Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt biển đến sai số bám sát góc và giải pháp khắc phục khi bám mục tiêu bay thấp trên biển của đài ra đa điều khiển,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

Bên cạnh đó, bám sát các mục tiêu bay thấp như máy bay, các hoả lực chống tàu sẽ gặp nhiều ảnh hưởng từ mặt biển như giao thoa, tán xạ sóng điện từ, nhiễu sóng biển, nhiễu mây mưa,… Hiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

HỒ QUYẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT BIỂN ĐẾN SAI SỐ BÁM SÁT GÓC VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC KHI BÁM MỤC TIÊU BAY THẤP TRÊN BIỂN

CỦA ĐÀI RA ĐA ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

HỒ QUYẾT TIẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT BIỂN ĐẾN SAI SỐ BÁM SÁT GÓC VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC KHI BÁM MỤC TIÊU BAY THẤP TRÊN BIỂN

CỦA ĐÀI RA ĐA ĐIỀU KHIỂN

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Hồ Quyết Tiến Năm sinh: 1973

Cơ quan công tác: C.ty TNHH một thành viên đóng và sửa tàu Hải Minh

Khoá: 20.1

1 Tên đề tài luận văn:

Nghiên cứu ảnh hưởng của mặt biển đến sai số bám sát góc và giải pháp khắc phục

khi bám mục tiêu bay thấp trên biển của đài ra đa điều khiển

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Phân tích ảnh hưởng của của các loại nhiễu, đặc biệt là nhiễu mặt biển, sự tác động của nó đến khả năng bám sát góc của đài ra đa điều khiển Nguyên nhân gây ra sai

số và cách khắc phục để nâng cao khả năng bám sát góc của đài ra đa điều khiển

đối với các mục tiêu bay thấp

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:

Sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ sở và dựa vào các tài liệu, báo cáo chuyên môn, sách tham khảo đăng tải trên các tạp chí, hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn đề đưa ra trong luận văn Dùng phần mềm MATLAB khảo sát đặc tính hướng của ra đa đơn xung so sánh biên độ và đánh giá chất lượng bám sát góc của đài ra đa điều khiển MP-123

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

Ngày 08 tháng 4 năm 2014 Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Học viên

Xác nhận của Bộ môn KTĐT

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC ……… I

MỞ ĐẦU V DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ……… IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………IX CHƯƠNG 1 - NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG BÁM SÁT GÓC

CỦA CÁC ĐÀI RA ĐA ĐIỀU KHIỂN TRONG THỰC TẾ ………1

1.1 Mục đích nghiên cứu 1

1.2 Tổng quan hệ thống bám sát góc 1

1.3 Bám sát góc bằng phương pháp quét tuần tự 3

1.4 Bám sát góc bằng phương pháp quét nón 4

1.5 Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh biên độ 10

1.6 Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh pha 14

1.7 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 - ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT BIỂN ĐẾN KHẢ NĂNG BÁM 18 SÁT GÓC CỦA ĐÀI RAĐA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC KHI BÁM SÁT CÁC MỤC TIÊU BAY THẤP ………18

2.1 Mục đích nghiên cứu 18

2.2 Nhiễu bề mặt 18

2.2.1 Định nghĩa nhiễu ra đa ……… 18

2.2.2 Nhiễu bề mặt ……… 19

2.2.3 Phương trình ra đa cho nhiễu bề mặt với ra đa máy bay ………… 22

2.2.4 Phương trình ra đa cho nhiễu bề mặt với ra đa mặt đất ……… 24

2.2.5 Nhiễu biển ……… 29

2.2.6 Mô hình thống kê nhiễu ……… 33

2.3 Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường khi bám sát mục tiêu bay thấp 34

2.3.1 Hiện tượng đa đường ……… 34

2.3.2 Bài toán ra đa bám sát góc chiếu xạ thấp ……… 39

2.4 Các đặc tính thời gian- tần số của nhiễu biển 39

2.5 Động lực học của nhiễu biển 48

2.5.1 Giới thiệu chung ……… 48

2.5.2 Thống kê tự nhiên của nhiễu biển ……… 50

2.5.3 Phân bố K phức hợp………54

2.5.4 Phổ Doppler ……… 56

2.6 Nguyên nhân gây sai số bám sát góc khi bám mục tiêu trên mặt biển 57

2.7 Phương hướng nâng cao chất lượng bám sát góc khi bám mục tiêu bay thấp 58

2.7.1 Nâng cao chất lượng anten ra đa ………58

2.7.2 Tăng tỉ số công suất tín hiệu trên tạp ……… 59

2.7.3 Nâng cao khả năng chống nhiễu ……… 60

2.7.4 Cải thiện chất lượng bám sát góc tà ra đa quét nón ……… 61

2.7.5 Các giải pháp giảm hiện tượng đa đường ……… 61

2.8 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 - DÙNG PHẦN MỀM MATLAB KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HƯỚNG CỦA RAĐA ĐƠN XUNG SO SÁNH BIÊN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BÁM SÁT GÓC CỦA ĐÀI RAĐA ĐIỀU KHIỂN MP-123 ……… 64

3.1 Mục đích nghiên cứu 64

3.2 Giới thiệu hệ thống ra đa điều khiển MP-123 64

3.2.1.Chức năng của hệ thống ……… 64

3.2.2 Đặc điểm của hệ thống ……… 64

3.3 Khảo sát chất lượng bám sát góc bằng phần mềm MATLAB 64

3.3.1 Giản đồ hướng anten ra đa đơn xung so sánh biên độ ……… 65

3.3.2 Khảo sát chất lượng bám sát góc của đài ra đa điều khiển MP-123 …… 69

3.4 Kết luận chương 3 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………77

1 Kết luận 77

2 Kiến nghị 77

LỜI CẢM ƠN ……… 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

Việc dùng ra đa để phục vụ việc phát hiện, quan sát, theo dõi và bám sát các mục tiêu được sử dụng trong các lĩnh vực hàng không dân dụng như dẫn đường máy bay trong qúa trình bay, lúc máy bay cất và hạ cánh tại các sân bay và đặc biệt là phục vụ trong quân đội để theo dõi bắt, bám sát các mục tiêu, cung cấp liên tục các tham số để cho hoả lực tiêu diệt mục tiêu, ví dụ như: Tàu mặt nước, máy bay …

Đối với lực lượng Hải quân thì ra đa điều khiển hoả lực là một khí tài hết sức quan trọng, dùng để quan sát, phát hiện, bám sát và xác định các tham số của mục tiêu

Mức độ bám chính xác mục tiêu di động là một trong những tham số quan trọng đánh giá khả năng chiến đấu của ra đa điều khiển hoả lực Hệ thống tự động bám sát mục tiêu di động của đài ra đa điều khiển hoả lực trên tàu nhằm mục đích liên tục xác định các tham số tức thời của mục tiêu Các tham số này được truyền cho hệ thống máy tính để giải bài toán bắn đón từ đó xác định điểm bắn đón mục tiêu

Với ra đa điều khiển hoả lực trên tàu, quá trình bám sát trên tàu rất phức tạp và khắc nghiệt do ảnh hưởng rung lắc, chuyển động, …của con tàu Bên cạnh đó, bám sát các mục tiêu bay thấp như máy bay, các hoả lực chống tàu sẽ gặp nhiều ảnh hưởng từ mặt biển như giao thoa, tán xạ sóng điện từ, nhiễu sóng biển, nhiễu mây mưa,…

Hiện tại các đài ra đa điều khiển trên các tàu cỡ nhỏ của quân chủng Hải quân

là khí tài tương đối hiện đại nhưng kết cấu phức tạp, phần lớn linh kiện thuộc thế hệ đèn điện tử nên độ tin cậy kém, chất lượng xuống cấp nhanh trong điều kiện khí hậu nhiệt đới khắc nghiệt ở Việt Nam Các hoạt động thường xuyên và diễn tập trên biển cho thấy các đài ra đa điều khiển đã bộc lộ khả năng chống nhiễu kém, khó bám tự động các mục tiêu bay tốc độ nhanh và thấp, khả năng mất bám khi biển động khá

cao Bên cạnh đó còn có nhiều khó khăn trong công tác bảo quản, sửa chữa và cung cấp phụ tùng thay thế Do vậy vấn đề cải tiến, nghiên cứu hiện đại hoá các đài ra đa điều khiển trên tàu Hải quân là vấn đề cấp thiết

Xuất phát từ thực tế nêu trên, để góp phần giải quyết nâng cao khả năng bám

chính xác mục tiêu của ra đa điều khiển hoả lực trên tàu, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu

ảnh hưởng của mặt biển đến sai số bám sát góc và giải pháp khắc phục khi bám mục tiêu bay thấp trên biển của đài ra đa điều khiển”

làm đề tài luận văn cao học của mình là cần thiết và phù hợp với thực tế hiện nay

 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Phân tích ảnh hưởng của của các loại nhiễu, đặc biệt là nhiễu mặt biển, sự tác động của nó đến khả năng bám sát góc của đài ra đa điều khiển Nguyên nhân gây ra sai

số và cách khắc phục để nâng cao khả năng bám sát góc của đài ra đa điều khiển đối với các mục tiêu bay thấp

 Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau:

- Nghiên cứu các phương pháp tự động bám sát góc của các đài ra đa điều khiển trong thực tế

- Phân tích sự tác động của nhiễu do mặt biển gây ra, ảnh hưởng của nó đến khả năng bám sát góc đối với các mục tiêu bay thấp Nguyên nhân gây sai số

và giải pháp khắc phục

- Dùng phần mềm MATLAB khảo sát đặc tính hướng của ra đa đơn xung so sánh biên độ và đánh giá chất lượng bám sát góc của đài ra đa điều khiển MP-123

 Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu các phương pháp bám sát góc đang được áp dụng trên các đài

ra đa điều khiển hiện nay

- Các phương trình ra đa cho nhiễu bề mặt đối với ra đa trên mặt đất và

ra đa trang bị trên các máy bay

- Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường khi bám sát các mục tiêu bay ở tầm thấp

- Đặc tính thời gian - tần số của nhiễu mặt biển

- Động lực học của nhiễu biển

- Giới thiệu đài ra đa điều khiển MP-123

 Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích kết hợp nghiên cứu lý thuyết cơ sở

và dựa vào các tài liệu, báo cáo chuyên môn, sách tham khảo đăng tải trên các tạp chí, hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn đề đưa ra trong luận văn Dùng phần mềm MATLAB khảo sát đặc tính hướng của ra đa đơn xung so sánh biên

độ và đánh giá chất lượng bám sát góc của đài ra đa điều khiển MP-123

 Kết cấu của luận văn: Luận văn gồm 3 chương

Chương 1: Nghiên cứu các phương pháp tự động bám sát góc trong thực tế Chương 2: Ảnh hưởng của mặt biển đến khả năng bám sát góc của đài ra

đa điều khiển và giải pháp khắc phục khi bám sát các mục tiêu bay thấp

Chương 3: Dùng phần mềm MATLAB khảo sát đặc tính hướng của ra đa đơn xung so sánh biên độ và đánh giá chất lượng bám sát góc của đài ra đa điều khiển MP-123

Do nội dung của đề tài rất rộng và khó, thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, Tôi rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp của Thầy Cô và các bạn để Luận văn này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo rất tận tình của các Thầy Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - Trường Đại học Giao thông Vận tải,

đặc biệt là thầy giáo TS Trần Hoài Trung Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến

gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ Tôi hoàn thành tốt

Luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 08 tháng 4 năm 2014

Hồ Quyết Tiến

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.12 Anten đơn xung so sánh pha một toạ độ với kênh tổng và kênh

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

2.9

2.12

Thành phần tín hiệu trực xạ và đa đường của phép đo mục

2.13b Hình ảnh động của mục tiêu ra đa yếu, kênh phân cực

2.13c Hình ảnh động của mục tiêu ra đa mạnh, kênh phân cực

2.15a Phổ Wigner-Ville, mục tiêu hiện rõ trên nền nhiễu biển 61

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

2.17a Điểm dấu phản xạ ra đa, tập dữ liệu L2, phân cực đứng 66

2.17b Điểm dấu phản xạ ra đa, tập dữ liệu H, phân cực đứng 66

2.17c Điểm dấu phản xạ ra đa, tập dữ liệu H, phân cực ngang 66

2.18a Điểm dấu Doppler-thời gian, tập dữ liệu L2, phân cực đứng 69

2.18b Điểm dấu Doppler-thời gian, tập dữ liệu H, phân cực đứng 69

2.18c Điểm dấu Doppler-thời gian, tập dữ liệu H, phân cực ngang 69

2.20

Giản đồ điện áp hình thành xung bám góc tà không đối

3.1a Giản đồ định hướng thành phần đơn xung, ε0 = 0.1 radian; 84

3.2a Giản đồ định hướng thành phần đơn xung, ε0 = 0.7 radian 86

3.3a Tỉ số điện áp hiệu/tổng với góc lệch ε0 = 0.1 radian 87

3.3b Tỉ số điện áp hiệu/tổng với góc lệch ε0 = 0.7 radian 87

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

có phân bố Gauss cộng tính và nhân tính

CHƯƠNG 1 - NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG BÁM SÁT

GÓC CỦA CÁC ĐÀI RA ĐA ĐIỀU KHIỂN TRONG THỰC TẾ

1.1 Mục đích nghiên cứu

Để nắm được sự tổng quan cũng như tính ưu việt của các phương pháp bám sát góc, sự phát triển kỹ thuật của các phương pháp ta đi vào nghiên cứu cụ thể trong chương 1

Kỹ thuật bám sát được chia ra bám sát cự ly (vận tốc) và bám sát góc Nó cũng có thể được chia ra theo cách thông thường là bám đơn mục tiêu và bám đa mục tiêu Bám sát ra đa sử dụng giản đồ cánh sóng dạng bút chì (độ rộng cánh sóng rất hẹp) Do đó, cần có ra đa quan sát để chỉ ra mục tiêu cần phải bám sát; hoặc ra

đa bám sát tự tìm kiếm mục tiêu trong không gian đã được chỉ thị Vì lớ do này, ra

đa bám sát sử dụng cách quét giản đồ cách sóng đặc biệt, như quét xoắn ốc, quét dòng, quét nón

Quá trình bám sát mục tiêu theo góc là quá trình liên tục xác định tọa độ góc của mục tiêu đã chọn Trên thực tế, đó là quá trình liên tục làm trùng hướng của trục quang anten với hướng của mục tiêu bằng tay, bằng phương pháp nửa tự động hay phương pháp tự động

Tự động bám mục tiêu theo góc dựa trên tính định hướng của anten ra đa

và được thực hiện như sau:

Anten của đài ra đa tạo ra một trục tớn hiệu cú toạ độ gúc là at Trục này cố định so với anten, khi anten quay trục này cũng quay theo Hệ thống tự động bỏm

tiờu mt

Hỡnh 1.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động bỏm sỏt gúc Tớn hiệu sai lệch được khuếch đại, biến đổi, sau đú được đưa đến động cơ chấp

Cỏc hệ thống tự động bỏm sỏt của ra đa điều khiển hỏa lực cú thể được xõy dựng theo một số nguyờn tắc khỏc nhau Nú chia thành hai nhúm tựy theo cỏch thức tạo hướng cõn bằng tớn hiệu: nhúm cỏc hệ thống tạo hướng cõn bằng tớn hiệu nhờ tớch lũy chuỗi xung và nhúm cỏc hệ thống tạo hướng cõn bằng tớn hiệu nhờ đơn xung

Trong hệ thống tạo hướng cõn bằng tớn hiệu nhờ tớch lũy chuỗi xung, hướng cõn bằng tớn hiệu được hỡnh thành nhờ xử lớ chựm xung cú độ rộng lớn nhỏ khỏc nhau Theo nhúm này thỡ cú hai phương phỏp bỏm: bỏm theo phương phỏp quột nún và bỏm theo phương phỏp quột chữ thập Khi quột nún, hướng cõn bằng được tạo ra sau khi anten ra đa quột bỳp súng hết một vũng Khi quột chữ thập, hướng cõn bằng được tạo ra sau khi ra đa phỏt ớt nhất 4 xung

bộ phân biệt

kđ hiệu chỉnh

động cơ

C.hành

HT anten

1.3 Bám sát góc bằng phương pháp quét tuần tự

Bám sát góc bằng phương pháp quét tuần tự là một trong những kĩ thuật bám sát đầu tiên được dùng cho hệ thống ra đa thế hệ đầu Phương pháp bám sát này thường được biết đến như sự chuyển búp sóng hay đảo mạch tuần tự Độ chính xác của nó bị giới hạn bởi độ rộng cánh sóng hình bút chì và bởi tạp âm do bộ dẫn động chuyển mạch điện tử hoặc cơ khí Tuy nhiên, nó hoạt động rất đơn giản Cánh sóng hình bút chì được sử dụng phải đối xứng (độ rộng cánh sóng góc tà và phương vị bằng nhau và rất nhỏ, thường khỏang vài độ)

Vị trí cán

h sóng A

Trục cánh sóng

Trục quang anten

Trục quang anten

(b) Mục tiêu lệch khỏi trục quang anten

Việc bám sát được thực hiện (trong một toạ độ) bằng cách liên tục chuyển cánh sóng hình bút chì giữa hai vị trí đối xứng được xác định trước xung quanh trục quang anten Ra đa đo mức tín hiệu trở về từ mục tiêu, sự khác nhau giữa hai mức tín hiệu

được sử dụng để tính góc lệch Ví dụ, khi mục tiêu được bám sát nằm trên trục quang,

sự khác nhau về điện thế là không (hình 1.2a), tuy nhiên, khi mục tiêu lệch khỏi trục quang, điện thế sai lệch khác không (hình 1.2b) Dấu hiệu sai lệch của điện áp xác định hướng mà anten phải di chuyển, làm sao duy trì sự sai lệch điện áp là không (mục tiêu nằm trên trục quang)

Để xác định được sai lệch góc của hệ toạ độ vuông góc, hai vị trí chuyển mạch được sử dụng Do đó, bám sát trong hai toạ độ đòi hỏi sử dụng hệ bốn anten (hai anten cho mỗi hệ toạ độ) hoặc năm anten (một anten trung tâm sử dụng để phát, bốn anten còn lại để thu)

1.4 Bám sát góc bằng phương pháp quét nón

Quét nón là sự mở rộng logic của quét tuần tự.Trong các đài ra đa loại này người ta thường dùng chung một anten cho thu và phát có đặc tính định hướng cao, búp sóng dạng bút chì (hình 1.3 )

Trục c

ánh s

óng

Góc lệch

Hình 1.4 Nguyên tắc điều chế tín hiệu Cho quay tròn cánh sóng quanh trục OO’ (trục cân bằng tín hiệu) với vận tốc góc

Quỹ đạo chuyển động của cánh sóng vẽ nên hình nón trong không gian, có đỉnh đặt tại anten Trong trường hợp này, qui luật điều chế biên độ tín hiệu mục

mục tiêu và hướng cân bằng tín hiệu OO’ Khi mục tiêu nằm trên hướng cân bằng tín hiệu, cường độ tín hiệu bức xạ và tín hiệu thu về khi cánh sóng quay là không đổi, do đó biên độ không bị điều chế

Nếu mục tiêu nằm lệch khỏi hướng cân bằng tín hiệu, chẳng hạn hướng OM, tín hiệu ở đầu vào máy thu sẽ bị điều chế theo biên độ Độ sâu điều chế phụ thuộc vào góc lệch, còn pha phụ thuộc vào hướng góc lệch và có thể xác định được bằng biểu thức gần đúng:

Trong đó: m - hệ số điều chế, m = [f’(0)/ f(0)] = .

Tách sóng đường bao các xung phản xạ từ mục tiêu, ta có phương trình:

M ' O ' OO

' M ' O M ' O

' M ' O

Ur = Kts.Uvm.Uchm.cos  (1.5)

Nếu ở đầu vào bộ tách sóng pha ta đưa điện áp Us(t) và dùng điện áp chuẩn là cos at khi đó ở đầu ra, ta có: Ur = Kts U

Nếu Uch tỷ lệ với sinat, ta có: Ur = Kts U

Hoạt động của hệ thống như sau:

Hệ thống tự động bám góc trong ra đa quét nón gồm hai kênh phương vị

và góc tà Nguyên lí hoạt động của hai kênh tương tự nhau Xung phát cao tần

từ máy phát qua khóa chuyển mạch thu-phát, hệ thống dẫn sóng tới anten phát

xạ định hướng vào không gian dưới dạng cánh sóng bút chì Gặp mục tiêu một phần năng lượng phản xạ trở về được anten thu nhận qua chuyển mạch thu-phát đến máy thu Tại đây, tín hiệu được chọn lọc, khuếch đại, biến đổi thành xung video

Hình 1.5 Sơ đồ chức năng hệ bám mục tiêu phương pháp quét nón

Khi mục tiêu nằm trên hướng cân bằng tín hiệu thì các xung video này có biên độ không đổi (hình 1.6a) Khi mục tiêu lệch khỏi hướng cân bằng tín hiệu, các xung video đó sẽ có biên độ bị điều chế theo qui luật sin (hình 1.6b) Các xung video được đưa vào bộ tách sóng đường bao Đầu ra tách sóng đường bao nhận được tín hiệu sai lệch có dạng sin (hình 1.6c) Tín hiệu sai lệch được khuếch đại cộng hưởng có tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại Mục đích là giảm thăng giáng tín hiệu sai lệch do nhiều nguyên nhân Tín hiệu sai lệch sau khi khuếch đại được đưa vào hai kênh bám phương vị và góc

tà

TẠO ĐIỆN

ÁP CHUẨN

C.MẠCH ANTEN

MÁY PHÁT

MÁY THU

TÁCH SÓNG ĐƯỜNG BAO

K.ĐẠI CỘNG

HƯỞNG

K.ĐẠI MÁY ĐIỆN

ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH

HIỆU CHỈNH

TÁCH SÓNG

PHA

K.ĐẠI MÁY ĐIỆN

HIỆU CHỈNH

ĐỘNG

CƠ

AN TEN

ĐỘNG CƠ CHẤP HÀNH

ĐỔI TỐC

ĐO GÓC P.VỊ

u(  )

HT ĐK HỎA LỰC

u(  )

Hình 1.6 Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

a Khi mục tiêu nằm trên trục OO’; b Khi mục tiêu lệch khỏi trục OO’;

c Đường bao của tín hiệu mục tiêu

Ở kênh phương vị, tín hiệu được đưa vào bộ tách sóng pha Cùng đưa vào bộ

đồng bộ với loa phát xạ của anten Khi loa phát xạ quay, rô to của máy phát điện áp chuẩn quay theo và tạo thành hai điện áp hình sin có tần số bằng tần số quét cánh

: Uchcosat

hiệu sai lệch và tín hiệu điện áp chuẩn là ở đầu ra bộ tách sóng pha kênh phương vị

lớn nhờ khuếch đại máy điện, đến điều khiển động cơ chấp hành, qua bộ đổi tốc làm dịch chuyển anten hướng về mục tiêu sao cho mục tiêu nằm trên hướng cân bằng tín hiệu Tốc độ và hướng quay phụ thuộc vào biên độ và dấu điện áp điều khiển

Khâu hiệu chỉnh có tác dụng loại trừ dao động của anten Khi anten quay về đúng hướng mục tiêu, tín hiệu sai lệch sẽ bằng không, tuy nhiên do quán tính, anten tiếp tục quay vì thế tín hiệu sai lệch đổi dấu và anten quay ngược trở lại, cứ như vậy anten dao động quanh vị trí cân bằng (hướng mục tiêu) Tầng hồi dẫn tạo phản hồi âm khử dao động này, làm cho dao động tắt nhanh

Để bám sát một mục tiêu dự định trong số nhiều mục tiêu và không để các mục tiêu khác ảnh hưởng đến bám sát, có xung chọn lọc từ hệ thống tự động bám sát cự li đến máy thu Nhờ có xung này, máy thu chỉ mở khi có tín hiệu phản xạ có thời gian giữ chậm bằng thời gian giữ chậm xung chọn lọc

Tốc độ quét anten bị giới hạn bởi bộ dẫn động quét cánh sóng (cơ khí hoặc điện tử), khi quét điện tử tốc độ quét nhanh và độ chính xác cao hơn quét cơ khí Trong mọi trường hợp, ra đa cần ít nhất bốn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu để có xác định toạ độ góc tà

và phương vị của mục tiêu (hai tín hiệu phản xạ cho một toạ độ) Do đó, tốc độ quét nón cực đại bằng một phần tư của tần số lặp xung đài ra đa

Góc lệch quét nón cần thiết đủ lớn để tín hiệu sai lệch có thể đo được Tuy nhiên, do góc lệch này mà hệ số khuếch đại anten trong hướng trục quang nhỏ hơn mức cực đại Vì vậy, khi mục tiêu được bám sát, tỉ số tín/tạp thiệt hại suy giảm bằng

độ sụt trong hệ số khuếch đại anten Sự suy giảm này là suy giảm góc lệch hoặc suy giảm do cắt nhau của hai cánh sóng Góc lệch thường được chọn sao cho sự suy giảm hai chiều (phát và thu) nhỏ hơn vài decibel

1.5 Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh biên độ

Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh biên độ giống như cách quét quét tuần tự, bốn cánh sóng lệch khỏi trục cân bằng được sử dụng để đo vị trí góc mục tiêu Điều khác ở đây là bốn cánh sóng được tạo ra đồng thời Vì mục đích này, loa chiếu xạ anten dùng bốn búp sóng để tạo ra đơn xung, do đó phương pháp này có tên là đơn xung Hơn nữa, bám sát đơn xung có độ chính xác cao và không

bị ảnh hưởng bởi những tác động của quét cánh sóng, như nhiễu điều chế biên độ

và khuếch đại ngược bảo vệ điện tử Cuối cùng, trong cách quét tuần tự và quét nón, những sự thay đổi của sóng vọng ra đa làm giảm độ chính xác bám sát, nhưng

nó không ảnh hưởng tới kĩ thuật quét đơn xung bởi vì chỉ một xung được sử dụng phát hiện được góc lệch Ra đa bám sát đơn xung có thể được làm bằng anten parabol lẫn anten mạng pha

Hình 1.7 thể hiện dạng giản đồ anten đơn xung Bốn cánh sóng A,B,C và D thể hiện cho bốn vị trí tia quét nón Bốn loa chiếu xạ được dùng để tạo giản đồ anten đơn xung Xử lí biên độ đơn xung yêu cầu bốn tín hiệu có cùng pha và biên

độ khác nhau

Hình 1.7 Giản đồ cánh sóng anten đơn xung Cách tốt nhất để giải thích kĩ thuật đơn xung biên độ là biểu diễn tín hiệu sóng vọng mục tiêu bằng vòng tròn đặt tại trung tâm của trục bám sát của anten (hình 1.8a), ở đây, bốn góc phần tư thể hiện bốn cánh sóng Trong trường hợp này, bốn chấn tử nhận được năng lượng phản xạ từ mục tiêu như nhau, điều này chứng tỏ rằng mục tiêu nằm trên trục quang của anten Tuy nhiên, trong trường hợp mục tiêu lệch khỏi trục quang (hình 1.8b-d), sự mất cân bằng về năng lượng diễn ra trên các cánh sóng khác nhau Sự mất cân bằng về năng lượng được sử dụng để tạo ra tín hiệu sai lệch, dẫn động hệ thống điều khiển Xử lí đơn xung bao gồm tính toán

Được chia ra thành điện áp kênh tổng và kênh hiệu, góc của tín hiệu có thể được xác định

Ra đa liên tục so sánh biên độ và pha của tất cả tín hiệu trở về trên các cánh sóng để tính toán sự chuyển dịch của mục tiêu ra khỏi trục bám sát Đòi hỏi pha của bốn tín hiệu không đổi trong cả chế độ phát và thu Vì thế, những mạng số hoặc các

bộ so sánh vi ba được sử dụng Hình 1.9 thể hiện giản đồ khối của bộ so sánh vi ba,

ở đây có ba kênh máy thu được thiết lập là kênh tổng, kênh sai lệch phương vị và kênh sai lệch về góc tà

Hình 1.8 Minh hoạ khái niệm bám sát đơn xung (a) Mục tiêu trên hướng bám sát;

(b) – (d) Mục tiêu lệch khỏi hướng bám sát

Hình 1.9 Bộ so sánh đơn xung

Để tạo ra cánh sóng khác nhau về góc tà, có thể sử dụng cánh sóng khác nhau (A-D) hoặc (B-C) Tuy nhiên, tạo dạng đầu tiên cánh sóng tổng (A+B)

và (D+C) và tính toán sự khác nhau (A+B)-(D+C), tạo ra tín hiệu sai lệch về

Tín hiệu sai lệch góc tà

Kênh tổng Tín hiệu sai lệch phương vị

(B+C), sau đó tính toán sự khác nhau (A+D)-(B+C), tín hiệu sai lệch về

Sơ đồ khối đơn giản của ra đa đơn xung được thể hiện ở hình 1.10 Kênh tổng được sử dụng cho cả máy phát và máy thu Trong chế độ thu, kênh tổng cung cấp pha chuẩn cho hai kênh khác nhau Cự li mục tiêu được xác định trên kênh tổng Để minh hoạ giản đồ cánh sóng anten kênh tổng và hiệu được tạo ra, giả thiết giản đồ anten một phần tử là sin/ và góc lệch là 0 Tín hiệu tổng trên một hệ toạ độ (phương vị hoặc góc tà) được xác định bằng:

Máy phát

Chuyển

KĐTT Trộn

Ngoại sai

Tách sóng biên độ

Tách sóng pha

Tách sóng pha

Đến đo cự li

Tín hiệu sai lệch phương vị

Tín hiệu sai lệch góc tà

Tạo dạng cánh sóng

Hình 1.10 Sơ đồ khối ra đa đơn xung so sánh biên độ

1.6 Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh pha

Bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh pha giống như bám sát góc bằng phương pháp đơn xung so sánh biên độ trong trường hợp hệ toạ độ góc mục tiêu được tách ra từ kênh tổng và hai kênh hiệu Sự khác nhau chính là bốn tín hiệu được tạo ra từ đơn xung so sánh biên độ có pha giống nhau, tuy nhiên, trong trường hợp tín hiệu đơn xung so sánh pha có cùng biên độ nhưng pha khác nhau Ra đa bám sát đơn xung so sánh pha sử dụng ít nhất anten mạng có hai thành phần cho mỗi hệ toạ độ góc (hình 1.11) Một tín hiệu sai lệch về pha (cho một hệ toạ độ góc) được tính từ sự sai lệch về pha giữa các tín hiệu được tạo ra từ những thành phần anten

Hình 1.11 Anten đơn xung so sánh pha một toạ độ

anten

Ở đây,  là bước sóng Sự khác pha  của hai phần tử anten được sử dụng để

toán của kĩ thuật đơn xung so sánh pha gặp khó khăn trong việc thiết lập phép đo

thống đơn xung so sánh pha (hình 1.12)

Hình 1.12 Anten đơn xung so sánh pha một toạ độ với

kênh tổng và kênh hiệu Tổng và hiệu của tín hiệu trong một hệ toạ độ được tính bằng:

( ) S (1 e ) 

j 2

Với các đài ra đa điều khiển hoả lực đặt ở trên tàu, trong quá trình bám sát các mục tiêu bay thấp sẽ chịu nhiều tác động của nhiễu biển, sự giao thoa, thăng giáng tín hiệu, sự tán xạ sóng điệntừ, Phần tiếp theo của luận văn sẽ làm rõ ảnh hưởng của mặt biển đến quá trình bám sát mục tiêu bay thấp

CHƯƠNG 2 - ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT BIỂN ĐẾN KHẢ NĂNG BÁM SÁT GÓC CỦA ĐÀI RAĐA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

KHI BÁM SÁT CÁC MỤC TIÊU BAY THẤP 2.1 Mục đích nghiên cứu

Để phân tích được những ảnh hưởng của các loại nhiễu như: Nhiễu bề mặt, nhiễu biển, ảnh hưởng của hiện tượng đa đường khi bám mục tiêu bay thấp, đặc tính tần số - thời gian của nhiễu biển …từ đó cho ta đánh giá được sự ảnh của mặt biển đến khả năng bám sát góc của đài ra đa điều khiển, ta đi vào nghiên cứu chương 2

2.2 Nhiễu bề mặt

2.2.1 Định nghĩa nhiễu ra đa

Nhiễu ra đa là một thuật ngữ được dùng để mô tả bất kì đối tượng nào sinh ra không mong muốn phản xạ trở lại ra đa mà có thể gây trở ngại với những hoạt động bình thường của đài ra đa Những dao động kí sinh được trở về trên cánh sóng chính của anten được gọi là nhiễu cánh sóng chính, những thành phần khác được gọi nhiễu cánh sóng phụ Nhiễu có thể được chia thành hai lớp chính: nhiễu bề mặt

và nhiễu trên không hay nhiễu thể khối Nhiễu bề mặt bao gồm cây cối, thực vật, mặt đất, công trình xây dựng và nhiễu mặt biển Nhiễu thể khối bình thường có kích thước rộng, bao gồm chấn tử phản xạ, mưa, chim chóc và côn trùng Nhiễu bề mặt thay đổi từ vùng này đến vùng khác, trong khi đó nhiễu thể khối có thể dự đoán trước được

Nhiễu thường ngẫu nhiên và có những tạp âm nhiệt đặc trưng bởi vì các thành phần nhiễu bản thân có pha và biên độ ngẫu nhiên Trong nhiều trường hợp, mức tín hiệu nhiễu cao hơn mức tạp âm của máy thu Do đó, khả năng phát hiện mục tiêu của ra đa trong nền nhiễu cao phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu hơn tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Tạp trắng thường có công suất tạp ồn giống nhau trong tất cả thang đo cự li ra

đa, trong khi công suất nhiễu có nhiều giá trị trong cùng một thang đo cự li Từ khi nhiễu trở lại có sóng vọng như mục tiêu, đài ra đa chỉ có thể phân biệt mục tiêu trở

về từ sóng vọng của nhiễu là dựa trên cơ sở diện tích phản xạ hiệu dụng mục tiêu

qua bản đồ nhiễu) Diện tích phản xạ hiệu dụng của nhiễu có thể được xác định

trị trung bình của diện tích phản xạ hiệu dụng của nhiễu được tính bằng:

0

c AC

được diễn tả bằng dB (một vài kĩ sư ra đa diễn tả 0trong thuật ngữ cm2

mục tiêu ở góc chiếu xạ thấp Góc chiếu xạ glà góc bề mặt của mặt đất đến trục chính của chùm tia chiếu xạ, được biểu diễn ở hình 2.1

Có ba tham số ảnh hưởng đến số lượng của nhiễu trong cánh sóng ra đa, bao

của nhiễu 0

với góc chiếu xạ Có ba vùng được xác định : vùng góc chiếu xạ thấp, vùng bằng phẳng

và vùng góc chiếu xạ cao

Vùng góc chiếu xạ

Hình 2.2 Phân loại các vùng nhiễu Vùng góc chiếu xạ thấp được mở rộng từ không đến góc chiếu xạ tới hạn Góc chiếu xạ tới hạn được định nghĩa bởi Rayleigh là góc ở dưới của bề mặt được xem

là trơn và phía trên là bề mặt được xem là gồ ghề Biểu thị theo căn quân phương

mặt được coi là bằng phẳng nếu:

gồ ghề

Hình 2.3 Định nghĩa mặt đất gồ ghề

Ở đây, Sstate là trạng thái của biển, được lập thành bảng Trạng thái của biển được mô tả bởi chiều cao của sóng, chu kì, chiều dài, vận tốc

hợp này độ cao của sóng xấp xỉ 0.9144 đến 1.2192 m, chu kì sóng 6.5 đến 4.5 giây, chiều dài sóng từ 1.9812 đến 33.528m, vận tốc sóng 20.372 đến 25.928 Km/h và vận tốc gió từ 22.224 đến 29.632 Km/h

Nhiễu ở góc chiếu xạ thấp thường tham chiếu tới tán xạ, ở đây có số lượng lớn nhiễu trở lại cánh sóng ra đa (phản xạ không tương can) Trong

trong vùng góc chiếu xạ cao như nhiễu gương (phản xạ tương can) và thành

diện với vùng góc chiếu xạ thấp

2.2.3 Phương trình ra đa cho nhiễu bề mặt với ra đa máy bay

Xem xét một ra đa máy bay ở chế độ quan sát mặt đất trong hình 2.4 Sự giao nhau giữa cánh sóng anten và mặt đất được xác định là vùng chiếu xạ dạng elip Kích thước của vùng chiếu xạ là hàm của góc chiếu xạ và độ rộng

Hình 2.4 Ra đa máy bay trong chế độ quan sát mặt đất

(4 ) R

 



sóng và t là diện tích phản xạ hiệu dụng mục tiêu Tương tự, công suất thu từ nhiễu là:

2 2

P GS

Hình 2.5 Định nghĩa vùng chiếu xạ

Ở đây, chỉ số c bên dưới được sử dụng cho nhiễu bề mặt Thay thế phương trình (2.1) cho c vào phương trình (2.9), có thể tồn tại SCR (tỉ số tín trên nhiễu) cho nhiễu bề mặt bằng cách chia phương trình (2.8) cho (2.9) Ta có :

Rc



2.2.4 Phương trình ra đa cho nhiễu bề mặt với ra đa mặt đất

Trở lại với công suất nhiễu đã được tính toán ở phương trình (2.9), tuy nhiên,

khác:

c MBc SLc

Ở đây, MBc là diện tích phản xạ hiệu dụng của nhiễu trên cánh sóng chính,

Hình 2.6 Nhiễu bề mặt đối với ra đa mặt đất

Nhiễu cánh sóng phụ

Nhiễu cánh sóng chính

Hình 2.7 Diện tích nhiễu bề mặt đối với ra đa mặt đất

Để tính tổng diện tích phản xạ hiệu dụng của nhiễu đưa ra trong phương trình (2.11), phải tính diện tích phản xạ hiệu dụng của nhiễu trên cả cánh sóng chính và phụ tương ứng (2.7) Các góc A và E biểu diễn độ rộng cánh sóng anten 3-dB trong mặt phẳng phương

vị và góc chiếu xạ tương ứng Độ cao ra đa (từ mặt đất đến pha trung tâm của anten) là hr,

độ cao mục tiêu là ht , cự li nghiêng là R, cự li trên mặt đất là Rg Độ phân giải theo cự li là

R và theo cự li trên mặt đất là Rg Diện tích bề mặt cánh sóng chính là AMBc, cánh sóng phụ là ASLc

Từ hình 2.7, có thể suy ra:

Trục anten Mặtđất

Diện tích nhiễu cánh sóng chính

Diện tích nhiễu cánh sóng phụ Diện tíchnhiễu cánh sóng phụ