều chế BPSK Ưình nén xung 14 3.1 Phát mã Barker mã M đan xen, điều chế BPSK 14 3.2 Mô nén xung mã Barker mã M 16 KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 PHỤ LỤC 21 TĨM TẮT CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN c ứ u CỦA CÁ NHÂN 30 SCIENCE PROJECT 32 PHIẾU ĐẢNG KÍ KẾT QỦA NGHIÊN c ứ u KHOA HỌC 33 MỤC TIÊU ĐÈ TÀI Rađa hệ thống điện tử có nhiều ứng đụng kĩ thuật quân dân Sự phát triển rađa gần gắn liền với chiến tranh lớn giới cường quốc hùng mạnh Ngày nay, rađa có ứng dụng vỏ hữu ích thực tế đời sống xã hội Việc nghiên cứu triển khai hệ thống rađa Việt Nam yêu cầu thực tế phủ nhận, giúp cho việc vận hành, phát huy tự chế tạo hệ thống theo yêu cầu, phù hợp yêu cầu giá thành hợp lí Việc nghiên cứu tập trung chủ yếu vào khai thác thêm toán rađa đại, dựa vào kĩ thuật, linh kiện thuật toán triển khai ứng dụng độ xác cao Cơng việc đề tài tập trung kỳ thuật nén xung số rađa, đưa thêm vào giải pháp phát mã xen kẽ để dò quét mục tiêu gần xa Với tín hiệu cao tần, việc triển khai hạn chế, nghiên cứu vào việc kiểm tra giải pháp thông qua công cụ mô Matlab Simulink Nhân dịp này, xin trân ữọng cảm ơn Đại học Quốc gia Hà nội, Ban Giám hiệu, Phịng Khoa học Cơng nghệ, Phòng Ke hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên giúp đỡ tạo điều kiện mặt tài thủ tục khác suốt thời gian làm đề tài Xin trân trọng cảm om CÁC KÉT QUẢ CHÍNH KỸ THUẬT NÉN XUNG TRONG CÁC HỆ THỐNG RAĐA 1.1 Tổng quan hệ thống rađa RADAR từ viết tắt cụm từ “RAdio Detection And Ranging” có nghĩa là: phương tiện dùng sóng vơ tuyển điện để phát xác định vị trí mục tiêu Tên hải quân Mỹ đặt ừong đại chiến thể giới lần thứ hai, không đủ nghĩa đâ trở nên thông dụng khắp giới Radar biết đến vào năm đầu kỉ 20, ý tưởng sở radar thí nghiệm cổ điển xạ điện từ cuối năm 1880 nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz cuối nhừng năm 1880 Vào năm 1904, Christian Hiilsmeyer nhận sáng chế cho thiết bị gọi Teỉemobiloscope (hay thiết bị quan sát vật thể từ xa) Nó đề nghị sử dụng thiết bị tránh va trạm cho tàu Nhưng khơng thu hút ý nhanh chóng rơi vào quên lãng Năm 1922, Guglielmo Marconi có diễn thuyết,ơng có ý tưởng cho phát vật thể từ xa sử dụng sóng vơ tuyển Nhưng đến năm 1933 ông đưa thiết bị Năm 1925/26, nhà vật lý người Mỹ, nhà nghiên cửu người Anh đưa thí nghiệm đo thơng số khí dụng thiết bị phát xung vô tuyến coi radar Năm 1933 mà Hitler lên nắm quyền Đức viện German Kriegsmarine (Navy) bắt đầu nghiên cứu Funkmesstecknik hay cịn gọi cơng nghệ đo đạc từ xa Những nghiên cứu nước Nga năm 1934, Nhưng ban đầu gặp phải khó khăn vấn đề trị, cho đời thiết bị phát máy bay từ khoảng cách 70 km Những năm 1935-37,Sir Robert Watson-Watt (1892-1973) thành công việc tạo hệ thống thiết bị cho phép phát máy bay ném bom từ khoảng cách 150 km trí cịn xa Và ơng coi người phát minh hệ thống radar hoàn chỉnh Và đến năm 1939, hệ thống xuất nước là: Anh, Pháp, Đức, Hungary, Ý, Nhật, Hà Lan, Phần Lan, Nga Mỹ Thời kỳ chiến tranh giới lần thứ II, với sức mạnh người Đức, ác liệt cùa chiến tranh, tốc độ phát triên khoa học quân Radar trở thành khí tài quân không thê thiếu với quân đội nước Làm cho phát triển radar đạt kết lớn Sau chiến tranh giới thứ II, người Đức tạm dừng tât nghiên cứu vê radar, năm 1950 dự án nghiên cứu radar bị cẩm Rất nhiều nhà nghiên cứu phải di cư sang nước khác để tiếp tục nghệp Radar bảo mật cao suốt chiến tranh giới II, đên năm 1946 thiết bị người Mỹ cơng bố rộng rãi, dùng để đo khoảng cách đến mặt trăng (và cho kết khoảng 385 000 km),và đến người ta biết chí người Hungary làm được điều tương tự từ năm 1944 Thời kỳ chiến tranh lạnh (1945-1989), chiến tranh Việt Nam (19611975) tên lửa chống phản xạ mang máy bay F-105 Mỹ lần đẩu tiên sử dụng,được quân Mỹ gọi “Chồn hoang” Cho đến ngày hôm ngồi mục đích phục vụ chiến tranh radar có mặt nhiều lĩch vực đời sống như: Radar lĩnh vực hàng khơng: • Máy bay dân dụng trang bị thiết bị Radar để cảnh báo chướng ngại v ậ t, thăm dò đường đưa độ cao xác • Máy bay hạ cánh sương mù sân bay trang bị hệ thống điều khiển mặt đất hỗ trợ Radar.Trong đường bay theo dõi hình Radar • Điều khiển giao thông hàng không Đặc biệt lĩnh vực quân SỊT radar trở thành trang bị quan trọng quan trọng nhẩí quan đội quốc gia: • Rađar sử dụng để phát máy bay tàu đối phương • Radar điều khiển hoả lực để tiêu diệt mục tiêu • Radar dẫn đường cho khơng qn tiêm kích , oanh tạc mục tiêu khơng nhìn thấy • Các hệ thống giám sát dẫn đường, Radar sử dụng cho nghiên cứu khoa học phòng thủ Radar lĩnh vực tượng: Radar ứng dụng để đo khoảng cách , diện tích địa lý ,tìm định vị ngồi khơi Ngồi ra, radar cịn sử đụng để nghiên cứu hành tinh tầng điện ly thuộc hệ mặt trời, phát tia sáng vật thể di chuyển ngồi khơng gian 1.2 Kỹ thuật nén xung nâng cao độ phân giải Độ phân giải theo khoảng cách: Độ phân giải theo khoảng cách radar ỉà khả khoảng cách cùa radar cịn phân biệt hai nhiều mục tiêu gần Xung Lc R háp klióa dịcli pha nhị phân BPSK xen kẽ rị plt duới ílạitạ chuỗi xung Két qua tính tốn mó phong cho thay với ý tironi; phát xen kẽ hai 111(1 (lùi ngtiri kluíc đàm bủn cho độ phán giúi mục íiâu với đỏi tượng a {’ân vã Cling I an đàn\ bào cơtií! suất pll Aurìtỉ đê tìm kiem đối tưtnig XII Các kênh tru yến {lần có suy lum võ nhiều đưtrt mó phơng girn KÌOIIỊỈ với mồi trường thụt' lẽ Kỹ thuật nén vunỊ cĩiníỊ thiết ké vù mô I>linnị> chứtiỊỊ lỉiinli chác chân kỹ thuật phát WII kẽ rùiv đỏm báo hoạt độIIí; hiẽu cùn hệ thong radar Hệ ìhoiiỊỊ vù đuiiỉỊ niỊlúên cứu phút trìẽn róc hệ vi điền khiên f 'PCA Từ khóa: Mã Barker, mã M, BPSK, mơ phịng hệ rađa, nén xtmg Abstract: This paper reports a technical solution fo r scurcliiiifi o f targeis near and fur radar stations Two cocks o f Barker code 13 bit and long pseudo-random M aide arc modulated interleave clue to BFSK method The results of Marlub simulation show that this pulse RPSK radar signal ensure completely resolution of dctcainfi and power of mmsmittinf' pulse The results o f channel cirrenItalian and pul.se compression simulation Ilf this signal are also indicated the hiifli performance of syswni Tin1 research has been developed using microcontroller and programmable logic devii'cs Keyword: Barker code, M code, BPSK, radar simulation, pulse compression 26 PiiH.'ccilinS' Ill IC T.iiU l'O S Hanoi A lly S-1) 2(M»N K v y o u H ộ i lim n K T i d a 'd X li G IỚ I T H IỆ U V Các hệ thốnsĩ radar phân loại phong phú đa dạng chùng loại, tùy iheo đặc đièm a ia hệ Ihống hay iheo m ục tiêu sư dụns T heo phân loại đó, việc lựa chọn loại mã phương pháp điều chế m ã đê phái lín hiệu dơ Lìm m ục tiêu quvel định hoại động cùa hệ Khó 11 » chí bên phân phát, phản [hu phài có kỹ Ihuậl xử lý Ihóng m inh hiệu q u ả để có Ihẽ thu nhiều Ihơng tin hữu ích nhắi tín hiệu vọng irỡ H m ã m ã B arker m ã M (mã gia ngẫu nhiên CiNN) dirợc sử dụng trone nghiên cứu đ é linh động đồng thời tìm kiếm m ục tiêu gần xa, hồ trợ lốt cho k ĩ thuật nén XU11” nam tron*! lọc khối ihu N hững kết quà m ỏ phone cùa báo cáo hoàn lơàn có ihẽ d ùna Ihiết kế chế lạo phần n g với sir (lụng cùa vi điều khiên linh kiện logic lập [rình PLD (program m able logic devices') M Ộ T SĨ LÍ T H U Y É T RAĐA c o SỞ C H O Q U Á T R ÌN H N G H IÊ N c l l M Ô PH Ỏ N G C ác hệ Ihơna tin định vị vó tuyến cỏ phương Irình chuns: m ô la hầu hểl mối liên quan giữ a Ihơng số quan trọng với li số lín hiệu tạp SN R (Signal lo NoiSí’ Ratio) P h n s trình gọi phương trình radíU' (]): (S,\’R )r,„ = P' G ' ^ a ( x ) ' k T BFLR (h T rong đó, p , - cô n a suấl xung phát, ũ - hệ số khuếch đại ãng-len À - bước sóng tín hiệu = P,/Pi) - lượng phan xạ/mậl độ Iiãng lượiic tới m ục tiêu - gọi tiết diện cất cùa rađa {Radar Cross Section - RCS) k - hàng số B o lt/m an l Tt - nhiệt độ nhiễu hiệu dụng 27 độ = í VA'R),„/ rộntì bảiiiỉ thơns ■i.SXKì (noisc figure) / - đặc inmọ: cho nliửniỊ mấi mát cua radar Naồi cịn có mộl phirơna trình khác tính tốn cho cự 1\ phái tói đu Rniax cua hệ radiir: = PGÁƠ (2 ) iAĩĩ) kl\ B F { S S R ) T a nhận ihấy ca ti số tín hiệu lạp SNR„„t klioans cách phụ thuộc vào cóna suấl xung phái p, Có nahĩa la tang p, có hai đại hrợiiii đo tốt l;i SNR„„,\ÌI Vẻ phương diện kĩ thuật, điều nàv đồng ngliìa vói việc độ rộns XUI12 r cua fill hiệu radar xung M ặl khác, có sir phụ ihuộc cũa độ phân giài R (range resolution ì vào độ rộng xunsị r hay bãng thơng B 2 fì (3) T heo pillion ” trinh (3) độ phân giai IĨ1 Ị1C tiêu cao độ rộnạ xung nho Như có m ột tranh chấp độ rộn" xun" tín hiệu phát r đ ẻ có Ihê có phép lốt cho SNR,,ul vã AK Giai pháp đâv sử dụng kỹ thuật nén XUI1S Khi phát, khôi phái lạo xun" dài đám bão cho đú [lãn lượna xung (lốt cho SNR„,„ Khi ihu tín hiệu phàn xạ lir mục tiêu, XIIna dài b] chia đêu thành n đoạn cộnt! lại vói đé có mội xuniỉ thu nhận ncắn đám bao cho AR nhó Kỹ thuật nhóm nchiên cứu thê rõ nén xung mã Barker M ã B arker lù chuỏi mã có eiá tri nhái định, có chiều dài chuỗi cũna !ỉiú trị định (Bántỉ ì) Mũ Barker lira chọn NÌ nén \U 11 L’ sè thu nliận kẻt qua đáu cua hàm tụ t ươn Sỉ quan (aiilo-correlatiorn cỏ inộl đinh có dài hãiiL' độ dài mã N cịn đinh phu cú tiiá ỉn hãiT_' I (Hình 2.1) Khi đo Ky véu Hội ihiio ICT.iila'DS Pi’OL'ri'iliii'jN ta ill nhận hiết thời điém cua xuna phán xạ trớ Bang 2.1 Các i lm ồi mờ IkirkciC hiều dài N Cliuồi Iiiã Barker 10 110 1110 11101 1110010 II ]11000]0010 13 M il 100111)101 III l( T I'll.i'UN 11.mill Aim S-‘J 2IM)S M Sau đ(') hai mà đưọv hị trĩ lệch plì.i vú CỘI)tỉ lại qua hơ cóny Hiiìh , ỉ j M lìình khơi tạo mã Barker rờ nu7 M pliiìl xen kè Kèt qua th i trons hình ánh chụp cùa (Jao độim kí hĩnh 3.2 Hình ì H ùm tự tươrt IỊ