(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu hệ thống radar mimo và định vị mục tiêu di động sử dụng hàm ambiguity

Với tính năng nổi trội đã nêu ở trên, kỹ thuật MIMO cũng đã nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống radar nhằm để tăng dung lượng và hiệu qủa xác định vị trí mục tiêu được gọi là hệ thống rad

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống radar MIMO và định vị mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity” là công trình nghiên cứu của riêng học viên

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần là lý thuyết cơ bản về kỹ thuật radar, một phần là các nghiên cứu về radar MIMO

đã được công bố hiện nay tại các trường Đại học và các bài báo trên tạp chí của Viện kỹ thuật công nghệ điện - điện tử IEEE Phần còn lại là nghiên cứu ứng dụng và mô phỏng hàm Ambiguity định vị mục tiêu di động là nghiên cứu của học viên

Quy Nhơn, ngày 15 tháng 9 năm 2019 Học viên

Nguyễn Thanh

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi muốn cám ơn thầy hướng dẫn của tôi, TS Đào Minh Hưng, người đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn này Thầy đã dạy tôi mọi thứ tôi cần để trở thành một nhà nghiên cứu như là sáng tạo, suy nghĩ sâu sắc và các kỹ năng trình bày ý tưởng và viết bài Thầy cũng là một quý ông hoàn hảo, luôn tốt bụng, lịch sự và ân cần Thầy là một hình mẫu hoàn hảo và tôi đã học được rất nhiều

Tôi cũng muốn cảm ơn đến các giảng viên trong Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, các bạn cùng lớp Kỹ thuật viễn thông K20 Đây thực sự là một tập thể tuyệt vời khi học tập, làm việc và nghiên cứu cùng nhau

Ngoài ra, tôi cũng muốn cảm ơn cha mẹ tôi vì tình yêu và sự ủng hộ của

họ cho cả cuộc đời tôi Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến người vợ đáng yêu Nguyễn Thị Vân Anh vì sự đồng hành và tình yêu của cô ấy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Tóm tắt nội dung nghiên cứu 4

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR 6

1.1 Khái niệm hệ thống radar 6

1.1.1 Lịch sử radar 6

1.1.2 Phân loại radar 7

1.1.3 Băng tần của radar 10

1.2 Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar 13

1.2.1 Các tham số chính 13

1.2.2 Phương trình radar 16

1.2.3 Các khái niệm 18

1.3 Nguyên lý cơ bản về xử lý tín hiệu trong radar 20

1.3.1 Bộ lọc thích hợp (Matched Filter) 20

1.3.2 Hiệu ứng Doppler 22

1.3.3 Mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar 26

1.3.4 Mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar 28

1.3.5 Xác suất báo động nhầm CFAR 30

1.4 Kết luận chương 1 34

CHƯƠNG 2: RADAR MIMO 35

2.1 Tổng quan về radar MIMO 35

2.2 Phân loại Radar MIMO 36

2.3 Radar MIMO kết hợp 37

2.3.1 Mô hình tín hiệu trong radar MIMO kết hợp 38

2.3.2 Độ phân giải tín hiệu 41

2.3.4 Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO kết hợp 43

2.3.5 Mô phỏng xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO kết hợp 46

2.4 Hệ thống radar MIMO thống kê 48

2.4.1 Mô hình tín hiệu trong radar MIMO thống kê 49

2.4.2 Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê 53

2.4.3 Mô phỏng phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê 55 2.5 So sánh xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và radar MIMO thống kê 57

2.6 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR BẰNG HÀM AMBIGUITY 58

3.1 Giới thiệu hàm Ambiguity 58

3.1.1 Các tính chất của hàm Ambiguity 59

3.1.2 Hàm Ambiguity của radar MIMO 60

3.1.3 Định vi mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity 62

3.2 Mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm 63

3.2.1.Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm64

3.2.2 Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm65

3.3 Mục tiêu di động có chuyển động không hướng tâm 67

3.3.1 Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động không hướng tâm 67 3.3.2 Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động không hướng tâm 67

3.4 Mô phỏng 68

3.4.1 Mô hình toán của hàm Ambiguty đối với mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm 69 3.4.2 Mô hình toán của hàm Ambiguity cho tín hiệu phản xạ di động có chuyển động không hướng tâm 74

3.5 Kết luận chương 3 79 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết

tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

CFAR Constant False Alarm Rate Tốc độ báo động sai liên tục DSF Doppler Stretch Factor Hệ số dịch tần Doppler

IPP Inter Pulse Period Khoảng thời gian giữa các xung

MSE Mean Square Estimation Ước lượng trung bình bình

phương Pdf probability density function Hàm mật độ xác suất

PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp xung

RCS Radar Cross Section Tiết diện phản xạ của radar

RLS Radio Location System Hệ thống định vị vô tuyến ROC Receiver Operating Curve Biểu đồ hoạt động thu SIMO Single Input Multiple Output Một máy phát và nhiều máy thu SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Cự ly nhỏ nhất giữa radar và mục tiêu trong trường hợp mục tiêu

di động có chuyển động không hướng tâm

Tần số Doppler Tần số sóng mang

σ(0)

Hệ số tán xạ Máy phát Máy thu Tích Kronecker

Vận tốc mục tiêu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lý radar 7

Hình 1.2: Phân loại các đài radar 8

Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar 12

Hình 1.4: Tín hiệu radar xung 14

Hình 1.5: Phân giải các mục tiêu về mặt cự ly và về cự ly ngang 15

Hình 1.6 Độ phân giải góc 16

Hình 1.7: Bộ lọc thích hợp 20

Hình 1.8: Sự dịch pha của tín hiệu thu được 23

Hình 1.9: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar 26

Hình 1.10: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar 28

Hình 1.11: Các mức ngưỡng khác nhau 31

Hình 1.12: Nguyên lý CFAR 32

Hình 2.1: Sơ đồ radar MIMO 35

Hình 2.2: Phân loại radar MIMO 36

Hình 2.3: Cấu hình radar MIMO kết hợp 38

Hình 2.4: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp xấu nhất 42

Hình 2.5: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp tốt nhất 43

Hình 2.6: Radar MIMO kết hợp, thay đổi 47

Hình 2.7: Radar MIMO kết hợp, thay đổi 47

Hình 2.8: Cấu hình Radar MIMO thống kê 48

Hình 2.9: Radar MIMO thống kê, thay đổi 56

Hình 2.10: Radar MIMO thống kê, thay đổi 56

Hình 2.11: ROC của MIMO thống kê và Radar MIMO kết hợp, ,

57

Hình 3.1: Hàm ambiguity lý tưởng 59

Hình 3.2: Cấu hình radar MIMO trong hệ tọa độ góc vuông 60

Hình 3.3 Minh họa mục tiêu di động 62

Hình 3.4: Đồ thị thời gian trễ thay đổi với đồ thị phía trên biểu diễn cho tín hiệu được phát với số bước thời gian không đổi, đồ thị phía dưới biểu diễn cho tín hiệu thu được với số bước thời gian biến đổi 63

Hình 3.5: Kết quả sử dụng hàm số lấy mẫu lại 70

Hình 3.6: Kết quả sử dụng hàm nội suy 71

Hình 3.7: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f= 500Hz với mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar 72

Hình 3.8: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=1000Hz với mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar 73

Hình 3.9: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=500Hz với mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar 73

Hình 3.10 Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=1000Hz với mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar 74

Hình 3.11: Đồ thị của hàm Ambiguity cho là hằng số 77

Hình 3.12: Đồ thị của hàm Ambiguity cho là hằng số 77

Hình 3.13: Đồ thị của hàm Ambiguity cho hằng số là 78

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay trong thời đại phát triển không ngừng của các hệ thống thông tin vô tuyến, yêu cầu về chất lượng, dung lượng, phạm vi liên lạc trong các hệ thống viễn thông như trong thông tin dẫn đường hàng không, kỹ thuật quân sự…đang tăng lên một cách nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu, dung lượng, tốc độ dữ liệu và phạm vi liên lạc của hệ thống được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây chính là kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống MIMO có thể xem như một hệ thống ghép nhiều kênh con một đầu vào một đầu ra SISO (Single Input Single Output) hay hệ thống đơn anten Mô hình MIMO cơ bản đó là ghép kênh phân chia không gian SM (Spatial Multiplexing) và mã hóa không gian thời gian STC (Space Time Coding) Mã hóa không gian thời gian được dùng để làm tối

đa phân tập không gian trong các kênh MIMO[1] MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để mở thêm các kênh truyền trong miền không gian

Do các kênh song song được mở ra cùng thời gian, cùng tần số, nên đạt được tốc độ dữ liệu cao mà không cần băng thông lớn Nói một cách khác là nhờ sử dụng nhiều phần tử anten ở cả phía phát và phía thu, mà kỹ thuật này cho phép

sử dụng hiệu quả phổ tần số cho hệ thống thông tin vô tuyến, cải thiện tốc độ

dữ liệu, dung lượng kênh truyền cũng như độ tin cậy so với các hệ thống truyền thông đơn anten bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và thời gian Với tính năng nổi trội đã nêu ở trên, kỹ thuật MIMO cũng đã nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống radar nhằm để tăng dung lượng và hiệu qủa xác định vị trí mục tiêu được gọi là hệ thống radar MIMO

Vào khoảng giữa thế kỷ 20 Giáo sư Philip Mayne Woodward đã phát triển một kỹ thuật định hình chùm tia toán học cho anten radar, sau này trở thành tiêu chuẩn trong phân tích tín hiệu liên lạc[15] Thành tựu chính của ông về radar là đánh giá sự nghi ngờ vốn có trong tất cả các tín hiệu radar và cho thấy xác suất Bayes có thể được sử dụng như một phần của quá trình thiết

kế để loại bỏ tất cả những thông tin không mong muốn trong tín hiệu phản hồi Công trình nghiên cứu của Woodward về lý thuyết thông tin radar đã được công nhận là đi trước thời đại nhiều năm và đã cho thấy sự hiểu biết tiên tri về những gì sẽ xảy ra trong việc áp dụng xác suất thống kê để phục hồi dữ liệu từ tín hiệu phản hồi Ngày nay các nhà nghiên cứu đã ứng dụng các công trình của Woodward vào kỹ thuật radar hiện đại để tăng xác suất phát hiện định vị mục tiêu di động

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trên thế giới ngày càng quan tâm nhiều đến các kỹ thuật radar và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho radar MIMO Trong đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác nhau như bài toán dung lượng kênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã hóa không gian thời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian Tài liệu [4], tác giả mô tả các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật radar Tài liệu [17],[6], các tác giả đã mô tả các vấn đề cơ bản của radar MIMO Trong

đó tác giả đã dẫn ra các lý thuyết có liên quan cùng với các kỹ thuật được sử dụng trong một hệ thống radar, đồng thời các tác giả cũng đề cập đến các kỹ thuật được dùng để phát hiện, xác định vị trí của mục tiêu, sau đó tác giả cũng

đã đánh giá việc thiết kế tín hiệu thích nghi cho radar MIMO có liên quan đến việc tạo, ước lượng và phát hiện tín hiệu thu được Tác giả cũng đã mô tả việc

mã hóa không gian thời gian dành cho radar MIMO từ việc sử dụng phân tập dạng sóng

Tài liệu [3] tác giả đưa ra một cái nhìn tổng quan về một số thuật toán gần đây cho thiết kế các dạng sóng radar như phương pháp để nghiên cứu về các đặc tính của hàm Ambiguity cho dạng sóng radar có độ phân giải cao, điều chế biên

độ hoặc pha, xung hoặc CW, phân tích chủ yếu đề cập đến các điều chế ngẫu nhiên, trong đó có nhiều loại dạng sóng phức tạp Gần đây ý tưởng hàm Ambiguity [5] được mở rộng cho radar MIMO, các tác giả sử dụng một số tính chất hàm Ambiguity để thiết kế các dạng sóng cho radar MIMO sau đó sử dụng thuật toán mới thiết kế các tần số phát trực giao, thuật toán này làm giảm các tín hiệu thu về nghi ngờ trong radar MIMO Tài liệu [11] tác giả nghiên cứu các tính chất của hàm Ambiguity từ đó có những ứng dụng hữu ích đối với hệ thống radar Các tính chất này đặc trưng cho sự không phù hợp giữa bộ lọc thích hợp

và tín hiệu radar phản xạ có thể bị dịch Doppler, bản thân hàm Ambiguity cung cấp tại đầu ra của bộ lọc thích hợp ở cả cường độ và pha như là một hàm với độ trễ thời gian và tần số dịch Doppler Sử dụng thông tin này, các nhà thiết kế radar có thể tạo ra các tín hiệu phát tốt hơn để sử dụng trong radar

Trong luận văn này, hai loại hệ thống radar MIMO, cụ thể là nghiên cứu

về radar MIMO kết hợp và radar MIMO thống kê Những điểm tương đồng

và khác biệt của hệ thống radar MIMO và các hệ thống radar thông thường Nghiên cứu ứng dụng hàm Ambiguity vào hệ thống radar để ước lượng các tham số định vị mục tiêu di động

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thống radar, nghiên cứu về radar MIMO và nghiên cứu hàm Ambiguity ứng dụng cho radar Tín hiệu được mã hóa và truyền đi từ nhiều máy phát, tại máy thu, các tín hiệu được kết hợp lại và được lọc để có được các đặc điểm nhận dạng của mục tiêu Đầu ra của bộ lọc thích hợp là hàm Ambiguity Hàm Ambiguity

có thể được coi là một công cụ phân tích hữu ích có thể được sử dụng để thiết

kế dạng sóng của hệ thống và phân tích trạng thái cùng với dạng sóng phản hồi được xử lý bằng bộ lọc thích hợp Hàm Ambiguity có lợi cho việc kiểm tra tất cả các tham số sẽ ảnh hưởng đến hệ thống radar, chẳng hạn như độ phân giải (Doppler và cự ly), biên độ cánh chính và cánh sóng phụ… Sau đó phân tích và so sánh tín hiệu thu được với dạng sóng truyền đi và do đó giúp phân biệt được các mục tiêu ở gần nhau có cùng vận tốc, cự ly… từ đó làm cho xác xuất phát hiện mục tiêu được nâng cao

4 Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật radar và radar MIMO

 Nghiên cứu tính chất hàm Ambiguity xác định mục tiêu di động

5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu liên quan để thực hiện mục tiêu của

đề tài

 Sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng, so sánh đánh giá, kiểm chứng các thông số của hệ thống

6 Tóm tắt nội dung nghiên cứu

Luận án gồm có ba chương, trong đó Chương 1 nghiên cứu tổng quan về

hệ thống radar, lịch sử ra đời,phân loại radar và dải băng tần mà radar sử dụng Trình bày các tham số chính, khái niệm về hệ thống radar và các nguyên lý cơ bản xử lý tín hiệu trong radar như là tìm hiểu về bộ lọc thích hợp, hiệu ứng Doppler, xác suất báo động nhầm trong hệ thống radar Chương

2 nghiên cứu về hệ thống radar MIMO, cách phân loại hệ thống radar MIMO hiện nay Tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO kết hợp gồm các tham số nhận dạng, độ phân giải, xác suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác… cùng với tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO thống kê gồm các tham số nhận dạng, hiệu suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác Sau đó so sánh được các xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và radar

MIMO thống kê nhằm để ứng dụng tùy vào điều kiện để ứng dụng trong thực

tế Chương 3 nghiên cứu về hàm Ambiguity trong radar và sử dụng hàm Ambiguity để ước lượng các tham số mục tiêu bằng cách so sánh sự đồng dạng của tín hiệu thu được và tín hiệu phát

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án là tài liệu để nghiên cứu về hệ thống radar, các nguyên lý cơ bản

về kỹ thuật radar dùng cho định vị mục tiêu di động Giới thiệu các nghiên cứu mới về radar MIMO, lý thuyết quan trọng cho radar MIMO có thể sử dụng chúng trong nghiên cứu về radar MIMO trong tương lai Nghiên cứu các tính chất của hàm Ambiguity, ứng dụng hàm Ambiguity trong việc xác định mục tiêu di động, sử dụng matlab thực hiện mô phỏng hàm Ambiguity để ước lượng các tham số định vị mục tiêu, kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở để nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu di động trong hệ thống radar hiện đại

và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên và sinh viên quan tâm đến lĩnh vực dẫn đường hàng không

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR

1.1 Khái niệm hệ thống radar

Radar là tên viết tắt của “Radio Dectection and Ranging” có nghĩa là phương tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và xác định vị trí mục tiêu Nguyên lý hoạt động chung của Radar là bức xạ năng lượng sóng điện từ ra không gian, sóng được truyền thẳng đến mục tiêu và sau đó phản xạ trở lại Máy thu Radar sẽ thu nhận các xung phản xạ về và tiến hành các thao tác kỹ thuật để tách lọc các thông tin cần thiết để xác định và phát hiện chính xác vị trí của mục tiêu cũng như một số đặc điểm của mục tiêu

1.1.1 Lịch sử radar

Radar với nghĩa là tìm kiếm và đo đạc bằng sóng vô tuyến điện, radar được phát minh bởi Samuel M Tucker và F.Furth vào năm 1940 và sử dụng đầu tiên trong hải quân Mỹ Radar là hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể, mục tiêu trong vùng không gian quan sát Radar đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực dân sự như điều khiển không lưu trong ngành hàng không, giám sát tốc độ trong giao thông giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết…

Ngày nay, radar có thể hiểu là thuật ngữ chung cho các hệ thống phát hiện, dò tìm, thăm dò vị trí của các vật thể hay mục tiêu bằng các dạng năng lượng khác nhau, không nhất thiết là sóng điện từ như sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng năng lượng nhiệt Kỹ thuật radar ngày càng được mở rộng

và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như dùng sóng điện từ thăm dò dưới lòng đất (radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dò trong cơ thể người (siêu âm), thăm dò dưới lòng nước sử dụng kỹ thuật sonar

Hệ thống radar phát hiện và đo đạc tham số mục tiêu từ xa thông qua hệ thống thu phát sóng điện từ và xử lý sóng điện từ

Hình 1.1: Nguyên lý radar

Nguyên lý cơ bản của radar là bộ phát sóng bức xạ sóng điện từ định hướng trong vùng không gian quan sát Nguồn năng lượng sóng điện từ gặp các đối tượng (mục tiêu radar) sẽ phản xạ một phần năng lượng về hướng thiết bị thu sóng điện từ của radar Sau khi được khuếch đại ở thiết bị thu, các tín hiệu phản xạ cần thiết sẽ được tách ra để đưa vào khối phân tích và xử lý tín hiệu radar thu được Căn cứ vào sự thay đổi thông số của hai tín hiệu phát

và tín hiệu thu được, hệ thống radar có thể xác định được vị trí của mục tiêu

và các thông tin khác về mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo )

1.1.2 Phân loại radar

Mục đích của việc phân loại là nhằm chia tập hợp cac đài radar thành từng nhóm có những dấu hiệu chung không phụ thuộc vào tính đa dạng của các giải pháp kỹ thuật và kết cấu của từng đài riêng lẻ để tiện cho việc phân tích các đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống[4]

Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và các dấu hiệu kỹ thuật hình 1.2

Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: Công dụng của đài radar, Số lượng tọa độ đo được, Mức độ cơ động của đài, v v

Các dấu hiệu kỹ thuật thường gồm: Dải sóng làm việc của đài, Phương pháp radar được sử dụng trong đài, Phương pháp đo cự ly hoặc dạng các tín hiệu phát, Số lượng kênh radar độc lập

Hình 1.2: Phân loại các đài radar

 Theo các dấu hiệu chiến thuật, có thể chia các đài radar thành các loại sau:

- Phát hiện xa các mục tiêu trên không (radar cảnh giới),

- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích

đến các mục tiêu đó (radar cảnh giới và dẫn đường),

- Phát hiện các mục tiêu bay thấp,

- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không,

- Chuyên dụng

Radar cảnh giới: để trinh sát phát hiện các mục tiêu trên không ở cự ly xa Loại đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương vị của mục tiêu với độ chính xác vừa phải Công suất phát của đài lớn Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất

sơ lược hoặc được xac định từ đài radar chuyên đo cao với độ chính xác cao

Radar cảnh giới và dẫn đường: là khâu cung cấp thông tin chủ yếu trong

hệ thống dẫn đường cho may bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không

Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay tiêm kích, do vậy radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xac đủ đảm bảo dẫn đường thành công Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp Radar loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc

dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động

Radar chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không cần có cự ly tác dụng đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, cac phương tiện hỏa lực phòng không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất Thông tin radar (về cả 3 tọa độ) cần đủ chính xac đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo

Radar chuyên dụng chẳng hạn như các radar có độ chính xác cao, radar dùng để phủ vùng nón mù đỉnh đầu, v.v

 Theo các dâu hiệu kỹ thuật có thể chia các radar theo dải sóng, theo

phương pháp radar, theo phương pháp đo cự ly, theo số lượng kênh radar độc lập

- Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động (có trả

lời thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở trên

- Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành hai nhóm lớn: radar bức

xạ xung và radar bức xạ liên tục

Radar bức xạ xung (PR) có ưu điểm chính là đơn giản trong việc đo cự

ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và thu Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu (đặc biệt khi cần độ chính xác cao)

Radar bức xạ liên tục (CW) cho phép tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn Nhược điểm của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số

1.1.3 Băng tần của radar

Các đài radar thường hoạt động ở tần số kéo dài từ 220 MHz đến 35 GHz, nhưng đây không phải là giới hạn[12] Radar có thể được vận hành ở tần số dưới và trên dải tần này tuy nhiên nguyên tắc hoạt động cơ bản là giống nhau cho các tần số khác nhau Việc lựa chọn tần số hoạt động phù hợp tùy thuộc vào ứng dụng, như được mô tả dưới đây

 Thấp hơn HF (dưới 3 MHz): Tín hiệu radar ở các tần số này đôi khi được gọi là sóng mặt đất khi chúng đi theo độ cong của trái đất Một phần đáng kể của năng lượng bức xạ có thể được truyền đi ngoài đường chân trời của radar thông qua nhiễu xạ Tuy nhiên, cần có anten lớn để định hướng chùm tia; mức nhiễu RF cao do sự tán xạ từ mặt đất và các tín hiệu khác như truyền thông vô tuyến Dải tần số này không phù hợp với hầu hết các ứng dụng radar vì những yếu tố này

 HF (3 đến 30 MHz): Sự phản xạ của sóng trời từ tầng điện ly có thể dẫn đến hiện tượng phản hồi không mong muốn có thể là một vấn đề Phần trên của dải tần số này đã được sử dụng cho thiên văn học radar sau khi nhận được phản hồi từ bầu khí quyển ion mặt trời Một lần nữa băng tần này không phù hợp với hầu hết các ứng dụng radar

 VHF (30 đến 300 MHz): Do phổ tần hiện tại đông đúc tại tần số VHF, các radar hiện đại không được tìm thấy trong dải này Tuy nhiên, đây là băng tần kinh tế nhất và được tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO sử dụng trong dẫn đường hàng không dân dụng

 UHF (300 đến 1.000 MHz): Việc tạo ra các chùm anten hẹp ở tần số này dễ dàng hơn, làm cho nó phù hợp với radar giám sát tầm xa, đáng tin cậy

 Băng tần L (1 đến 2 GHz): Đây là băng tần phổ biến ở Hoa Kỳ cho radar giám sát máy bay Nó thường được sử dụng trong giám sát tầm xa, điều khiển không lưu lưu

 Băng tần S (2 đến 4 GHz): Hầu hết các ứng dụng radar trong băng tần S

và ở tần số cao hơn được sử dụng cho vị trí và theo dõi chính xác mục tiêu

Độ phân giải góc tốt là bởi vì các chùm tia tương đối hẹp có thể được xây dựng và mức nhiễu RF cũng thấp Băng tần S được quan tâm để phát hiện và theo dõi máy bay tầm trung Nó cũng được sử dụng trong giám sát phạm vi vừa phải, kiểm soát không lưu đầu cuối và giám sát thời tiết tầm xa

 Băng tần C (4 đến 8 GHz): Băng tần này đã được sử dụng thành công cho các ứng dụng giám sát phạm vi trung gian như trong radar dẫn đường tàu thủy, nơi cần thông tin chính xác Nó cũng thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh, kiểm soát không lưu và đo độ cao trên không

 Băng tần X (8 đến 12,5 GHz): Đây là băng tần phổ biến để điều khiển vũ khí quân sự và để theo dõi tầm ngắn, dẫn đường tên lửa, lập bản đồ, radar hàng hải, đánh chặn trên không Ở băng tần X, radar đủ nhỏ cho các ứng dụng di động

 Băng tần Ku, K và Ka (12,5 đến 40 GHz): Băng tần K ban đầu được sử dụng trong Thế chiến II và tập trung ở mức 24 GHz, điều này sớm chứng tỏ không phải là một lựa chọn tốt vì nó quá gần với sự hấp thụ nước ở tần số 22,2 GHz Sau đó, nó được chia thành các dải con ở hai bên của tần số hấp thụ nước Dải tần số thấp hơn, Ku, kéo dài từ 12,5 GHz đến 18 GHz và dải tần số cao hơn, Ka, kéo dài từ 26,5 đến 40 GHz Các tần số băng tần K cung cấp độ phân giải tốt cả về cự ly và góc Trong khi đầu ra công suất cao khó đạt được ở tần số này, anten kích thước nhỏ có thể dễ dàng đạt được Tuy nhiên, có sự suy giảm của khí quyển trong dải tần số này

 Băng V (40 đến 75 GHz): Băng V không được sử dụng phổ biến, ngoại trừ trong nghiên cứu radar sóng milimet và các loại nghiên cứu khoa học khác Tại Hoa Kỳ, Ủy ban truyền thông liên bang đã phân bổ dải tần từ 57 đến 64 GHz cho các hệ thống không dây không có giấy phép

 Băng tần W (75 đến 110 GHz): Băng tần W được sử dụng cho liên lạc

vệ tinh, ứng dụng radar quân sự và một số ứng dụng phi quân sự Để phát hiện vũ khí che giấu, nhiều camera sóng milimet hoạt động ở tốc độ 94 GHz Radar điều khiển hành trình ô tô sử dụng tần số khoảng 77 GHz

 Băng tần mm (100-300GHz): Việc sử dụng băng tần này gần đây đã trở nên phổ biến hơn vì nhiều lợi thế Cái chính là sự sẵn có của một dải tần số rộng, có rất nhiều không gian chưa sử dụng, do đó các hệ thống radar được phát triển ở khu vực này có thể có băng thông rộng sẽ cho độ phân giải cao hơn và các chùm tia hẹp hơn với anten nhỏ hơn

Phạm vi tần số radar thể hiện bằng giá trị cụ thể được dùng khi thích hợp, tuy nhiên các ký hiệu trên hình 1.3 có thể được sử dụng khi cần một biểu diễn một cách ngắn gọn

Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar

1.2 Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar

Có một vài tham số được chọn trong hệ thống radar làm ảnh hưởng trực

tiếp đến hiệu suất phát hiện mục tiêu của hệ thống Do đó tùy thuộc vào ứng

dụng và vào hoàn cảnh thực tế, sự thay đổi của các tham số này sẽ cho phép

hệ thống đưa ra kết quả tối ưu nhất

1.2.1 Các tham số chính

 Băng thông: Đây là một trong những thông số quan trọng nhất cần tính

đến khi thiết kế hệ thống radar[12] Điều này là do thực tế là băng thông tỷ lệ

thuận với hiệu suất phân giải của radar Băng thông càng lớn, đỉnh phổ càng

hẹp và độ phân giải hiệu suất cao hơn có thể đạt được Có hai loại băng thông

khác nhau có thể được xác định là băng thông tín hiệu (được điều chỉnh độ

rộng xung của tín hiệu hoặc bằng cách điều chế tín hiệu) và băng thông radar

Nếu hệ thống yêu cầu độ phân giải lớn về cự ly để phân biệt giữa các mục

tiêu, băng thông cần phải lớn Điều này là do băng thông liên quan trực tiếp

đến độ phân giải của cự ly Băng thông được xác định với tiêu chí Rayleigh

và được biểu thị dưới dạng biểu thức (1.1)

(1.1)

 Đo cự ly: Cự ly mục tiêu R (Range) được tính toán bằng cách đo thời

gian trễ ứng với thời gian để một xung năng lượng cao tần bức xạ từ máy

phát radar gặp mục tiêu và phản xạ về máy thu radar[12] Vì sóng điện từ lan

truyền thẳng với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng c, nên ta có:

Hình 1.4: Tín hiệu radar xung

Hệ thống radar xung là phát các xung năng lượng cao tần liên tiếp, như minh họa trong hình 1.4 Khoảng thời gian giữa các xung (IPP – Inter Pulse

Period) ký hiệu là T, độ rộng xung ký hiệu là τ IPP còn được gọi là chu kỳ

lặp lại xung (PRI – Pulse Repetition Interval) hay khoảng lặp lại xung PRT Nghịch đảo của PRI là PRF – tần số lặp lại xung, được ký hiệu bởi PRF:

Các xung được phát với tần số lặp lại xung (PRF) Nó xác định cự ly rõ ràng tối đa của hệ thống radar, khi một xung đơn được xem xét, PRF càng nhỏ (hoặc PRT càng dài), radar có thể chờ phản xạ càng lâu Điều này có nghĩa là độ trễ tối đa của mục tiêu được phản xạ phải nhỏ hơn thời gian giữa hai xung Nguyên tắc được thể hiện trong hình 1.5 Do đó, cự ly rõ ràng tối đa được xác định là:

ly tối thiểu và cự ly tối đa Khoảng cách giữa và được chia thành ngăn, mỗi ngăn có độ rộng Khi đó số ngăn cự ly được xác định như sau:

Các mục tiêu cách nhau ít nhất một khoảng sẽ được phân giải hoàn toàn về mặt cự ly, như minh họa trong hình 1.5 Các mục tiêu trong phạm vi một ngăn có thể được phân giải theo các tham số như cự ly, góc phương vị bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Hình 1.5: Phân giải các mục tiêu về mặt cự ly và về cự ly ngang

Băng thông radar ký hiệu là được xác định theo biểu thức (1.1):

Nhìn chung, để nâng cao hiệu năng radar cần tìm cách làm giảm Như

ở phương trình (1.5), để nâng cao độ phân giải cự ly, ta cần giảm độ rộng xung Tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm công suất phát trung bình và tăng băng thông

làm việc Việc thu được độ phân giải cự ly tốt trong khi duy trì công suất phát trung bình cần thiết có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật nén xung

 Độ phân giải góc ( ): Độ phân giải góc của hệ thống radar có thể

được định nghĩa là sự chia tách góc nhỏ nhất mà tại đó hai mục tiêu có thể được phát hiện khi chúng có cùng một khoảng cách[4] Tham số được cho bởi

độ rộng búp sóng của anten với công suất một nửa búp sóng là -3 dB

Hình 1.6 Độ phân giải góc

Do đó, hai mục tiêu bằng nhau nằm ở cùng một khoảng cách có thể được phân biệt nếu khoảng cách giữa chúng lớn hơn chiều rộng của anten ở điểm có công suất bằng một nữa búp sóng Vì thế; độ rộng búp sóng của anten càng nhỏ thì độ phân giải góc càng cao Độ phân giải góc có thể được tính bằng:

(1.6) Với độ rộng búp sóng anten [độ]

R là khoảng cách từ đài radar đến mục tiêu [m]

= độ phân giải góc như khoảng cách giữa hai mục tiêu

1.2.2 Phương trình radar

Phương trình cơ bản cho tất cả các hệ thống radar được gọi là phương trình radar[12] Nó mô tả mối quan hệ của công suất tín hiệu, tần số tín hiệu, anten, sự tán xạ của sóng do mục tiêu và khoảng cách của mục tiêu với anten

Sự phát triển của phương trình radar bắt đầu bằng việc đặt một anten phát

xạ đẳng hướng, mật độ công suất ở cự ly R sẽ là phương trình (1.7) Tuy nhiên,

do bất kỳ anten thực tế nào của radar là phát xạ đẳng hướng, mật độ công suất theo hướng tăng tối đa sẽ có độ lợi nhất định là G Khi gặp mục tiêu sẽ tán xạ bởi tiết diện mục tiêu (RCS) với RCS là như trong phương trình (1.8)

= (1.7)

= (1.8) Trong đó:

Công suất phản hồi lại radar

λ: Độ dài bước sóng [m]

: Diện tích hiệu dụng của anten [ ]

Công suất nhiễu máy thu là , là nhiễu do bên ngoài và nhiễu tại máy thu, tổng công suất nhiễu như sau:

= k B + k B (1.11)

F = 1 + (1.12) Với:

: Nhiệt độ nguồn nhiễu [K]

: Nhiệt độ chuẩn nguồn nhiễu 290 [K]

B: Băng thông máy thu [Hz]

K: Hằng số Boltzmann (3.18× [W/K/Hz]

Công suất nhiễu máy thu

Tổn thất trong hệ thống là L ta có phương trình (1.13) Tín hiệu nhỏ nhất radar có thể phát hiện gọi là tín hiệu phân biệt tối thiểu Công suất thu nhỏ hơn không thể sử dụng được vì chúng bị lẫn trong nhiễu của máy thu Công suất tối thiểu phát hiện được mục tiêu ở cự ly tối đa từ phương trình (1.14) Vì vậy, cự ly tối đa về mặt lý thuyết của hệ thống radar

có thể tính toán được

(1.13)

√ (1.14) Phương trình trên đây là một dạng của phương trình radar tổng quát, trong đó đã có một loạt các giả định cho các trường hợp nghiên cứu Ví dụ, các anten phát và thu bằng nhau hoặc băng thông được tương thích với độ dài xung là B Nhưng mỗi ứng dụng radar cụ thể phải điều chỉnh phương trình radar phù hợp với hoàn cảnh cụ thể của ứng dụng

1.2.3 Các khái niệm

 Mặt cắt tiết diện radar (RCS)

Mặt cắt tiết diện của radar (RCS) là thước đo khả năng phản xạ tín hiệu của radar theo hướng của máy thu radar[12], tức là thước đo tỷ lệ mật độ tán

xạ ngược theo hướng của radar (từ mục tiêu) so với mật độ năng lượng bị chặn bởi mục tiêu Vì mật độ năng lượng được tán xạ theo hình dạng của một quả cầu, một phần nhỏ của có thể được máy thu radar thu được

Mặt cắt ngang của mục tiêu radar phụ thuộc vào:

- Các tính năng hình học và ngoại thất máy bay

- Hướng của radar chiếu sáng

- Tần số máy phát radar

- Các loại vật liệu được sử dụng

Mặt cắt ngang radar được định nghĩa là khả năng phản xạ năng lượng của vật thể có kích thước RCS được định nghĩa là phương trình (1.15):

(1.15) Trong đó là tính đến việc công suất phân phối theo hình cầu

là RCS đo khả năng phản xạ tín hiệu radar của mục tiêu theo hướng của máy thu radar,

r là khoảng cách,

là mật độ năng lượng phân tán trong cự ly [ ]

là mật độ công suất bị chặn bởi mục tiêu [ ]

Lưu ý rằng không nhất thiết phải giống với diện tích RCS, vì không phải tất cả năng lượng sẽ được phản xạ theo hướng của radar Nói cách khác, là phép đo sự khác biệt giữa mật độ năng lượng phản xạ theo cùng hướng của hệ thống radar và mật độ năng lượng thực sự được phản xạ bởi vật thể

 Clutter: Là các tín hiệu phản xạ radar không mong muốn được tạo ra khi radar phát xạ đẳng hướng[4] Do đó, khi máy thu radar thu được tín hiệu dội lại, đó là nhưng tín hiệu phản xạ từ nhiều nguồn khác nhau Các tín hiệu không mong muốn trong radar bao gồm các phản xạ từ tất cả các loại vật thể hoặc hiện tượng tự nhiên, như là mây, mưa, đồi núi, nhà cửa, cây cối, v.v

 Vận tốc hướng tâm: Có hai cách để xác định vận tốc mục tiêu Các phép

đo liên tiếp sư thay đổi của cự ly của mục tiêu theo thời gian và do đó tính được vận tốc hướng tâm[4] Tuy nhiên, phương pháp này mất tương đối nhiều thời gian hơn để ước tính tốc độ hướng tâm và thực hiện các ước tính riêng biệt về vận tốc không phải là phép đo liên tục Một cách khác để đo vận tốc hướng tâm

là sử dụng dịch chuyển Doppler Sự thay đổi tần số Doppler được tạo ra bởi một

mục tiêu di động cung cấp một thước đo tốc độ hướng tâm trong thời gian ngắn hơn so với đo cự ly liên tiếp để ước tính vận tốc Nó cũng có thể được sử dụng

để phân biệt các mục tiêu di chuyển với mục tiêu đứng yên

1.3 Nguyên lý cơ bản về xử lý tín hiệu trong radar

Trong phần này trình bày một số nền tảng về các kỹ thuật xử lý tín hiệu

cơ bản và cụ thể được sử dụng trong radar[10] Các kỹ thuật quan trọng sẽ tạo cho hệ thống radar có độ lợi SNR cao và độ phân giải được nâng lên Cùng với các máy thu thích hợp, quy trình tích hợp xung và xử lý tần số Doppler, tốc độ báo động nhầm CFAR…

1.3.1 Bộ lọc thích hợp (Matched Filter)

Hình 1.7: Bộ lọc thích hợp

Hầu hết các đài radar có hiệu suất phát hiện mục tiêu tốt ở cả độ nhạy và độ phân giải[4] Khả năng phát hiện trở nên tốt hơn khi năng lượng tăng và độ phân giải được cải thiện khi băng thông lớn hơn Như đã thấy trước đây, áp dụng kỹ thuật nén xung cho phép giải quyết cả hai vấn đề với kết quả tuyệt vời

Khi thu được tín hiệu phản hồi, hệ thống sẽ tối ưu hóa thông tin chứa trong đó Theo định nghĩa, bộ lọc thích hợp là bộ lọc máy thu radar được thiết

kế để tối ưu hóa SNR ở đầu ra bộ lọc Đáp ứng xung của bộ lọc thích hợp hoàn hảo sẽ là cùng dạng sóng với tín hiệu được truyền đi

Dạng sóng bức xạ có dạng u (t) và phổ của nó sẽ là phương trình sau (1.16):

∫ (1.16) Nếu hàm truyền của máy thu là , tín hiệu đầu ra sẽ là (1.17):

∫ (1.17) Trong (1.17) giá trị lớn nhất của là và phổ công suất nhiễu tại đầu ra của bộ lọc là (1.18):

(1.18)

là mật độ phổ Nhiễu trung bình ở đầu ra và năng lượng tín hiệu tại đầu là (1.19) và (1.20):

∫ (1.19) ∫ (1.20)

Vì vậy, SNR tại đầu vào máy thu radar sẽ là:

Có thể thấy trong (1.21) SNR phụ thuộc vào đáp ứng tần số của máy thu

Vì chúng ta đang tìm kiếm SNR lớn nhất có thể, nên SNR là cần lớn nhất Sử dụng bất đẳng thức Schwarz theo đó:

là thời gian trễ khi đi qua bộ lọc

Sau đó, đáp ứng xung cần thiết là nghịch đảo thời gian trễ và liên hợp của dạng sóng nhân với một hằng số, được đặt thành thống nhất Do đó, đầu

ra miền thời gian của bộ lọc máy thu sẽ được đặt là:

∫ (1.24) Phương trình (1.24) có thể được xác định là mối tương quan chéo của dạng sóng truyền với tín hiệu nhiễu và tín hiệu đích Vì vậy, bộ lọc thích hợp là một bộ tương quan Ý tưởng đằng sau nó chỉ đơn giản là sử dụng một tổ hợp lật; biên độ đầu ra của mỗi điểm sẽ là thước đo mức độ chính xác của bộ lọc thích hợp với phần tương đương của tín hiệu đầu vào Cuối cùng,

tỷ lệ SNR tối đa đạt được; đỉnh cao hơn công suất nhiễu trung bình sử dụng tương quan so với các bộ lọc khác

Từ phương trình (1.22) có thể được trích xuất rằng năng lượng tối đa này sẽ không phụ thuộc vào bất cứ điều gì khác ngoài năng lượng có trong dạng sóng, không phụ thuộc vào điều chế hoặc hình dạng của nó Năng lượng chứa trong dạng sóng được lan truyền bằng cách sử dụng nén xung Do đó, mức tăng SNR do nén xung sau bộ lọc thích hợp trong mỗi cổng cự ly sẽ phụ thuộc vào độ dài của chuỗi dạng sóng được sử dụng để điều chế sóng mang Thời gian mà tại đó đầu ra tối đa được chọn, nếu được chọn là , đầu ra sẽ chỉ là tương quan của tín hiệu thu phản xạ và trễ với đáp ứng xung của bộ lọc thích hợp

Đỉnh sẽ xảy ra ở độ trễ tương quan bằng 0, khi tương ứng với độ trễ của mục tiêu (do cự ly) cộng với độ trễ của bộ lọc thích hợp

Do đó, cự ly của mục tiêu có thể được tính là Chúng ta suy luận rằng việc lựa chọn tham số là tùy ý và thông thường sẽ là , thời gian của một chuỗi (một chip chuỗi)

1.3.2 Hiệu ứng Doppler

Trong công nghệ radar[4], Hiệu ứng Doppler đang sử dụng cho các nhiệm vụ sau:

 Đo tốc độ

 MTI (Moving Target Indication) Dùng để hiển thị mục tiêu di động, nhằm phân biệt giữa mục tiêu cố định và mục tiêu di động

 Trong các hệ thống radar trên không hoặc trên không gian để xác định chính xác khoảng cách

Hình 1.8: Sự dịch pha của tín hiệu thu đƣợc

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi rõ ràng về tần số hoặc cường độ khi một nguồn âm thanh di chuyển về phía hoặc ra khỏi người nghe hoặc khi người nghe di chuyển về phía hoặc ra khỏi nguồn âm thanh Nguyên lý này, được phát hiện bởi nhà vật lý người Áo Christian Doppler, áp dụng cho tất cả các chuyển động sóng

Sự thay đổi rõ ràng về tần số giữa nguồn phát sóng và máy thu là do chuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng và máy thu Để hiểu hiệu ứng Doppler, trước tiên, giả sử rằng tần số của âm thanh từ một nguồn phát sóng được giữ không đổi Bước sóng của âm thanh cũng sẽ không đổi Nếu cả nguồn phát sóng và máy thu âm vẫn đứng yên, máy thu sẽ nghe cùng một âm tần số do nguồn phát ra Điều này là do máy thu đang nhận cùng số sóng trong thời gian mỗi giây mà nguồn phát sóng phát ra

Bây giờ, nếu nguồn phát hoặc máy thu hoặc cả hai di chuyển về phía khác, máy thu sẽ cảm nhận được âm thanh tần số khác nhau Điều này là do

máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanh lớn hơn trong một giây và diễn giải số lượng sóng lớn hơn là âm thanh tần số cao hơn Ngược lại, nếu nguồn phát và máy thu tách rời nhau, máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanh nhỏ hơn mỗi giây và sẽ cảm nhận được âm thanh tần số thấp hơn Trong cả hai trường hợp, tần số của âm thanh do nguồn phát ra sẽ không đổi

Ví dụ, tần số của tiếng còi trên một chiếc xe chuyển động nhanh có âm thanh ngày càng cao hơn khi chiếc xe đang đến gần hơn khi chiếc xe đang khởi hành Mặc dù tiếng còi đang tạo ra các sóng âm thanh có tần số không đổi, và mặc dù chúng truyền qua không khí với cùng vận tốc theo mọi hướng, khoảng cách giữa xe đang đến và người nghe đang giảm dần Do đó, mỗi sóng có khoảng cách di chuyển ít hơn để đến được người quan sát so với sóng trước đó Do đó, sóng đến với khoảng thời gian giảm dần giữa chúng

(1.25) Trong đó là tần số Doppler [Hz]

λ là bước sóng [m]

tốc độ của mục tiêu [m/s]

Phương trình này là hợp lệ, nếu tốc độ nếu nguồn của sóng giống như tốc

độ hướng tâm Nhưng máy bay thường bay theo hướng khác hơn là hướng tới radar Chỉ có tốc độ xuyên tâm cũng được đo Tuy nhiên, điều này khác với tốc độ ngắm sao cho phương trình sau là hợp lệ:

(1.26)

λ là góc giữa hướng của tín hiệu truyền / phản xạ và hướng bay của mục tiêu

 Đạo hàm của công thức tần số Doppler

Sự dịch pha của sóng điện từ anten radar đến mục tiêu và phản xạ trở lại như sau:

(1.27)

là lệch pha giữa tín hiệu truyền và tín hiệu thu được

là khoảng cách: đường đi và đường về

là chu kỳ dao động

Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm

(1.28) sau đó giá trị của pha thay đổi thành

(1.29) Điều này tương đương với tần số Doppler :

(1.30) (1.31) Trong đó là tần số máy phát

c là tốc độ ánh sáng

là tốc độ hướng tâm của mục tiêu

Điều này có nghĩa: Trong thực tế tần số dịch Doppler xảy ra hai lần tại một radar Một lần trên đường từ radar đến mục tiêu, và sau đó cho năng lượng phản

xạ (và đã bị ảnh hưởng bởi năng lượng dịch Doppler) trên đường trở về

 Tần số dịch Doppler chuẩn hóa

Tần số dịch Doppler phụ thuộc vào hai biến số: tốc độ hướng tâm và tần số sóng mang của máy phát radar Nếu tần số của máy phát không đổi, thì tần số dịch Doppler là thước đo tốc độ xuyên tâm Radar hiện đại là radar đa dạng tần

số là chủ yếu Tần số máy phát không phải là hằng số Ở đây ảnh hưởng của các tần số truyền khác nhau thường vẫn còn thấp Nhưng nếu tần số truyền ở các dải tần khác nhau, thì việc xử lý tín hiệu radar phổ biến là không thể Trong xử lý tín hiệu radar kỹ thuật số, tần số dịch Doppler sẽ được chia cho tần số truyền thực tế

để loại bỏ ảnh hưởng của các tần số truyền khác nhau sau đó:

(1.32) Bây giờ tần số dịch Doppler chỉ là một phép đo tốc độ xuyên tâm và được gọi là chuẩn hóa Các tín hiệu dội lại nhận được từ các tần số radar khác nhau có thể được xử lý chung

1.3.3 Mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar

Đối với mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar hình 1.9, ta có Δ là thời gian cần để tín hiệu đến được mục tiêu[3],[12] Δ này phụ thuộc vào thời gian t

Hình 1.9: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar

Vào thời điểm tín hiệu được phát đến mục tiêu Mục tiêu nằm trong khoảng cách mục tiêu là hướng tâm đi xa đài radar trong trường hợp này Vào thời điểm khoảng cách bằng:

Cho phép xem xét các tín hiệu lấy mẫu Khoảng thời gian lấy mẫu của

tín hiệu được phát là Mẫu đầu tiên được phát tại thời điểm và thu được

tại thời điểm Mẫu thứ hai được phát vào thời điểm và được thu tại thời

điểm Nếu chúng ta tìm thấy mối quan hệ giữa và

Khoảng cách bằng Sau đó:

(1.42) Bây giờ có thể tính toán tần số của tín hiệu thu được Nếu tần số của tín

hiệu được phát bằng f và tần số của tín hiệu thu được bằng f‟:

Sự khác biệt của f và f‟ được gọi là tần số Doppler và ký hiệu là

Rõ ràng là tín hiệu thu được ( ), thu được tại thời điểm bằng:

Trong đó là tín hiệu phát vào thời điểm Tìm mối quan hệ cho

Theo phương trình (1.44) và (1.37) ta có được:

(1.45) Bằng với:

Bây giờ chúng ta có thể viết:

( ) (1.47) Sau đó phương trình là:

( ) (1.48) Trong đó là khoảng cách của mục tiêu tại thời điểm bắt đầu phát tín hiệu Theo phương trình (1.48), hệ số dịch Doppler cho mục tiêu hướng tâm đi

xa đài radar bằng:

1.3.4 Mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar

Hình 1.10: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar

Đối với mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar[3],[12], hình 1.10, khoảng

cách của mục tiêu tại thời điểm t là Ta có phương trình tính toán khoảng cách này như sau:

Thời điểm vị trí của mục tiêu là:

(1.51) Nếu tín hiệu được gửi vào thời gian t nó cần thời gian để đến được mục

tiêu Thời gian Δ bằng:

(1.52)

Sử dụng biểu thức này chúng ta có được hệ số dịch Doppler cho mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar Chúng ta sử dụng mẫu tại thời điểm và lần nữa Các phương trình (1.38) và (1.39) là hợp lệ Thời gian được thể hiện như sau:

(1.55) Bây giờ, sử dụng phương trình (1.44) và (1.52), chúng ta có thể viết:

(1.56) Thay vào với:

( ) (1.57) Sau đó phương trình là:

( ) (1.58) Chúng ta có thể biểu diễn hệ số dịch Doppler cho mục tiêu hướng tâm đi

đến đài radar từ phương trình (1.58):

hướng tâm đi đến đài radar, tần số cao hơn được mong đợi

Bây giờ chúng ta có thể viết biểu thức chung cho tín hiệu thu được:

(1.63)