Mục này sẽ tổng hợp các thuật toán lọc mục tiêu di động bằng phương pháp chiếu được xem xét ở trên. Sơ đồ khối thuật toán được nêu trong Hình 2.9.
Bài toán chống nhiễu cho ra đa tầm gần cụ thể như đã đặt ra ở đầu mục 2.1.2. Nhiễu tiêu cực bao gồm nhiễu địa vật ở vùng gần đã được quét và lưu trữ trong ra đa; nhiễu do giáng thủy (mây, mưa,..), do đám dải kim có thể được trinh sát trước và lưu trữ cùng tốc độ gió hiện tại để xác định chế độ chế áp.
Liên quan vấn đề này, cách tiếp cận gần tối ưu để tổng hợp xử lý thời gian giữa các kỳ đáng được chú ý là dựa trên sự xấp xỉ tín hiệu nhiễu tiêu cực bởi phép chiếu nó lên một không gian con hữu hạn chiều. Cơ sở của không gian con này là tập hợp các sin phức rời rạc (theo thời gian) có các tần số bao trùm dải biến thiên tần số Doppler nhiễu tiêu cực với bước xác định.
Kết quả kỹ thuật đạt được là tăng hiệu quả chống nhiễu ra đa khi có nhiễu tiêu cực bằng cách giảm thiểu tổn hao khi phát hiện tín hiệu có ích.
Kết quả kỹ thuật nêu trên đạt được nhờ thực tế là trong một phương pháp đã biết xử lý giữa chu kỳ dựa trên lọc tương can sơ bộ nhiễu tiêu cực và tích lũy sau đó tín hiệu có ích bằng cách sử dụng hệ thống đa kênh gồm các bộ lọc giữa các chu kỳ tương can, mỗi bộ lọc trong số đó phối hợp với tần số Doppler nhất định của tín hiệu, thực hiện phép tính gần đúng tín hiệu nhiễu tiêu cực bằng phép chiếu của nó lên không gian con hữu hạn chiều và tính vectơ trọng số theo công thức (2.10):
𝑾 = (𝑬 − 𝑷)𝑺0(𝑓)
trong đó E là ma trận đơn vị; P = M(MHM)-1MH - ma trận chiếu lên không gian con nhiễu; M là ma trận bao gồm các vectơ cột có tần số Doppler với bước nhất định bao phủ dải tần số của nhiễu tiêu cực, đảm bảo hệ số chế áp nhất định; S(f0)- vectơ tín hiệu có ích, f0- tần số Doppler tín hiệu có ích, và thực hiện tích lũy tương can tiếp theo tín hiệu có ích, sau đó tín hiệu có ích được trích xuất từ tín hiệu đầu ra bằng cách sử dụng thiết bị ngưỡng.
tạo dữ liệu đầu vào là vector tương ứng với chùm phương vị nhận được (1), khối tạo véc tơ tín hiệu có ích có cấu trúc thời gian giữa các chu kỳ đặc trưng bởi véc tơ các sin rời rạc (2), khối điều khiển độ rộng vùng chế áp hình thành ma trận gồm các cột – véc tơ tín hiệu có tần số Doppler với bước đủ dày bao trùm dải tần nhiễu tiêu cực (3), khối hình thành ma trận - chiếu lên không gian con nhiễu tác động lên tổ hợp tuyến tính bất kỳ các véc tơ tín hiệu có ích làm cho nó bằng không (4), khối tạo véc tơ trọng số xử lý tối ưu bằng cách nhân ma trận tương quan nghịch đảo với véc tơ tín hiệu có ích (5), khối tính tần số Doppler Fd mục tiêu bằng cách nhân véc tơ liên hợp Hermitian tương ứng với chùm phương vị nhận được và véc tơ trọng số xử lý tối ưu (6).
3. Khối điều khiển độ rộng
vùng chế áp
4. Khối hình thành ma trận chiếu lên không
gian con nhiễu
5. Khối tạo véc tơ trọng số xử lý tối
ưu 2. Khối tạo véc tơ
tín hiệu có ích
1. Khối tạo dữ liệu đầu vào
6. Khối tính tần số Doppler mục tiêu Tín hiệu từ ADC Fđ Chế độ chế áp a) Thiết bị ngưỡng ZH = YH(E-P)D P=UUH Y U P D ZH FFT ZHS(fm) S0(f) CFAR-V b,
Hệ thống lọc mục tiêu di động bằng phương pháp chiếu hoạt động như sau: tín hiệu thu sau lọc phối hợp ở đầu ra khuếch đại máy thu qua bộ biến đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) được cấp cho khối 1 hình thành dữ liệu đầu vào là vectơ tương ứng với gói phương vị nhận được. Khối 2 hình thành vectơ tín hiệu có ích 𝑺0(f) = (𝑒−𝑗2𝜋𝑓𝑇, 𝑒−𝑗2𝜋𝑓2𝑇, … , 𝑒−𝑗2𝜋𝑓𝑁𝑇)𝐻.
Tùy thuộc vào mục đích phát hiện các đối tượng trên không nhất định có tốc độ khác nhau và môi trường nhiễu tín hiệu trắc thủ ra đa chỉ định "chế độ lọc chặn", tương ứng với độ rộng các vùng cự ly-phương vị và dịch tần Doppler nhất định cần lọc chặn nhiễu tiêu cực. Mã "chế độ chế áp" được đưa vào đầu vào khối 3. Tùy thuộc vào "chế độ chế áp" đã chọn trong khối 3, ma trận S được hình thành, bao gồm số lượng vectơ cột 𝑺(𝑓1), … , 𝑺(𝑓𝑀) được yêu cầu tối thiểu, các tần số Doppler f1, f2. ..., fM bao trùm dải tần số nhiễu tiêu cực và đảm bảo hệ số chế áp mong muốn. Trong khối 4, hình thành ma trận chiếu lên không gian con nhiễu P
= M(MHM)-1MH tác động lên tổ hợp tuyến tính bất kỳ các hình sin dẫn đến quy 0 chúng (chế áp nhiễu tiêu cực). Tiếp theo, đầu vào thứ nhất và thứ hai của khối 5 nhận dữ liệu từ các khối 4 và 2 tương ứng, trong đó bằng cách thay thế ma trận tương quan nghịch đảo chưa biết trước R-1 bằng ma trận xấp xỉ thực tế của ma trận và nhân với vectơ tín hiệu có ích để hình thành vector trọng số xử lý tối ưu W = (E- P).S(f0). Tiếp theo, thông qua dữ liệu của khối 1 và khối 5 trong khối 6 bằng cách nhân liên hợp Hermitian vectơ tương ứng chùm phương vị đã nhận với vectơ trọng số xử lý tối ưu, tính toán ra tần số Doppler Fd mục tiêu.
Bước cuối cùng của phương pháp được đề xuất là so sánh kết quả thu được trong xử lý tín hiệu bằng thống kê quyết định (CFAR) với một ngưỡng xác định. Tùy thuộc vào kết quả của việc so sánh đưa ra quyết định về có hay không tín hiệu có ích trong ô phần biệt hiện tại.
Một trong những yêu cầu chủ yếu đối với các hệ thống ra đa cơ động cỡ nhỏ là giới hạn về hiệu năng máy tính kỹ thuật số do những hạn chế về trọng lượng và kích thước tổng thể. Do đó, một nhiệm vụ quan trọng là tối ưu hóa về mặt tính toán hệ thống xử lý giữa các chu kỳ vì nó chiếm nhiều thời gian nhất.
Về mặt tính toán, xử lý (2.11) được thực hiện như sau. Véc tơ tín hiệu có ích có thể được biểu diễn dưới dạng tích
𝑺(𝑓) = 𝑫𝑺0(𝑓) (2.15) trong đó S0(f) là sin phức có đường bao hình chữ nhật, D là ma trận đường chéo
NxN có tính đến dạng đường bao chùm phương vị do GĐH anten cũng như sự hiện diện các vùng dịch vụ.
Theo đó, ở giai đoạn đầu (sơ bộ), véc tơ sau được tính toán
𝒁𝐻 = 𝒀𝐻(𝑬 − 𝑷)𝑫 (2.16)
Do ma trận P có dạng đặc biệt để tính véc tơ (2.10) yêu cầu ~2NL phép nhân phức, trong đó N là kích thước chùm phương vị và L là số điểm không trong vùng lọc chặn. Tiếp đó, bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT), tín hiệu đầu ra các bộ lọc được xác định là:
𝜉 = 𝒁𝐻𝑺(𝑓𝑚) (2.17) trong đó m là số thứ tự bộ lọc.
Việc sử dụng FFT trong phương pháp xử lý giữa các chu kỳ được đề xuất có thể làm giảm đáng kể các yêu cầu về hiệu năng máy tính kỹ thuật số thực hiện hệ thống xử lý số tín hiệu ra đa [71].
Sơ đồ thiết bị MTI thể hiện quá trình tính (Hình 2.9b) cho thấy phép chiếu có thể được thực hiện theo nguyên tắc thích nghi ở nhánh trên gồm Thiết bị ngưỡng và Khối tính ma trận chiếu P theo biểu thức (2.8). Thiết bị ngưỡng loại CA-CFAR có ngưỡng được xác định bởi mức cực đại tạp máy thu. Ở nhánh dưới gồm Khối tính 𝒁𝐻 theo (2.16) và Khối tính FFT theo (2.17). Cuối cùng là Khối CFAR-V tách tín hiệu theo vận tốc.
Đầu ra bộ lọc Doppler đa kênh (FFT) là các thành phần phổ của tín hiệu có ích và nhiễu, khai triển trong thời gian (cự ly). Thông tin dịch tần Doppler của các đối tượng được định vị được chứa trong các kênh lọc FFT. Do đó, xử lý tín hiệu tiếp theo để trích xuất các tín hiệu có ích trên nền nhiễu tiêu cực được thực hiện sau khi tính mô-đun trong mỗi kênh lọc. Xử lý tiếp thông tin ra đa trong bộ phát hiện thực hiện:
- Bằng cách phân tích những thay đổi các giá trị tức thời tín hiệu thu theo thời gian ở đầu ra của mỗi kênh lọc, cho phép thực hiện ổn định xác suất báo động lầm theo năng lượng CFAR-E;
- Bằng cách phân tích các đặc điểm phổ các tín hiệu phản xạ và nhiễu, có tính đến sự đu đưa chu kỳ lặp lại xung và việc sử dụng các phương pháp hình thành vùng chế áp MTI khác nhau, cho phép đảm bảo sự CFAR theo thành phần tốc độ xuyên tâm CFAR-V.
Trong điều kiện hoạt động thực tế của ra đa, việc phát hiện các tín hiệu có ích có thể xảy ra cả trong tình huống không có nhiễu và trong điều kiện nhiễu chủ động và (hoặc) thụ động. Trong trường hợp đầu tiên, việc phát hiện ra tín hiệu xảy ra dựa trên nền của nội tạp thiết bị thu có thay đổi cường độ không đáng kể theo thời gian. Đó là lý do tại sao thiết lập ngưỡng phát hiện là đơn giản. Trong trường hợp thứ 2, cường độ nhiễu là một ẩn số tiên nghiệm và do đó phải sử dụng các thuật toán khác nhau ước lượng nó để xác định ngưỡng phát hiện tín hiệu.
Theo quy luật, mật độ phân bố của các giá trị biên độ tức thời nhiễu tiêu cực được tính gần đúng theo luật phân phối chuẩn. Ước tính công suất (phương sai) hiện thời yêu cầu chi phí phần cứng tương đối lớn. Do đó, sau khi lọc pha trong bộ lọc Doppler đa kênh, khi thông tin dịch tần Doppler tín hiệu và nhiễu được trích xuất, trong mỗi kênh lọc từ cầu phương các thành phần được chuyển thành giá trị mô đun. Trong trường hợp này, mật độ phân phối các giá trị tức thời nhiễu tiêu cực trở thành Rayleigh, cho khả năng ước tính phương sai nhiễu (trung bình-bình phương của nó-CKO) thông qua đánh giá kỳ vọng toán. Khi ấy, quan hệ giữa kỳ vọng toán m và CKO nhiễu σ trước tách sóng được xác định bởi biểu thức m = σ(π/2)1/2.
Nguyên tắc tách các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu tốc độ nhanh
Bằng cách phân tích các thành phần phổ của các tín hiệu phản xạ trong các chùm được xử lý tương can liền kề với các tần số lặp xung khác nhau (PRF) có thể phát hiện các tín hiệu có ích được phản xạ từ các mục tiêu trên nền nhiễu tiêu cực. Đối với vấn đề này hãy biểu diễn bằng tọa độ hệ số truyền KDF của bộ lọc đa kênh Doppler - tần số Doppler FD của AFC Bộ lọc Doppler 8 điểm ở hai PRF khác nhau FL1 và FL2 trong các gói tần số liền kề (Hình 2.10). Đáp ứng tần số của các bộ lọc được hiển thị có tính đến dịch pha giữa các chu kỳ có thể vượt quá khoảng đo pha đơn trị, là [0, 2π]. Rõ ràng, trong trường hợp này, hiệu ứng đu đưa - lặp lại
tuần hoàn các kênh lọc khi có sự dịch tần Doppler ngày càng tăng (hoặc lệch pha giữa chu kỳ vượt quá giá trị 2 π).
Hình 2.10. Nguyên tắc tách tín hiệu phản xạ từ đối tượng tốc độ cao
Giả định rằng ra đa đồng thời bị ảnh hưởng bởi tín hiệu biên độ được phản xạ từ một đối tượng ít vận động với Doppler dịch tần FD1 và từ mục tiêu tốc độ cao với tần số FD2 và FD3. Hình 2.10 theo đó đối với các đối tượng ít vận động, đặc điểm của chúng là phát hiện trong cùng một kênh lọc ở các PRF khác nhau. Do đó, có thể xây dựng tiêu chí cấm sau: nếu trong l của m tần số lặp lại phát hiện được tín hiệu trong các kênh lọc cùng tên, thì nó thuộc loại nhiễu và có thể bị loại bỏ (chế áp). Theo quy ước đó, với đối tượng ít vận động với FD1, một lệnh cấm phát hiện sẽ được tạo ra, vì biên độ tín hiệu trong bộ lọc thứ ba cùng tên trên F L1 và F L2 gần như nhau. Trong trường hợp này, tiêu chí 2 trong 2 được thỏa mãn, với
l = m = 2. Trong ra đa thực tế, tiêu chí 2 trong 3 hoặc tiêu chí 2 trong 4 thường được sử dụng.
Hình 2.10 cũng cho thấy đối với các mục tiêu tốc độ cao, đặc trưng cho sự phát hiện chúng trong các bộ lọc không cùng tên ở các PRF khác nhau. Đó là lý do tại sao tiêu chí phát hiện có thể như sau: nếu trong k trong số m tần số thăm dò tín hiệu được phát hiện trong các kênh lọc khác nhau, thì nó thuộc về lớp tín hiệu có ích. Thật vậy, từ Hình 2.10 theo đó các mục tiêu tốc độ cao có FD2 và FD3 không bị cấm phát hiện do mức thấp tín hiệu trong bộ lọc cùng tên (thứ bảy và thứ hai) trên PRF FL2 (xem Hình 2.10b), được thể hiện bằng các đường liền nét đậm. Nhưng, tiêu chí phát hiện 2 trong số 2 đối với mục tiêu tốc độ được đáp ứng. Điều đó xảy ra do
mức tín hiệu cao ở phần thứ bảy (ở FL1) và thứ tám (ở FL2) bộ lọc trong bộ lọc thứ hai (ở FL1) và bộ lọc thứ tư (ở FL2) (mức tín hiệu trong bộ lọc thứ tám và thứ tư FL2 được hiển thị bằng một đường gạch ngang).
Như đã lưu ý ở trên, một trong những ưu thế quan trọng, theo quan điểm thực hiện thực tế, của phương pháp chiếu so với quy trình tính véc tơ trọng số tối ưu (2.1) là không cần thực hiện các thủ tục tính toán liên quan đến ước lượng ma trận tương quan R và tính toán ma trận nghịch đảo R-1 (đối với mỗi phần tử phân giải trong thời gian thực). Hơn nữa, việc thực hiện các quy trình tính toán này kéo theo các vấn đề liên quan đến ma trận kém phù hợp làm cho quy trình tổng hợp véc tơ xử lý trọng số tối ưu liên quan đến nghịch đảo ma trận tương quan nhiễu trở nên không ổn định đáng kể đối với các sai số trong tính toán và các nhiễu loạn khác ở ma trận chính xác. Sơ đồ hình 2.9b có ưu điểm là trực tiếp tính ma trận chiếu từ dữ liệu mẫu sau khi loại trừ các mẫu được cho là tạp phù hợp với giả thiết để nhận được (2.8). Do đó, về mặt tính toán, phương pháp xấp xỉ ma trận tương quan nghịch đảo bằng ma trận chiếu P chỉ bao gồm sự hình thành sơ bộ (trước) ma trận chiếu theo quy trình (2.16) và áp dụng quy trình FFT tiêu chuẩn.