1. Bộ lc thích ứng số x dụng bộ x lí tương quan
2.5.2 Nén xung trong radar atcr 33s-dpc
2.5.2.1 Gi i thiệu
K thuật n n xung liên quan đến việc m hoá s ng khi phát và việc x lí tín hiệu phản hồi thu đư c để c một xung h p. Như vậy hệ thống radar sẽ
105
c độ phân giải của xung h p nhưng lại vẫn gi đư c công suất phát với xung dài.
Việc s dụng xung dài cho hiệu qủa cao đối với các radar c công suất trung bình. N tránh đư c việc phát tín hiệu với công suất đỉnh cao (điều này c thể gây ra quá tải cho các đư ng kết nối của hệ thống hay gây ra cháy không khí và tạo áp suất cao với các thiết b dẫn).
Công suất trung bình của radar phụ thuộc vào c li, n c thể tăng mà không c n tăng t n số lặp lại xung PRF do vậy n giảm đư c nh ng khoảng không mập m của radar. Cuối cùng với việc các radar s dụng k thuật này sẽ giảm đư c tác động từ nhiễu bên ngoài, nhiễu từ các tín hiệu phát khác vì các tín hiệu này không giống với các tín hiệu đư c m hoá khi truyền đi. Điều này hơn hẳn các loại radar tryền thống .
2.5.2.2Bộ phát số
Các bộ phát số s dụng thông tin pha theo th i gian đư c đ nh trước cho việc điều khiển tín hiệu. Các thông tin này thư ng đư c phát theo kiểu số bằng việc s dụng các hằng sốđư c ghi trong các bộ nhớ thư ng trú hoặc đư c cung cấp từ bộ nhớ của hệ thống. Tuy nhiên việc số hoá này sẽ giới hạn băng t n dưới 100MHz. Ưu điểm của phương pháp này là các dạng s ng c th i gian dài không phải là một vấn đề kh giải quyết, kết quảcủa phương pháp này rất ổn đ nh trong nhiều c li và trong nhiều điều kiện hoạt động.
106
Thành ph n điều khiển pha cho ph p lấy mẫu với các thành ph n pha I và pha Q. Chúng sẽ đư c chuyển đổi sang các thành ph n tương t . Các mẫu pha này sẽ xác đ nh các thành ph n trong băng cơ bản của s ng mong muốn. Các mạch lấy và gi mẫu c tác dụng loại bỏ các thành ph n chuyển tiếp.
Các thành ph n I(t) và Q(t) đư c điều chế trên hai s ng mang tương ứng là s ng mang 0˚ và s ng mang 90˚ . ạng s ng mong muốn sẽ là tổng của hai s ng mang này.
107
Hình 2.25 Phương thức hoạt động bộ l c n n xung
N n xung trong radar ATCR 33S-DPC liên quan đến dạng s ng m hoá trong chức năng bộ phát truyền dẫn, kiểm tra tín hiệu và n n xung c bù STC và các tác dụng m o dạng s ng trong bộ x lí tín hiệu.
Tín hiệu truyền dẫn ởđ y là tín hiệu điều t n không tuyến tính ( nonelinear FM). C hai dạng xung ng n và dài đư c truyền đi. Cả hai dạng này đều đư c điều t n không tuyến tính. Dạng xung dài c độ rộng xung là 100 μs và dạng xung ng n c độ rộng xung là 10 μs.
Mục đích của việc truyền các xung ng n là để bao phủ nh ng khoảng cách g n của radar mà nh ng xung dài không c tác dụng trong khoảng này.
Độ rộng xung T = 100 μs với tách c li dài
T = 10 μs với tách c li ng n
M dạng s ng Chirp
Kiểu điều chếĐiều t n phi tuyến Độ dài xung phụ τ = 1 μs
N n xung số trong radar đư c th c hiện sau khi tín hiệu phản xạ vềđư c chuyển đổi sang dạng số. Ở đ y ngư i ta s dụng các bộ l c thích ứng để th c hiện việc n n xung số. Bộ l c đư c s dụng ởđ y là bộ l c c đápứng xung c chiều dài h u hạn FIR ( Finite Impulse Response).
Quá trình x lí ở đ y đư c th c hiện bởi bộ l c FIR tương đương với việc biến đổi ngư c tín hiệu đư c tạo ra ở phía phát. Quá trình n n xung sẽ tạo ra các xung phụ với độ rộng là 1 μs . Với các xung phụ như vậy c thể phân biệt
108
tín hiệu phản xạ về trong một n a chu kì ( thư ng là 533ns).
Trong việc th c hiện các hoạt động n n xung, các mẫu tín hiệu (vevtor) đều ở dạng phức. Các bộ l c FIR c n c các tr ng số tín hiệu ở dạng phức.
M i bộ l c c khả năng x lí lớn nhất lên tới 256 mẫu phản xạ về. Quá trình x líởđ y là nhân các mẫu vector tín hiệu với các vector tr ng sốđể x p xếp pha của các mẫu, kết h p và khôi phục biên độ ban đ u của chúng.
Quá trình th c hiện các hàm n n xung nhìn chung là như sau:
Sout = Σ Si * Wi
với Sout = tín hiệu n n ở sạng phức
Si = vector tín hiệu dạng phức Wi = vector tr ng số dạng phức i = 1, 2, 3,….., 256 Quá trình n n xung số c tỉ lệ n n là : CR = 100/0,533 = 187 với s ng c li dài CR = 10/0,533 = 18,7 với s ng c li ng n
Các bộ l c FIR s dụng cho n n xung x lí 256 mẫu với c li dài và 56 mẫu với c li ng n.
2.5.2.4 Ho t động n n xung số
Hoạt động n n xung số trong máy thu radar ATCR 33S-DPC. Chức năng n n xung số của radar đư c th c hiện cảở tín hiệu mục tiêu và th i tiết. Tín hiệu từ bộ chuyển đổi A/D đư c đưa tới bộDIO ( Digital input/output). Tại
109
đ y chức năng đ u tiên của bộ này đối với tín hiệu là chức năng chống STC (Anti - STC).
Chức năng STC c trong khối FER của máy thu. N x líđể nh ng tín hiệu mạnh ở mức RF nằm trong dải động của máy thu. Tuy nhiên mức suy hao do STC tạo ra đối với tín hiệu là khác nhau theo t n số. Các tín hiệu ởđ y là các tín hiệu điều t n không tuyến tính. Điều này dẫn đến quan hệ về biên độ của các thành ph n t n số khác nhau trong tín hiệu điều t n phi tuyến sẽ b thay đổi do m o tín hiệu.
Vì quá trình n n xung c liên quan tới pha của các mẫu tín hiệu điều t n không tuyến tính theo một phương thức đư c thiết lập trước nên việc các tín hiệu tới n n xung phải c pha đúng là rất quan tr ng. Nếu các mẫu c pha đúng thì sau khi n n xung sẽ cho một kết quảđúng.
Do vậy các tín hiệu trước khi đư c đưa vào n n xung phải đư c x lí theo một luật g i là luật đảo STC (luật này cũng tính toán đến m o trong tín hiệu). Th c hiện luật Anti-STC sẽ chuẩn lại tín hiệu, s các dạng m o xuất hiện trong tín hiệu. Cũng như luật STC luật Anti-STC cũng khác biệt với các khoảng các khác nhau, g c ngẩng khác nhau, tín hiệu chính hay phụ, tín hiệu mục tiêu hay th i tiết.
Tín hiệu sau khi đư c chuẩn lại bằng luật STC thì sẽđư c đưa tới bộ n n xung DPC (Digital pulse compresion). Bộ DPC logic sẽ th c hiện chức năng n n xung này. Chức năng n n của bộ DPC logic đối với các xung dài 100 μs và xung ng n 10 μs là khác nhau. Xung ng n c t n sốđiều t n lên cõn xung dài thì c t n sốđiều t n xuống.
Hoạt động của bộ l c FIR quay pha của mẫu tín hiệu điều t n không tuyến tính đối với hai xung khác nhau là khác nhau. Một tín hiệu ch n từ bộ x lí
110
d liệu đư c đưa đến bộ DPC logic giúp cho n ch n l a x lí n n xung.
Bộ l c FIR trong khối DPC logic nhận các mẫu tín hiệu điều t n không tuyến tính ở một khoảng cách khối (533 ns). M i mẫu c giá tr ở một điểm khác nhau trong th i gian tín hiệu phản xạ về. Các mẫu này đều c t n số, pha khác nhau phụ thuộc vào việc điều t n ở tín hiệu phát.
Bộ l c FIR sẽ chuẩn lại các pha để x p xếp các thành ph n vector mẫu tín hiệu chẳng hạn như khi các thành ph n đư c x p xếp và cộng lại thì kết quả là tín hiệu c giá tr trong c li khối mới và c pha như thể là tín hiệu truyền dẫn chưa đư c điều t n.
Để th c hiện n n xung, bộ lộc FIR nhân các vector tín hiệu mẫu với các vector tr ng số (tất cảđều là số phức). Kết quả là sẽ c một thành ph n th c và một thành ph n ảo. Nh ng thành ph n này sẽ ra ngoài bộ DPC theo hai đư ng.
Hoạt động loại suy hao STC khỏi tín hiệu mẫu đư c ht c hiện để ch c ch n các mẫu tín hiệu không b m o khi tới n n xung. Tuy nhiên vẫn c n thiết phải thêm suy hao STC một l n n a để ch c ch n tín hiệu n n xung nằm trong dải động của bộ x lí tín hiệu. Việc thêm suy hao STC đư c th c hiện trên hai thành ph n th c vàảo của tín hiệu đư c n n xung.
Đ u ra từ khối DPC sau đ lại trở lại vào khối DIO. Trong suốt quá trình truyền dẫn, tín hiệu đ u tiên đư c truyền là một xung ng n và xung dài chỉđư c truyền sau 100 μs sau khi quá trình truyền xung ng n kết thúc. Điều này làm cho tín hiêu phản xạ về sau 100 μs là tín hiệu của xung ng n.
Trong khi truyền dẫn một xung dài, tín hiệu phản xạ về không đư c nhận bởi máy thu trong 100 μs. Nhưng trong 100 μs này tín hiệu trả vềđư c tiếp
111
thu tại máy thu là của xung ng n. S tiếp nhận xung phản xạ của xung dài sẽb t đ u tới máy thu sau 100 μs sau khi b t đ u truyền xung dài.
Để x p xếp cá tín hiệu phản xạ về của xung ng n và xung dài thì các tín hiệu phản xạ vềđư c lưu trong khối DIO. Khối DIO g i tín hiệu phản xạ của xung dài ra ngoài tức th i (không trễ), còn đối với xung ng n là sau 200 μs (trễ 200 μs) . Vì thế các xung phản xạ ng n dài đư c g i ra đồng th i mà không c khoảng cách về th i gian.
Tuy nhiên các tín hiệu phản xạ về của xung ng n hay xung dài cũng không quan tr ng l m đối với quá trình tiếp nhận và x lí mục tiêu. Tất cả nh ng gì mà radar c n thiết là tín hiệu phản xạ về từ khoảng cách nhỏ nhất tới khoảng cách lớn nhất của n (trong phạm vi hoạt động của radar).
Tín hiệu sau khi đư c g i ra khỏi khối DIO sẽđư c g i đến chuyển mạch kênh (Channel redundacy switch). Chuyển mạch này cho ph p kết nối đ u vào của chúng với bộ l c thích nghi liên tục (CAFEE) của kênh mục tiêu hoặc của kênh th i tiết. Đ u ra của chuyển mạch đư c chia làm hai đư ng : bộ CAFEE và bộ tích phân kết h p.
113
CHƢƠNG 3 : MÔ PHỎNG KỸ THUẬT NÉN XUNG
3.1 Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại
Chức năng cơ bản nhất trong rađa là s phát hiện có hay không có mục tiêu hay các hiện tư ng vật lý. Điều đ y u c u việc quyết đ nh xem là tại lối vào khối thu tại các th i điểm nhất đ nh có hay không có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hay chỉ đơn thu n là nhiễu. Quyết đ nh này thư ng đư c rút ra khi so sánh bi n độ của tín hiệu phản xạ A(t) với một thế ngưỡng V(t) đ đư c thiết lập trước trong hệ thống. Th i gian c n thiết cho một xung truyền đi một khoảng cách R và nếu có trở về là t = 2R/c (c là vận tốc ánh sáng). Khi đ , có thể xác nhận là có mục tiêu nằm tại phạm vi:
2
t c
R
(3.1)
Tiếp sau khi mục ti u đ đư c phát hiện, ta c n xác đ nh v trí và vận tốc của mục ti u. Để xác đ nh v trí, chúng ta thư ng s dụng hệ t a độ c u. Ngoài thông số R vừa đo đư c, g c phương v (azimuth angle) và góc ngẩng
(elevation angle) đư c xác đ nh theo hướng của ăng-ten hệ thống, vì rằng mục ti u thư ng xác đ nh nh bởi búpsóng chính của ăng-ten. Vận tốc v của mục ti u đư c khai thác từ việc đo độ d ch t n Doppler fd cho các mục tiêu chuyển động lại g n hay ra xa mục tiêu.
v
fd 2 (3.2)
Trong đ , là bước sóng của bức xạ từ ăng-ten.
Trong các hệ rađa truyền thống, không chỉ có vậy, các hệ thống rađa hiện đại (imaging ra a) có khả năng tái tạo đư c ảnh hai chiều (two-dimensional image) của đối tư ng. Đ y là một trong nh ng phát triển quan tr ng, đư c khai thác trong rất nhiều các ứng dụng, ví dụ như ph n tích chủng loại mục
114
tiêu quân s , vẽ bản đồ, phân tích trạng thái băng bao phủ, trạng thái rừng b phá, theo dõi s biến đổi của đ a hình mặt đất… ác ảnh chụp bởi rađa này không c độ phân giải cao hơn các ảnh chụp quang h c, nhưng với việc suy giảm rất ít s ng điện từ khi đi qua các đám m y, sương mù, lại cho rađa một t m nhìn tuyệt v i hơn nhiều. Chính vì thế, với một hệ thống rađa hiện đại, việc nghiên cứu và xây d ng các hệ thống x lý ảnh số (digital image processing) là một ph n c c kì quan tr ng không thể thiếu.
Chất lư ng của rađa đư c đo bằng các hệ số phẩm chất. Với m i yêu c u khác nhau, sẽ có một số thông số trong các hệ số trên c n đư c ưu ti n hơn so với các thông số khác. Ví dụ trong yêu c u phát hiện mục tiêu, thông số cơ bản là xác suất phát hiện PD (probability of detection), xác suất phát hiện l m
Pfa (probability of false alarm). Với một hệ thống, PD càng lớn càng tốt, Pfa
càng nhỏ càng tốt. Tuy nhi n, thư ng không đạt đư c cùng một chiều hướng như vậy. Để dung hòa, ngư i ta s dụng tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa SIR
(signal-to-interference ratio).
Khi có nhiều mục tiêu cùng trong t m nhìn của rađa, rất quan tr ng c n xem xét thêm về độ phân giải (resolution) và ảnh hưởng của các búp sóng phụ của ăng-ten (side lobes) vì nếu không, có thể dẫn đến một kết luận sai l m là chỉ phát hiện đư c một mục tiêu trong khi có hai mục tiêu g n nhau. Theo nhiều lý thuyết cho thấy, độ phân giải phụ thuộc chính vào dạng s ng đư c phát đi, và khâu x lí tín hiệu phản xạ trở về.
Trong kỹ thuật x lý tín hiệu rađa, c nhiều khái niệm và k thuật tương đồng với các l nh v c x lý tín hiệu thông tin khác. Ví dụ như các khối l c tuyến tính (linear filtering) hay lý thuyết phát hiện thống kê (statistical detection theory) là một trong các khối trung tâm trong x lý tín hiệu rađa. ác ph p biến đổi ourier, đư c hiện đại hóa bởi phép biến đổi Fourier nhanh FFT (fast Fourier transform), là các thuật toán chính đư c dùng trong các bộ l c phối
115
h p (matched filter), trong các ước tính về hiệu ứng Doppler hay trong các phép x lý ảnh. Trong ph n trình bày dưới đ y, chúng ta c thể thấy vai trò quan tr ng của các bộ l c. Với kỹ thuật x lý số, các bộ l c này sẽ đều là các bộ l c số, với các thuật toán và cấu trúc bộ l c rất phong phú và đa dạng. Các bộ biến đổi A/D, D/A là ranh giới biên của thế giới tín hiệu tương t với thế giới tín hiệu số, sẽ c n đư c triển khai và khai thác để có thể th c hiện đư c nhiệm vụ x lý số cho tín hiệu rađa.
Bên cạnh nh ng điểm giống nhau trên, x lý tín hiệu rađa cũng c một số kỹ thuật khác biệt hẳn so với các l nh v c khác. ác rađa hiện nay thư ng là dạng tương can (coherent), c ngh a là tín hiệu nhận đư c về, sau khi giải điều chế về băng t n cơ sở, sẽ là một giá tr phức chứ không phải giá tr th c (thành ph n I và Q). Về bi n độ, tín hiệu thu rađa c một dải động rất lớn, có thể l n đến vài chục, hoặc thậm chí 100 dB. Vì vậy, trong khối thu, c n có