Nghiên cứu bài toán phát hiện mục tiêu của hệ thống rađa thụ động dùng năng lượng sóng truyền hình số mặt đất

Bài viết này trình bày các kết quả nghiên cứu khảo sát các chỉ tiêu chất lượng phát hiện của hệ thống rađa thụ động dùng năng lượng sóng truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) với mô hình mục tiêu Swerling 5 đứng yên và mô hình nhiễu cộng tính, độc lập thống kê theo các phân bố khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo!

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU CỦA HỆ THỐNG RAĐA THỤ ĐỘNG DÙNG NĂNG LƯỢNG SĨNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT STUDY ON TARGET DETECTION PROBLEM OF PASSIVE RADAR SYSTEMS USING DVB-T ILLUMINATORS OF OPPORTUNITY 1 Nguyễn Mạnh Cường , Nguyễn Thanh Hưng , Vũ Đăng Chiến 2 Phùng Ngọc Anh , Lê Duy Đức , Nguyễn Thanh Chinh Học viện Kỹ thuật quân sự, 2Học viện Phịng khơng - Khơng qn, 3Viện Kỹ thuật hải quân Ngày nhận bài: 26/10/2020, Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2020, Phản biện: TS Vũ Chí Thanh Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu khảo sát tiêu chất lượng phát hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) với mơ hình mục tiêu Swerling đứng n mơ hình nhiễu cộng tính, độc lập thống kê theo phân bố khác Trong đó, q trình mơ thực phần mềm MatLab bao gồm tạo tín hiệu DVB-T nhiễu theo phân bố cho trước, xử lý tương quan chéo, phát CFAR (Constant false alarm rate), khảo sát với số lượng phép thử lớn để đưa đặc tuyến phát theo tỷ số tín/nhiễu lối vào xử lý tương quan chéo Từ khóa: rađa thụ động, truyền hình số mặt đất (DVB-T), xác suất phát đúng, xác suất báo động lầm, xử lý tương quan chéo, phát ổn định xác suất báo động lầm (CFAR) Abstract: This paper presents investigation results on detection performance of passive radar systems using DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) illuminators of opportunity with the SW5 stationary target model and statistically independent additive clutter model with different distributions The investigation was performed by simulations on MatLab software, including the generating process of DVB-T signal and clutter with given distributions, cross-correlation processing, CFAR (Constant false alarm rate) detection, with a large number of trials to derive the detection probability curves as a function of signal/clutter ratio at the cross-correlation processor's entrance Keywords: passive radar, Digital Video Broadcasting – Terrestrial (DVB-T), detection probability, false alarm probability, cross-correlation processing, constant false alarm rate (CFAR) detection MỞ ĐẦU Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng Số 24 hệ thống rađa thụ động dùng xạ sẵn có khơng gian quan sát (như 77 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) sóng phát [1],[4]-[8], truyền hình [1],[4]-[8], truyền thơng di động [4]-[7], tín hiệu vệ tinh [3], sóng WIFI [4],…) quan tâm Tại Việt Nam, trạm phát sóng truyền hình số mặt đất (DVB-T: Digital Video Broadcasting Terrestrial) triển khai diện rộng Hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng DVB-T hoạt động dựa sở thu nhận lượng phản xạ từ mục tiêu chiếu xạ trạm phát DVB-T không gian quan sát Hệ thống xác định hướng từ vị trí thu đến mục tiêu anten thu có búp sóng hẹp Đồng thời, vị trí thu tiến hành tính hàm tương quan chéo tín hiệu phản xạ từ mục tiêu tín hiệu chiếu xạ trực tiếp từ nguồn xạ Vị trí cực đại hàm tương quan chéo cho phép xác định hiệu cự ly truyền tín hiệu phản xạ tín hiệu chiếu xạ trực tiếp Như vậy, với số vị trí thu, tọa độ mục tiêu xác định Sơ đồ chức đơn giản hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất (DVB-T) [1][8] thể hình Hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất DVB-T làm việc với dạng tín hiệu phức tạp, trước Mặt khác, thu tín hiệu phản xạ yếu, ln tồn tín hiệu chiếu xạ trực tiếp mạnh Từ địi hỏi máy thu hệ thống rađa thụ động cần phải có hệ số tạp âm thấp, dải động lớn Các máy thu thường máy thu số với tín hiệu đầu số hóa để đưa tới khâu xử 78 lý Một khó khăn hệ thống rađa tín hiệu chiếu xạ trực tiếp lớn liên tục Điều khắc phục nhờ thực lọc thích nghi Đây khâu xử lý có tính chất định nhằm bảo đảm bướu bên tín hiệu chiếu xạ trực tiếp khơng che lấp bướu tín hiệu phản xạ khâu xử lý tương quan chéo tiếp sau Trạm phát DVB-T Mục tiêu Mạng anten thu tín hiệu phản xạ Mạng anten thu tín hiệu chiếu xạ trực tiếp Máy thu Máy thu Tạo giản đồ hướng Tạo giản đồ hướng Tiền chọn lọc Tiền chọn lọc Lọc thích nghi Lọc thích nghi Xử lý tương quan chéo Phát mục tiêu Ước lượng tham số mục tiêu Hình Hệ thống đa đa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất Bước xử lý then chốt hệ thống rađa thụ động xử lý tương quan chéo Nó vừa đóng vai trị lọc phối hợp, đồng thời cịn cung cấp ước lượng Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) cự ly bistatic Các tín hiệu truyền thơng nói chung tín hiệu ngẫu nhiên, có đặc trưng gần giống với tạp âm, tín hiệu có khuynh hướng tương quan với thân Khi đó, tín hiệu phản xạ tương quan với tín hiệu chiếu xạ trực tiếp với khoảng giữ chậm tương ứng Tập trung vào toán phát hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng DVB-T, chúng tơi hướng đến nghiên cứu mơ khâu xử lý tương quan chéo phát mục tiêu hưởng TPS, pilot miền tần số, khoảng bảo vệ miền thời gian tín hiệu thu được, đưa vào xử lý tương quan Nhập chế độ, tham số tín hiệu DVB-T, tham số mục tiêu, tham số nhiễu Tạo tín hiệu DVB-T miền tần số Biến đổi IFFT sang miền thời gian Tạo tín hiệu chiếu xạ trực tiếp Tạo tín hiệu phản xạ Tạo hỗn hợp tín+nhiễu chiếu xạ trực tiếp Tạo hỗn hợp tín+nhiễu phản xạ KHẢO SÁT ĐẶC TUYẾN PHÁT HIỆN Để khảo sát đặc tuyến phát hệ thống theo mô hình đề xuất, chúng tơi thực mơ phỏng, tính tốn phần mềm MATLAB Tín hiệu tạo giả xử lý hai kênh: kênh chiếu xạ trực tiếp kênh phản xạ Kết phép tương quan chéo hai kênh đưa đến phát (hình 2) Tại vị trí thu, chúng tơi khảo sát tiêu chất lượng phát chu kỳ xử lý tương quan Hỗn hợp tín hiệu kênh chiếu xạ trực tiếp bao gồm tín hiệu DVB-T truyền thẳng từ trạm phát đến vị trí thu cộng với nhiễu Hỗn hợp tín hiệu kênh phản xạ bao gồm tín hiệu DVBT phản xạ từ mục tiêu vị trí thu cộng với nhiễu Dữ liệu hai kênh đưa vào tính tương quan chéo thực phát theo CFAR Do hàm bất định cấu trúc tín hiệu DVB-T cịn số đỉnh không mong muốn (do TPS, pilot, khoảng bảo vệ gây ra) Để khắc phục, cần loại bỏ ảnh Số 24 Xư lý tư¬ng quan chÐo Phát mục tiêu Hình Lưu đồ tính tốn, khảo sát đặc tuyến phát Q trình mơ thực phần mềm MatLab, với tham số:  Mô hình mục tiêu điểm SW5 khơng thăng giáng, khơng chuyển động;  Tín hiệu có ích: cấu trúc DVB-T [2] (chế độ 2K, khoảng symbol hữu ích: TU = 224 s, khoảng bảo vệ: /TU = 1/32 = s, dải tần sử dụng: 7.61 MHz, phương thức điều chế: 64 QAM,  =  Kênh chiếu xạ trực tiếp bao gồm thành phần chiếu xạ trực tiếp DVB-T nhiễu với tỷ số tín/nhiễu: 20 dB; xét nhiễu khơng tương quan có phân bố Gauss  Kênh phản xạ bao gồm thành phần phản xạ DVB-T từ mục tiêu nhiễu; tỷ 79 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) số tín/nhiễu: 38 ÷ 16 dB; xét nhiễu khơng tương quan có phân bố: Gauss, Weibull Bảng Ngưỡng phát CFAR Xác suất báo động lầm (F) Ngưỡng phát CFAR (T)  Bộ phát hiện: CA-CFAR [9], số ô tham khảo: 24; số ô cách ly: 103 3.180965 104 3.769227  Khoảng thời gian tính tương quan chéo: Ttq = ÷ Symbol 105 4.322348 106 4.866287 KẾT QUẢ TÍNH TỐN MÔ PHỎNG 3.1 Khảo sát đặc tuyến phát hệ thống nhiễu phân bố Gauss Kết khảo sát xác suất báo động lầm (XSBĐL) hệ thống thể hình Để khảo sát XSPHĐ hệ thống, cần tiến hành mô theo lưu đồ hình 2, với điều kiện kênh phản xạ tổng hợp thành phần tín hiệu có ích thành phần nhiễu theo tỷ số tín/nhiễu (xét lối vào xử lý tương quan chéo) với dạng nhiễu có phân bố điển hình Trên hình thể phụ thuộc XSPHĐ theo tỷ số tín/nhiễu với nhiễu có phân bố Gauss, thời gian tính tương quan chéo: Ttq = Symbol = 224 s Hình Sự phụ thuộc XSBĐL theo ngưỡng nhiễu phân bố Gauss Từ kết khảo sát, xác định ngưỡng T cần đặt cho phát CFAR với XSBĐL cho trước, làm sở để khảo sát xác suất phát (XSPHĐ): 80 Hình Đặc tuyến phát tín hiệu DVB-T nhiễu phân bố Gauss, Ttq = Symbol Từ đặc tuyến cho thấy, tiêu chất phát đảm bảo với yêu cầu Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thấp tỷ số tín/nhiễu lối vào xử lý tương quan chéo Với xác suất báo động lầm: F = 106, xác suất phát đúng: D = 0.7, tỷ số tín/nhiễu u cầu mức: 19.6 dB Điều có xử lý tương quan chéo có vai trị lọc phối hợp (với cấu trúc tín hiệu DVB-T), tỷ số tín/nhiễu sau lọc tăng lên mức cực đại Tín hiệu DVB-T có độ rộng phổ lớn (7.61 MHz) liên tục theo thời gian, nên kết sau tương quan chéo có hệ số nén cao Hình kết xử lý tương quan chéo với tỷ số tín/nhiễu lối vào mức 20 dB, lối mục tiêu xuất vị trí 50 µs (tương ứng với cự ly mục tiêu giả lập) với biên độ trội Hình Đặc tuyến phát tín hiệu DVB-T nhiễu phân bố Gauss, Ttq = Symbol Hình Kết xử lý tương quan chéo với tỷ số tín/nhiễu mức 20dB, Ttq = Symbol Khảo sát đặc tuyến phát tăng thời gian tính tương quan chéo Ttq, kết thể hình hình Kết khảo sát cho thấy chất lượng phát hệ thống tăng nhanh tăng thời gian tính tương quan chéo Ttq Số 24 Hình Đặc tuyến phát tín hiệu DVB-T nhiễu phân bố Gauss, Ttq = Symbol Xét tỷ số tín/nhiễu mức 24 dB; xác suất báo động lầm F = 106; ta có phụ thuộc xác suất phát (D) theo thời gian tính tương quan chéo (Ttq) thể bảng 81 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Khảo sát XSPHĐ theo thời gian tích phân tương quan chéo Ttq Symbol Symbol Symbol D 0.038 0.374 0.959 3.2 Khảo sát đặc tuyến phát hệ thống nhiễu phân bố Weibull Khảo sát với mơ hình nhiễu phân bố Weibull với thời gian tính tương quan chéo Ttq = Sym, thu kết tương tự với nhiễu phân bố Gauss (hình 8, hình 9) Ngun nhân biến đổi phân bố nhiễu qua khâu xử lý tương quan chéo Phép tương quan chéo thực nhân nhiễu (có phân bố bất kỳ) với tín hiệu DVB-T, cộng lại cự ly thời gian tính tương quan Khi số lượng ô cự ly đủ lớn, phân bố nhiễu lối tiệm cận dần đến phân bố Gauss Hình Đặc tuyến phát tín hiệu DVB-T nhiễu phân bố Weibull k= 1, Ttq = Symbol Hình Đặc tuyến phát tín hiệu DVB-T nhiễu phân bố Weibull k= 5, Ttq = Symbol KẾT LUẬN Kết khảo sát cho thấy hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất DBV-T, để đảm bảo tiêu chất lượng phát hiện, cần yêu cầu thấp tỷ số tín/nhiễu lối vào xử lý tương quan chéo Khảo sát với dạng phân bố khác nhiễu lối vào xử lý tích phân tương quan cho thấy tiêu chất lượng phát hệ thống không phụ thuộc đáng kể vào dạng phân bố Điều sau xử lý tích phân tương quan, phân bố nhiễu tiệm cận dần đến phân bố chuẩn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 82 Del-Rey-Maestre, N.; Mata-Moya, D.; Jarabo-Amores, M.-P.; Gómez-del-Hoyo, P.-J.; BárcenaHumanes, J.-L.; Rosado-Sanz, J “Passive Radar Array Processing with Non-Uniform Linear Arrays for Ground Target’s Detection and Localization” Remote Sens 2017 Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] European Telecommunications Standards Institute; European Broadcasting Union “Digital Video Broadcasting (DVB) - Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television”, 2015 [3] Fabrizio Santi; Federica Pieralice; Debora Pastina “Multistatic GNSS-based passive radar for maritime surveillance with long integration times: Experimental results”, 2018 IEEE Radar Conference (RadarConf18), USA, 2018 [4] H Kuschel “Approaching 80 years of passive radar”, 2013 International Conference on Radar, Australia, 2013 [5] Marek Płotka; Mateusz Malanowski; Piotr Samczyński; Krzysztof Kulpa; Karol Abratkiewicz “Passive Bistatic Radar Based on VHF DVB-T Signal”, 2020 IEEE International Radar Conference (RADAR), USA, 2020 [6] Osama Mahfoudia; Franỗois Horlin; Xavier Neyt Pilot-based detection for DVB-T passive coherent location radars”, IET Radar, Sonar & Navigation, Volume: 14, Issue: 6, 6-2020 [7] Pedro Gomez-del-Hoyo; María-Pilar Jarabo-Amores; David Mata-Moya; Nerea Del-Rey-Maestre; Manuel Rosa-Zurera “DVB-T receiver independent of channel allocation, with frequency offset compensation for improving resolution in low cost passive radar”, IEEE Sensors Journal, 2020 [8] Tatiana Martelli; Fabiola Colone; Enrico Tilli; Annarita Di Lallo “Maritime surveillance via multifrequency DVB-T based passive radar”, 2017 IEEE Radar Conference (RadarConf), USA, 2017 [9] Vladimir G Galushko “Analysis of the CA CFAR algorithm as applied to detection of stationary Gaussian signals against a normal noise background”, 2016 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW), Ukraine, 2016 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Mạnh Cường tốt nghiệp đại học chuyên ngành rađa năm 1986; nhận Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật tự động hóa điều khiển từ xa năm 1998, Tiến sĩ chuyên ngành rađa - dẫn đường năm 2007 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả chủ nhiệm Bộ môn Rađa – Khoa Vô tuyến điện tử – Học viện Kỹ thuật quân Lĩnh vực nghiên cứu: rađa nhiều vị trí, rađa thụ động, MIMO rađa; hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia; xử lý tín hiệu, nhận dạng mục tiêu rađa, xử lý ảnh, thiết bị đầu cuối; thủy âm, hệ thống vũ khí nước Tác giả Nguyễn Thanh Hưng tốt nghiệp đại học chuyên ngành rađa năm 1992; nhận Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật tự động hóa điều khiển từ xa năm 1997 Học viện Kỹ thuật quân sự, Tiến sĩ chuyên ngành rađa năm 2005 Đại học Hàng không Matxcơva Tác giả giảng viên Bộ môn Rađa – Khoa Vô tuyến điện tử – Học viện Kỹ thuật quân Lĩnh vực nghiên cứu: rađa nhiều vị trí, rađa thụ động; hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia; xử lý tín hiệu, nhận dạng mục tiêu rađa, xử lý ảnh, thiết bị đầu cuối; thủy âm, hệ thống vũ khí nước Số 24 83 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tác giả Vũ Đăng Chiến tốt nghiệp đại học chuyên ngành rađa năm 2003, nhận Thạc sĩ chuyên ngành rađa – dẫn đường năm 2006 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả giảng viên Bộ môn Rađa – Khoa Vô tuyến điện tử – Học viện Kỹ thuật quân Lĩnh vực nghiên cứu: rađa nhiều vị trí, rađa thụ động; hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia; xử lý tín hiệu, nhận dạng mục tiêu rađa, xử lý ảnh, thiết bị đầu cuối; thủy âm, hệ thống vũ khí nước Tác giả Phùng Ngọc Anh tốt nghiệp đại học chuyên ngành vô tuyến điện tử thông tin liên lạc năm 1998; nhận Thạc sĩ chuyên ngành rađa – dẫn đường năm 2003, Tiến sĩ chuyên ngành rađa – dẫn đường năm 2018 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả công tác Khoa Rađa – Học viện Phịng khơng – Khơng qn Lĩnh vực nghiên cứu: ảnh hưởng biển Việt Nam đến khả phát mục tiêu rađa biển, mơ hình thống kê nhiễu biển, phát mục tiêu biển với việc ổn định xác suất báo động lầm, mô khả phát mục tiêu với mơ hình thống kê nhiễu 84 Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 24 85 ... tọa độ mục tiêu xác định Sơ đồ chức đơn giản hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất (DVB-T) [1][8] thể hình Hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất DVB-T... Xử lý tương quan chéo Phát mục tiêu Ước lượng tham số mục tiêu Hình Hệ thống đa đa thụ động dùng lượng sóng truyền hình số mặt đất Bước xử lý then chốt hệ thống rađa thụ động xử lý tương quan... phát sóng truyền hình số mặt đất (DVB-T: Digital Video Broadcasting Terrestrial) triển khai diện rộng Hệ thống rađa thụ động dùng lượng sóng DVB-T hoạt động dựa sở thu nhận lượng phản xạ từ mục