Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ phased array system toolbox PAST của matlab

Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ phased array system toolbox PAST của matlab

DESIGNING A BASIC MONOSTATIC PULSE RADAR

GVHD: TS HOÀNG MẠNH HÀ

Nhóm 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RADAR

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RADAR

Thuật ngữ RADAR là viết tắt của Radio Detection And Ranging, tức là dùng sóng vô tuyến để xác định phương vị và khoảng cách tới mục tiêu

Monostatic radar hay còn gọi two-way radar sử dụng cùng một anten cho việc truyền và nhận Trong suốt khoảng thời gian

truyền radar không thể nhận Radar chuyển mạch truyền - nhận bằng chuyển mạch điện gọi là duplexer

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý : đo khoảng thời gian từ lúc phát sóng điện từ siêu cao tần cho đến khi nhận được tín hiệu phản hồi từ mục tiêu

Công thức tính :

d = c.t/2

c : vận tốc truyền sóng (3.108 m/s)

t : thời gian truyền sóng (đi và phản xạ trở về)

d : khoảng cách từ radar tới mục tiêu

antenna Transmitter Duplexer Electromagnetic wave

Echo signal Display Receiver

aim

Duplexer antenna

SƠ ĐỒ KHỐI RADAR:

NGUYÊN LÝ RADAR XUNG

Xung : là đại lượng biến thiên nhanh theo theo một quy luật nhất định, đặc trưng bởi tần số f và bước sóng λ

• Xung siêu cao tần (xung radio)

• Các đặc trưng của xung radio : chiều dài xung ( x ), chu kì lặp xung (T x ) Thông thường hiện nay  x = 0.01 ÷ 3 s, T x = 1000 ÷ 4000 s

NGUYÊN LÝ PHÁT XUNG TRONG RADAR XUNG:

Radar phát 1 xung trong thời gian x, sau đó chờ xung phản xạ trở về mới phát xung tiếp theo với chu kì lặp xung là Tx Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về, qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu, khuếch đại, sửa đổi thành tín hiệu điện, đưa sang bộ chỉ báo hiển thị.

Để cho máy phát, máy thu và khối chỉ thị hoạt động đồng bộ nhau, người ta tạo ra các xung chỉ thị từ khối đồng bộ điều khiển toàn bộ trạm radar.

Để anten có thể dùng chung cho cả bộ phát và bộ thu, người ta tạo ra bộ chuyển mạch anten tách máy phát và máy thu phù hợp lúc phát và lúc thu:

• Ngắt máy thu khi máy phát hoạt động (phát sóng).

• Ngắt máy phát khi máy thu hoạt động (thu sóng)

CÔNG SUẤT PHÁT XUNG:

Công suất phát xung Px là công suất máy phát

đi trong thời gian x

Công suất trung bình Ptb của máy phát trong cả chu kỳ là Tx

Ptb Tx = Px x

Do đó :

x x

x

Pdt P

T P

MỘT SỐ THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRONG RADAR

1 Radar cross-section ( tiết diện radar)

2 Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency)

3 Độ phân giải tầm xa ( range resolution)

4 Tầm xa cực đại (max range)

5 Noise power threshold

6 Pulse Integrator (tích hợp xung)

RADAR CROSS-SECTION ( TIẾT DIỆN RADAR)

RCS: đo khả năng phản xạ tín hiệu radar của mục tiêu theo hướng radar thu

RCS được đo bằng tỉ số của công suất tán xạ ngược trên steradian theo hướng của radar (từ mục tiêu) với mật độ công suất bị chắn bởi mục tiêu.

Chỉ số RCS càng lớn thì khả năng vật thể bị phát hiện càng lớn Kí hiệu σ

RCS có thể được hiểu như sau:

σ = Projected crosss ection x Reflectivity x Directivity

Projected cross section:

Reflextivity : Phần trăm công suất chặn được từ mục tiêu tái bức xạ.

RADAR CROSS-SECTION ( TIẾT DIỆN RADAR)

RCS có thể được tính:

Với Si là mật độ công suất tới được đo ở mục tiêu

Ss là mật độ công suất tán xạ cách mục tiêu khoảng

cách r

TẦN SỐ LẶP LẠI CỦA XUNG (PULSE REPETITION

FREQUENCY)

Pulse_bw

prt

Tần số lặp lại của xung ( Pulse Repetition

Frequency PRF) là số xung radar phát ra

trong một giây PRT (Pulse Repetition

Time ) là thời gian phát giữa hai xung

PRF xác định phạm vi mục tiêu “rõ ràng (unambiguous)” Để phạm vi mục tiêu là “rõ ràng unambigous”, PRT radar phải lớn hơn thời gian cần thiết để một xung truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và quay trở lại Nếu PRT nhỏ hơn thời gian một xung

truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và quay trở lại thì tín hiệu trở về không được thu

do lúc đó radar đã phát xung kế tiếp.

Trong đó v là vân tốc truyền sóng

ĐỘ PHÂN GIẢI TẦM XA ( RANGE RESOLUTION)

Khả năng của một hệ thống radar phân biệt giữa hai hay nhiều mục tiêu cùng phương hướng nhưng ở vị trí khác nhau

Vd:Giả sử mục tiêu A và B ở gần nhau, khi phần tử đầu tiên từ B phản xạ về đến A mà phần tử cuối cùng phản xạ từ A chưa rời khỏi A thì sóng phản xạ của 2 mục tiêu sẽ nối tiếp nhau về anten gây nên 1 vệt sáng của cả 2 mục tiêu trên màn chỉ báo, vì vậy không phân biệt được ảnh của 2 mục tiêu này.

Phụ thuộc:

 Chiều rộng của xung phát,

 Loại hay kích thước mục tiêu,

 Hiệu suất bộ nhận

Độ rộng xung là yếu tố chính trong độ phân giải tầm xa Một hệ thống radar được thiết

kế tốt, với tất cả các yếu tố đều đạt hiệu suất tối đa, có thể phân biệt các mục tiêu riêng biệt với một nửa độ rộng xung τ Do vậy, độ phân giải tầm xa có thể được tính theo công thức:

TẦM XA CỰC ĐẠI (MAX RANGE)

Khoảng cách d giữa mục tiêu và radar sao cho thời gian phát từ xung thứ nhất đến khi nhận lại xung phản xạ nhỏ hơn thời gian phát liên tiếp giữa

2 xung

Max range = ½*vận tốc truyền sóng*(thời gian lặp lại xung)

NOISE POWER THRESHOLD

Trong điều kiện bộ phát hiện là noncoherent, và nhiễu Gauss, trắng thì giá trị ngưỡng có thể được tính theo công thức (1)

Trong đó σ là phương sai của nhiễu Gauss, trắng

𝛾 là hàm gamma

PULSE INTEGRATOR (TÍCH HỢP XUNG)

Tích hợp xung là một kỹ thuật cải tiến để tăng khả năng phát hiện bằng cách sử dụng nhiều xung truyền

Matched Filter

(IF-Amp)

Coherent Integrator

Amplitude Detector  

Threshold Devide detect

no detect

Matched Filter

(IF-Amp)

Amplitude Detector

Noncoherent Intergrator

Threshold Devide

detect

no detect

y = pulsint(x);

PULSE INTEGRATOR (TÍCH HỢP XUNG)

RADAR RANGE EQUATION

Mật độ công suất đẳng hướng giảm dần

theo khoảng cách

Trong đó PS : công suất phát [W]

Su : mật độ công suất đẳng hướng.

R1 : khoảng cách anten-mục tiêu [m]

 ( W/m2)  

Mật độ công suất trên bề mặt mặt cầu tỉ lệ nghịch với bình phương bán kính R của mặt cầu

Vì thế ta có phương trình tính Mật độ công suất đẳng hướng Su.

RADAR RANGE EQUATION

Nếu công suất phát đi theo một hướng nhất định nào đó, thì mật độ theo hướng đó lớn hơn mật độ công suất đẳng hướng Đặc trưng cho tính chất này chính là độ lợi của anten Theo định nghĩa, mật độ công suất định hướng là:

Sg = Su G

Trong đó, G : độ lợi anten

Sg : mật độ công suất định hướng

Trong đó Pr : công suất phản xạ [W]

σ : radar cross section [m2]

Vì tín hiệu phản hồi trong cùng điều kiện với bộ phát nên mật độ công suất ở bộ thu cũng được cho bởi:

𝑆 𝑒= 𝑃 𝑟

4 𝜋 𝑅22

Công suất thu được PE: PE = Se AW

RADAR RANGE EQUATION

Mặt khác, độ lợi của anten có thể tính theo công thức

Từ đó suy ra

Suy ra

Công suất nhỏ nhất mà bộ thu nhận được là PEmin tương ứng khoảng cách Rmax

Trong các xem xét trên, sóng điện từ lan trong môi trường lý tưởng Nhưng thực tế một hệ số suy hao có thể được xem xét do ảnh hưởng của điều kiện truyền

Hệ số tổn hao này bao gồm:

• LD : hệ số tổn thất bên trong radar do việc thiết lập đường truyền phát và thu.

• Lf: mất mát trong quá trình phản xạ

• Latm : Mất mát trong quá trình truyền sóng.

• Mất mát trong quá trình truyền sóng và phản xạ ở bề mặt Trái Đất (2) là các hiện tượng có ảnh hưởng lâu dài.

RADAR RANGE EQUATION

BỘ MATCH FILTER

Để xác định công suất nhiễu ngõ ra, xem xét trong trường hợp này interference là nhiễu trắng  với mật độ phổ công suất là N0/2 Watts/Hertz. Mật độ phổ công suất ngõ ra là (N0/2)|H(Ω)|)| 2  .  Khi đó công suất ngõ ra:

Và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở thời điểm TM là:

Từ phương trình trên ta thấy tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR phụ thuộc vào đáp ứng tần

số của bộ thu Lựa chọn H(Ω) = H(Ω) ) để SNR đạt giá trị lớn nhất có thể đạt được thông qua bất đẳng thức Schwarz

Dấu “ = ” xảy ra khi B(Ω) = H(Ω) ) = α.A * ( Ω) = H(Ω) ), trong đó α là một hằng số bất kì

BỘ MATCH FILTER

Giả sử tín hiệu x’(t) bao gồm cả mục tiêu và nhiễu ngõ ra của bộ match filter :

Ta thấy tín hiệu output thể hiện tương quan chéo giữa tín hiệu mục tiêu cộng nhiễu x’(t) và tín hiệu truyền đi x(t)

Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ Phased Array System Toolbox

PAST của Matlab

Phased Array System Toolbox

PAST cung cấp các thuật toán và các công cụ cho việc thiết kế, mô phỏng và phân tích hệ thống xử lý tín hiệu dãy đã định pha

Toolbox bao gồm cấc thuật toán để tạo dạng sóng, beamforming, ước lượng hướng đến, phát hiện mục tiêu, và khả năng xử lý thích nghi theo không-thời gian

Với toolbox này, chúng ta có thể thiết kế hệ thống monostatic,

bistatic, và multistatic với nhiều dạng khác nhau Có thể mô hình ở dạng tĩnh hay động

Phased Array Design and Analysis

Waveform Design and Analysis

Transmitter and Receiver Modeling

Target and Environment Modeling

Spatial Signal Processing

Temporal Signal Processing

Space-Time Adaptive Processing

Phased Array System Toolbox

Thiết kế một monostatic pulse radar để ước tính vị trí mục tiêu

trong khoảng xác định

Thiết kế hệ thống pulse radar là để phát hiện mục tiêu không

dao động có:

Radar cross section 1m2

Khoảng cách từ radar đến mục tiêu 5000m

Độ phân giải tầm xa là 50m

Xác suất phát hiện 0.9

Xác suất báo động sai nhỏ hơn 10-6

Tiêu chuẩn thiết kế

pd = 0.9; % Probability of detection

pfa = 1e-6; % Probability of false alarm

max_range = 5000; % Maximum unambiguous range

range_res = 50; % Required range resolution

tgt_rcs = 1; % Required target radar cross section

Các thông số cần thiết kế

Dạng sóng : Xung chữ nhật

prop_speed = physconst('LightSpeed'); % Propagation speed

pulse_bw = prop_speed/(2*range_res); % Pulse bandwidth

pulse_width = 1/pulse_bw; % Pulse width

prf = prop_speed/(2*max_range); % Pulse repetition frequency

fs = 2*pulse_bw; % Sampling rate

hwav = phased.RectangularWaveform( 'PulseWidth',1/pulse_bw, 'PRF',prf, 'SampleRate',fs);

Đặc tính nhiễu ở bộ thu

Giả sử ở bộ thu chỉ có nhiễu nhiệt, băng thông nhiễu được thiết lập giống băng thông tín hiệu, bộ thu có độ lợi là 20dB và hệ số nhiễu 0dB

rocsnr(snr_db,'SignalType','NonfluctuatingNoncoherent');

Vẽ đường cong với Pd là hàm của Pfa khi SNR thay đổi

Nếu chúng ta chọn để tích hợp 10 xung, đường cong có thể được vẽ

Công suất nhiễu ở bộ thu được tính:

, trong đó τ là khoảng duration của xung, trong đó k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ nhiễu

Kết quả : peak_power = 5.2265e+03

Phát và thu tín hiệu

Thiết lập anten

hant = phased.IsotropicAntennaElement( 'FrequencyRange',[5e9 15e9]);

htarget{3} = phased.RadarTarget( 'MeanRCS',1.05, 'OperatingFrequency',fc); htargetplatform{3} = phased.Platform( 'InitialPosition',[3845.04; 0; 0]);

Môi trường truyền

htargetchannel{1} = phased.FreeSpace( 'SampleRate',fs,

'TwoWayPropagation',true,

'OperatingFrequency',fc);

htargetchannel{2} = phased.FreeSpace( 'SampleRate',fs,

'TwoWayPropagation',true,

'OperatingFrequency',fc);

htargetchannel{3} = phased.FreeSpace( 'SampleRate',fs,

'TwoWayPropagation',true,

'OperatingFrequency',fc);

x = step(hwav); % Generate pulse

[s, tx_status] = step(htx,x); % Transmit pulse

for n = 3:-1:1 % For each target

tgt_pos(:,n) = step(

htargetplatform{n},1/prf); % Update target position

[tgt_rng(n), tgt_ang(:,n)] = rangeangle(

tgt_pos(:,n), ant_pos); % Calculate range/angle

tsig(:,n) = step(hradiator, % Radiate toward target

s,tgt_ang(:,n));

tsig(:,n) = step(htargetchannel{n},

tsig(:,n),ant_pos,tgt_pos(:,n)); % Propagate pulse

rsig(:,n) = step(htarget{n},tsig(:,n)); % Reflect off target

end

rsig = step(hcollector,rsig,tgt_ang); % Collect all echoes

rx_pulses(:,m) = step(hrx, % Receive signal and form rsig,~(tx_status>0)); % data matrix

end

Kết quả

num_pulse_plot = 2;

rangedemoplotpulse(rx_pulses,threshold,

fast_time_grid,slow_time_grid,num_pulse_plot);

Công suất thu được sau khi qua bộ Match filter

Độ lợi thay đổi theo thời gian

fast_time_grid,slow_time_grid,num_pulse_plot);

Noncoherent Integration

rx_pulses = pulsint(rx_pulses,'noncoherent');

rangedemoplotpulse(rx_pulses,threshold, fast_time_grid,slow_time_grid,1);

Kết quả

CẢM ƠN CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE