Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không

Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không

Häc viÖn kü thuËt qu©n sù

NguyÔn Huy Hoµng

Nghiªn cøu øng dông ch©n dung phæ tÝn hiÖu ph¶n x¹ trong nhËn d¹ng môc tiªu bay cña

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Nguyễn Văn Liên

2 TS Nguyễn Phùng Bảo

Người phản biện 1: GS - TSKH Phan Anh

Đại học Quốc gia Hà nội

Người phản biện 2: PGS - TSKH Nguyễn Hồng Vũ

Cục Tác chiến điện tử - Bộ Quốc phòng

Người phản biện 3: GS - TS Nguyễn Bình

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án nhà nước

họp tại Học viện KTQS - Nghĩa đô - Từ liêm - Hà nội

Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2006

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện KTQS

Thư viện Quốc gia

1 Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Huy Hoàng: Về các dấu hiệu nhận

dạng mục tiêu bay trong kỹ thuật rađa Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị -

TCKT - Bộ Quốc phòng, số 18 (03/ 2002)

2 Phạm Văn Thuận, Nguyễn Huy Hoàng: Tạo chân dung phương vị

mục tiêu bằng phương pháp tổng hợp ngược mặt mở anten có hội tụ toàn phần Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị - TCKT - Bộ Quốc phòng, số

50 (11/ 2004)

3 Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Hoàng Nguyên, Phạm Thanh Giang,

Nguyễn Huy Hoàng: Xây dựng mô hình thống kê cho hệ thống nhận

dạng trong đài quan trắc không lưu “NHEBO - 55J6” Báo cáo trong

Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ tư về nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông ICT.rda ’ 06, Hà nội, 2006

4 Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Hoàng Nguyên, Phạm Thanh Giang,

Nguyễn Huy Hoàng: Phân lớp và xây dựng chân dung mẫu cho các

lớp đối tượng cần nhận dạng trong đài quan trắc không lưu “NHEBO

- 55J6” Báo cáo trong Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ tư về

nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông ICT.rda ’ 06, Hà nội, 2006

5 Nguyễn Huy Hoàng: Kết quả mô phỏng chân dung phổ của các lớp

mục tiêu có hiệu ứng điều chế quay Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị -

TCKT - Bộ Quốc phòng, số 71 (08/ 2006)

A Khái quát chung về luận án

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong chiến tranh hiện đại, tập kích đường không đóng vai trò rất quan trọng và trong nhiều trường hợp, nó quyết định số phận của cả cuộc chiến tranh Hiện nay, với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, các mục tiêu bay ngày càng có độ hoàn thiện và mức độ nguy hiểm rất cao nên để có phương án đánh trả kịp thời

và hiệu quả thì nhiệm vụ đặt ra với các đài rađa phòng không là không những phải phát hiện sớm, đo đạc chính xác tọa độ mà còn phải xác định được tính chất, kiểu loại mục tiêu bay một cách kịp thời và chính xác Nhiệm vụ này thuộc về bài toán nhận dạng mục tiêu rađa Để đảm bảo yêu cầu về tính kịp thời

và chính xác thì hợp lý hơn cả là thực hiện nhận dạng từ xa trên các đài rađa cảnh giới phòng không (ĐRĐCGPK) và quá trình nhận dạng phải là quá trình tự

động, thực hiện đồng thời với quá trình phát hiện Muốn vậy, việc nhận dạng lúc này phải dựa trên các dấu hiệu tín hiệu mà chúng được hình thành trên cơ sở sự khác nhau của các tham số trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bay Vì các lý do

như vậy, việc chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không” là có tính

cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn trong việc đảm bảo, nâng cao khả năng chiến đấu của các ĐRĐCGPK, đáp ứng yêu cầu tác chiến trong chiến tranh hiện đại

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Tổng hợp tài liệu, tóm lược có hệ thống các vấn đề cần phải giải quyết của bài toán nhận dạng mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK Nghiên cứu về chân dung phổ tín hiệu phản xạ (chân dung phổ), lựa chọn các dấu hiệu nhận dạng và phân lớp các mục tiêu bay, tạo chân dung mẫu và qui chuẩn chân dung, xây dựng thuật toán nhận dạng theo chân dung phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế quay để tạo cơ sở và tiền đề cho việc xây dựng hệ thống nhận dạng (HTND) mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Các mục tiêu bay mà chúng là đối tượng quan sát của các ĐRĐCGPK Thiết lập và giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế quay với 4 lớp mục tiêu bay bao gồm 9 kiểu loại mục tiêu (AGLCM, GLCM, B52, B1B, F15, TU16, TORNADO, AN26, AH64)

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng, đánh giá kết quả bằng mô phỏng Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp trên cơ sở lý thuyết quyết định và mô hình hóa thông kê, lý thuyết rađa và các phương pháp thống

kê toán học để thiết lập, giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ trong các ĐRĐCGPK và thực hiện mô phỏng trên máy tính điện tử để kiểm chứng, đánh giá các kết quả đã đạt được từ nghiên cứu lý thuyết

5 Những đóng góp mới của luận án

- Nghiên cứu và ứng dụng phương pháp các thành phần đơn giản để khảo sát các mục tiêu bay phức tạp, hình thành được qui trình và các công thức tính

toán phục vụ cho việc khảo sát hiện tượng điều chế quay xảy ra trong các mục tiêu bay

- Đưa ra phương án phân các mục tiêu bay thành 4 lớp (Lớp 1: Các mục tiêu không có hiện tượng điều chế quay; Lớp 2: Lớp máy bay động cơ phản lực; Lớp 3: Lớp máy bay động cơ cánh quạt; Lớp 4: Lớp máy bay trực thăng) bằng cách tính đến khoảng cách giữa các vạch phổ (lớp 2) và tỷ lệ giữa thành phần phổ điều chế quay với thành phần phổ thân mục tiêu (lớp 3 và lớp 4) Từ đó xây dựng thuật toán nhận dạng các mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế quay để nhận dạng 4 lớp mục tiêu với 9 kiểu loại mục tiêu bay cụ thể: Lớp 1 (AGLCM, GLCM); Lớp 2 (TU16, B52, B1B, F15, TORNADO); Lớp 3 (AN26); Lớp 4 (AH64)

- Đã thực hiện mô phỏng để kiểm chứng tính hiệu quả, tính hợp lý của phương án phân lớp và thuật toán nhận dạng đã xây dựng Kết quả mô phỏng khẳng định các kết quả của luận án là thuyết phục và tin cậy

6 Bố cục của luận án

Toàn bộ nội dung của luận án được trình bày trong 119 trang (không kể danh mục các công trình đã công bố, 63 tài liệu tham khảo và phụ lục), với 37 hình vẽ và đồ thị, 1 bảng biểu Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận Phụ lục luận án gồm: Các bảng dữ liệu về các thành phần đơn giản, chân dung phổ, bảng xác suất nhận dạng đúng của các mục tiêu bay thuộc 4 lớp mục tiêu cần nhận dạng

b nội dung luận án chương 1 tổng quan về bμi toán nhận dạng mục tiêu rađa 1.1 Bài toán nhận dạng mục tiêu rađa

Các dấu hiệu nhận dạng η η1, 2, , ηN lập nên một không gian dấu hiệu nhận dạng N chiều [η η1, 2, , ηN], trong đó mỗi lớp hay mỗi loại mục tiêu riêng biệt

được biểu diễn bằng một véc tơ chiều mà ta gọi là chân dung rađa (CDRĐ) của mục tiêu Bài toán nhận dạng mục tiêu rađa phát biểu như sau:

N

Giả sử trong không gian dấu hiệu nhận dạng[η η 1 , 2 , , ηN], các lớp mục tiêu mẫu được mô tả bằng các CDRĐ N chiều C i(η η 1 , 2 , , ηN),i = M1, chứa các thông tin tiên nghiệm về lớp mục tiêu thứ Các thông tin về mục tiêu cần nhận dạng thu được trong quá trình trinh sát rađa được xử lý, biến đổi để xác định các dấu hiệu đặc trưng, tạo ra CDRĐ của nó

i

T

( 1 , 2 , , N)

T η η η Nhận dạng mục tiêu T là xác định nó thuộc lớp mục tiêu nào bằng cách so sánh CDRĐ của mục tiêu ( 1 , 2 , , N)

T η η η với chân dung của các lớp mục tiêu mẫu C i(η η 1 , 2 , , ηN) theo một qui tắc (thuật toán) nhận dạng thích hợp

Như vậy quá trình nhận dạng mục tiêu rađa phải giải quyết các nhiệm vụ sau: Thiết lập các lớp mục tiêu và chân dung mẫu C i(η η 1 , 2 , , ηN),i = M1, ; Xây dựng thiết bị đo để tạo CDRĐ của mục tiêu T(η η 1 , 2 , , ηN); Xây dựng các thuật toán nhận dạng; Đánh giá tính hợp lý và hiệu quả của việc giải quyết các nhiệm vụ

kể trên bằng các chỉ tiêu chất lượng - giá thành đặt ra cho HTND được thiết kế Thiết lập các lớp mục tiêu mẫu thực chất là nhiệm vụ phân lớp mục tiêu Đây

là nhiệm vụ đầu tiên phải giải quyết khi giải bài toán nhận dạng, nó quyết định dạng và mức độ chi tiết cũng như chất lượng của thông tin nhận dạng đưa ra Với các ĐRĐCGPK, việc phân lớp các mục tiêu bay phải dựa trên các cơ sở sau:

- Khả năng phân biệt của đài rađa trong không gian dấu hiệu tương ứng

- Yêu cầu của hệ thống chỉ thị và phân phối mục tiêu, đây là hệ thống sử dụng thông tin nhận dạng làm dữ liệu đầu vào

Thiết bị tạo CDRĐ có nhiệm vụ đánh giá định lượng các dấu hiệu nhận dạng chứa trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu rađa Đây chính là nhiệm vụ xác

định CDRĐ T(η η 1 , 2 , , ηN) trong không gian dấu hiệu nhận dạng [η η1, 2, , ηN] từ không gian đo Trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu rađa có chứa các tham số đặc trưng cho mục tiêu đó nhưng mức độ bộc lộ của chúng phụ thuộc vào dạng tín hiệu thăm dò và mỗi loại mục tiêu đều có các tham số đặc trưng riêng Vì vậy khi xây dựng thiết bị tạo CDRĐ phải dựa trên cơ sở nghiên cứu kỹ các đặc trưng của tín hiệu thăm dò và tính chất của các loại mục tiêu, từ đó chọn dạng tín hiệu thăm dò thích hợp sao cho các dấu hiệu cần đo bộc lộ rõ nhất và dễ đánh giá nhất Cuối cùng là vấn đề xây dựng các thuật toán nhận dạng mục tiêu Đây thực chất là việc phân tích các qui tắc chọn quyết định để đưa ra các lựa chọn quyết

định tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó Thực tế có nhiều loại thuật toán nhận dạng khác nhau được sử dụng, việc lựa chọn thuật toán nào tùy thuộc vào các

điều kiện bất định tiên nghiệm, các dấu hiệu nhận dạng được sử dụng, điều kiện làm việc của HTND v.v… nhằm đạt được xác suất nhận dạng đúng cao nhất

1.2 Các cơ sở nhận dạng mục tiêu rađa

Phần này trình bày cơ sở giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa, các cơ sở

nhận dạng dựa trên dấu hiệu quĩ đạo và các dấu hiệu tín hiệu Các dấu hiệu tín hiệu cụ thể chính là các CDRĐ một chiều, bao gồm: Chân dung công suất, chân dung thăng giáng, chân dung tương quan - tần số, chân dung cộng hưởng - tần

số, chân dung phân cực, chân dung cự li, hình ảnh rađa, chân dung phổ Qua đó rút ra kết luận: Khi xây dựng HTND cho các ĐRĐCGPK thế hệ cũ thì hợp lý và khả thi hơn cả là sử dụng chân dung phổ Với chân dung phổ, yêu cầu đặt ra với

đài rađa là phải có khả năng phân biệt rất cao theo tần số, yêu cầu này hoàn toàn

được đáp ứng bằng cách sử dụng các bộ lọc số dải hẹp chất lượng cao và khi sử dụng chân dung phổ thì lượng thông tin cần thiết cho việc nhận dạng thường rõ nét hơn nếu chúng ta sử dụng tín hiệu thăm dò dải hẹp - điều này rất phù hợp với các dạng tín hiệu thăm dò được sử dụng phổ biến trong các ĐRĐCGPK thế

hệ cũ hiện có ở Việt nam

1.3 Qui tắc, thuật toán giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa

1.3.1 Thuật toán nhận dạng mục tiêu ra đa

Với các mục tiêu bay được quan sát bởi các ĐRĐCGPK, thuật toán nhận

dạng được xây dựng theo quan điểm thống kê do tính ngẫu nhiên của tín hiệu phản xạ, của nhiễu cũng như các dấu hiệu nhận dạng thu nhận được Bài toán nhận dạng là bài toán kiểm định giả thiết thống kê, thực hiện chọn 1 trong M giả thiết là mục tiêu thuộc lớp thứ i nào trong M lớp đó Vì vậy, việc giải bài toán

nhận dạng ở đây sẽ được thực hiện theo tiêu chuẩn Bayes, theo đó qui tắc chọn

quyết định tối ưu là nhằm mục đích đạt được độ thiệt hại trung bình nhỏ nhất

Ta biết rằng, thông tin sử dụng để nhận dạng mục tiêu chủ yếu nằm trong

các CDRĐ của nó, CDRĐ chịu tác động của hàng loạt yếu tố ngẫu nhiên nên nó

mang tính thống kê và được mô tả bằng mô hình thống kê dưới dạng qui luật

phân bố hỗn hợp các phần tử của nó Lúc này, thông tin về mục tiêu nằm ở dạng

và các tham số của qui luật phân bố các phần tử của CDRĐ Khi biết dạng của

qui luật phân bố thì phần cơ bản của thông tin nằm trong các tham số khác nhau

của qui luật phân bố Vùng tồn tại của các tham số đó trong mọi điều kiện quan

sát và mọi trạng thái có thể có của mục tiêu được gọi là các tham số nhiều thông

tin, còn giá trị cụ thể của các tham số đó được xác định bởi điều kiện quan sát

và trạng thái cụ thể của mục tiêu được gọi là các tham số ít thông tin (TSITT)

Các TSITT được đánh giá và biểu diễn bằng ma trận TSITT Chân dung mẫu

được tạo ra trên cơ sở đánh giá của các TSITT và là các tham số thống kê của qui

luật phân bố các phần tử trong CDRĐ của mục tiêu Trong HTND mục tiêu rađa,

CDRĐ của mục tiêu được so sánh với các chân dung mẫu và quyết định mục tiêu

thuộc lớp có chân dung mẫu giống với CDRĐ quan sát được của mục tiêu nhất

Theo tiêu chuẩn Bayes, thuật toán nhận dạng mục tiêu rađa có dạng sau:

CDRĐ ξ của mục tiêu lớp có tính đến ma trận TSITT k Θ

1.3.2 Xử lý tối ưu chân dung rađa, sơ đồ khối tổng quát của HTND mục tiêu rađa

Giả thiết là sau khi xử lý sơ bộ tín hiệu thu được, CDRĐ của mục tiêu được

tách ra ở dạng N biên độ phứcξ ξ =[ ]i ,i= 1,N Trường hợp tổng quát, CDRĐ của

mục tiêu lớp là tổng của 2 thành phần tín hiệu k ξk = ⎡ ⎤⎣ ⎦ξi k ,i= 1,N và nhiễu

, 1,

f

ξ = ⎡ ⎤⎣ ⎦ξ = , tức ξ ξ ξ = +k f Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và nhiễu là các quá

trình ngẫu nhiên độc lập, có tính dừng do thời gian quan sát hạn chế Khi loại bỏ

tính không xác định tiên nghiệm thì MTTQ của nhiễu *

f f f

R = ξ ξ được thay thế bằng đánh giá hợp lý cực đại của nó, còn MTTQ thành phần tín hiệu của chân

dung mục tiêu cần nhận dạng lớp , k R k = ξ ξk k* ,k= 1,M được xác định dựa trên ma

trận TSITT Thực tế có thể coi mật độ xác suất của CDRĐ khi có mục tiêu

dung thứ k l( )của HTND tương ứng với thuật toán: * k,0

k k

Z =d + ξ R ξ (1.18) Trong (1.15) đến (1.18) thì: R k f+ =R k+R f ; ln det ln

det

f k

k f

R d

f k f

R = Rư ưRư+ - Ma trận xử lý chân dung của kênh xử lý thứ

k; Sơ đồ khối tổng quát HTND mục tiêu rađa, thể hiện các thuật toán (1.17) và (1.18) như hình 1.8

Hình 1.8 - Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống nhận dạng mục tiêu rađa

1.4 Vấn đề chất lượng của hệ thống nhận dạng mục tiêu rađa

1.4.1 Các chỉ tiêu chất lượng nhận dạng

Trường hợp tổng quát, để đánh giá đầy đủ của HTND sử dụng nhóm các chỉ tiêu xác suất như: Xác suất nhận dạng đúng D k, xác suất nhận dạng sai F k g, giá trị trung bình của xác suất nhận dạng sai F k, xác suất hậu nghiệm đối với quyết

định đúng H k, chỉ tiêu thông tin I tt và độ liều trung bình khi ra quyết định r Trong thực tế thường chỉ sử dụng một hoặc hai chỉ tiêu sau:

- Xác suất nhận dạng đúng khi có mục tiêu lớp A k:

1.4.2 Các yếu tố hạn chế làm suy giảm chất lượng nhận dạng mục tiêu rađa và hướng giải quyết

Phần này trình bày về các yếu tố hạn chế làm suy giảm chất lượng nhận dạng mục tiêu bay và nêu ra hướng giải quyết khi giải bài toán nhận dạng mục tiêu bay trên các ĐRĐCGPK

Kết luận chương 1: Chương 1 đã trình bày tổng quan, có hệ thống về các vấn

đề cần giải quyết của bài toán nhận dạng mục tiêu rađa, trong đó tập trung vào các mục tiêu bay quân sự mà chúng là đối tượng quan sát của các ĐRĐCGPK Các vấn đề đó bao gồm: Phân lớp mục tiêu và các cơ sở nhận dạng mục tiêu rađa, thuật toán nhận dạng theo tiêu chuẩn Bayes và thuật toán xử lý tối ưu CDRĐ, sơ

đồ khối tổng quát và vấn đề đánh giá chất lượng của HTND mục tiêu rađa

Chương 2 hiện tượng tán xạ vμ các phương pháp xác định các đặc trưng của hiện tượng tán xạ từ mục tiêu rađa 2.1 Hiện tượng tán xạ từ mục tiêu rađa

Phần này trình bày hiện tượng tán xạ từ mục tiêu rađa và 2 đặc trưng rađa

quan trọng nhất của nó, đó là diện tích phản xạ hiệu dụng (DTPXHD) σmt và ma

ĐTTX cho các phần tử đó bằng phương pháp vật lý - toán dựa trên việc giải các phương trình Maxwell Các bộ phận khác phức tạp hơn như buồng lái, cụm anten, ống phụt động cơ v.v… mà không thể mô tả chúng bằng các thành phần

đơn giản hoặc có thể mô tả được nhưng phương trình Maxwell mô tả quá trình

điện động trong chúng quá phức tạp, không giải được thì lấy kết quả từ thực nghiệm Phương pháp các thành phần đơn giản có ưu điểm là cho phép giảm

được khối lượng tính toán mà vẫn đạt được độ chính xác cho phép khi tính toán các ĐTTX và đặc biệt là rất thuận lợi cho việc mô phỏng hiện tượng tán xạ trên máy tính điện tử nhưng nó cũng có những hạn chế Các hạn chế đó là nó chỉ cho kết quả chính xác ở dải sóng và với các mục tiêu bay có hình dạng quá phức tạp thì sẽ gặp khó khăn khi mô tả chúng bằng các thành phần đơn giản cũng như việc giải các phương trình Maxwell là không thể thực hiện được do tính phức tạp của chúng Các phương pháp khác được dùng để khắc phục các hạn chế kể trên đã được liệt kê trong luận án, tuy nhiên chúng chỉ mang tính chất tham khảo

2.3.3 Tính toán các ĐTTX từ mục tiêu bay bằng phương pháp các thành phần

đơn giản

2.3.3.1 Mô tả bề mặt mục tiêu bằng các thành phần đơn giản

Bề mặt của mục tiêu được chia thành 2 phần: Thân mục tiêu và các phần tử

chuyển động trên mục tiêu Phần này chỉ xem xét với phần thân mục tiêu, còn các phần tử chuyển động sẽ xem xét ở chương 3 Bề mặt mục tiêu được chia thành các mặt cơ bản độc lập với nhau (gọi là các mặt xấp xỉ)

N∑

F rν =F x y zν ν ν ν = ν = N∑ , chúng có thể là các phần tử như: Mặt cong hai lớp giới hạn, mặt nêm thẳng hoặc mặt nêm cong, mặt hình nón, mặt hình trụ, mặt hình xuyến, mặt cung nhọn và các tấm phẳng trong hệ tọa độ cục bộ O x y zν ν ν ν Một điểm thuộc các mặt đó được coi là mục tiêu nếu nó nằm trong một số mặt giới hạn Φ νk< 0, k= 0,1,2, ,Kνư 1 với là chỉ số mặt giới hạn k Φνk và Kν là tổng số các mặt như vậy Mỗi mặt như vậy được xác định trong hệ tọa độ cục bộ O x y zν ν ν ν

bởi các phương trình F r( )ν = 0 và Φνk( )rν = 0 Phương pháp xây dựng các mặt giới hạn như vậy dùng để tính toán và thiết kế các chương trình mô phỏng về sau

2.3.3.2 Phương trình tán xạ tổng quát

Khi không tính đến khả năng phân biệt theo tọa độ góc của các bộ phận trên

mục tiêu và ảnh hưởng của độ cong trái đất, không xem xét với tín hiệu dải siêu

rộng và các mục tiêu bay thấp thì phương trình tán xạ tổng quát có dạng như sau:

t

p và 0

p

p - Các véc tơ phân cực của anten thu và anten phát; U t( )- Giá trị đường bao của tín hiệu đầu ra bộ lọc kết hợp tại thời điểm ; t Δt i- Khoảng thời gian giữ chậm ứng với điểm chói thứ i; f - Tần số mang; Q Abi - Hệ số hấp thụ sóng rađa của điểm chói thứ i

2.3.3.3 Hệ cơ sở dữ liệu về các thành phần đơn giản để tính toán các ĐTTX từ mục tiêu bay

Phần này trình bày một số điểm cần chú ý khi sử dụng các dữ liệu có sẵn

về các phần tử phản xạ chủ yếu trong các bảng phụ lục 2.1, 2.2, 2.3 để tính toán các ĐTTX của các thành phần đơn giản cũng như của mục tiêu bay Các dữ liệu

có sẵn này đã được công bố trong một số các công trình nghiên cứu khác

2.3.3.4 Qui trình tính toán và đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần

1 - Biến đổi và tính toán các véc tơ:

Thực hiện biến đổi véc tơ đơn vị của sóng tới sang hệ tọa độ cục bộ thứ ν

theo các công thức từ (2.8) đến (2.15) để có thể sử dụng các dữ liệu có sẵn Véc tơ tọa độ của phần tử tán xạ thứ được tính toán cho tất cả các bề mặt thay thế xấp xỉ

2 - Kiểm tra hiện tượng che khuất:

Công việc này được thực hiện bằng cách chứng minh các đường ngắm thẳng

từ đài rađa đến điểm tán xạ thứ ( ) 0

i r s = ưr sR = 0 không giao nhau với các phần hữu hạn của các bề mặt thay thế xấp xỉ Nếu có sự giao nhau, tức là điểm tán xạ đang bị che khuất thì phương trình sau sẽ có nghiệm thực dương s:

Ψγ[r s( ) ] =r s P r s T( ) γ ( ) =C (2.22)

Trong đó: Pγ là ma trận vuông 3 3 ì các hệ số của phương trình chuẩn tắc của bề mặt thứ γ ; Ψ = [] C C, =const

Kiểm tra sự che khuất của các đoạn thẳng hay các mặt tán xạ được thực hiện gián đoạn với các bước gián đoạn bằng các vi phân tương ứng Δ Δl S,

4 - Đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần:

Để tính toán các tích vô hướng T( ) 0

i t

R R , các hệ tọa độ của các điểm tán xạ không bị che khuất phải được biến đổi theo công thức (2.9) sang các hệ tọa độ chung (hệ tọa độ mục tiêu hay hệ tọa độ đài rađa) Đối với hệ tọa độ mục tiêu, những công việc tính toán như vậy được thực hiện bằng cách sử dụng công thức (2.12), nó cho phép ước lượng tín hiệu phản xạ toàn phần theo (2.20)

Kết luận chương hai: Chương 2 luận án đã trình bày về hiện tượng tán xạ và các

phương pháp xác định các ĐTTX từ các mục tiêu bay Trong đó tập trung vào phương pháp các thành phần đơn giản bao gồm các vấn đề sau: Nội dung cơ bản, phạm vi ứng dụng và các hạn chế của phương pháp; Các hệ tọa độ và các phép chuyển tọa độ được sử dụng trong phương pháp; Tính toán các ĐTTX từ mục tiêu bay theo phương pháp các thành phần đơn giản với các nội dung cơ bản như: Mô tả bề mặt mục tiêu bằng các thành phần đơn giản, phương trình tán xạ tổng quát,

hệ cơ sở dữ liệu để tính toán các ĐTTX của các thành phần đơn giản và đưa ra qui trình tính toán, đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần từ mục tiêu bay

Chương 3 nghiên cứu khảo sát vμ mô phỏng hiện tượng

điều chế quay xảy ra trên các hệ thống quay của mục tiêu bay

3.1 Hiện tượng điều chế quay trong tín hiệu tán xạ từ các mục tiêu bay

3.1.1 Hiện tượng điều chế quay xảy ra trên các hệ thống quay một động cơ, một tầng cánh với các dạng tín hiệu thăm dò khác nhau

1 - Với tín hiệu thăm dò hình sin liên tục: Giả sử các cánh y hệt nhau, hiện tượng điều chế quay tương ứng với sự thay đổi về pha và biên độ của tín hiệu hình sin theo chu kỳ 1 NF q Trong đó là số cánh của hệ cánh quạt hay tua bin

1 cos 2 sin 2

mang; Φ ν- Pha ban đầu cố định; Cν - Các hằng số phụ thuộc vào ν

Phổ tần số của hàm tuần hoàn (3.1) là phổ vạch với các vạch phổ xác định tại

các tần số kNF k q, = 0,1,2, ,K max và khoảng cách cực đại giữa các vạch phổ là NF q

2 - Với tín hiệu thăm dò hình sin có thời gian hữu hạn: Dao động hình sin bị

điều chế quay (3.1) được nhân với một tín hiệu thị tần U t( ) có độ rộng hữu hạn

Có thể coi trường hợp này như sự điều chế đối với mỗi hài của (3.1) theo hàm

0

T

( )

U t Các vạch phổ điều chế quay bị mở rộng ra một khoảng là 1 T0với điều kiện T F0 q 1

3 - Với tín hiệu thăm dò là chùm xung hình sin: Dao động hình sin bị điều

chế quay (3.1) được nhân với một tín hiệu thị tần là một chùm xung có tần số lặp

là F l Với độ rộng tín hiệu hữu hạn, thì phổ của tín hiệu về cơ bản giống như

trường hợp 2, các vạch phổ này bị mở rộng ra một khoảng

0

T

0

1 T và bị gián đoạn

với khoảng tần số nhất định tùy thuộc vào giá trị của tần số lặp là lớn hay nhỏ

3.1.2 Hiện tượng điều chế quay xảy ra trên hệ thống quay nhiều động cơ, nhiều

tầng cánh

1 - Với hệ thống quay nhiều động cơ: Nếu tần số quay của các động cơ

giống nhau, thì sự xếp chồng tín hiệu tán xạ trên các động cơ đó không làm thay

đổi kết quả của hiện tượng điều chế quay Ngược lại sẽ có sự thay đổi tín hiệu

phản xạ từ các động cơ và số vạch phổ tăng lên so với trường hợp 1 động cơ

q

F

2 - Với hệ thống quay nhiều tầng cánh: Nó tạo ra các vạch phổ ở các tần số

kết hợp, ví dụ khi có hai tầng cánh là ở các tần số (k N1 1 +k N F k2 2 ) q, 1,2 = ± ± 0, 1, 2,

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng điều chế quay xảy ra trên các mục

tiêu bay

Hiện tượng điều chế quay xảy ra trên mục tiêu bay phụ thuộc vào các yếu

tố sau: Dạng mục tiêu bay, dạng và tham số tín hiệu thăm dò (bước sóng, tần số

lặp), vị trí không gian giữa mục tiêu bay và đài rađa (góc hướng), thời gian tích

lũy tương can Vấn đề này sẽ được xem xét ở mục 3.5

3.2 Mô phỏng hiện tượng điều chế quay của các động cơ phản lực

3.2.1 Mô phỏng hiện tượng điều chế quay của các động cơ phản lực khi không

tính đến hiệu ứng che khuất và ảnh hưởng của cửa khí

3.2.1.1 Hiện tượng tán xạ từ cánh đơn đứng im

Trong trường hợp này, việc tính toán được thực hiện với giả thiết là không có

sự phản xạ qua lại nhiều lần như trong ống dẫn sóng và f f th Cánh thứ ν ,

ν

γ = πν /N phụ thuộc vào ν Gốc của hệ tọa độ O x y zν ν ν ν được xác định bởi véc

tơ bán kính ρ ρ = 0 = ξ η ζ 0 0 0Ttrong hệ tọa độ mục tiêu O mtξηζ , trong đó ξ η ζ 0 0 0 là

tọa độ của tâm hệ thống quay

Hình 3.4 - Xấp xỉ cánh tua bin bằng hình chữ nhật phẳng trong hệ tọa độ cục bộ

Véc tơ đơn vị truyền sóng R0 phải được biến đổi từ hệ tọa độ đài ra đa sang

hệ tọa độ mục tiêu và sau đó sang hệ tọa độ cục bộ, vì thế ta có:

định được các phần tử trên đường chéo của MTTXPC của cánh là:

Trường hợp này giống như trường hợp các thanh phản xạ độc lập từ mỗi

cánh mà không tính đến sự che khuất lẫn nhau của chúng Khi tính đến sự quay

của cánh thứ ν thì ta phải dùng đến biểu thức góc quay của cánh trong hệ tọa độ

mục tiêu O mtξηζ : γ ν = γ ν ( )t = 2 πF qư 2 πν N= 2 πF t q( ư ν NF q) (3.7)

Giá trị tức thời của tín hiệu phản xạ từ các cánh đang quay của bộ nén

khí hay tua bin một tầng cánh với điều kiện

với R mt - Véc tơ bán kính của tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ đài rađa ; ρen -

Véc tơ bán kính của vị trí tâm động cơ trong hệ tọa độ mục tiêu

3.2.2 Mô phỏng hiện tượng điều chế quay khi tính đến hiệu ứng che khuất

Phần này trình bày một số phương án để giải quyết ảnh hưởng của hiệu ứng

che khuất khi mô phỏng hiện tượng điều chế quay của các động cơ phản lực

3.2.3 Mô phỏng các hệ thống quay nhiều động cơ, nhiều tầng cánh

Trường hợp này, việc mô phỏng chỉ hiệu quả khi động cơ được mô tả chi

tiết và phải thực hiện tính toán rất phức tạp Ta sử dụng phương án đơn giản hơn

là nhân kết quả mô phỏng trong trường hợp một tầng cánh với một hệ số thực

nghiệm α β + cos 2 k N t( π 2 2 + Φ ) với tổng α β + lớn hơn 1 một chút

3.3 Mô phỏng hiện tượng điều chế quay của cánh quạt

Với hiện tượng điều chế quay của cánh quạt thì do sóng vô tuyến có thể truyền tới cánh quạt từ nhiều hướng nên có thể bỏ qua sự che khuất giữa các cánh với nhau Có thể thay thế tương đương cánh của cánh quạt bằng mặt phẳng, mặt xoắn hay bằng một vài phần tử tối giản Mỗi cách thay thế đều có những ưu, nhược điểm riêng và luận án chọn cách thay thế bằng mặt xoắn Theo cách này, cánh xoắn θ θ 0 = 0 ( )z = ưA Bz thứ i được thay thế bởi một tập các mặt

phẳng nhỏ có góc tấn khác nhau, ta có thể lấy tích phân (3.6) trong giới hạn

Kết hợp với kết quả nghiên cứu của một số công trình khác đã công bố, luận

án khi mô phỏng hiện tượng điều chế quay thực hiện thay thế cánh theo hai cách:

1 - Tấm phẳng cho cánh của tua bin và bộ nén khí trong động cơ phản lực

2 - Mặt xoắn cho cánh của hệ cánh quạt trong động cơ cánh quạt và trực thăng

3.5 Mô phỏng hiện tượng điều chế quay với các mục tiêu bay thực tế Đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm

Phần này trình bày việc mô phỏng hiện tượng điều chế quay với một số mục tiêu bay thực tế Chương trình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Mathcad11.0a, kết quả mô phỏng được đưa ra dưới dạng các ảnh phổ cho từng trường hợp khảo sát cụ thể ở đây chỉ đưa ra các nhận xét, đánh giá về sự phụ thuộc của phổ điều chế quay vào các yếu tố đã nêu ở mục 3.1.3 Kết quả mô phỏng đã được trình bày trong luận án

3.5.1 Các điều kiện mô phỏng

Quá trình mô phỏng được tiến hành với các điều kiện giới hạn sau:

- Việc mô phỏng được thực hiện riêng rẽ với hệ động cơ và cánh quạt của 3 loại máy bay điển hình cho 3 lớp mục tiêu có xảy ra hiện tượng điều chế quay là: Máy bay động cơ phản lực TU16, máy bay động cơ cánh quạt AN26, máy bay trực thăng AH64 Cách thức mô phỏng phù hợp với các phân tích đã trình bày, cụ thể là: Cánh của bộ nén khí, tua bin động cơ phản lực TU16 được thay thế bằng tấm phẳng hình chữ nhật và để tính toán sử dụng các công thức từ (3.6) đến (3.12), cánh của động cơ cánh quạt AN26 và hệ cánh quạt của AH64 được thay thế bằng mặt xoắn, để tính toán sử dụng các công thức (3.8), (3.9) và (3.13), (3.14)

- Mục tiêu chuyển động thẳng đều ở những góc hướng khác nhau, giá trị góc hướng sẽ đưa ra trong từng trường hợp cụ thể

- Tín hiệu thăm dò là dãy xung đơn đồng bộ độ rộng τX = 10 μs, bước sóng

λ, tần số lặp F l và thời gian quan sát T qs sẽ thay đổi trong quá trình khảo sát

- Tín hiệu phản xạ lấy ở sau tách sóng pha và đưa vào biến đổi FFT để lấy ra