Chƣơng 3 tập trung nghiên cứu vào các phƣơng pháp đo lƣờng anten, đặc biệt là phƣơng pháp xác định đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số. Qua q trình nghiên cứu, chƣơng 3 đã có đóng góp một phƣơng pháp có thể sử dụng để đo nhanh đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số có thể ứng dụng trong kiểm tra, đánh giá định tính chất lƣợng của anten trong quá trình sản xuất, chế tạo.
Phƣơng pháp đo nhanh này đƣợc thực hiện dựa trên khả năng thực hiện quay búp sóng chính của anten mạng pha số sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số và mối liên hệ giữa tính chất của búp sóng chính với đặc trƣng của từng phần tử anten. Nhờ đó ta có thể tiết kiệm đƣợc thời gian thực hiện đo so với các phƣơng pháp khác do không phải thực hiện việc quay cơ học anten trên tồn bộ khơng gian.
CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Chƣơng 4 trình bày một số kết quả thực nghiệm trên anten mạng pha số sử dụng các giải pháp cải tiến thuật toán trong chƣơng 2. Đây là các kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm, đo đạc thực hiện trên anten mạng pha số 4 kênh thu, băng tần X, 4x8 phần tử của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Những kết quả này đã khẳng định hiệu quả và khả năng ứng dụng của các thuật toán trên.
4.1 Thuật tốn di truyền song song
Ngồi những kết quả mô phỏng ở trên, luận án còn tiến hành thực nghiệm trên hệ thống anten mạng pha số tại Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Tuy nhiên, do điều kiện thí nghiệm cịn nhiều hạn chế nhƣ anten chỉ có 4 kênh số, mỗi kênh gồm 8 phần tử, phịng thí nghiệm nhỏ nên khơng thể đặt q nhiều nguồn phát ở trong phịng. Mặc dù vậy, nhóm nghiên cứu của tác giả cũng đã cố gắng khắc phục khó khăn để thực hiện đo nhiều lần với nhiều trƣờng hợp khác nhau. Kết quả thu đƣợc đã chứng minh đƣợc tính đúng đắn vấn đề mà luận án đặt ra. Ở đây, do anten chỉ có thể thay đổi búp sóng theo góc phƣơng vị nên các kết quả đo đạc đƣợc chỉ thực hiện trên mặt phẳng góc phƣơng vị. Quá trình thiết lập hệ thống đo đặc trƣng hƣớng đƣợc thực hiện theo sơ đồ trong Hình 4.1
Ở đây, hệ máy tính sẽ thực hiện việc tính tốn độ lệch pha dựa vào thuật tốn di truyền song song, sau đó các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc chuyển vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ cố định các độ lệch pha này và đƣa vào hệ thống anten mạng pha. Anten này sẽ thực hiện thu tín hiệu từ máy phát chuẩn sau đó đƣa qua bộ tạo búp sóng số và đƣa kết quả ra ngồi. Các số liệu thu đƣợc dƣới dạng biên độ và đƣợc sử dụng để xây dựng đặc trƣng hƣớng.
Hình 4.1 Sơ đồ thiết lập đo đặc trưng hướng để khảo sát thuật toán di truyền
Với sơ đồ nhƣ vậy, tác giả đã thiết lập thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Cơng nghệ Qn sự nhƣ sau (Hình 3.12).
Với các thiết bị thí nghiệm nhƣ vậy, luận án đã tiến hành thí nghiệm với 3 trƣờng hợp (1 nguồn nhiễu ở -20o, 1 nguồn nhiễu ở 30o, 2 nguồn nhiễu tại - 20o và 30o).
4.1.1 Trƣờng hợp 1 nguồn nhiễu ở -20o
Sau khi ta đƣa vị trí nguồn nhiễu này vào thuật toán với trƣờng hợp anten mạng 4 kênh thu thì ta đƣợc các kết quả bao gồm độ lệch pha giữa các phần tử (Bảng 4.1) và đặc trƣng hƣớng của anten (Hình 4.2)
Bảng 4.1 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử (góc nhiễu = -20 độ)
Anten mạng pha số
Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Độ lệch pha (rad) 0.5857 0.6296 -0.3865 -0.3739
Hình 4.2 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc -20 độ
Từ kết quả này ta thấy rằng điểm khơng đƣợc tạo ra có độ sâu khá cao (- 46 dB). Tuy nhiên, búp sóng chính bị lệch khỏi vị trí 0 độ. Ngồi ra, các đỉnh phụ trong đặc trƣng hƣớng có biên độ khá cao, có đỉnh lên tới -7 dB.
4.1.2 Trƣờng hợp 1 nguồn nhiễu ở 30o
Sau khi ta đƣa vị trí nguồn nhiễu này vào thuật toán với trƣờng hợp anten mạng 4 kênh thu thì ta đƣợc các kết quả bao gồm độ lệch pha giữa các phần tử (Bảng 4.2) và đặc trƣng hƣớng của anten (Hình 4.3)
Bảng 4.2 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử (góc nhiễu = 30 độ)
Anten mạng pha số
Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Độ lệch pha (rad) 0.3819 1.2746 0.8833 1.2456
Hình 4.3 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc 30 độ
Trƣờng hợp này cũng tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp nhiễu ở góc -20 độ. Điểm khơng có độ sâu khá cao (-36 dB), các đỉnh phụ có biên độ khá cao (đỉnh lớn nhất là (-8 dB).
4.1.3 Trƣờng hợp 2 nguồn nhiễu tại -20o
và 30o
Sau khi ta đƣa vị trí nguồn nhiễu này vào thuật toán với trƣờng hợp anten mạng 4 kênh thu ta đƣợc các kết quả bao gồm độ lệch pha giữa các phần tử (Bảng 4.3) và đặc trƣng hƣớng của anten (Hình 4.4)
Bảng 4.3 Kết quả tính tốn độ lệch pha giữa các phần tử (góc nhiễu = - 20 và 30 độ)
Anten mạng pha số
Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Độ lệch pha (rad) 0.5819 1.7546 0.2833 0.8456
Hình 4.4 Đặc trưng hướng của anten mạng pha sau khi sử dụng thuật toán di truyền song song để loại bỏ nhiễu ở góc -20 và 30 độ
Từ kết quả ta thấy rằng thuật tốn thành cơng trong việc tạo ra 2 điểm không tại -20 độ và 30 độ với độ sâu cao (biên độ tƣơng ứng là -28 dB và -19 dB). Tuy nhiên biên độ các đỉnh phụ còn khá cao, lên tới -2 dB.
4.1.4 Nhận xét
Qua các kết quả thu đƣợc (Hình 4.2, Hình 4.3, Hình 4.4) ta thấy rằng việc sử dụng thuật toán di truyền song song trong bài tốn thích nghi có thể tạo ra đƣợc các điểm khơng có độ sâu cao nhằm triệt tiêu tín hiệu tới từ góc đó. Mặc dù do hạn chế về số lƣợng phần tử anten nên đặc trƣng hƣớng cịn có những đỉnh phụ có biên độ cao, nhƣng các kết quả này vẫn cho thấy việc sử dụng thuật toán di truyền, đặc biệt là thuật toán di truyền song song trong anten mạng pha số là hoàn toàn hợp lý. Kết quả này hoàn toàn áp dụng đƣợc trên hệ anten nhiều phần tử hơn.
4.2 Tính tốn song song cho thuật toán MUSIC
Trong luận án này, tác giả đã thực hiện kiểm tra kết quả tính tốn song song cho thuật toán MUSIC trên anten mạng pha 4x8 phần tử của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự Việt Nam. Kết quả của thuật toán đƣợc kiểm tra bằng cách đặt các nguồn tín hiệu ở một vị trí xác định rồi dùng thuật tốn ƣớc lƣợng góc tới của tín hiệu (Hình 4.5).
Hình 4.5 Sơ đồ kiểm tra thuật toán MUSIC
Việc kiểm tra đƣợc tiến hành trong phịng thí nghiệm, ít có ảnh hƣởng của bên ngoài với các anten phát là các anten chuẩn và phát liên tục các mã BPSK ngẫu nhiên. Luận án đã thực hiện kiểm tra cho các trƣờng hợp sau 2 nguồn tín hiệu ở -30 và 20 độ (Hình 4.6), 2 nguồn tín hiệu ở -20 và 30 độ (Hình 4.7), 3 nguồn tín hiệu ở -30, 20 và 60 độ (Hình 4.8).
Hình 4.6 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -30 và 20 độ
Hình 4.7 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -20 và 30 độ
Hình 4.8 Tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC: Trường hợp nguồn phát ở góc -30, 20 và 60 độ
Nhìn chung các kết quả đã cho thấy đƣợc hiệu quả của thuật toán MUSIC cũng nhƣ việc áp dụng phƣơng pháp tính tốn song song vào thuật tốn này để ƣớc lƣợng hƣớng tới của tín hiệu. Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp khi nguồn phát đặt ở các góc ngang thì độ chính xác của phƣơng pháp ƣớc lƣợng giảm đi đáng kể. Nguyên nhân chính của vấn đề này là do hạn chế về số lƣợng phần tử anten (ở đây anten mạng pha chỉ có 4 kênh tƣơng đƣơng với 4 phần tử). Ngồi ra, một nguyên nhân khác ảnh hƣởng tới khả năng ƣớc lƣợng góc cho các tín hiệu gần mặt phẳng tà là do hạn chế của anten mạng pha. Mặc dù vậy, các kết quả này cũng là thành công bƣớc đầu của luận án trong việc chứng minh tính hiệu quả của thuật toán cũng nhƣ trong việc sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song vào trong thuật toán này.
4.3 Kết luận chƣơng 4
Chƣơng 4 của luận án trình bày về các kết quả thực nghiệm trong nghiên cứu sử dụng các phần mềm, thuật toán của chƣơng 2 vào trong thực nghiệm.
Cụ thể là, áp dụng thuật toán di truyền song song và thuật toán MUSIC song song vào hệ thống anten mạng pha số 4x8 phần tử tại Viện Ra đa - Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự Việt Nam.
Qua các kết quả thực nghiệm trình bày trong chƣơng này, ta có thể thấy đƣợc hiệu quả của các thuật toán này trong việc tạo ra các hƣớng không để loại bỏ nhiễu cũng nhƣ trong ƣớc lƣợng hƣớng tới của tín hiệu. Kết quả thực nghiệm ở đây là việc chứng minh đƣợc các đề xuất của tác giả về ứng dụng thuật toán di truyền và thuật toán MUSIC kết hợp với phép tính song song một số bƣớc có thể áp dụng cho việc xây dựng thuật tốn và phần mềm xử lý, tính tốn cho anten mạng pha. Đây là cơ sở để có thể áp dụng nội dung nghiên cứu của luận án vào thực tiễn hệ anten nhiều phần tử hơn.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận án tập trung nghiên cứu việc xây dựng phần mềm điều khiển búp sóng, xử lý tín hiệu số.
Trên cơ sở phân tích lý thuyết, đã xây dựng những căn cứ để đề xuất áp dụng các thuật tốn có ứng dụng cách tính song song, lập trình và tính tốn mơ phỏng, thực nghiệm kiểm tra. Luận án đã hoàn thành mục tiêu đề ra.
Những kết quả chính của luận án là:
1. Nghiên cứu phát triển thuật tốn di truyền có sử dụng phép tính song song cho việc xử lý tín hiệu số, qt búp sóng, tạo ra khả năng chống nhiễu theo khơng gian, xác định đƣợc nguồn tín hiệu với độ chính xác cao và thời gian thích hợp.
2. Nghiên cứu phát triển thuật tốn MUSIC có sử dụng từng phần phép tính song song cho việc ƣớc lƣợng tín hiệu cho kết quả phù hợp.
3. Đề xuất sử dụng anten mạng pha với cách quay tia, đo trong vùng trƣờng gần để suy ra giá trị ở vùng trƣờng xa nhằm có kết quả nhanh và tiết kiệm khi hiệu chỉnh, sắp đặt các phần tử anten trong q trình tính tốn, gia cơng.
4. Các kết quả trên đều đƣợc tính tốn bởi các thuật toán đề xuất và phần mềm đƣợc xây dựng trên cơ sở ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab phù hợp với các luận cứ đặt ra.
Ngoài ra việc đo đạc thực nghiệm trên một anten mạng pha băng X sẵn có tại viện Khoa học Cơng nghệ Qn sự cũng nhƣ các cơng trình đƣợc cơng bố đã chứng minh tính tin cậy của những đề xuất trong luận án.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Le Quang Thao, Nguyen Ngoc Dinh, Do Trung Kien (2011), “Amplitude
and phase adaptive nulling with a genetic algorithm for array antennas”,Vnu,
Journal of Science, Mathematics - physics 27 (1S), pp.223-227.
2. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Nguyen Thi Ngoc Minh (2011), “Fast
solution for main beam pattern measurement using digital beam forming technique”, AIMSEC Proceedings, Zhenzhou, China, Aug 8-10, pp.6655- 6658.
3. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Do Trung Kien (2011), “Simulation
and comparison of parabolic and phased array antenna in radar technologies”, CLMV-02 Proceedings, Vinh, Vietnam Oct 11-15, pp167- 171.
4. Le Quang Thao, Nguyen Thi Ngoc Minh (2012), “Adaptive nulling with
parallel genetic algorithm in phased array antenna”, Tạp chí Nghiên cứu
KH&CN Quân sự, số 20, pp.7-13.
5. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Nguyen Thi Ngoc Minh (2012),
“Parallel computing in genetic algorithm for adaptive array antenna”, ACAI Proceedings 1, Xiamen, China, Mar 24-26, pp.511-515.
6. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Nguyen Thi Ngoc Minh (2012), “Fast
and High Resolution In Direction of Arrival Estimation Using Parallel MUSIC”, ACAI Proceedings 2, Xiamen, China, Mar 24-26, pp.1132- 1136
7. Le Quang Thao, Dam Trung Thong (2012), “Computation Power And
Number of Basics Radiator for Radar System using Phased Array Antenna”,
Canadian Journal on Electronics Engineering (online version) 3 (5), May 2012. pp.262-265.
8. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Do Trung Kien (2012), “Research and
comparison of performance of direction of arrival algorithms for smart antenna system”, Vnu, Journal of Science, Mathematics - physics 28 (1S),
pp.141-147.
9. Le Quang Thao, Dam Trung Thong, Do Trung Kien (2012), “Adaptive
array antenna with different models of genetic algorithm”, Vnu, Journal of Science, Mathematics - physics 28 (1S), pp.148-153.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Phan Anh (2007), Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB Khoa học và kỹ
thuật, Hà Nội.
2. Trƣơng Vũ Bằng Giang (2008), “Hệ thống đo lƣờng tự động anten tích hợp bộ lọc phần mềm”, Tạp chí Bưu chính Viễn thơng, 20, tr. 31-35. 3. Trƣơng Vũ Bằng Giang (2009), “Nghiên cứu ứng dụng một số phƣơng
pháp điều khiển và định dạng búp sóng cho anten thơng minh”, Tạp chí
Bưu chính Viễn thơng, V(1), tr. 93-98.
4. Nguyễn Quang Hƣng (2006), Xử lý anten mảng theo không gian - thời gian trong thông tin vô tuyến di động, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện
Bƣu chính Viễn thơng Hà Nội.
5. Nguyễn Thị Ngọc Minh (2010), Nghiên cứu công nghệ chế tạo anten mạng pha, Báo cáo nghiệm thu đề tài, Viện Ra đa - Viện KH-CN Quân
sự Việt Nam, Hà Nội.
6. Nguyễn Đình Thức (2002), Trí tuệ nhân tạo lập trình tiến hóa, NXB
Giáo dục, Hà Nội
Tiếng Anh
7. Phan Anh, Tran Cao Quyen (2005), DOA Determination by Using an Antenna System Without Phase Center and MUSIC Algorithm, IEEE
International Symposium on Antennas & Propagation, Washington DC. 8. Tran Cao Quyen, Bach Gia Duong, Paul Fortier, Phan Anh (2008), An
approach for passive radar using a smart antenna system, International
conference on advanced technologies for communications, Hanoi, Vietnam.
9. E.S. Neves, W. Elmarissi, A. Dreher (2004), “Design of a broad-band low cross-polarized X-band antenna array for SAR applications”,
Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 3,
pp. 2460 - 2463.
10. C.E. Patterson, A.M. Yepes, Thrivikraman, Bhattacharya, Cressler, Papapolymerou (2010), “A lightweight X-band organic antenna array with integrated SiGe amplifier”, Radio and Wireless Symposium (RWS), IEEE, pp. 84-87.
11. L. W. Alvarez, Berkeley, Calif. (1949), Communication system, United
State Patented Office.
12. L. W. Alvarez, Berkeley, Calif. (1950), Airway monitoring and control system, United State Patented Office.
13. L. W. Alvarez, Belmont, Mass. (1952), Antenna system with variable directional characteristic, United State Patented Office.
14. G. M. Amdahl (1967), “Validity of the single-prosessor aproach to large scale computing capability”, AFIPS conference proceedings, Va. Reston, 30, pp. 483-485.
15. J. Razavilar, Rashid-Farrokhi, K.J.RLiu. (1999), “Software radio architecture with smart antennas: a tutorial on algorithms and complexity”, Selected Areas in Communications, IEEE Journal, 17 (4). 16. Md. Bakhar, Vani. R. M, P.V. Hunagund (2011), “Comparative studies
of direction of arrival algorithms for smart antenna systems”, World Journal of Science and Technology, 1(8), pp. 20-25.
17. A.S Shlapakovski, S.N Artemenko, V.M Matvienko, Vintizenko, Jiang (2006), “Status of the development of X-band antenna-amplifier: design, simulations, and prototype experiments”, ICOPS, pp. 297.
18. M.F I slam, M.A.M Ali, B.Y Majlis (2007), “Design and Simulation of X-Band Micromachined Microstrip Antenna”, SCORED, pp. 1-3.
Antennas for Wireless Communication Links, Wiley interscience a John
wiley & sons, inc, pp. 335-392
20. Blaise Barney (2010), Introduction to Parallel Computing, Lawrence
Livermore National Laboratory.
21. Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr (2005), Advanced Computer Architecture And Parallel Processing, A John Wiley & Son, Inc.
22. M. S. Bartlett (1948), “Smoothing periodograms from time series with continuous spectra”, Nature, 161, pp. 686-687.
23. K. F. Braun (1909), Electrical oscillations and wireless telegraphy,
Nobel lecture in Physics, Nobel Foundation.
24. J. Chenoweth, T. Speicher (1997), Cylindrical Near-field measurement