Bài báo đi sâu vào xây dựng hàm đáp ứng Phân cực – Doppler của mục tiêu radar hỗn hợp và thực hiện việc đánh giá so sánh hiệu quả về năng lượng khi sử dụng hàm đáp ứng Phân cực – Doppler so với khi sử dụng phương pháp Doppler thông thường. Từ đó đề xuất giải pháp nâng cao khả năng phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền dựa trên hàm đáp ứng Phân cực – Doppler. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Tăng Khả Năng Phát Hiện Mục Tiêu Có Kích Thước Nhỏ, Phản Xạ Yếu Chuyển Động Trên Bề Mặt Nền
Bằng Giải Pháp Phân Cực-Doppler
Phạm Trọng Hùng
Khoa Vô tuyến điện tử-Học viện Kỹ thuật quân sự
Hà Nội, Việt Nam Email: hungpt1504@gmail.com
Abstract - Bài báo đi sâu vào xây dựng hàm đáp ứng Phân
cực – Doppler của mục tiêu radar hỗn hợp và thực hiện việc
đánh giá so sánh hiệu quả về năng lượng khi sử dụng hàm đáp
ứng Phân cực – Doppler so với khi sử dụng phương pháp
Doppler thông thường Từ đó đề xuất giải pháp nâng cao khả
năng phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu
chuyển động trên bề mặt nền dựa trên hàm đáp ứng Phân cực –
Doppler
Keywords - Doppler radar, small-target detection on the sea,
moving target detection, circular polarization
I ĐẶTVẤNĐỀ Bài toán phát hiện mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền
(mặt đất, mặt biển…) thường được thực hiện bằng cách xử lý
tính toán vận tốc Doppler Đó là phương pháp kinh điển trong
xử lý tín hiệu radar, phổ biến trong nhiều tài liệu Tuy nhiên
khi mục tiêu có kích thước nhỏ thì khả năng phát hiện các mục
tiêu này sẽ bị hạn chế do công suất tín hiệu phản xạ từ mục
tiêu nhỏ chuyển động không đủ lớn để có thể phát hiện Các
biện pháp xử lý tham số phân cực trong bài toán phát hiện
mục tiêu trên bề mặt nền (đặc biệt là các mục tiêu nhỏ) cho
nhiều kết quả tốt, tăng được khả năng phát hiện [1,2] Trong
quá trình tính toán hàm tham số phân cực đối với bề mặt nền
và mục tiêu thăng giáng [3] thấy rằng: tham số phân cực của
mục tiêu không còn là đại lượng bất biến nữa mà cũng thăng
giáng thay đổi theo thời gian [4] Nguyên nhân của sự thăng
giáng này là do sự xáo động của mục tiêu (bề mặt nền hoặc
mục tiêu) Do hàm tỷ số phân cực [4,5] trong cơ sở phân cực
tròn phụ thuộc vào thời gian nên có thể sử dụng phép biến đổi
hàm tham số phân cực trên miền thời gian sang miền tần số để
khai thác thông tin về độ dịch tần Doppler Phương pháp xử lý
Doppler sau đó cũng giống như các biện pháp xử lý Doppler
thông thường nên có thể tạm gọi là phương pháp Phân cực –
Doppler Giải pháp này có thể tăng được khả năng phát hiện
các mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền Bài báo sẽ đi
theo hướng nghiên cứu này: khai thác triệt để tham số phân
cực mục tiêu, kết hợp giải pháp xử lý Doppler để tăng khả
năng phát hiện Cụ thể là nghiên cứu hiệu quả về mặt năng
lượng khi thực hiện xử lý bằng phương pháp Phân
cực-Doppler so với giải pháp xử lý bằng phương pháp cực-Doppler
thông thường Sau đó thực hiện biến đổi FFT hàm đáp ứng
phân cực Doppler để thấy sự khác biệt trong hàm phổ năng lượng của mục tiêu hỗn hợp (bề mặt nền + mục tiêu kích thước nhỏ) trong trường hợp không có mục tiêu và trường hợp
có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền Cấu trúc bài báo như sau: Phần II đi vào tính toán xây dựng hàm đáp ứng Phân cực-Doppler dựa trên cơ sở phân cực tròn Phần III là so sánh hiệu quả về mặt năng lượng khi sử dụng phương pháp xử lý Doppler thông thường và phương pháp xử lý Phân cực-Doppler Phần IV là kết luận
II XÂYDỰNGHÀMĐÁPỨNGPHÂNCỰC–DOPPLER CỦAMỤCTIÊURADARHỖNHỢPTRÊNCƠSỞPHÂN
CỰCTRÒN Giả sử mục tiêu radar hỗn hợp bao gồm bề mặt nền dàn trải và mục tiêu có kích thước nhỏ (mục tiêu điểm) Mỗi mục tiêu đều được đặc trưng bởi một ma trận tán xạ riêng Trong
cơ sở phân cực tròn, các ma trận tán xạ (MTTX) này có dạng [1,3]:
1 ( )
rl nen
S t
1 ( ) 2
rl
d mt
j
j
(1)
Trong đó ξ1, ξ2 là trị riêng của mục tiêu điểm chuyển động, λ1 (t), λ 2 (t) là trị riêng thăng giáng trong MTTX của bề
mặt nền; Ωd là tần số Doppler ứng với vận tốc chuyển động của mục tiêu V
Giả sử véc tơ riêng của các mục tiêu này là trùng nhau Khi đó MTTX của mục tiêu hỗn hợp trong cơ sở phân cực tròn có thể viết dưới dạng:
1
nen mt
(2)
Trang 2Khi sóng phát có phân cực tròn phải 0
( )
r px
E t [3], thì tín hiệu phản xạ từ mục tiêu hỗn hợp sẽ là:
( ) ( ) 0
2 ( )
rl
r r
px
E t
(3)
Tỷ số phân cực tròn của sóng phản xạ từ mục tiêu hỗn hợp có
dạng:
( )
( ) ( )
r
d rl
l
d
E
P t
(4)
Ta thấy rằng, tỷ số phân cực tròn ở trên là tổng trung bình
cộng của hai thành phần mục tiêu gồm bề mặt nền và mục tiêu
điểm có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt
nền:
( )
( ) ( )
P t
(5)
( ) ( )
( ) ( )
phân cực tròn của sóng phản xạ từ bề mặt nền và mục tiêu
tương ứng Theo [4] các đại lượng này chính bằng hệ số
không đẳng hướng phân cực phức của mục tiêu:
( ) ( ), ( )
P t t P t (6)
( )
( ) ( )
a t
- ứng với tỷ số diện tích phản xạ hiệu
dụng (RCS) của tiêu điểm có kích thước nhỏ và diện tích phản
xạ hiệu dụng của bề mặt nền Ta có thể viết lại biểu thức (5) ở
dạng:
( )
1 ( )
rl j P t a t exp j t P t
P t
a t exp j t
(7)
Ta viết mẫu số của biểu thức (7) ở dạng:
1a t exp j t( ) 1 z với z a t exp j t( )
Với điều kiện z 1, có thể khai triển được:
0
(1 ) N ( 1)n n 1 ( 1) N N
n
Ở đây sử dụng giải pháp khai triển giải tích hàm đáp ứng Phân
cực-Doppler của mục tiêu hỗn hợp (biểu thức 5) ứng với điều
kiện z 1 (tức là trong trường hợp tín hiệu phản xạ từ bề mặt
nền lớn hơn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu điểm có kích thước
nhỏ) Chỉ giữ lại thành phần đầu của biểu thức khai triển ta
được:
j a t exp j t P t a t exp j t P t
(8)
Từ phương trình này có thể đề xuất phương pháp phát hiện các mục tiêu có phản xạ yếu trên bề mặt nền Khai triển biểu thức (8) và lược bỏ các thành phần phụ, kết hợp điều kiện (6) thu được hàm đáp ứng Phân cực – Doppler ở dạng một quá trình ngẫu nhiên dải hẹp rút gọn:
( ) ( )
mt nen mt nen
a
Với mục tiêu có kích thước nhỏ phản xạ yếu, thì 1
a (tín hiệu phản xạ từ mục tiêu nhở hơn nhiều so với tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền) Các mục tiêu có kích thước nhỏ thường có cấu trúc đơn giản nên có thể xem như chúng thuộc lớp mục tiêu đẳng hướng phân cực và độ không đẳng hướng
phân cực bằng không (μmt = 0) Khi đó ta có thể rút gọn biểu
thức (9) thành:
S t a t t cos t t t (10) Điều đó thể hiện sự thay đổi mà mục tiêu phản xạ yếu đưa vào tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền Chúng được xác định bởi
độ dịch tần Doppler nằm trong hàm đáp ứng Phân cực – Doppler của mục tiêu hỗn hợp và có dạng của một quá trình ngẫu nhiên hẹp Như vậy với mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền không thể phát hiện được bằng phương pháp Doppler thông thường, nhưng có thể
phát hiện được “vết phân cực” của mục tiêu đó trong hàm đáp
ứng Phân cực – Doppler Khi thực hiện phân tích phổ cả hàm
năng lượng σ(t) và hàm đáp ứng Phân cực – Doppler S1 (t) có
thể nhìn thấy sự khác biệt trong phổ năng lượng của các hàm này Điều này sẽ làm tăng hiệu quả trong bài toán phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ phản xạ yếu, chuyển động trên
bề mặt nền so với các giải pháp xử lý Doppler truyền thống
III SOSÁNHHIỆUQUẢVỀNĂNGLƯỢNGCỦAGIẢI PHÁPPHÂNCỰC–DOPPLERSOVỚICÁCHỆTHỐNG
XỬLÝDOPPLERTRUYỀNTHỐNG Xét hai tín hiệu:
1( ) 1cos( 1 1)
U t a t và U t2( )a2cos (1 d)t2 là các tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền và mục tiêu radar chuyển động
trên bề mặt nền, với Ωd là tần số Doppler của mục tiêu chuyển
động Có thể tính gần đúng tín hiệu phản xạ tổng theo biểu thức:
1 2
( ) ( ) ( )
U t U t U t
a a
(11)
với điều kiện a2 << a1 (tức là tín hiệu phản xạ từ mục tiêu nhỏ
hơn nhiều lần tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền trong một ô (cell) phân biệt radar)
Trang 3Tín hiệu (11) đã được điều chế biên độ Ta có thể viết lại biểu
thức ở dạng:
( ) m(1 cos d ) os ( )
Trong đó hệ số điều chế biên độ M được tính bằng:
ax min 1 2
2 2
ax min 1 2
m m
M
Công suất trung bình của tín hiệu (12) là:
2 2 2
2m m4
P P P P (14)
Từ biểu thức này có thể tính được tỷ lệ công suất tương đối
của các thành phần tần số bên (1 ) so với công suất ở d
thành phần tần số chính ω1 là:
1
2
t
P
P
Thay biểu thức (13) vào (15) ta được:
P
Với 2 22
2
1
a
K
a
là tỷ số diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của
mục tiêu chuyển động và RCS của bề mặt nền
Kết hợp biểu thức (10) và biểu thức (12) ta có thể so sánh
được tỷ số công suất công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu
nhỏ chuyển động so với công suất tín hiệu phản xạ từ bề mặt
nền khi sử dụng phương pháp xử lý Doppler thông thường
(12) và phương pháp xử lý Phân cực – Doppler (6)
Từ hình 1 thấy rằng, tỷ số tương đối về năng lượng tín
hiệu phản xạ từ mục tiêu so với năng lương tín hiệu phản xạ từ
bề mặt nền đã tăng lên đáng kể khi sử dụng phương pháp xử
lý Phân cực-Doppler Cụ thể khi tỷ số diện tích phản xạ hiệu
dụng của mục tiêu so với nền là 0,1 thì tỷ số công suất tín hiệu
phản xạ từ mục tiêu so với tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền là
0,005 trong trường hợp xử lý thông thường và bằng 0,01 trong
trường hợp xử lý bằng Phân cực-Doppler Tức là tỷ lệ về năng
lượng đã tăng lên 2 lần (3dB) Còn nếu tỷ lệ diện tích phản xạ
hiệu dụng của mục tiêu so với nền là 0,15 thì tỷ lệ công suất
tương đối của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu so với tín hiệu phản
xạ từ bề mặt nền tăng từ 0,01 lên 0,023, tức là tỷ lệ về năng
lượng đã tăng lên 2,3 lần (3,6dB)
Trên hình 2 là hàm phổ năng lượng Doppler thông
thường, đối với mục tiêu nhỏ chuyển động thì năng lượng
phản xạ từ mục tiêu rất nhỏ (a2/a1=0.001 –tức tín hiệu phản xạ
từ bề mặt nền so với tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chuyển động
bằng 1000 lần), rất khó để phân biệt mục tiêu so với bề mặt
nền Hình 3 là giải pháp xử lý Phân cực-Doppler với
a2/a1=0.001, ở đây thấy rằng: hàm phổ tại tần số Doppler của
mục tiêu nhỏ thể hiện rõ tại tần số Doppler
Hình 4 là hàm phổ Phân cực-Doppler trong trường hợp không
có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền (a2/a1=0) cho ta hình
ảnh phổ bằng 0 So sánh giữa hình 3 và hình 4 thấy ngay sự
khác biệt khi không có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền
và có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền trong hàm phổ
Phân cực-Doppler Điều này là cơ sở để phát hiện mục tiêu
Hình 1 So sánh hiệu quả về năng lượng của xử lý Doppler thông thường và xử lý Phân cực-Doppler
Hình 2 Hàm phổ năng lượng Doppler thông thường
Hình 3 Hàm phổ Phân cực-Doppler
Trang 4nhỏ chuyển động trên bề mặt nền khi biện pháp xử lý Doppler
thông thường không hiệu quả Như vậy với các mục tiêu nhỏ
chuyển động trên bề mặt nền sẽ khó phát hiện bằng biện pháp
xử lý Doppler thông thường sẽ có thể được phát hiện bởi
phương pháp xử lý Phân cực-Doppler, thông qua sự thay đổi
vết phân cực của mục tiêu trong một diện tích phân biệt radar
(radar cell)
Hình 4 Hàm phổ Phân cực-Doppler trong trường hợp không
có mục tiêu chuyển động
IV KẾTLUẬN Bài báo đã đề xuất một giải pháp mới trong bài toán nâng
cao khả năng phát hiện các mục tiêu nhỏ, phản xạ yếu chuyển
động trên bề mặt nền Khi sử dụng phương pháp xử lý
Doppler vào hàm đáp ứng phân cực của mục tiêu hỗn hợp
(gồm mục tiêu nhỏ phản xạ yếu chuyển động và bề mặt nền) cho phép tăng độ tương phản của mục tiêu nhỏ chuyển động
so với bề mặt nền (tăng tỷ lệ công suất so với biện pháp xử lý Doppler thông thường, cải thiện đáng kể khả năng phát hiện các mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền (với các mục tiêu mà phương pháp xử lý Doppler thông thường không thể phát hiện được) Ngoài ra kết quả so sánh hàm phổ năng lượng cũng chỉ ra rằng, khi bề mặt nền ổn định (tức tham số phân cực của bề mặt nền là hằng số, bất biến theo thời gian) nếu có mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền đó sẽ cho kết quả
rõ nét trong hàm phổ năng lượng của hàm đáp ứng phân cực – Doppler
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] Tatarinov S, Ligthart L P, Gaevoy E, “Dynamical Polarization Contrast
of Complex Radar Targets, IEEE 1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, vol II, pp 1387- 1389, Hamburg, Germany, 1999
[2] Козлов А.И.,Татаринов В.Н.,Татаринов С.В.,Кривин Н.Н
“Поляризацион-ный след при рассеянии электромагнитных волн составными объектами” М.: Научный вестник МГТУ ГА, 2013 г., №
189 – С 66 – 73
[3] Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П “Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов // Поляризация плоских ЭМВ и её преобразования” - Томск: изд-во Томского государственного университета, 2006 –Т 1
[4] Tatarinov V, Ligthart L P, Tatarinov S, “An Introduction to the Statistical Theory of Polarization Parameters of Fields Scattered by Complex Radar Objects”, Proc MIKON2000, vol 2, ISBN 83-30 906662 - 0-0, pp 351-
354, Wroclaw, Poland 2000
[5] Tatarinov V.N., Tatarinov S.N., Krivin N.N “Innovations in radar technologies: Polarization invariant parameter utilization for the problem
of radar object detection and mapping”, IICST 2011, pp 62-68, Tomsk, Russia, 2011
