Bài báo phân tích so sánh về tỷ lệ tín hiệu/ tạp của hệ thống radar với anten mạng pha chủ động thông thường và radar MIMO với các anten phát bố trí cùng vị trí, tín hiệu được mã hóa và với các anten riêng biệt, gọi là radar MIMO thống kê”. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1PHÂN TÍCH TỶ SỐ TÍN HIỆU/ TẠP CỦA
HỆ THỐNG RADAR MIMO
Lê Ngọc Uyên, Võ Văn Phúc, Đinh Văn Trường và Cao Văn Vũ
Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công Nghệ Quân sự/ Bộ Quốc phòng Email: uyenvrd2006@gmail.com,phuchvktqs@gmail.com,dinvit2403@gmail.com,vucaovan@gmai.com
Abstract— Bài báo phân tích so sánh về tỷ lệ tín hiệu/ tạp của hệ
thống radar với anten mạng pha chủ động thông thường và
radar MIMO với các anten phát bố trí cùng vị trí, tín hiệu được
mã hóa và với các anten riêng biệt, gọi là "radar MIMO thống
kê”.
Keywords- Hệ thống radar MIMO, mạng pha tích cực
I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, các giới khoa học nước ngoài,
người ta quan tâm tới sự phát triển của MIMO (Multiple Input
- Multiple Output) radar [1-5] Theo nghĩa chung nhất, các hệ
thống MIMO ra đa (Hình 1) được thiết lập bởi K phần tử phát
(vị trí phát), phát xạ K tín hiệu và L phần
tử thu (vị trí thu), đảm bảo thu đồng thời và xử lý các tín hiệu
này bởi tổng tương ứng của nó [5]
Hệ thống các tín hiệu này là tín hiệu có dạng sóng trực giao
với nhau
Theo định nghĩa tổng quát, nhiều hệ thống ra đa truyền
thống có thể được xem như những trường hợp đặc biệt của
MIMO ra đa Ví dụ, ra đa có mặt mở tổng hợp, sử dụng một
anen phát đơn và một anten thu đơn, các vị trí của hai anten
này được tách biệt có thể được coi như MIMO ra đa với sự
phân bố đều (quan hệ trực giao) theo tín hiệu thời gian
Hiện nay, MIMO radar có thể được phân chia thành hai
loại chính (Hình 2) Loại thứ nhất bao gồm MIMO radar với
các anten phát bố trí cùng vị trí và tín hiệu được mã hóa Loại
thứ hai bao gồm một radar với các anten riêng biệt, gọi là
"radar MIMO thống kê.”
Hình 1 Nguyên lý chung MIMO ra đa
MIMO radar với các anten riêng biệt là một trường hợp
đặc biệt của hệ thống radar đa vị trí (MPRLS) [6,7] Mỗi phần
tử anten phát sẽ quan sát một hướng khác nhau của mục tiêu
Do đó, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của mục tiêu sẽ không phụ thuộc vào sự thay đổi ngẫu nhiên của đường truyền khác nhau Cho nên, mỗi thành phần được tách ra bằng các bộ lọc máy thu sẽ mang thông tin độc lập về mục tiêu Vì thế chất lượng phát hiện sẽ tốt hơn
MIMO radar với các anten phát được bố trí cùng vị trí, như vậy RCS được quan sát bởi một đường truyền giống nhau Các thành phần được tách ra bằng các bộ lọc phối hợp trong mỗi anten thu mang thông tin của một đường truyền từ một phần tử anten phát đến một phần tử anten thu Bằng cách sử dụng toàn
bộ thông tin của các đường truyền, có thể đạt được độ phân giải không gian tốt hơn
Hình 2 Hai loại chính MIMO ra đa
Những ưu điểm chính của MIMO radar so với radar mạng pha truyền thống [1,5] là: nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, nâng cao độ chính xác ước lượng góc, có khả năng quan sát mục tiêu với vận tốc tối thiểu, khả năng thích nghi tốt hơn Các đặc tính chiến thuật của radar được xác định bởi [2]: vùng quan sát, các tọa độ được xác định, các tham số chuyển động của mục tiêu, và độ chính xác đo chúng, chống nhiễu, độ tin cậy
Các đặc tính kỹ thuật chung của radar liên quan đến tần số sóng mang f0(độ dài bước song λ), công suất đỉnh xung P0; dạng tín hiệu phát xạ, hệ số tạp máy thu Kt; các phương pháp quan sát không gian, các phương pháp đo tọa độ; các phương pháp tách tín hiệu trên nền phản xạ phức tạp (PxPt); dạng và
độ rộng giản đồ hướng anten (GDHA), hệ số đường truyền (KD), mức cánh sóng bên, mức công suất yêu cầu từ nguồn nuôi, kích thước và trọng lượng
Để so sánh các đặc tính của MIMO radar với các loại radar truyền thống, ta xét MIMO radar với mạng anten bố trí cùng vị trí và radar với anten mạng pha (AMP) có cùng tham số kỹ thuật như nhau: tần số sóng mang f0(hay độ dài bước sóng λ); công suất phát xung của một kênh (modul) P0; số kênh phát
Trang 2(K) và số kênh thu (L), dạng tín hiệu phát xạ; độ dài xung T0;
độ rộng dải thông Δf0; hệ số tạp của mỗi kênh thu Kth; cự ly
mục tiêu điểm rmt và mặt phẳng phản xạ hiệu dụng của mục
tiêu σmt Ngoài ra trong bài báo này ta chỉ xem xét trong phạm
vi hệ thống dải thông hẹp
Trước tiên ta cần xác định mô hình cấu trúc của MIMO
radar và radar với AMP để ta có thể tiện so sánh tiếp theo
II TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP Trong thực tế, việc phân tích các đặc tính quan trọng, cũng
như tỷ số tín hiệu/ tạp của MIMO radar là không nhiều Ta sẽ
xem xét, sự kém đi bao nhiêu của tỷ số tín hiệu/ tạp của
MIMO radar so với radar dùng anten mạng pha Một so sánh
được thực hiện cho các radar dùng anten mạng pha và MIMO
radar với các cấu trúc như hình 2 a, b tương ứng
Để đơn giản cho việc kiểm nghiệm, các hệ thống anten của
cả hai loại radar sẽ được xem xét mạng anten dạng tuyến tính,
với K phần tử phát và L phần tử thu, đồng thời không ảnh
hưởng đến bộ xử lý giữa các chu kỳ Kiểm nghiệm tỷ số tín
hiệu/ tạp đối với radar mạng pha và MIMO radar ta sẽ đưa ra
hai phương pháp đánh giá: xem xét trực tiếp và xem xét đồng
thời Giá trị tỷ số tín hiệu / tạp đối với radar mạng pha sẽ được
xem xét ở đầu ra bộ lọc phối hợp, còn đối với MIMO radar ta
sẽ xem xét ở đầu ra thiết bị xử lý không gian (đầu ra ở bộ cộng
thứ hai)
2.1 Xem xét trực tiếp
2.1.1.Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng
pha:
Đầu tiên, ghi mật độ thông lượng công suất tại các mục tiêu
tạo ra bởi một phần tử của mạng anten (AM)[7]:
(1) Khi đó mật độ thông lượng công suất ở mục tiêu, tạo bởi K
phần tử AM:
(2) Mật độ công suất dòng của anten thu:
(3) Diện tích của L phần tử thu của AM:
(4) Khi đó công suất nhận được ở đầu ra của bộ cộng (hình 2):
(5)
Tỷ số tín hiệu/ tạp ở đầu ra thiết bị xử lý bên trong chu kỳ
sẽ là [7]:
(6)
Ở đây: N0- Mật độ phổ công suất (MPC) của nội tạp ở đầu ra
thiết bị xử lý không gian
Trong bộ cộng được thực hiện bởi tích lũy kết hợp không
gian của các tín hiệu (tạo giản đồ hướng anten tuyến thu):
(7) với các hệ số phức, mà được xác định từ hướng yêu cầu
để giản đồ hướng anten thu đạt giá trị lớn nhất:
Khi đó từ (7) ta thấy MPC nội tạp ở đầu ra của bộ cộng (hình 2), sẽ bằng MPC tạp trong một kênh thu và tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha được xác định:
(8)
Hình 2 Các cấu trúc đài radar với anten mạng pha và MIMO
radar
2.1.2 Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp đối với MIMO radar:
Trang 3Ta xét sơ đồ cấu trúc của thiết bị xử lý không gian MIMO
radar (hình 2b) ở dạng tương đương (hình 3)
Mật độ dòng ở mục tiêu, tạo bởi m phần tử phát AM
( ), sẽ tương tự (1) Bởi vì các tín hiệu phát xạ tương
quan lẫn nhau, và tính mật độ tổng công suất dòng ở mục tiêu,
theo cách nhìn của tỷ số tín hiệu/ tạp, không chính xác Tương
tự từ (3), xác định mật độ công suất dòng ở phần thu AM, tạo
bởi m phần tử phát xạ:
(9)
Hình 3 Cấu trúc tương đương của thiết bị xử lý không gian các tín hiệu trong MIMO radar Khi đó công suất nhận được từ tín hiệu phát xạ thứ m tại đầu ra của bộ cộng thứ hai (hình 2):
(10)
Tỷ số tín hiệu/ tạp ở đầu ra thứ m của bộ lọc phối hợp được xác định:
(11)
Ở đây: - mất mát từ bộ giải mã kết quả từ tổng các đầu ra bộ lọc phối hợp của hàm tự tương quan với phần còn lại của hàm tương quan chéo của các tín hiệu khác Với sự phát xạ đồng thời K tín hiệu trực giao, tỷ số tín hiệu/ tạp (11) sẽ ở đầu ra của mỗi K bộ lọc phối hợp Trên bộ cộng thứ hai được thực hiện tích lũy không gian kết hợp, và tương ứng tỷ số tín hiệu/ tạp tăng lên K lần Tỷ số tín hiệu/ tạp tại đầu ra của bộ cộng thứ hai là:
(12)
Từ (8) và (12) ta có:
K (13)
Nếu bỏ qua sự mất mát do bộ giải mã thì từ (13) ta thấy khi xem xét trực tiếp tỷ số tín hiệu/ tạp của MIMO radar kém hơn K lần so với radar anten mạng pha Điều này cho thấy trong MIMO radar thiếu giản đồ hướng của mạng phát 2.2 Xem xét đồng thời Đồng thời xem xét mà không mất tính tổng quát, ta xét tỷ số tín hiệu/ tạp trong một chùm tia đơn Tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha khi xem xét đồng thời: Tương tự, từ (3), mật độ công suất dòng ở mục tiêu, tạo bởi K phần tử AM:
(14)
Mật độ công suất dòng ở anten thu:
(15)
Từ (4), công suất nhận được ở đầu ra bộ cộng:
(16)
Khi đó tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha:
(17)
Đối với MIMO radar, tỷ số tín hiệu/ tạp không thay đổi Từ (12) và (17) (18)
Tóm lại, kgi xem xét đồng thời tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha và MIMO radar là bằng nhau 2.3 Khả năng bù sự mất mát tỷ số tín hiệu/ tạp: Tỷ số tín hiệu/ tạp bị xấu đi khi xem xét trực tiếp đã được nghiên cứu [1, 2] Để bù sự mất mát này [1] đề xuất tăng thời gian quan sát thông qua thực hiện xem xét đồng thời Tỷ số tín hiệu/ tạp ở đầu ra thiết bị tích lũy tổng hợp (TLTC) có thể được xác định: (19)
ở đây: – hiệu quả của thiết bị tích lũy tương can; – tần số lặp của các xung, – độ rộng đặc tính tần số của thiết bị tích lũy tương can; – số xung tích lũy tương can Khi đó, để bù sự mất mát tỷ số tín hiệu/ tạp có tính đến TLTC, cần phải tăng số lượng xung tích lũy lên LTLTC lần Đối với các tín hiệu phản xạ:
III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Để thuận lợi phân tích ảnh hưởng của tỷ số tín hiệu/ tạp, ta xem xét khả năng phát hiện mục tiêu của đài radar mạng pha truyền thống và radar MIMO, mục tiêu được giả định phần lớn là mục tiêu tán xạ nhỏ tuân theo phân bố Gauss Nhiễu tạp của hệ thống là nhiễu tạp trắng Gausian có các tham số đã biết các đường cong RCO (đặc trưng hoạt động của máy thu) của ra đa MIMO trong phân bổ khác nhau được thể hiện trong hình 5
Các đường cong ROC phản ánh mối quan hệ giữa xác suất báo động lầm và xác suất phát hiện đúng tương ứng Đài
ra đa mạng pha truyền thống trong hình 2 tương ứng với chỉ
Trang 4một mảng truyền yếu tố, M là số đường dẫn khởi động độc
lập
Như trong hình 4, với cùng một xác suất báo động lầm
thì xác suất phát hiện đúng của mảng ra đa truyền thống là nhỏ
hơn so với Ra đa MIMO Ra đa MIMO nhiều phần tử phát độc
lập mang lại hiệu suất phát hiện tốt hơn
Hình 4 Mối quan hệ của xác suất phát hiện đúng và xác suất báo
động lầm
Các mối quan hệ xác suất phát hiện mục tiêu của ra đa
MIMO và SNR (tỷ số tín hiệu/ tạp) được thể hiện trong hình 3
Hình 5 Xác suất phát hiện và quan hệ SNR
Trong hình 3 ta thấy, cùng một SNR, xác suất phát hiện của
Ra đa MIMO tăng lên với việc tăng phần tử mạng phát Nhưng khi SNR là tương đối nhỏ, khả năng phát hiện của mảng ra đa truyền thống là tốt hơn so với ra đa MIMO Chỉ khi SNR lớn hơn l0dB , khả năng phát hiện của ra đa MIMO
sẽ tốt hơn các ra đa mảng truyền thống Do đó, số lượng tín hiệu phát nên được xác định theo nhiễu hệ thống khi thiết kế các hệ thống ra đa MIMO
IV KẾT LUẬN
Nhược điểm chính của radar MIMO - sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu / tạp ở đầu ra của thiết bị xử lý không gian-thời gian, là
do truyền phát xạ không định hướng và tổng nội tạp lớn (K lần) trong các kênh thu Nhược chế này đã hạn chế phạm vi áp dụng của radar MIMO Khắc phục nhược điểm này bằng cách tăng thời gian quan sát có thể không phải lúc nào cũng thực hiện được Rõ ràng là bù toàn bộ hoặc một phần mất mát tỷ số tín hiệu/ tạp do tích lũy tổng hợp đạt được chỉ khi sử dụng số phần tử AM không lớn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Черняк В С О новом направлении в радиолокации: MIMO РЛС // Прикладная радиоэлектроника 2009.— № 7.— С 34—46
[2] Черняк В С Многопозиционные радиолокационные системы на основе MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники.— 2012.— № 8.— С 29—45
[3] Li J., Stoica P., Xie Y On probing signal design for MIMO radar // IEEE Trans on Signal Processing 2007.— Vol 55, N 8 P 4151—4161 [4] Li J., Stoica P MIMO radar signal processing.— New Jersey: A John Wiley & sons inc., 2009
[5] Daum F., Huang J MIMO Radar: Snake Oil or Good Idea // IEEE A&E Systems Magazine, May 2009
[6] Черняк В С Многопозиционная радиолокация.— Москва: Радио и связь, 1993.— 416 с
[7] Охрименко А Е Теоретические основы радиолокации и РЭБ Часть I.— Москва: Воениздат, 1983.
