Vấn đề quan trọng nhất trong xây dựng một hệ thu – phát khép kín tự động chống quá tải máy thu là phải tổng hợp được bộ tự động phát hiện thời điểm quá tải máy thu và bộ tự động điều khiển chống quá tải máy thu. Các vấn đề này đã được giải quyết trong chương 3, trong đó:
- Thuật toán và cấu trúc của bộ phát hiện quá tải máy thu đã được tổng hợp trên cơ sở của bài tốn phân tích phổ chùm tín hiệu đầu ra máy thu, có tính tới ảnh hưởng ngẫu nhiên của nhiễu và mục tiêu.
- Thuật toán và cấu trúc bộ điều khiển tự động chống quá tải máy thu được xây dựng dựa trên logic điều chỉnh công suất máy phát và mức suy giảm tín hiệu đầu vào máy thu có thể hiện thực hóa bằng phần cứng và cách tổ chức phần mềm cài đặt trong MTSCD của đài ĐKHL.
Từ đó, cấu trúc động học một hệ tự động thu – phát khép kín đã được hình thành với đầy đủ hàm truyền của các phần tử đo-xử lý, chấp hành, hồi tiếp và đối tượng điều khiển. Máy phát và bộ suy giảm tín hiệu là đối tượng điều khiển của hệ thống. Chế độ làm việc của hệ là logic-rời rạc, cho phép nâng cao mức độ tự động hóa của bản thân đài điều khiển hỏa lực, ổn định độ chính xác cần thiết cho các hệ tự động đo – bám tọa độ mục tiêu.
Những vấn đề đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng vào thực tế của hệ thống mới xây dựng sẽ được khảo sát ở trong chương 4.
Chương 4
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG THU PHÁT - KHÉP KÍN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CHỐNG QUÁ TẢI MÁY THU
4.1. Mơ tả mục đích và các điều kiện mơ phỏng
4.1.1. Mục đích mơ phỏng
Mô phỏng khảo sát hệ thống thu - phát tự động chống quá tải cho máy thu bám sát mục tiêu đài ĐKHL nhằm mục đích đánh giá hiệu quả tự động khống chế biên độ tín hiệu đầu vào máy thu trong dải động thực tế của nó, khi khơng biết trước diện tích PXHD, cự ly xuất hiện, vận tốc bay, hướng bay của mục tiêu và trong điều kiện các tham số của mục tiêu thay đổi trong dải rộng.
Kết quả khảo sát giúp ta đánh giá được những đóng góp khoa học mới và khả năng thực tế hóa những kết quả nghiên cứu.
4.1.2. Điều kiện và dữ liệu mô phỏng
4.1.2.1. Tham số đài ĐKHL
Để bảo đảm độ tin cậy cho những kết quả khảo sát, trong mô phỏng sử dụng bộ tham số của một đài ra đa ĐKHL có trong trang bị [9],[11]. Những tham số, dữ liệu cụ thể là:
- Cơng suất đỉnh xung dị (P0, P01, P02): 75KW; 7,5KW; 750W - Hệ số khuếch đại anten phát (Gp): 42dB
- Hệ số khuếch đại anten thu (Gt): 42dB - Hiệu suất truyền tín hiệu trong đài (η=η’): 0.85 - Suy hao tín hiệu trên đường truyền (L): 8dB - Bước sóng dao động cao tần (λ): 3 cm - Nhiệt độ tạp âm máy thu (T): 2900K
- Độ rộng xung (τx): 0.7s
4.1.2.2. Mơ hình và tham số chuyển động của mục tiêu
Chuyển động của mục tiêu được mơ hình hóa bằng các cơng cụ có sẵn trong các thư viện của phần mềm Matlab-Simulink; mục tiêu có mơ hình Swerling-1 [16]. Quy luật thay đổi năng lượng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, mối liên hệ giữa cơng suất tín hiệu phản xạ ở đầu vào máy thu với các tham số khác được mơ hình hóa theo các phương trình (2.1)(2.9). Để thuận tiện cho khảo sát, mục tiêu được coi là chất điểm chuyển động trong mặt phẳng đứng với hệ tọa độ Đề-các 2D với các điều kiện ban đầu sau:
- Tọa độ ban đầu: [R , R , R ]=[R ,H ,0]0x 0y 0z 0 0 - Tốc độ ban đầu của mục tiêu: [V , V , V ]=[V ,0,0]0x 0y 0z 0
- Tính chất chuyển động của mục tiêu: cự ly – (R0±V0.t); H0=const. Trong quá trình khảo sát, với các phương án mục tiêu khác nhau, R0, V0, H0 có thể thay đổi. Cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu được tính theo phương trình (2.1), [10],[19];
Biên độ tín hiệu được biến đổi theo (2.2)(2.9) với trợ giúp bởi các công cụ trong thư viện Simulink phần mềm Matlab.
Các phương án mục tiêu chọn trong dải sau:
- Dải cự ly quan sát mục tiêu (Rmax-Rmin): (3005)km;
- Dải diện tích PXHD mục tiêu (σmt): 0.02m2; 1m2; 10m2; 100m2; - Dải vận tốc của mục tiêu (Vmt): 100m/s; 200m/s; 300)m/s. Diện tích PXHD mục tiêu được tra cứu trên trang Globalsecurity.org: * Máy bay ném bom chiến lược B52 (σ=100m2);
* Máy bay ném bom chiến lược B1A/B (σ=10m2); * Máy bay tiêm kích F18 (σ=1m2); * Máy bay tàng hình F22, F35, B2 (σ=0.02m2).
4.1.3. Mơ hình hệ thống và phần tử sử dụng trong khảo sát
4.1.3.1. Bộ phát hiện quá tải máy thu
Thuật toán phát hiện quá tải máy thu thực hiện theo lưu đồ thuật tốn hình 3.6 (dưới mục 3.1.2.2) ở chương 3 với các đặc điểm:
Sau biến đổi FFT và chuẩn hóa biên độ phổ chùm tín hiệu theo biên độ vạch phổ trung tâm, thuật toán tách vạch phổ thứ “m” để theo dõi biên độ. Điều kiện cần để hình thành tín hiệu q tải “j” là đột biến biên độ vạch phổ thứ “m” vượt ngưỡng cho trước, tức là Sm NG.
Điều kiện đủ để hình thành tín hiệu quá tải “j” là biên độ tín hiệu đầu ra máy thu vượt ngưỡng cực đại danh định, hay là Ura Ura_m ax-0.
Điều kiện để hình thành tín hiệu hồn q tải “Q” là phải thỏa mãn
APY ng_APY
U U
4.1.3.2. Bộ điều khiển chống quá tải máy thu
Thuật toán điều khiển chống quá tải máy thu được mô phỏng theo lưu đồ hình 3.10a,b,c,d,e. Trong đó thuật tốn theo lưu đồ hình 3.10a xác định: quá tải theo mã “j”; hoàn quá tải theo mã “Q”; chọn quy luật điều khiển theo mã “L”.
Mã “L” hình thành trên cơ sở so sánh cự ly xuất hiện mục tiêu (theo chỉ thị) với các ngưỡng cố định: Rmax; 0.5Rmax; 0.25Rmax; 0.1Rmax;
Có 4 quy luật điều khiển chống quá tải và hoàn quá tải: QL1 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10b; QL2 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10c; QL3 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10d; QL4 mơ phỏng theo lưu đồ thuật tốn hình 3.10e;
Thuật toán điều khiển máy phát và bộ SGTH được thực tế hóa bằng sơ đồ cấu trúc lơ gic hoặc phần mềm điều khiển.
4.1.3.3. Mơ hình hệ thu – phát khép kín tự động chống quá tải máy thu
Mơ hình khảo sát, đánh giá hệ thống thu - phát khép kín tự động chống quá tải máy thu thể hiện trên hình 4.1.
Sử dụng mơ tả tốn học tín hiệu của máy phát, tín hiệu phản xạ, cơng suất, biên độ tín hiệu phản xạ ở đầu vào anten thu, máy thu và bộ tham số, dữ liệu đài ĐKHL (mục 4.1.2) cũng như các cơng cụ có sẵn; hàm và chương trình có sẵn của phần mềm Matlab-Simulink (2016a), bao gồm các thư viện Simulink, SimRF, Phase Array System toolbox, APPs, Matlab help…
Hình 4.1. Mơ hình khảo sát hệ tự động thu - phát chống quá tải máy thu
4.2. Các phương án khảo sát, mô phỏng
4.2.1. Phương án khảo sát đặc trưng phát hiện quá tải theo tính
chất mục tiêu
Khảo sát tính bất biến của đặc trưng phát hiện quá tải máy thu
mt ch mt mt
ΔS (mf,kF )=Φ(σ ,V ) theo thay đổi σmt và Vmt, với m=13 ứng với xung dò
x=0.75s, Fx=100kHz. “m” là chỉ số của vạch phổ thấp nhất trong búp phổ phụ thứ nhất ở tần số 1.3MHz [40,46] theo (3.9) mà khảo sát lựa chọn.
Khảo sát được chia thành các trường hợp thay đổi tham số mục tiêu (σmt và Vmt) thể hiện trong bảng 4.1.
Máy thu (Receiver)
Máy phát (Transmiter)
SG
Tạo xung
điều chế đại công suất Tầng khuếch
KĐBĐ Lọc NG Bộ phát hiện (DOR) Bộ ĐK (Controler) Px Rmt,σmt,L APY Ppx
Bảng 4.1. Tham số mục tiêu sử dụng trong khảo sát đặc trưng phát hiện quá tải
Tham số mục tiêu Trường
hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường hợp 4 Trường hợp 5 Trường hợp 6 D/tích PXHD σmt, m2 100 10 1 100 100 100 Cự ly ban đầu R0, km 212500 119600 67170 212450 212500 212550 Cự ly kết thúc R1, km 213100 119000 67770 212750 213100 214050
Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000 2000 2000 2000
Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200 100 200 300
Đặc trưng quá tải máy thu được xây dựng theo biểu thức sau:
13 13 0 13 13 13 0 ch ( m ) ch ( m ) ch ch 13f,(k)F S =20logS 13f,k F S =20logS 13f,(k)F -20logS 13f,k F (4.1)
Trong đó: m=13 - chỉ số của vạch phổ; f – tần số phổ; k – chỉ số của
chùm xung tín hiệu (k=1,2,3…N); Fch – tần số lặp lại của chùm; k0 – chỉ số của chùm xung phản xạ khi bám sát mục tiêu trong trường hợp máy thu chưa bị quá tải và được xác định trước bằng thực nghiệm (trong trường hợp này chọn
13 0 ch
20logS 13f,k F = (20log 8.10-4)– tương ứng trường hợp Ura=Uramax_0).
4.2.2. Khảo sát dải biến thiên điện áp đầu vào máy thu theo cự ly,
diện tích PXHD, thời điểm xuất hiện và hướng chuyển động của mục tiêu
Kế thừa mơ hình và kết quả đã khảo sát đặc trưng phát hiện quá tải ở mục 4.2.1, khảo sát dải biến thiên điện áp đầu vào máy thu sử dụng bộ dữ liệu ban đầu của đài ĐKHL (mục 4.1.2.1), của mục tiêu (mục 4.1.2.2), lưu đồ thuật tốn (hình 3.10) và mơ hình hệ thu – phát khép kín tự động chống quá tải máy thu (hình 4.1).
Để có bức tranh tổng thể về hiệu quả tự động khống chế biên độ đầu vào trong dải động danh định D của máy thu, với tốc độ mục tiêu mặc định là Vmt=200m/s. Khảo sát phân thành các phương án sau:
a) Phương án 1 – kiểm tra tạo “j”. Mục tiêu có diện tích PXHD khác nhau, chuyển động vào đài từ Rmax=300km đến Rmin=5km (toàn dải cự ly). Dữ liệu đầu vào chương trình mơ phỏng lấy từ bảng 4.2.
Bảng 4.2. Dữ liệu đầu vào phục vụ khảo sát theo PA1.
Tham số đài ĐKHL và mục tiêu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường hợp 4 H/s KĐ anten Gp=Gt, dBw 42 42 42 42 H.suất thu η, phát η’ 0.9 0.9 0.9 0.9 Tổn hao đ/truyền L 0.1 0.1 0.1 0.1 Độ rộng xung dò τx, μs 0.7 0.7 0.7 0.7 Tần số lặp lại xung Fx, Hz 100 100 100 100 Độ dài bước sóng λ, cm 3 3 3 3
Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000 2000
Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200 200
Cơng suất xung dị, Kw 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75
Mức SG tín hiệu thu,dBw 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26
Cự ly ban đầu R0, km 300 300 300 300
D/tích PXHD σmt, m2 100 10 1 0.02
b) Phương án 2 – kiểm tra tạo “Q”. Mục có diện tích PXHD khác
nhau, chuyển động ra khỏi đài từ Rmin=5km đến Rmax=300km, (toàn dải cự ly). Dữ liệu đầu vào chương trình mơ phỏng lấy từ bảng 4.3.
Bảng 4.3. Dữ liệu đầu vào phục vụ khảo sát theo PA2.
Tham số đài ĐKHL và mục tiêu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường hợp 4 H/s KĐ anten Gp=Gt, dBw 42 42 42 42 H.suất thu η, phát η’ 0.9 0.9 0.9 0.9 Tổn hao đ/truyền L 0.1 0.1 0.1 0.1 Độ rộng xung dò τx, μs 0.7 0.7 0.7 0.7 Tần số lặp lại xung Fx, Hz 100 100 100 100
Bảng 4.3. (tiếp theo) Tham số đài ĐKHL và mục tiêu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường hợp 4 Độ dài bước sóng λ, cm 3 3 3 3
Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000 2000
Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200 200
Cơng suất xung dị, Kw 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75
Mức SG tín hiệu thu, dBw 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26
Cự ly ban đầu R0, km 5 5 5 5
D/tích PXHD σmt, m2 90 10 1 0.02
c) Phương án 3 – kiểm tra QL2÷QL4 khi mục tiêu bay vào
Mục tiêu có diện tích PXHD khác nhau, xuất hiện bất kỳ trong khoảng cự ly phát hiện của đài, bay vào tới cự ly Rmin=5km. Dữ liệu đầu vào chương trình mơ phỏng lấy từ bảng 4.4.
Bảng 4.4. Dữ liệu đầu vào phục vụ khảo sát PA3.
Tham số đài ĐKHL và mục tiêu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3
H/s KĐ anten Gp=Gt, dBw 42 42 42 H.suất thu η, phát η’ 0.9 0.9 0.9 Tổn hao đ/truyền L 0.1 0.1 0.1 Độ rộng xung dò τx, μs 0.7 0.7 0.7 Tần số lặp lại xung Fx, Hz 100 100 100 Độ dài bước sóng λ, cm 3 3 3
Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000
Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200
Cơng suất xung dị, Kw 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75
Mức SG tín hiệu thu,dBw 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26
d) Phương án 4 – kiểm tra QL2÷QL4 khi mục tiêu bay ra
Mục tiêu có diện tích PXHD khác nhau, xuất hiện bất kỳ trong khoảng cự ly phát hiện của đài, bay ra tới cự ly Rmax=300km. Dữ liệu đầu vào chương trình mơ phỏng lấy từ bảng 4.5.
Bảng 4.5. Dữ liệu đầu vào phục vụ khảo sát PA4.
Tham số đài ĐKHL và mục tiêu Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3
H/s KĐ anten Gp=Gt, dBw 42 42 42 H.suất thu η, phát η’ 0.9 0.9 0.9 Tổn hao đ/truyền L 0.1 0.1 0.1 Độ rộng xung dò τx, μs 0.7 0.7 0.7 Tần số lặp lại xung Fx, Hz 100 100 100 Độ dài bước sóng λ, cm 3 3 3
Độ cao ban đầu H0,m 2000 2000 2000
Vận tốc Vmt, m/s 200 200 200
Cơng suất xung dị, Kw 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75 75; 7.5; 0.75
Mức SG tín hiệu thu,dBw 8; 18;26 8; 18;26 8; 18;26
Cự ly ban đầu R0, km 100 50 22
D/tích PXHD σmt, m2 100 10 1
4.3. Kết quả khảo sát và đánh giá
4.3.1. Kết quả khảo sát và đánh giá đặc trưng phát hiện quá tải
Hình 4.3. Thay đổi biên độ vạch phổ S13(13f,kFch) theo vận tốc mục tiêu
Nhận xét 4.1. Với những trường hợp mục tiêu đã cho trong Bảng 4.1, các
kết quả khảo sát sự hình thành đặc trưng phát hiện quá tải máy thu cho thấy: a) Biên độ vạch phổ (m=13) được chọn để quan sát hầu như không thay đổi trước thời điểm quá tải t<6Tch. Thay đổi rõ rệt quan sát được tại và sau thời điểm quá tải t≥6Tch (xem hình 4.2 và 4.3).
Hình 4.4. Đặc trưng phát hiện quá tải máy thu 13 13 13 0 ch ch S (13f,(k)F ) S =G S (13f,k F )
b) Thay đổi biên độ vạch phổ (m=13) được chọn để quan sát phụ thuộc khá rõ rệt vào diện tích PXHD (hình 4.2) và tốc độ mục tiêu (hình 4.3). Cụ thể là độ dốc đặc trưng biên độ vạch phổ được quan sát tăng, tỷ lệ thuận với mức tăng vận tốc mục tiêu (hình 4.3) và tỷ lệ nghịch với mức tăng của diện tích PXHD của mục tiêu (hình 4.2).
c) Đặc trưng phát hiện quá tải 13 13 13 0 ch ch S (13f,(k)F ) S =G S (13f,k F ) (hình 4.4) có độ dốc khá lớn (K∆S>1) và bất biến (về dạng và độ dốc) đối với các trường hợp mục tiêu, tức là không phụ thuộc vào diện tích PXHD và vận tốc mục tiêu.
Đánh giá thứ nhất:
+ Đặc trưng phát hiện quá tải máy thu tổng hợp được theo phương pháp phân tích phổ (hình 4.4) có chất lượng và hiệu quả khá rõ rệt. Hiệu quả thể hiện ở khả năng phát hiện sớm quá tải máy thu trong khoảng thay đổi cự ly dưới 500m. Chất lượng thể hiện ở tính bất biến, tính ổn định và độ dốc cao của đường đặc trưng. Với ngưỡng phát hiện NG=6dB, xác suất phát hiện xấp xỉ 1.
+ Đặc trưng biên độ vạch phổ phụ thuộc diện tích PXHD và vận tốc mục tiêu (hình 4.2 và 4.3) về ngun tắc có thể sử dụng trong bài tốn nhận dạng mục tiêu.
4.3.2. Kết quả khảo sát đặc trưng khống chế biên độ tín hiệu
4.3.2.1. Kết quả khảo sát Phương án 1 – Kiểm tra quy luật tạo mã “j”
Mã “j=1” – Quy luật chống quá tải: P0→P01→P02→SG1→SG2→SG3. Kết quả thể hiện trên hình 4.5 (bao gồm 4 trường hợp: 4.5a; 4.5b; 4.5c; 4.5d) và bảng 4.6.
4.5b) (σmt=10m2)
4.5c) (σmt=1m2)