Thực trạng hiện nay, hầu hết các đài ra đa ĐKHL hiện có trong trang bị của Quân đội ta, kể cả những đài thế hệ mới đa kênh mục tiêu như 30H6E ..., [11], [51], vấn đề tự động hóa q trình điều chỉnh tham số máy phát và năng lượng đầu vào máy thu làm cho dải biến thiên biên độ tín hiệu đầu vào tuyến thu phù hợp với dải động của máy thu vẫn chưa được giải quyết triệt để.
Phụ thuộc vào cự ly, diện tích PXHD của mục tiêu, biên độ tín hiệu đầu vào máy thu biến đổi trong dải lớn hơn nhiều so với dải động của máy thu. Trong khi đó các đài ĐKHL vẫn sử dụng các biện pháp bằng tay như: PPY; thay đổi mức SGTH đầu vào máy thu; chuyển mạch thay đổi mức công suất phát. Sự hạn chế của các biện pháp bằng tay đã được phân tích ở mục trên.
Trước thực trạng đó, nghiên cứu khả năng hồn tồn tự động duy trì dải biên độ tín hiệu đầu vào tuyến thu phù hợp với dải làm việc của máy thu sẽ cho phép tự động hóa hồn tồn q trình gia cơng, xử lý tín hiệu phản xạ từ mục tiêu
trên cơ sở một hệ tự động điều chỉnh. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với những đài ĐKHL đa kênh mục tiêu cũng như địi hỏi độ chính xác thơng tin cao.
Luận án đặt vấn đề là trên cơ sở của hai hệ phát và thu độc lập (chỉ có liên hệ thơng qua hệ thống đồng bộ tín hiệu, hình 1.11) của các đài ĐKHL hiện có, nghiên cứu tổng hợp thuật tốn và cấu trúc, sao cho hai hệ thu – phát hình thành mối liên hệ điều khiển khép kín, có tác dụng tự động duy trì dải biên độ tín hiệu đầu vào tuyến thu phù hợp với dải làm việc của máy thu nhằm tự động chống quá tải máy thu đồng thời nâng cao chất lượng thông tin cho các hệ bám tọa độ nói riêng, cho hệ thống ĐKHL (hình 1.16) nói chung.
Hệ thống tự động điều khiển chống quá tải máy thu với phần tử đo của hệ là bộ phát hiện quá tải sẽ phân tích dấu hiệu quả tải máy thu để tác động vào bộ điều khiển. Đối tượng được điều khiển có thể là máy phát và bộ SGTH đầu vào máy thu. Cụ thể hơn là bộ điều khiển hoặc là thay đổi cơng suất xung dị (thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu), hoặc là thay đổi các mức SGTH đầu vào máy thu. Kết quả là hệ thống tự động phối hợp được dải biên độ tín hiệu đầu vào phù hợp với dải làm việc (dải động) của máy thu. Nhờ đó, hệ thống sẽ tự động chống quá tải, khắc phục sự méo dạng tín hiệu đầu vào cho các hệ tự động bám tọa độ mục tiêu.
Một hệ thống thu – phát khép kín, tự động như vậy sẽ cho phép loại bỏ những phần tử hiệu chỉnh bằng tay như bộ SGTH và chuyển mạch thay đổi công suất phát xạ, giảm bớt thao tác và tâm lý căng thẳng cho trắc thủ trong chiến đấu, tăng mức độ tự động hóa tồn đài, nâng cao độ chính xác đo - bám các tọa độ mục tiêu với mọi diện tích PXHD trong toàn dải cự ly.
Để hệ thu - phát bám sát mục tiêu trở thành hệ tự động điều khiển khép kín, điều cần thiết cần phải tổng hợp được: bộ đo – phát hiện quá tải máy thu; luật điều khiển và bộ điều khiển logic (hình 1.16). Hai hệ thống phát và thu được khép kín qua khơng gian có mục tiêu.
Hình 1.16. Cấu trúc của một hệ thu – phát tự động chống quá tải máy thu Các vấn đề đã đặt ra nêu trên có thể được giải quyết khi giải được các bài toán cụ thể sau:
1. Khảo sát và xây dựng đặc trưng dải biến thiên cơng suất và biên độ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào tuyến thu, tìm quy luật thay đổi cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, phụ thuộc vào cự ly và diện tích PXHD của mục tiêu.
2. Xây dựng đặc trưng thay đổi hệ số truyền hệ thống bao gồm: HSKĐ máy thu; HS_SGTH; HSKĐ tuyến phát trên cơ sở bài toán phát hiện mục tiêu theo tỷ số S/N để xác định thời điểm và các mức điều chỉnh cơng suất phát, hệ số SGTH,… trong tồn dải thay đổi cự ly và diện tích PXHD của mục tiêu.
3. Tổng hợp các thuật toán phát hiện, thuật toán điều khiển và cấu trúc phù hợp cho hệ tự động phát – thu khép kín.
4. Mô phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả của hệ thống đã tổng hợp được trên cơ sở của bộ tham số một đài ĐKHL cụ thể và đưa ra kết luận về khả năng ứng dụng vào thực tế.
Đề xuất trên là có cơ sở lý thuyết và thực tế, đó là:
- Nền tảng của một đài ra đa ĐKHL điều khiển bởi máy tính số;
- Hệ thống máy phát thế hệ mới có khả năng thay đổi công suất linh hoạt và đa chế độ hoạt động.
Ngồi ra, với nền tảng cơng nghệ máy tính số, lý thuyết xử lý tín hiệu; lý thuyết điều khiển tự động; lý thuyết mơ hình hóa tín hiệu … cho phép giải những bài toán trên.
Máy phát cao tần Tầng điều chế xung Cao tần máy thu Máy thu trung tần Các hệ bám sát tọa độ mục tiêu Bộ phát hiện quá tải Bộ điều khiển logic MT AT AT NG
1.5. Kết luận chương 1
Trong các đài ra đa ĐKHL hiện có, hệ thống phát xung vô tuyến thường độc lập với hệ thống thu về điều khiển. Máy thu phải tự thích nghi với sự biến động của tín hiệu đầu vào do máy phát không thay đổi công suất trong các chế độ làm việc. Trong điều kiện như vậy, để thích ứng với sự biến động lớn về cơng suất của tín hiệu đầu vào, máy thu phải sử dụng một số cơ cấu điều khiển bằng tay để: suy giảm biên độ tín hiệu (bộ SGTH); điều chỉnh cơng suất phát; điều chỉnh HSKĐ bằng PPY. Hạn chế của các biện pháp bằng tay sẽ làm cho độ tin cậy của thông tin đo - bám tọa độ giảm, bởi vì nó phụ thuộc rất nhiều vào sự ổn định biên độ và bảo tồn hình dạng tín hiệu ở đầu ra máy thu, trong khi các cơ cấu điều chỉnh bằng tay không đảm bảo tác động nhanh về thời điểm và mức độ điều chỉnh.
Trên cơ sở vấn đề tự động ổn định biên độ, bảo tồn hình dạng tín hiệu đầu vào các hệ đo – bám tọa độ, trong chương đã đề xuất vấn đề tổng hợp một cấu trúc thu – phát dưới dạng một hệ tự động điều khiển khép kín. Hệ điều khiển kín có tác dụng tự động duy trì biên độ tín hiệu đầu vào máy thu, phù hợp với dải làm việc của các mạch APY có trong hệ thống. Một hệ thu – phát như vậy có thể loại bỏ được các phần tử điều chỉnh khuếch đại bằng tay, tự động chống quá tải máy thu, nâng cao mức tự động hóa của đài ra đa và nâng cao chất lượng thông tin cho các hệ đo – bám tọa độ sau khi xử lý trong máy thu.
Để giải quyết hướng đề xuất, bốn bài toán cần giải một cách trình tự đã được xác định. Ở các chương tiếp ta sẽ xem xét trình tự, phương pháp và cơng cụ để giải các bài toán nêu trên. Kỳ vọng là luận án sẽ tổng hợp hoàn chỉnh một hệ thống thu - phát tự động khép kín, tự động ổn định dải biến thiên cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào máy thu trong một giới hạn đảm bảo cho bài toán phát hiện, đo - bám tọa độ mục tiêu có độ chính xác mong muốn.
Chương 2
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHỐNG QUÁ TẢI MÁY THU TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU
Mục đích của chương 2 là giải quyết các nội dung của hai bài toán đầu trong bốn bài toán đặt ra của luận án đã đề cập trong chương 1. Kết quả của các phân tích, khảo sát sẽ là cơ sở để hình thành phương pháp tự động khống chế biên độ tín hiệu ở đầu vào máy thu luôn nằm trong dải làm việc của máy thu.
2.1. Lựa chọn đối tượng và mơ hình khảo sát
2.1.1. Đối tượng khảo sát, phân tích
Đối tượng nghiên cứu trong chương này là hai hệ thống thu và phát độc lập của một đài ra đa ĐKHL. Điều kiện để thông tin đầu ra máy thu được ổn định, không méo dạng chủ yếu phụ thuộc vào độ chọn lọc tần số, độ rộng dải thông, mức thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào và điều chỉnh khuếch đại của máy thu. Nếu như coi vấn đề chọn lọc tần số tín hiệu bằng dải thơng có độ rộng xác định của máy thu đã được giải quyết triệt để, thì vấn đề thay đổi suy giảm đầu vào và điều chỉnh khuếch đại máy thu vẫn là vấn đề cần hồn thiện như đã phân tích trong chương 1.
Ta biết rằng, điều chỉnh khuếch đại hay suy giảm tín hiệu đầu vào máy thu ở tất cả các loại đài ĐKHL chủ yếu phụ thuộc vào sự biến thiên biên độ của tín hiệu đầu vào do cự ly và diện tích PXHD của mục tiêu thay đổi. Như vậy, để xây dựng đặc trưng thay đổi biên độ tín hiệu ở đầu vào máy thu, nhất thiết ta phải nghiên cứu, khảo sát sự phụ thuộc của cơng suất (hay biên độ) tín hiệu đầu vào máy thu theo công suất xung phát (Pph), cự ly tới mục tiêu (Rmt) và diện tích PXHD (σmt) của nó.
Trên cơ sở kết quả khảo sát nêu trên kết hợp với những tham số như dải động (D), dải thay đổi APY, PPY, các mức SGTH đầu vào của máy thu, sẽ khảo sát xây dựng đặc trưng khuếch đại của hệ thống.
Bằng cách so sánh dải biến thiên công suất (hay biên độ) tín hiệu đầu vào theo cự ly và diện tích PXHD của mục tiêu với ngưỡng đặc trưng khuếch đại tuyến tính của máy thu ta có thể xác định được thời điểm và số lần cần điều chỉnh mức SGTH và công suất máy phát để máy thu khơng bị q tải. Cũng từ đây có thể đề xuất sơ bộ một cấu trúc khép kín cho hai hệ thu – phát tự động chống quá tải cho máy thu. Để khảo sát, xây dựng những đặc trưng nêu trong luận án sẽ sử dụng cấu trúc, tham số của một đài ĐKHL điển hình. Đó là đài ra đa Dopler đơn xung với tín hiệu có cấu trúc phức tạp, sử dụng ATMP, đa chức năng, đa kênh mục tiêu – tên lửa. Khảo sát thực hiện cho một kênh thu – bám sát.
Phạm vi của bài toán khảo sát là:
- Khảo sát xây dựng đặc trưng công suất (biên độ) tín hiệu phản xạ từ mục tiêu theo thay đổi cự ly và diện tích PXHD trong kênh thu - phát bám sát mục tiêu đài điều khiển TLPK.
- Khảo sát xây dựng đặc trưng khuếch đại tín hiệu trong kênh thu - phát bám sát mục tiêu đài ĐKTL với đầy đủ các thành phần điều chỉnh (APY, PPY, SGTH) và công suất máy phát.
Khảo sát xây dựng các đặc trưng với giả thiết là: kênh thu - phát bám sát một mục tiêu, vấn đề chống các loại nhiễu TCĐT có hiệu quả và khơng đề cập ảnh hưởng của các loại nhiễu; mất mát bất định do môi trường và các điều kiện truyền sóng là khơng thay đổi trong một chu kỳ xử lý và được coi như một hệ số [19], [25]; máy phát có thể điều khiển được cơng suất ở một số mức xác định.
2.1.2. Cấu trúc kênh thu - phát bám sát mục tiêu dùng cho khảo sát
Kênh thu - phát bám sát mục tiêu là một hệ thống trong đài ĐKTL như đã được mô tả trên hình 1.1 và 1.2. Nó đảm nhiệm chức năng bám sát và xác định tọa độ tức thời của mục tiêu. Đây là một trong những kênh quan trọng vì nó quyết định những vấn đề sau:
- Phát hiện mục tiêu theo chỉ thị từ đài ra đa ngồi, xử lý biến đổi tín hiệu đưa vào các hệ bám sát để đo tọa độ tức thời của mục tiêu;
- Đưa thông tin tọa độ mục tiêu được bám sát vào hệ lập lệnh điều khiển tên lửa và lên màn hình hiển thị tình huống.
Sơ đồ cấu trúc tổng quát một kênh vô tuyến thu – phát bám sát mục tiêu của đài ĐKTL điển hình có dạng thể hiện trên hình 2.1, [9],[11].
Hình 2.1. Cấu trúc một kênh thu – phát bám sát mục tiêu đài ĐKTL Trong hình 2.1: KĐCT- khuếch đại cao tần; Bộ SGTH - bộ suy giảm tín hiệu đầu vào; KĐTT - khuếch đại trung tần; fns - tần số ngoại sai; CИД - cửa sóng cự ly; APY – mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại; PPY - điều chỉnh HSKĐ bằng tay.
Theo tham số chỉ thị mục tiêu, đài ra đa ĐKHL tức thời hướng tia quét anten về phía mục tiêu, thực hiện phát tín hiệu dị dạng chùm xung cao tần, tương can cận liên tục, công suất lớn bởi máy phát. Qua hệ thống anten-phider, tín hiệu dị được phát vào không gian, gặp mục tiêu phản xạ trở về anten thu và qua đường truyền phider đưa tới đầu vào máy thu.
Trong tuyến thu, tín hiệu được: lọc tần số và khuếch đại sơ bộ ở tầng KĐCT; biến đổi tần số và khuếch đại chính ở các tầng KĐTT; chọn lọc theo cự ly bằng các xung СИД; lọc vận tốc bằng tần số ngoại sai có điều khiển;... Sau đó tín hiệu được đưa vào các hệ bám tọa độ.
Máy phát cao tần Tầng điều chế xung Hệ đồng bộ AT MT KĐTT- 1 Cao tần máy thu Trộn tần 2 KĐTT 2 Lọc AT Hệ bám 8dB 18dB 26dB Bộ SGTH Trộn tần 3 fns2 APY fns3 CИД PP Y KĐTT 3 MTSTT
Do tính chất đa kênh mục tiêu nên các hệ đo – bám tọa độ luôn làm việc ở chế độ tự động. Tọa độ tức thời của mục tiêu từ các hệ bám sát cung cấp cho máy tính số trung tâm (MTSTT) để thực hiện thuật tốn hình thành lệnh điều khiển tên lửa.
Theo cấu trúc kênh thu – phát bám sát trên hình 2.1, ta thấy rõ tính độc lập giữa thiết bị phát và thu. Giữa chúng chỉ có mối liên hệ chung với hệ thống đồng bộ tín hiệu, cần thiết cho q trình phân tách kênh mục tiêu theo thời gian và tần số. Hệ đồng bộ được điều khiển bởi MTSTT.
Như đã nêu, quá trình phát hiện, bám sát mục tiêu có thể bằng tay hoặc tự động. Mục tiêu có thể xuất hiện trong dải cự ly rất lớn từ vài trăm tới vài kilomet (km) với diện tích PXHD có thể từ 0.02m2 đến 100m2. Có nghĩa là cơng suất hay biên độ tín hiệu phản xạ thay đổi trong dải rất rộng. Dưới đây ta sẽ khảo sát, đánh giá về dải thay đổi này.
2.2. Khảo sát xác định dải biến thiên biên độ tín hiệu đầu vào và
đặc trưng khuếch đại tín hiệu của máy thu
2.2.1. Xác định dải biến thiên cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu
Theo lý thuyết nguyên lý ra đa [1], [10], [25], cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu tại đầu vào anten thu được xác định bởi công thức sau:
2 3 4 . . . . . . ' 4 ph p t mt px mt P G G P R L (2.1)
Trong đó: Ppx – cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào máy thu; Pph - công suất xung đầu ra máy phát; Gp, Gt - hệ số khuếch đại anten phát và thu;
- bước sóng dao động mang; mt - diện tích PXHD của mục tiêu; , η’ -
hiệu suất truyền năng lượng từ máy phát đến anten và từ anten thu tới tầng KĐCT; Rmt - cự ly tới mục tiêu, là hàm theo thời gian; L - tổng mất mát, suy giảm trên đường truyền của hệ thống.
Từ (2.1) ta thấy, cơng suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào các tham số ở vế phải. Thực tế, các tham số (Pp, Gp, Gt, λ,
η, η’ và L) trong một chu kỳ quan sát có thể coi là khơng thay đổi, thì cơng
suất xung phản xạ thay đổi phụ thuộc vào hai tham số chính là cự ly Rmt(t) và