Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại

1. Bộ lc thích ứng số x dụng bộ x lí tương quan

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 phương án t động điều chỉnh hệ số khuếch đại (gain control) để tránh tình trạng tín hiệu yếu b che bởi các tín hiệu mạnh hơn. Theo đ , SIR sẽ đư c điều chỉnh thích h p.

Đặc biệt quan tr ng, so với các ứng dụng SP khác, băng thông của tín hiệu rađa rất lớn. Băng thông tức th i cho một xung đơn thư ng cỡ vài MHz, trong các rađa độ phân giải cao, có thể lên tới vài trăm M z, thậm chí 1 z. Điều này là một trở ngại lớn cho các khâu x lý SP. Đ y cũng xem là một trong nh ng trở ngại luôn c n cân nh c khi ngư i thiết kế muốn l a ch n các linh kiện thích h p.

Một xu hướng khác hiện nay, là khả năng x lý th i gian th c (real-time processing) so với x lý từng mảng d liệu như trước đ y (block processing), kỹ thuật c đư c khi thiết kế / , / tr n tương can với các bo DSP tốc độ cao. Đ y cũng là một ưu việt của các rađa hiện đại x lí số. Trong nghiên cứu của luận án đ đưa ra giải pháp thiết kế và chế tạo khối A/D, D/A tốc độ cao này.

116

Mục tiêu của khóa luận là tập trung vào ph n gia công tín hiệu, phát tín hiệu xung rộng mã pha và thực hiện nén xung ở phía máy thu. Khi phát đi tín hiệu dải rộng, một ưu điểm lớn thu đư c là cho phép giảm công suất đỉnh xung trong khi vẫn đảm bảo đư c công suất trung bình, và như thế vẫn đảm bảo đư c c ly phát hiện trong phương trình rađa. Khi làm giảm công suất đỉnh xung cho phép s dụng các bóng bán dẫn thay cho các đèn Manhetron và các đèn điện t siêu cao t n khác.

Công cụ đư c dùng để th c hiện là s dụng các ph n mềm mô phỏng chuyên dụng để tính toán khả năng th c hiện, xây d ng hệ thống và tính toán các thông số liên quan tối ưu hệ thống.