Xử lý tín hiệu mimo rada bằng phương pháp lấy mẫu nén

16 Hình 1.2 Hệ thống cảnh báo sớm vũ khí đạn đạo hoạt động ở t n số 245MHz Các radar vòng ngoài có c ly hoạt động lớn thư ng là nh ng radar mảng pha bởi bước sóng của t n số thấp rất dà

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR 13

1.1 Giới thiệu 13

1.2 Các hệ thống radar 13

1.3 Sơ đồ nguyên lý của radar 17

1.4 độ phân giải về khoảng cách 20

1.5 Doppler 21

1.6 Phương trình radar 26

1.7 Dạng tính hiệu của radar 31

1.8 Tính băng thông, công suất phát trung bình của radar xung 36

1.8.1 Băng thông của radar xung 36

1.8.2 Công suất phát trung bình 36

1.9 Hệ thống radar quản lý FIR band L, S 37

1.9.1 Các khái niệm 37

1.9.1.1 Khái niệm radar sơ cấp (PSR-Primary Surveillance Radar) 37

2

1.9.1.2 Khái niệm radar thứ cấp (SSR-Secondary Survaillance Radar) 38

1.9.2 Radar sơ cấp ATCR-33S 40

1.9.3 Radar thứ cấp SIR – M 43

1.9.3.1 Nguyên lí làm việc 45

1.9.3.2 Các thông số kỹ thuật của radar thứ cấp SIR-M 47

1.10 Các hệ thống radar khác 51

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT LẤY MẪU NÉN TRONG RADAR 52

2.1 Chuẩn bị toán học 52

2.1.1 Vec-tơ và ma trận 52

2.1.2 Phép biến đổi Fourier 54

2.1.3 Một số hàm đặc biệt 56

2.1.4 Lý thuyết xác suất 58

2.1.5 Ký hiệu Landau 60

2.1.6 Giới thiệu về Compressed Sensing 60

2.1.7 Kỹ thuật Compressive sensing 63

2.1.8 Tính thưa và biểu diễn tín hiệu 63

2.1.9Ma trận đo(Measurement matrix) 68

2.1.10Điều kiện khôi phục lại tín hiệu trong Compressive sensing 70

2.1.10.1 Restricted isometric Property (RIP) 70

2.1.10.2 Incoherence (Điều kiện độc lập) 71

2.1.10.3Phương pháp khôi phục tín hiệu 72

2.1.11 Thuật toán khôi phục l1 minimization 72

2.1.12 Thuật toán khôi phục Orthogonal Matching Pursuit 76

2.2 Kỹ thuật nén xung trong Radar 79

3

2.2.1 Nguy n t c chung về n n xung 82

2.2.2 Nh ng nh n tố tác động đến s l a ch n hệ thống n n xung 83

2.3 Các dạng nén xung( các dạng sóng được mã hóa) 84

2.3.1N n xung điều t n tuyến tính ( Linear M) 84

2.3.2 N n xung điều t n phi tuyến ( Nonliear M ) 87

2.3.3 N n xung m pha ( Phase-coded waveforms ) 88

2.3.3.1M pha nh ph n ( Binary phase-coded) 88

2.3.3.2 M Baker ( Baker codes ) 90

2.3.3.3 hu i m c độ dài c c đại (Maximal-length sequences) 91

2.3.3.4M đa pha ( Polyphasse codes ) 93

2.3.4 ạng s ng m hoá theo t n số th i gian (Time-frequency-coded waveforms) 94

2.4 Một số phương thức nén xung 95

2.4.1 N n xung số ( igital pulse compression) 95

2.4.1.1Bộ phát xung số 95

2.4.1.2 Bộ l c số 97

1 Bộ l c thích ứng số x dụng bộ x lí tương quan 97

2 Bộ l c thích ứng số x dụng bộ x lí trư t 98

2.4.2N n xung s ng bề mặt (Surface-wave pulse compression ) 98

2.5 Bộ lọc và bộ xử lí tương quan số 100

2.5.1 iới thiệu bộ l c sốc đápứng xung c chiều dài h u hạn ( IR) 100

2.5.1.1Đ nh ngh a bộ l c số 100

2.5.1.2Bộ l c sốc đápứng xung c chiều dài h u hạn IR( inite Impulse Response) 100

2.5.1.3 Bộ x lí tương quan số 101

4

1.Đ nh ngh a 101

2.Bộ tương quan số với hệ số tham chiếu cốđ nh 101

3.Bộ tương quan số c hệ số tham chiếu thay đổi 104

2.5.2 Nén xung trong radar atcr 33s-dpc 104

2.5.2.1 iới thiệu 104

2.5.2.2 Bộ phát số 105

2.5.2.3 Nguy n t c n n xung số 106

2.5.2.4 oạt động n n xung số 108

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG KỸ THUẬT NÉN XUNG 113

3.1 Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại 113

3.2 Tạo dạng sóng và giải pháp phát mã xen kẽ 116

3.3 Kỹ thuật nén xung tín hiệu điều chế BPSK mã Barker xen kẽ mã M 121

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nén xung 129

3.5 Sự ảnh hưởng của biên độ tín hiệu 132

3.6 Độ trễ của các mắt trễ trong khâu lọc nén 134

KẾT LUẬN 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống radar dưới đư ng chân tr i 5-28MHz 15

Hình 1.2 Hệ thống cảnh báo sớm vũ khí đạn đạo hoạt động ở t n số 245MHz 16

Hình 1.3 Radar band S trên máy bay E2-C 17

ình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của radar xung 17

Hình 1.5 Chu i xung phát và thu 18

Hình 1.6 S nhập nhằng về khoảng cách 19

ình 1.7 Độ phân giải mục tiêu 21

Hình 1.8 Hiệu ứng của mục tiêu di chuyển đối với sóng vô tuyến 22

Hình 1.9Minh h a ảnh hưởng của vận tốc mục ti u đối với 1 xung 23

Hình 1.10Minh h a hiệu ứng của mục tiêu di chuyển đối với radar xung Ở đ y LE Leading Edge là sư ng xung trước,và TE Trailing Edge là xung sư n sau 24

hình 1.11Phổ của tín hiệu do hiệu ứng doppler gây ra 25

Hình 1.12Mục tiêu 1 có hiệu ứng doppler bằng 0 Mục tiêu 2 tạo ra hiệu ứng doppler lớn nhất Mục tiêu 3 nằm gi a 2 trư ng h p 26

Hình 1.13 Giá tr vận tốc của mục tiêu tỉ lệ với góc ngẩng và g c phương v 26

Hình 1.14Phổ của tín hiệu dạng sin 32

Hình 1.15Phổ của một xung đơn 33

Hình1.16Phổ biên của chu i xung vô hạn 34

Hình 1.17Phổ bi n độ của chu i xung h u hạn 35

Hình 1.18Hệ thống anten giám sát sơ cấp và thứ cấp PSR/MSSR tại sân bay quốc tế Nội Bài là thiết b thuộc h AMS G-33I 40

Hình 1.19: Hệ thống thiết b của radar ATCR-33S 41

Hình 1.20 Khối phát (trái) và thu (phải) của radar ATCR-33S 42

ình 1.21 Sơ đồ khối phát của radar sơ cấp ATCR-33S 43

ình 1.22 Sơ đồ khối tổng quan hệ Transponder đặt trên máy bay 44

ình 1.23 Sơ đồ khối tổng quát trạm radar dưới đất 45

Hình 2.2 Lấy mẫu s dụng Compressive sensing 68

ình 2.3 Phương pháp đo ompressive sensing 69

6

Hình 2.4 Khôi phục lại tín hiệu thưa bằng phương pháp lặp lại l1 tr ng số hóa 76

hình 2.5 Xung chưa n n (a) và xung n n (b) sau khi qua bộ l c n n xung (trư ng h p lí tưởng không c nhiễu và suy hao) 81

ình 2.6 Xung chưa n n (a) và xung n n (b) sau khi qua bộ l c n n xung (trư ng h p c nhiễu và suy hao) 82

ình 2.7 So sánh năng lư ng của xung ng n(đ n n) và xung dài 82

ình 2.8Sơ đồ khối một radar n n xung M 85

ình 2.9 N n xung M tuyến tính 86

ình 2.10Đ u ra bộ l c n n xung 86

ình 2.11 ạng s ng điều t n không tuyến tính 88

ình 2.12 M pha nh ph n 89

ình 2.13 N n xung số cho tín hiệu m pha 89

ình 2.14 M Baker với chiều dài là 7 91

ình 2.15 Bộ giải m pha nh ph n cho n n xung s dụng d y trễ 91

ình 2.16 Bộ phát m các thanh ghi d ch gồm N t ng 92

ình 2.17 Bộ phát m ghi d ch gồm 7 t ng 92

ình 2.18 ạng s ng m hoá theo th i gian t n số 94

ình 2.19 Phát s ng số 95

ình 2.20 Bộ l c số s dụng bộ x lí tương quan 97

ình 2.21 Bộ l c số x dụng bộ x lí trư t 98

ình 2.22Một dạng chuyển đổi S W ( khoảng cách các răng lư c càng về sau càng g n nhau) 99

ình 2.23 ấu tạo bộ x lí tương quan số với hệ số tham chiếu cốđ nh 102

ình 2.24 Bộ tương quan số với hệ số thay đổi 104

ình 2.25 Phương thức hoạt động bộ l c n n xung 107

Hình 3.1 Mã Barker 13 bít 117

Hình 3.2 Mô hình khối tạo mã Barker và mã M phát xen kẽ 118

Hình 3.4 Mô hình điều chế BPSK 120

Hình 3.5 Điều chế khóa d ch pha nh phân BPSK cho chu i mã 121

7

ình 3.6 àm tương quan ch o của dãy x(n), y(n) 124

Hình 3.7 Hàm t tương quan của dãy x(n), y(n) 124

Hình 3.9 Mô phỏng quá trình nén xung tín hiệu mã xen kẽ 126

Hình 3.10 Mạch nén xung cho 2 loại mã 127

Hình 3.11 Kết quả của việc nén xung (khi mức nhiễu thấp) 128

Hình 3.12 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp 129

Hình 3.13 Chu i mã Barker 7 và tín hiệu BPSK mã xen kẽ tương ứng 130

Hình 3.14 Chu i mã Barker 7 , nén xung mức nhiễu thấp 0,00005 130

Hình 3.15 Chu i mã Barker 7 , nén xung mức nhiễu thấp 0,1 130

Hình 3.16 Chu i mã Barker 7 , nén xung mức nhiễu thấp 0,5 131

Hình 3.17 Chu i mã Barker 7 , nén xung mức nhiễu thấp 0,7 132

ình 3.18 Bi n độ tín hiệu sin đưa vào tăng gấp 3 l n, công suất nhiễu thấp 0,00005 132

Hình 3.19 Bi n độ tín hiệu sin đưa vào tăng gấp 7 l n, công suất nhiễu thấp 0,00005 133

ình 3.20 Bi n độ tín hiệu sin đưa vào tăng gấp 10 l n, công suất nhiễu thấp 0,00005 133

ình 3.21 Bi n độ tín hiệu sin đưa vào tăng gấp 10 l n, công suất nhiễu lớn 0, 5 134 Hình 3.22 Mô hình hệ thống tạo và l c nén tín hiệu cấu trúc mã Barker_7 135

ình 3.23 Đ u ra khối l c n n m Barker 7 bít khi tăng độ trễ trong m i m t l c của cả 12 m t l c lên 2 l n 135

8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 0.1 ác băng t n của radar hàng không 14

Bảng 0.2 Các tham số kỹ thuật của radar thứ cấp SIR-M 50

Bảng 0.3 Các chu i mã Barker 117

Bảng 0.4 Quá trình t tương quan của mã Barker 125

9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AM Amplitude modulation Điều chế bi n độ

ATC Air Traffic Control Điều khiển không lưu ASR Airport Surveillance Radar Radar giám sát vòng

ngoài sân bay BMEW

S

Ballistic Missile Early Warning

System

Radar cảnh báo sớm vũ khí đạn đạo

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã

CWFM Continuous Wave Frequency

Modulation

Sóng mang liên tục điều

t n DANL Displayed Average Noise Level Nhiễu nền

DME Distance Measuring Equipment Phương tiện đo c ly EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất phát xạ đẳng

hướng tương đương ESD Energy Spectral Density Mật độ phổ năng lư ng EWR Early Warning Radar Radar cảnh báo sớm

FIR Flight Information Region Vùng thông báo bay

PRF Pulse Repetition Frequency T n số lặp lại xung

10

PSD Power Spectral Density Hàm mật độ phổ công

suất PSR Primary Surveillance Radar Radar sơ cấp

SMR Surface Movement Radar Radar giám sát di chuyển

bề mặt

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SSR Secondary Survaillance Radar Radar thứ cấp

TOI Third Order Intercept point Điểm nén bậc 3

VOR VHF Ommidirectional radio Range Phương tiện đ nh hướng

11

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nh ng năm g n đ y , s phát triển nhảy v t của khoa h c kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật điện t - tin h c đ làm thay đổi về cơ bản nội dung cũng như chất lư ng của các thiết b điện t Công nghệ chế tạo linh kiện điện t đ cho phép chjế tạo đư c các IC tổ h p lớn và nh ng dạng tín hiệu phức tạp cũng

b t đ u đư c ứng dụng rộng rãi trong tất cả các l nh v c vô tuyến viễn thông, radar , điều khiển , vv Tín hiệu phức tạp đ đáp ứng đư c các yêu c u rất cao

về tính năng kỹ, chiến thuật c n có của một hệ thống đ nh v vô tuyến hiện đại Trong các hệ đ nh v vô tuyến hiện đai, các tín hiệu dải rộng đang đư c ứng dụng rộng r i, đ là các tín hiệu c điều chế s ng mang trong xung như tín hiệu điều t n, tín hiệu ma – nip t n số , tín hiệu ma -níp pha Việc điều chế tín hiệu dải rộng cho ph p làm tăng độ rộng của xung phát thăm dò, làm tăng công suất trung bình của tín hiệu phát ra và do đ làm tăng khả năng phát hiện mục tiêu theo c li Đối với hệ đ nh v vô tuyến n i chung và ra đa n i ri ng,

để đảm bảo độ phân giải khi thu tín hiệu dải rộng c n thiết phải th c hiện bài toán nén tín hiệu xung rộng Ngoài ra khi th c hiện nén tín hiệu xung rộng, tỷ

số tín hiệu trên tạp m đư c nâng cao nh l a ch n m điều chế thích h p

Để tìm hiểu về kỹ thuật x lý tín hiệu Mimo radar bằng phương pháp lấy mẫu nén, trong khuân khổ luận văn em xin trình bày ba vấn đề chính:

hương 1 : Trình bày khái quát chung về Rada

hương 2 : Trình bày kỹ thuật lấy mẫu nén trong radar

hương 3 : Trinh bày mô phỏng kỹ thuật nén xung trong radar

o đề tài là một l nh v c mới, bản than kiến thức còn nhiều hạn chế n n đề tài khó tránh khỏi nhiều thiếu sót,em mong nhận đư c s góp ý và chỉ bảo của

Hà Nội,đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đ nhiệt tình giúp đỡ em

trong quá trình xác đ nh,tìm hiểu và th c hiện đề tài.Em cũng xin g i l i cảm

ơn tới PGS.TS Nguyễn Thúy Anh đ cung cấp thêm cho em kiến thức và giúp

em giải đáp nh ng th c m c, đưa ra l i khuy n g p ý cho đề tài của em

Em xin chân thành cảm ơn!

1.2 Các hệ thống radar

Radar có thể đư c chia làm các loại như radar dò tìm trong lòng đất, radar vũ trụ, radar hàng không, radar tàu thủy húng cũng c thể đư c phân loại d a vào một số đặc điểm đặc biệt của radar như băng t n hoạt động, loại anten và dạng sóng s dụng Một số cách phân loại khác lại d a trên nhiệm vụ hoặc chức năng s dụng của radar bao gồm radar th i tiết, radar bám, bám trong khi qu t, điều khiển hỏa l c, cảnh báo sớm, radar quan sát đ a hình, radar mảng pha (hay còn g i là đa mode) Tuy nhiên, cách phân loại phổ biến nhất thư ng d a trên dạng s ng điện từ mà chúng s dụng hoặc t n số hoạt động Xét tới dạng s ng điện từ s dụng thì radar có thể phân loại thành radar sóng liên tục CW(Continuous Wave); Radar CWFM và radar xung PR (Pulsed Radars) Radar liên tục là loại bức xạ năng lư ng điện từ một cách liên tục

và s dụng cùng một anten phát và thu Radar phát tín hiệu W không điều chế có thể đo đư c vận tốc của mục tiêu d a trên hiệu ứng d ch t n Dopplervà

g c phương v d a trên búp sóng của anten tuy nhiên, sẽ không thể đo đư c khoảng cách của mục tiêu nếu không s dụng một loại điều chế nào đ

14

Radar FMCW cũng là một loại radar tương t tuy nhiên có s dụng điều chế

FM, nh có tín hiệu điều chế mà radar FMCW có khả năng đo đư c cả vận tốc, c ly và g c phương v

Radar xung s dụng một chu i xung (c điều chế) Đối với loại này lại có thể phân loại theo t n số lặp lại xung và chia làm 3 loại: t n số lặp lại (PRF) thấp, trung bình và cao Radar PRF thấp thư ng s dụng để đo khoảng cách tới mục ti u trong khi radar PR cao thư ng s dụng để đo vận tốc của mục tiêu

Cả radar liên tục và radar xung đều có thể s dụng để đo cả 2 tham số là khoảng cách và vận tốc nếu s dụng nh ng kỹ thuật điều chế khác nhau Trong band L, S, X hiện nay chủ yếu s dụng radar xung, vì vậy trong ph n tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn về radar xung

15

Xét về t n số hoạt động thì radar có thể đư c phân loại thành các băng như bảng 0.1 Nh ng radar HF s dụng s ng điện từ có khả năng phản xạ bởi t ng điện li nên có thể phát hiện ra đư c cả nh ng mục tiêu nằm dưới đư ng chân

tr i Ví dụ như hệ thống radar United States Over Horizon Backscatter hoạt động ở băng t n từ 5 – 28MHz và hệ thống Woodpecker của Nga Các radar hoạt động ở băng t n V và U thư ng s dụng cho nh ng radar t m xa như radar cảnh báo sớm (EWR) Hình 1.1 là radar cảnh báo sớm vũ khí đạn đạo (BMEWS) dò tìm và bám mục tiêu ở t n số 245MHz

Hình 1.1 Hệ thống radar dưới đư ng chân tr i 5-28MHz

16

Hình 1.2 Hệ thống cảnh báo sớm vũ khí đạn đạo hoạt động ở t n số 245MHz

Các radar vòng ngoài có c ly hoạt động lớn thư ng là nh ng radar mảng pha bởi bước sóng của t n số thấp rất dài và yêu c u độ nhạy thu ở một khoảng cách lớn nên nh ng hệ thống radar này c n c độ mở hiệu dụng lớn

Các radar ở band L thư ng là nh ng hệ thống đặt trên mặt đất và trên tàu biển thư ng đư c s dụng cho điều khiển các hoạt động không lưu (aTC) và các radar quân s t m xa band S thư ng đư c s dụng cho các radar t m trung, ví

dụ như Radar giám sát vòng ngoài s n bay ( SR) s dụng cho điều khiển đư ng bay và các hệ thống radar mảng pha trên tàu khu trục Radar cảnh báo sớm và điều khiển hệ thống trên E2-C của Mỹ cũng s dụng radar band S

17

Hình 1.3 Radar band S trên máy bay E2-C

Band X thư ng s dụng cho các hệ thống mà kích thước vật lý anten radar b giới hạn như các anten đa mode l p tr n máy bay ác băng t n cao hơn (Ku,

K, Ka) thư ng có chất lư ng k m hơn cho b suy hao bởi khí quyển vì vậy băng t n này thư ng s dụng cho các radar t m ng n

1.3 Sơ đồ nguyên lý của radar

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của radar xung

18

Hình 1.4 là sơ đồ khối của một radar xung đơn giản Bộ điều khiển th i gian tạo ra tín hiệu đồng bộ th i gian cho toàn bộ hệ thống Bộ điều chế tín hiệu tạo và g i tín hiệu tới anten S chuyển mạch gi a bộ thu và bộ phát đối với anten đư c th c hiện bằng bộ duplexer Bộ duplexer cho phép một anten có thể s dụng vừa để phát và thu tín hiệu Khi phát, bộ phát g i tín hiệu qua bộ duplexer tới anten và khi thu, tín hiệu phản xạ từ mục tiêu qua bộ duplexer

đư c g i tới bộ thu Bộ thu khuếch đại tín hiệu thu đư c từ mục tiêu và chuẩn hóa tín hiệu sau đ g i tới bộ x lý tín hiệu Quá trình thu thập các thông tin của mục ti u đư c th c hiện bởi khối x lý tín hiệu Vì s ng điện từ di chuyển bằng tốc độ ánh sáng, m/s nên khoảng cách của mục tiêu,

R, Đư c tính theo th i gian trễ, ∆tbởi công thức:

Ở đ y R đo bằng mét và đo bằng giây

Nhìn chung, một radar xung sẽ phát và thu một chu i các xung như đư c minh h a ở Hình 1.5.Khoảng cách gi a các xung là T, và độ rộng xung là τ

Khoảng cách gi a các xung thư ng đư c g i là th i gian thu nhận xung (PRi)

và ngh ch đảo của nó là t n số lặp lại xung PRF và đư c ký hiệu bởi ,

Hình 1.5 Chu i xung phát và thu

19

Trong m i chu kỳ xung radar bức xạ năng lư ng chỉ trong τ gi y và l ng nghe tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trong khoảng th i gian còn lại Hệ số làm việc trong một chu kỳ xung đư c đ nh ngh a bằng tỉ số τ ⁄ và do đ công suất phát trung bình đư c tính như sau:

Ở đ y là công suất phát đỉnh năng lư ng xung τ

Khoảng cách tương ứng với th i gian trễ T g i là khoảng nhập nhằng

(ambiguous) Xem hình minh h a 0.6 dưới đ y:

Hình 1.6 S nhập nhằng về khoảng cách

Khi thu đư c 2 xung là echo1 và echo2, ta có và

Rõ ràng, khoảng nhập nhằng này có liên quan tới xung echo2 Vì vậy, một xung radar truyền đi phải đ i một th i gian đủ dài để thu tín hiệu phản xạ từ mục ti u trước khi phát đi xung tiếp theo Kết quả là khoảng không nhập nhằng c c đại đư c xác đ nh bằng một n a chu kỳ xung,

vụ của radar Còn khi muốn tăng vùng phục vụ của radar thì lại làm giảm vùng không nhập nhằng S thuận ngh ch trong các tham số kỹ thuật luôn là vấn đề hóc búa, ở ph n tiếp theo chúng ta còn gặp lại tính chất này

1.4 độ phân giải về khoảng cách

Độ phân giải khoảng cách đư c ký hiệu là ∆R, là một tham số radar cho biết

khả năng phát hiện ra 2 mục tiêu riêng biệt mà 2 mục tiêu này có khoảng cách tương đối g n nhau Các hệ thống radar thư ng đư c thiết kế để hoạt động

gi a khoảng cách và Khoảng cách gi a và chia cho

21

Hình 1.7 Độ phân giải mục tiêu

Các mục tiêu nằm trong cùng khoảng cách có thể đư c phân biệt theo góc phương v bằng cách s dụng các kỹ thuật x lý tín hiệu

Xem xét 2 mục tiêu nằm ở các khoảng cách và , tương ứng với th i gian trễ và Kí hiệu sai khác gi a 2 khoảng cách là thì:

Bây gi chúng ta sẽ xem xét làm thế nào để tham số đạt giá tr nhỏ nhất

thông thư ng, ngư i s dụng và nhà thiết kế luôn muốn nhỏ nhất để nâng cao tính năng của radar Theo phương trình (1.5), sai số khoảng cách nhỏ thì

độ rộng xung càng nhỏ càng tốt Tuy nhi n, điều này sẽ làm giảm công suất phát trung bình và tăng băng thông hoạt động Để đạt đư c độ phân giải mong muốn trong khi vẫn gi đư c công suất phát trung bình c n s dụng các kỹ thuật nén xung

1.5 Doppler

Radar s dụng t n số doppler để đo vận tốc của mục tiêu trạm có khả

22

năngphân biệt gi a mục ti u di động và mục ti u đứng yên Hiện tư ng doppler là hiện tư ng t n số phản xạ b lệch khỏi t n số trung tâm khi gi a nguồn phát và vật phản xạ có s di chuyển tương đối Phụ thuộc vào hướng chuyển động mà t n số phản xạ có thể lớn hơn hay nhỏ hơn t n số tới Mục

ti u đang tới g n sẽ c bước sóng nhỏ hơn và ngư c lại

Hình 1.8 Hiệu ứng của mục tiêu di chuyển đối với sóng vô tuyến

G i độ rộng xung là τ khi mục tiêu di chuyển lại g n radar với vận tốc v như Hình 1.8, d là qu ng đư ng mục tiêu di chuyển trong khoảng th i gian

Ở đ y bằng khoảng th i gian gi a sư n xung đ u đập vào mục tiêu và

sư n tiếp theo đập vào mục tiêu Vì xung di chuyển với vận tốc ánh sáng và

sư n cuối của xung di chuyển qu ng đư ng nên,

Ở đ y, trong khoảng th i gian gi y sư n đ u của xung di chuyển theo

hướng radar một qu ng đư ng s,

Hình 1.9Minh h a ảnh hưởng của vận tốc mục ti u đối với 1 xung

Vì vậy, độ rộng xung phản xạ bây gi là hay là L mét,

24

Để xem x t phương trình cho t n số doppler xem minh h a trong hình 1.10

Sư n trước của xung 2 mất gi y để di chuyển qu ng đư ng ( ⁄ để đập vào mục ti u ùng lúc đ , sư n đ u của xung 1 di chuyển đư c quãng

đư ng tương đương hính xác hơn là

Hình 1.10 Minh h a hiệu ứng của mục tiêu di chuyển đối với radar xung Ở đ y LE Leading Edge là sư ng xung trước,và TE Trailing Edge là xung sư n sau

radar một vận tốc v, tuy nhiên, trong th c tế mục tiêu có thể chuyển động với

vector vận tốc c phương bất kỳ, do đ , t n số doppler phụ thuộc vào thành

ph n vận tốc hướng về radar Hình 1.12 minh h a 3 trư ng h p khác nhau của vector vận tốc đối với radar Mục tiêu số 1 có t n số doppler bằng 0, mục tiêu

số 2 có t n số doppler lớn nhất đư c đ nh ngh a như trong phương trình (1.17)

và t n số doppler của mục tiêu số 3 , ở đ y thành ph n

là vận tốc tương đối đối với radar và là góc gi a đư ng thẳng nối radar –

26

mục ti u và phương của vector vận tốc mục tiêu

Hình 1.12Mục tiêu 1 có hiệu ứng doppler bằng 0 Mục tiêu 2 tạo ra hiệu ứng

doppler lớn nhất Mục tiêu 3 nằm gi a 2 trư ng h p

Vì vậy, phương trình tổng quát cho như sau:

Ở đ y là công suất phát đỉnh và là diện tích mặt c u bán kính R Các

hệ thống radar thư ng s dụng các anten c hướng để tăng mật độ công suất theo một hướng xác đ nh nào đ Nh ng anten c hướng thư ng có đặc điểm

là có hệ số tăng ích G và độ mở hiệu dụng Chúng có mối liên hệ sau:

là hiệu suất góc mở Trong th c tế thư ng ch n

Mật độ công suất ở khoảng cách R so với radar s dụng anten c tăng ích G

là:

Khi radar bức xạ năng lư ng đập vào mục tiêu, sóng phản xạ từ mục tiêu sẽ

28

bức xạ năng lư ng điện từ đi m i hướng Ph n năng lư ng phản xạ này tỉ lệ với kích thước mục ti u, hướng, hình dạng vật lý, vật liệu, và nh ng đặc điểm hình h c khác của mục ti u Và để đặc trưng cho tính chất này, ta có tham số diện tích phản xạ hiệu dụng ký hiệu là

Diện tích phản xạ hiệu dụng đư c đ nh ngh a là tỉ số của năng lư ng phản xạ tới radar chia cho năng lư ng b n vào mục tiêu,

Ở đ y là công suất phản xạ từ mục tiêu Vì vậy, công suất đ u vào của bộ

x lý tín hiệu tại radar là:

l n

29

Trong th c tế, tín hiệu thu đư c còn b ảnh hưởng bởi tạp âm, nó tạp ra điện

áp không mong muốn ở tấn các các t n số của radar Tạp âm là ngẫu nhiên và

đặc trưng bởi hàm mật độ phổ công suất Công suất nhiễu N là một hàm của

độ rộng băng thông Cụ thể

Ở đ y j/k và là nhiệt độ tạp âm hiệu dụng Để mô tả chất

lư ng thu tín hiệu của radar ngư i ta thư ng s dụng tham số g i là hệ số tạm

âm F, và hệ số tạp m đư c đ nh ngh a như sau:

30

Ký hiệu suy hao radar là L, ta có:

Mặc dù có nhiều dạng thể hiện khác nhau nhưng phương trình (1.33) là loại

đư c s dụng rộng rãi nhất trong th c tế tính toán và thiết kế các tham số radar

ưới đ y là ví dụ minh h a

Một radar cố ịnh band C với các tham số như sau: c ng suất ph t ỉnh tần số hoạt ộng tăng ch anten G=45dB, nhiệt ộ hiệu dụng =290K, ộ rộng xung τ=0.2µs Ngưỡng thu , diện tích phản xạ hiệu dụng Tính bán kính hoạt ộng

Trả lời:

Bước sóng

31

61.761 -25.241 90dB -136.987 32.976 3dB 20dB -10 Thay vào ta t nh ược:

Suy ra R=86.199Km Vậy bán kính tối a ph t hiện mục tiêu là 86.2Km

1.7 Dạng tính hiệu của radar

Trong ph n này chúng ta sẽ nghiên cứu phổ của tín hiệu radar Phổ của tín hiệu tức là s phân bố năng lư ng trong miền t n số Năng lư ng của một tín hiệu (h u hạn) đư c đặc trưng bởi hàm mật độ phổ năng lư ng (ESD), trong khi công suất tín hiệu (giới hạn) đư c đặc trưng bởi hàm mật độ phổ công suất (PS ) Đơn v của ES là J/ z còn đơn v của PSD là W/Hz

Băng thông tín hiệu là khoảng giới hạn t n số mà trong khoảng đ mật độ phổ công suất của tín hiệu khác 0 Thông thư ng, bất kỳ tín hiệu nào cũng c thể biểu diễn đư c quá trình diễn ra (miền th i gian) và băng thông của tín hiệu (miền t n số) Tín hiệu mà có th i gian diễn ra giới hạn (giới hạn về mặt th i gian) thì sẽ c băng thông vô hạn, trong khi nh ng tín hiệu c băng thông h u hạn thì thư ng diễn ra liên tục Và trư ng h p lý tưởng là tín hiệu có dạng sóng mang dạng sin, khi đ phổ của tín hiệu sẽ có dạng nhỏ nhất - chỉ là một vạch phổ

Trong miền th i gian tín hiệu f(t) có biến đổi Fourier (FT) cho bởi công thức sau:

Biến đổi FT của là

[ ] (1.37)

Ở đ y là hàm Dirac và

Hình 1.14Phổ của tín hiệu dạng sin Hình 1.14 minh h a cho phổ của tín hiệu với băng thông rất nhỏ, là 2 vạch phổ nằm ở

Bây gi ta xét tới tín hiệu trong miền th i gian cho bởi hàm số sau:

Hình 1.15Phổ của một xung đơn

Phổ bi n độ của hàm đư c minh h a trong hình 1.15 Trong trư ng h p này, băng thông của tín hiệu là vô hạn Băng thông vô hạn là điều phi th c tế

vì mật độ phổ công suất ở vùng cách xa t n số trung tâm sẽ nhỏ hơn mức nhiễu nền và do đ trong th c tế băng thông radian/giây hay đư c

35

Phổ bi n độ đư c minh h a trong hình 1.16 Trong trư ng h p này,

đư ng bao phổ có dạng hàm Sinc(x) phù h p với khoảng cách gi a các

đư ng phổ bằng t n số lặp lại xung của radar PRF,

Cuối cùng chúng ta xét tới dạng tín hiệu

∑

(1.44) Chú ý rằng hàm chính là hàm giới hạn của Biến đổi FT của

là

( ( ) ∑

) (1.45)

Hình 1.17Phổ bi n độ của chu i xung h u hạn

Ở đ y là dấu tích chập Phổ trong trư ng h p này như đư c minh h a ở

36

hình 1.17 Đư ng bao của phổ vẫn có dạng Sinc(x) phù h p với độ rộng xung Nhưng đặc biệt nh ng vạch phổ đư c thay thế bằng phổ sinc(x) phù h p với

th i gian duy trì tín hiệu là NT

1.8 Tính băng thông, công suất phát trung bình của radar xung

1.8.1 Băng thông của radar xung

Băng thông B tín hiệu của đài radar đư c xác đ nh theo công thức đơn giản

sau:

Trong đ là độ rộng xung của radar Trên th c tế băng thông của phương thức phát cũng áp dụng công thức này Ví dụ với radar band X tại sân bay Nội Bài hoạt động với độ rộng xung là 40ns, Băng thông trong giấy ph p khi đ

sẽ đư c tính

1.8.2 Công suất phát trung bình

Công thức phát trung bình của đài radar xung đư c tính theo công thức

Có thể đặc tả một số mối liên hệ như sau:

Khi giảm  B tăng  độ nhạy thu tăng  giảm vùng phục vụ

Khi tăng độ phân giải về khoảng cách giảm

1.9 Hệ thống radar quản lý FIR band L, S

FIR là viết t t của cụm từ “ light Information Region” g i là vùng thông báo bay.Vùng thông báo bay (FIR) là vùng tr i đư c xác đ nh mà trong đ c cung cấp d ch vụ thông báo bay và công tác báo động Sân bay Nội Bài có hệ thống radar giám sát gồm có 2 radar, một radar sơ cấp (PSR) và một radar thứ cấp (SSR)

1.9.1 Các khái niệm

1.9.1.1 Khái niệm radar sơ cấp (PSR-Primary Surveillance Radar)

Đài radar sơ cấp (PSR) hoạt động theo nguyên t c phát xạ năng lư ng điện từ trư ng vào không gian và thu tín hiệu phản xạ quay trở về từ các vật phản xạ hay còn g i là mục tiêu Tín hiệu phản xạ sẽ cung cấp thông tin về v trí của mục tiêu trong không gian như c li từ đài radar tới mục ti u, g c phương v của mục tiêu so với hướng b c và đư c thể hiện lên trên màn hiện sóng hay màn hình Nh ng thông tin về v trí mục tiêu (máy bay) trong không gian sẽ

Đ nh hướng mục tiêu thông qua v trí anten hay g c phương v của anten tại

th i điểm thu đư c tín hiệu

Đo lư ng d ch t n doppler ở tín hiệu phản xạ sẽ tính toán ra thông số chuyển động của mục tiêu

Bán kính làm việc tối đa của radar sơ cấp tuỳ thuộc yêu c u đặt hàng, thông thư ng là 80NM (150Km)

Radar sơ cấp có vai trò qua tr ng trong việc giám sát các máy bay ở khu v c tại sân và vùng tiếp cận (100-150Km)

Bảng 0.2Một số radar đang sử dụng ở Việt Nam

1.9.1.2 Khái niệm radar thứ cấp (SSR-Secondary Survaillance Radar)

Đài radar tứ cấp hay còn g i là radar nhận biết, radar hỏi – đáp phục vụ công tác kiểm soát không lưu của hàng không dân dụng là loại đài radar s dụng nguyên lí hỏi – đáp tích c c, làm nhiệm vụ phát hiện, nhận biết các máy bay hàng không dân dụng trong vùng phủ sóng của đài ác thông tin của radar

Radar thứ cấp đ ng vai trò trong quá trình kiểm soát đư ng dài (vùng hàng tuyến)

Đài radar thứ cấp và sơ cấp có thể hoạt động độc lập hoặc kết h p với nhau Khi kết h p, anten của radar sơ và thứ đư c g n chung trên một bệ quay và tín hiệu của hai kênh sẽ đư c kết h p với nhau để hiển th trên màn hình

40

1.9.2 Radar sơ cấp ATCR-33S

Hình 1.18Hệ thống anten giám sát sơ cấp và thứ cấp PSR/MSSR tại sân bay quốc tế

Nội Bài là thiết b thuộc h AMS G-33I

Sân bay Nội Bài s dụng radar sơ cấp là loại ATCR-33S băng S do h ng SELEX sản xuất Đ y là radar đư c thiết kế phù h p với các tiêu chuẩn quốc

tế cho các hệ thống radar giám sat sơ cấp, phù h p với các yêu c u của ICAO

và EuROCONTROL Hệ thống radar ATCR-33S có thể tùy ch n anten phản

xạ G33 hoặc anten mảng pha ALE 3x5