Các đặc tính ưu việt của phương pháp chiếu áp dụng cho MTI là: 1/ Khả năng chống biến dạng biên độ chùm xung;
2/ Khả năng tạo các vùng lọc chặn độ rộng tùy ý;
3/ Có thể lọc tín hiệu mục tiêu tốc độ xuyên tâm thấp và rất thấp.
Để làm rõ những đặc tính ưu việt phương pháp chiếu, luận án đã thực hiện mô
phỏng trên Matlab chế độ hoạt động của ra đa sau đây: bước sóng 0,2 m, chu kỳ thăm
dò T1 = 140•10-6 giây, (tương ứng với cự ly đơn trị D1 = 21 km), T2 = 170•10-6 (tương ứng với cự ly đơn trị D2= 25 km); kích thước chùm phương vị là N = 256. Kết quả xử lý các chùm có chu kỳ T1 và T2 ở đầu ra các sơ đồ chọn cực đại nhận được 21 và 25 mẫu cự ly (rời rạc cự ly), tương ứng. Sau đó, chúng được so sánh với các ngưỡng trong TBN1 và TBN2, và đối với mỗi mẫu này một dấu hiệu vượt hoặc không vượt ngưỡng được tạo ra. Đồng thời, mỗi cự ly thực đến mục tiêu trong dải 1- 40 km sẽ tương ứng với một cặp mẫu nhất định: một mẫu - từ chuỗi ở đầu vào TBN1 và một mẫu khác - từ chuỗi ở đầu vào TBN2.
Quyết định về sự hiện diện mục tiêu chỉ được đưa ra nếu mỗi mẫu trong cặp có dấu hiệu vượt ngưỡng và tương ứng với cùng một giá trị tốc độ hướng tâm.
Các đáp ứng tần số 2 và 3 được thể hiện trên các Hình 2.3…2.6.
Khả năng tạo các vùng lọc chặn độ rộng tùy ý.Đáp ứng tần số bộ lọc (2.12) với véc tơ trọng số khi kích thước chùm phương vị N = 256 được biểu thị trong Hình 2.3. Đáp ứng có một đỉnh chính tương ứng với tốc độ hướng tâm là 25 m/s và một vùng lọc chặn địa vật có chiều rộng 2 m/s ở mức âm 60 dB. Trong dải vận tốc hướng tâm còn lại, mức các búp bên thay đổi từ âm 19 đến âm 37 dB. Kích thước chùm phương vị lớn (N > 100) cho phép tạo ra các bộ lọc với dải lọc chặn lớn hơn nhiều so với trong Hình 2.3. Điều đó được hiển thị trong Hình 2.4 và 2.5.
Vùng lọc chặn chiếm phạm vi tốc độ từ âm 30 đến 30 m/s, nghĩa là gần như toàn bộ dải tốc độ nhiễu tiêu cực, bao gồm các địa vật, nhiễu lưỡng cực và tích tụ khí tượng.
Hình 2.3. Đáp ứng tần số bộ lọc với véc tơ trọng số (2.10) khi kích thước chùm phương vị N = 256
Hình 2.5. Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc khi N>100
Hình 2.6. Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc để phát hiện các mục tiêu có vận tốc hướng tâm thấp so với nền địa vật và nhiễu tiêu cực dịch chuyển
Phương pháp được đề xuất cũng có thể tạo thành một nhóm bộ lọc thứ ba được thiết kế để phát hiện các mục tiêu có vận tốc hướng tâm thấp so với nền địa vật và nhiễu tiêu cực dịch chuyển.Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc như vậy được biểu thị trong Hình 2.6 có hai vùng lọc chặn hẹp trong vùng địa vật và nhiễu lưỡng cực.
Quy trình xử lý giữa các chu kỳ bằng cách sử dụng ba nhóm bộ lọc ở trên.Ở giai đoạn đầu tiên, chùm phương vị được xử lý bằng một tập hợp bộ lọc song song với dải lọc chặn rộng (Hình 2.4) loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng các loại nhiễu tiêu cực khác nhau. Sau đó, dựa trên đáp ứng (đầu ra) các bộ lọc này, ngưỡng phát hiện được hình thành và tín hiệu đầu ra mỗi bộ lọc được so sánh với ngưỡng để phát hiện tối ưu các
Ở giai đoạn thứ hai, với ngưỡng phát hiện hiện có, các bộ lọc còn thiếu được hình thành trong phạm vi tốc độ ± 30 m/s, với vùng lọc chặn chỉ trong vùng địa vật (Hình 2.3). Trong trường hợp không có nhiễu lưỡng cực, điều này giúp phát hiện hiệu quả các đối tượng có vận tốc hướng tâm thấp, bao gồm nhiễu dạng “thiên thần (đốm)”, được lựa chọn theo biên độ và đặc điểm quỹ đạo [29], [76]. Nếu có nhiễu lưỡng cực thì cần lập bản đồ nhiễu để trong các quan sát tiếp theo phát hiện các mục tiêu có vận tốc hướng tâm nhỏ hơn 30 m/s áp dụng các bộ lọc với hai vùng lọc chặn trong các phần tử cự ly có chứa nhiễu lưỡng cực (Hình 2.6).
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc hệ số chế áp và chiều rộng vùng lọc chặn đối với các giá trị kích thước chùm phương vị N khác nhau
Kchế áp, dB N=512 N=256 N=128 N=64 N=32 N=16
30 ±25 m/s ±25 m/s ±25 m/s ±25 m/s ±24 m/s ±22 m/s 40 ±25 m/s ±25 m/s ±25 m/s ±24 m/s ±23 m/s ±15 m/s 50 ±25 m/s ±25 m/s ±24 m/s ±23 m/s ±13 m/s ±9 m/s 60 ±25 m/s ±24 m/s ±24 m/s ±18 m/s ±8 m/s ±3 m/s Sự phụ thuộc hệ số chế áp nhiễu vào chiều rộng vùng lọc chặn và chiều dài mẫu N (kích thước chùm phương vị). Để cụ thể, sẽ sử dụng các kết quả mô phỏng với các đặc điểm bộ lọc ở trên. Trong trường hợp này, ta đặt giá trị chiều rộng cực đại vùng lọc chặn bằng dải vận tốc hướng tâm giả định của nhiễu tiêu cực là 25 m/s. Bảng 2.1 cho thấy sự phụ thuộc hệ số chế áp và chiều rộng vùng lọc chặn đối với các giá trị kích thước chùm phương vị N khác nhau.
Từ Bảng 2.1 có thể thấy rằng triệt tiêu nhiễu tiêu cực với hệ số chế áp là 60dB và hình thành vùng lọc chặn cần thiết trong phạm vi ± 25 m/s được đảm bảo một cách đáng tin cậy với chùm phương vị N = 128, N = 256 hoặc N = 512. Khi kích thước chùm phương vị giảm xuống N = 64, N = 32 và N = 16, hệ số chế áp giảm khi vùng lọc chặn rộng ra. Do đó, để đảm bảo hệ số chế áp 60dB khi N = 64,
N = 32 và N = 16, cần phải giảm độ rộng vùng lọc chặn. Ngoài ra, khoảng cách tần số tối thiểu sẽ tương ứng với trường hợp hai vector trực giao bất kỳ S1, S2 ...
SL trong ma trận M biểu thức (2.9), tạo thành các điểm 0 vùng lọc chặn và được xác định bởi các giá trị tần số f1, ..., fL
Có thể hình dung nhận định trên thông qua cosin góc giữa hai vector bất kỳ
S1 và S2 được xác định thông qua tích vô hướng chuẩn hóa 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑺1𝐻𝑺2
√𝑺1𝐻𝑺1𝑺2𝐻𝑺2
(2.13)
Nếu |𝑐𝑜𝑠 (𝛼)| ≈ 1, thì các vector là gần song song, và trong trường hợp |𝑐𝑜𝑠 (𝛼)| ≪ 1 là gần trực giao [77].
Khi đó, hai thành phần sin phức sẽ gần song song nếu lệch tần giữa chúng không vượt quá nghịch đảo độ dài của các vectơ đó. Do đó, ví dụ, ma trận lọc chặn
P được xác định bởi biểu thức (2.9) triệt tiêu hiệu quả không chỉ các sin với tần số
𝜔1, 𝜔2, … , 𝜔𝑀 mà là tất cả các thành phần phổ quá trình thu được có tần số Doppler thỏa mãn ít nhất một trong các bất đẳng thức
|𝜔 − 𝜔𝑚| ≤ 𝜋
𝑁, 𝑚 = 1,2, … 𝑀 (2.14) Theo đó, tất cả các tín hiệu có ích có tần số Doppler thuộc hai khoảng
[𝜔1 −𝜋
𝑁; 𝜔1] và [𝜔𝑀; 𝜔𝑀+ 𝜋
𝑁] liền kề vùng lọc chặn nhiễu tiêu cực sẽ bị loại bỏ đáng kể [77]. Tuy nhiên, đối với các giá trị N lớn, kích thước các khoảng này là không đáng kể và thuật toán chiếu (2.11) đảm bảo hiệu quả xử lý cao trong hầu như toàn bộ dải thay đổi tần số Doppler tín hiệu có ích.
Thuật toán xử lý được đề xuất (2.12) có khả năng chống (ổn định hơn đối với) biến dạng chùm phương vị bởi GĐH anten và sự không liên tục trong chùm phương vị do có các vùng dịch vụ khi tín hiệu thăm dò không được phát ra so với phương pháp cửa sổ có trọng số (Dolph-Chebyshev, Kaiser-Bessel, v.v.).
Như đã đề cập trong chương 1, sử dụng các cửa sổ trọng số nhằm đạt được mức búp bên thấp trong đặc tính tần số các bộ lọc cửa sổ có thể không đủ hiệu quả do có một số yếu tố làm biến dạng hàm trọng số, ví dụ, như:
- Điều chế biên độ chùm phương vị do GĐHA;
- Các khoảng ngắt trong chùm phương vị, khi tín hiệu thăm dò không được phát ra trong các vùng được gọi là dịch vụ để điều chỉnh tự động các kênh thu, phân tích môi trường nhiễu, điều chỉnh các hệ số bù nhiễu, v.v. (Hình 2.7.) [76]. Trong những điều kiện này, mức búp bên tăng đáng kể so với giá trị lý thuyết. Sự
không ổn định như vậy đối với biến dạng có liên quan đến yêu cầu nghiêm ngặt đối với hàm trọng số là ở mọi nơi bên ngoài đỉnh chính đáp ứng tần số sẽ phải đảm bảo mức búp bên thấp. Điều này cho phép tích lũy tương can toàn bộ chùm phương vị, đồng thời triệt tiêu có hiệu quả nhiễu tiêu cực.
Hình 2.7. Cấu trúc chùm phương vị với các vùng dịch vụ
Ngoài ra, để giải quyết vấn đề triển khai tích hợp các hệ thống tự bù khử nhiễu tạp tích cực và xử lý giữa các chu kỳ, cần phân tích ảnh hưởng biến dạng tín hiệu đến hoạt động xử lý giữa các chu kỳ.
Xét các kết quả mô phỏng tính toán các đặc tuyến tần số Doppler (tốc độ) được tổng hợp cho các bộ lọc chiếu đối với các trường hợp biến dạng dạng sóng khác nhau và đánh giá định tính chúng. So sánh các đặc tuyến tốc độ ở N = 256 đối với chùm phương vị không có vùng dịch vụ và đối với chùm phương vị có các vùng dịch vụ (trường hợp như Hình 2.7) đối với các dải chế áp nhiễu tiêu cực khác nhau (Bảng 2.2) cho thấy: các biến dạng đáng kể ảnh hưởng đến “nền” đặc tuyến tốc độ - dải thông bộ lọc chặn. Tuy nhiên, nếu một tín hiệu đơn lẻ được phát hiện dựa trên nền nhiễu tiêu cực, hiệu ứng này có thể bỏ qua, vì các biến dạng không ảnh hưởng đến các tham số chính của bộ lọc. Ngoài ra, biến dạng biên độ phát sinh cũng không ảnh hưởng đến hình dạng tín hiệu có ích và mức các búp bên đầu tiên.
Rõ ràng, trong trường hợp phát hiện hỗn hợp hai tín hiệu hình sin có tần số Doppler khác nhau hiệu ứng này có thể có tác động tiêu cực. Khi đó, vì nền chung các búp bên không vượt quá mức các búp bên chính, nên hiệu ứng biến dạng chỉ có thể tác động đến trường hợp đặc biệt là phát hiện hai tín hiệu có biên độ khác
nhau – đến mức các búp bên chính, tức là phát hiện tín hiệu yếu trên nền mạnh. Do đó, phân tích trên cho phép kết luận rằng phương pháp chiếu được đề xuất để xử lý giữa các chu kỳ là ổn định với biến dạng biên độ tín hiệu (dạng chùm phương vị).
Đảm bảo cho hệ thống xử lý giữa các chu kỳ hoạt động khi hệ thống ra đa chuyển động. Do sự chuyển động đối tượng mà xuất hiện dịch chuyển tần số Doppler trong các tín hiệu thu. Khi đó, độ lớn dịch tần này sẽ phụ thuộc vào hướng thu. Ngoài ra, cần phải tính đến những thay đổi đột biến tần số Doppler liên quan đến dao động ngẫu nhiên ở tâm pha anten khi phương tiện mang chuyển động trên đường không bằng phẳng. Những thay đổi như vậy có thể xảy ra trong thời gian ngắn hơn thời gian chùm phương vị và tốc độ nhận dữ liệu dẫn đường. Các dịch chuyển ngẫu nhiên tâm pha anten trong chùm phương vị dẫn đến phá vỡ một phần tính tương can các tín hiệu thu được do thay đổi đột ngột tần số Doppler bên trong chùm phương vị. Vì vậy, tích lũy hoàn toàn tương can chùm khi tần số Doppler không đổi trở nên không hiệu quả. Trong trường hợp này, nên chuyển sang kết hợp tích lũy tương can- không tương can với tích lũy tương can chùm có kích thước nhỏ hơn so với trường hợp hoạt động ra đa mà không có chuyển động.
Bảng 2.2. So sánh các đáp ứng tần số (đặc tuyến tốc độ) ở N = 256 đối với các chùm phương vị không có và có vùng dịch vụ (Hình 2.7) đối với các dải chế áp nhiễu tiêu cực khác nhau Vùng
loại trừ nhiễu
Không gây méo biên độ chùm
phương vị (không vùng dịch vụ) Có méo biên độ chùm phương vị (có các vùng dịch vụ)
∆V=3,5 m/s ∆V=10 m/s ∆V=20 m/s
Hình 2.8. là ví dụ một đáp ứng tần số bộ lọc chiếu (tích lũy tương can) 65 xung. Bộ lọc có độ rộng cực đại búp chính ở mức âm 3 dB khoảng 12 m/s, nghĩa là gấp 3 lần so với bộ tích lũy 200 xung (xem Hình 2.4). Điều này sẽ dẫn đến tổn hao bổ sung trong phát hiện tín hiệu có ích, tuy nhiên, nó sẽ làm tăng đáng kể hiệu quả xử lý trong điều kiện biến thiên tần số Doppler bên trong chùm phương vị vì xác suất cả chùm nằm trong một bộ lọc Doppler tăng đáng kể.
Hình 2.8. Đáp ứng tần số bộ lọc chiếu (tích lũy tương can) 65 xung
Phương pháp xử lý giữa chu kỳ này cho phép hình thành một nhóm các bộ lọc triệt tiêu tín hiệu phản xạ từ các địa vật nằm trong dải tốc độ xe vận tải (0-60 km/h). Các hệ số bộ lọc có thể được hình thành thích nghi bằng cách sử dụng dữ liệu dẫn đường về tốc độ phương tiện vận tải.