Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển nhằm tách tâm tác xạ của mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao

Với thuận lợi là đã có nhiều thời gian nghiên cứu tìm hiểu về vi điều khiển trong thời gian thực hiện luận văn đại học, tôi quyết định lựa chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi đ

Trang 1

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THIÊN TÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN NHẰM TÁCH TÂM TÁN XẠ CỦA MỤC TIÊU TRONG HỆ THỐNG RADAR PHÂN GIẢI CAO

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc _

Tp.HCM, ngày tháng năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN THIÊN TÂN Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh : 27/08/1982 Nơi sinh : Khánh Hòa

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số HV : 01407357

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 02 tháng 02 năm 2009

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 30 tháng 11 năm 2009

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS-TS LÊ TIẾN THƯỜNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Lê Tiến Thường Thầy đã gợi mở, quan tâm, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn ThS Nguyễn Xuân Tý, tuy anh rất bận rộn với công việc nhưng vẫn dành nhiều thời gian nhận xét góp ý và cung cấp cho tôi một

số tài liệu cần thiết

Tôi xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã dạy giỗ tôi nên người Xin cảm ơn các bạn học luôn sẵn lòng trao đổi, bàn luận với tôi hướng giải quyết khi gặp những bài toán khó

Cuối cùng con xin gửi lời tri ân đến ba mẹ và gia đình đã nuôi dạy con khôn lớn và luôn sát cánh bên con, động viên con những lúc con gặp khó khăn

Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Tháng 12 năm 2009 Học viên

Nguyễn Thiên Tân

Trang 5

Radar, as the name suggests, were traditionally used for radio detection and ranging Nevertheless, advancement in technology, especially in high resolution radar, has made it possible for using them as a sensor to identify or recognize target

The thesis “A research on applying microcontroller for recognizing target scattering center in high resolution radar system” help post graduated student having knowledge about:

+ Recognizing target scattering center in high resolution system This is

a basis technology for me to continue researching about high resolution radar system in future

+ Microcontroller and its programming method, one of the areas getting more attention nowadays

Because of the time limit, the thesis still has some mistakes So, I very please to receive more comment on it

Nguyen Thien Tan

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Radar, theo tên gọi của nó, là hệ thống cơ bản dùng song radio để phát hiện và đo khoảng cách mục tiêu Tuy nhiên, cùng với sự phát triển về công nghệ, đặc biệt là công nghệ radar phân giải cao, radar còn được sử dụng như

là thiết bị cảm biến phát hiện và nhận dạng mục tiêu

Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng Vi điều khiển nhằm tách tâm tán xạ của mục tiêu trong hệ thống Radar phân giải cao” giúp học viên cao học nắm

rõ các kiến thức :

+ Kỹ thuật tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao Đây là kỹ thuật nền tảng, tạo cơ sở để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về hệ thống Radar phân giải cao

+ Kiến thức về vi điều khiển và cách thức lập trình vi điều khiển, một trong những lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong thời điểm hiện nay

Nội dung luận văn bao gồm 11 chương, chia làm 3 phần:

+ Phần I: Giới thiệu, lý thuyết cơ bản về Radar, bao gồm:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan

- Chương 2: Lý thuyết Radar

- Chương 3: Xử lý tín hiệu và dữ liệu trong Radar

- Chương 4: Phát hiện mục tiêu và hiển thị

- Chương 5: Mặt cắt ngang Radar (RCS)

+ Phần II: Phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu, bao gồm;

- Chương 6: Lý thuyết toán học phục vụ tách tâm tán xạ

- Chương 7: Phương pháp Prony

- Chương 8: Phương pháp Matrix Pencil

+ Phần III: Mô phỏng, kết luận, bao gồm:

- Chương 9: Kit vi điều khiển Stellaris LM3S2965

- Chương 10: Mô phỏng

- Chương 11: Kết luận

Do thời gian hạn chế nên việc thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp, đánh giá, nhận xét bổ sung quý báu của quý thầy cô và các bạn

Nguyễn Thiên Tân

Trang 7

Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường

MỤC LỤC

PHẦN I: GIỚI THIỆU, LÝ THUYẾT RADAR

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Lý do thực hiện đề tài 2

1.5 Mục tiêu đề tài 2

1.6 Nhiệm vụ luận văn 2

1.7 Tổng quan về luận văn 2

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT RADAR 4

2.1 Các vấn đề về Radar 4

2.1.1.Khái niệm Radar 4

2.1.2 Tổng quan về tần số Radar 5

2.1.3 Độ lợi antenna 6

2.1.4 Phương trình Radar 7

2.1.5 Độ chính xác và độ phân giải 8

2.1.6 Thời gian tích hợp và hiệu ứng doppler 10

2.1.7 Các kĩ thuật Radar phân giải cao 10

2.2 Radar quan sát 13

2.2.1.Radar và sự quan sát 13

2.2.2.Khảo sát độ rộng chùm tia antenna 13

2.2.3.Tần số lập lại xung – vận tốc và khoảng cách rõ ràng 14

2.2.4 Độ dài xung và sự lấy mẫu 15

2.2.5 Clutter và nhiễu 15

2.3 Radar theo dõi 16

2.3.1 Sự theo dõi 16

2.3.2 Tạo búp liên tiếp ( Sequential lobing) và sự quét hình nón 17

2.3.3 Radar đơn xung 17

2.3.4 Độ chính xác tracking và Agility tần số 20

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ DỮ LIỆU TRONG RADAR 21

3.1 Sự phân bố của tín hiệu cộng nhiễu 21

3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ( SNR) 22

3.3 Phân chia xử lý tín hiệu và xử lý data 23

3.4 Tính chất của clutter 23

3.5 Quá trình chỉ báo mục tiêu di động 25

3.6 Xử lý quá trình biến đổi Fourier nhanh (FFT ) 27

3.7 Sự giữ ngưỡng ( thresholding ) 28

3.8 Sự phân tích Plot (plot extraction) và sự kết hợp Plot −Track 29

3.8.1 Sự phân tích Plot 29

3.8.2 Sự liên kết Plot−Track 29

Trang 8

CHƯƠNG 4: PHÁT HIỆN MỤC TIÊU VÀ HIỂN THN 32

4.1.Tổng quan 32

4.2 Cơ sở cho lý thuyết xác suất dùng trong việc phát hiện mục tiêu 36

4.3 Ảnh hưởng của phần thu trong phân bố nhiễu 40

4.4 Phân bố của tín hiệu cộng nhiễu 44

4.5 Sự phát hiện và xác suất xảy ra báo nhầm 45

4.6 Bộ thu tương quan 48

4.7 Bộ lọc thích nghi 51

4.8 Các thành phần chủ chốt trong việc phát hiện tín hiệu 52

4.9 Dò tìm dùng nhiều quan sát 52

CHƯƠNG 5: MẶT CẮT NGANG RADAR (RCS) 55

5.1 Giới thiệu chung 55

5.2 Khái niệm năng lượng phản hồi 56

5.3 Các kỹ thuật tính RCS 59

5.3.1.Các phương pháp chính xác: 59

5.3.2 Các phương pháp xấp xỉ 62

5.4 Sự phụ thuộc RCS đối với góc hướng và tần số 68

5.5 Sự phụ thuộc phân cực của RCS 70

5.5.1 Phân cực 70

5.5.2 Ma trận tán xạ mục tiêu 72

5.6 RCS của các mục tiêu đơn giản 73

5.6.1 Quả cầu 74

5.6.2 Ellipsoid 75

5.6.3 Mặt phẳng tròn 76

5.6.4 Hình nón cụt 76

5.6.5 Hình trụ 78

PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP TÁCH TÂM TÁN XẠ MỤC TIÊU CHƯƠNG 6: LÝ THUYẾT TOÁN HỌC PHỤC VỤ TÁCH TÂM TÁN XẠ 79

6.1 ChuNn ma trận 79

6.2 Trị riêng và vector riêng 79

6.2.1 Định nghĩa 79

6.2.2 Các bước tìm trị riêng và vector riêng 79

6.2.3 Tính chất 80

6.3 Phân tích SVD (Singular Values Decomposition) 80

6.4 Giả nghịch đảo Moore-Penrose 81

6.5 Bài toán bình phương tối thiểu tuyến tính 82

6.6 Phương pháp Total Least Squares-Phương trình dự đoán tuyến tính 84

CHƯƠNG 7: PHƯƠNG PHÁP PRONY 88

7.2 Phương pháp Prony 91

7.3 Phương pháp Prony hiệu chỉnh 96

Trang 9

CHƯƠNG 8: PHƯƠNG PHÁP MATRIX PENCIL 100

8.2 Phương pháp Matrix Pencil trong trường hợp không nhiễu 100

8.3 Phương pháp Matrix Pencil trong trường hợp có nhiễu 102

PHẦN III: MÔ PHỎNG, KẾT LUẬN CHƯƠNG 9: KIT VI ĐIỀU KHIỂN STELLARIS LM3S2965 106

9.2 Vi điều khiển LM3S2965 107

9.2.1 Ngắt 110

9.2.2 Module ngủ đông (Hibernation Module) 111

9.2.3 Bộ nhớ trong 112

9.2.4 Khối xuất nhập đa dụng (GPIOs) 113

9.2.5 Timer đa dụng 113

9.2.6 Chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 114

9.2.7 Truyền nhận bất đồng bộ (UART) 115

9.2.8 Giao tiếp đồng bộ nối tiếp (SSI) 117

9.2.9 Bộ so sánh tín hiệu tương tự 117

9.3 Bộ điều khiển tích hợp chức năng giao tiếp qua cổng USB 119

9.4 Màn hình OLED hiển thị 120

9.5 Phần mềm biên dịch: Red Suite 121

9.5.1 Giới thiệu 121

9.5.2 Cách đọc một project sẵn có 122

9.5.3 Cách tạo mới một Project 125

9.5.4 Biên dịch project và nạp chương trình cho kit 131

CHƯƠNG 10: MÔ PHỎNG 134

10.2 Giả lập dữ liệu 135

10.3 Truyền dữ liệu lên Kit LM3S2965 137

10.4 Lập trình vi điều khiển tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony 138

10.5 Lập trình vi điều khiển tách tâm tán xạ theo phương pháp Matrix Pencil 141

10.6 Nhận xét 142

10.6.1.Phương pháp Prony 142

10.6.2.Phương pháp Matrix Pencil 143

CHƯƠNG 11: KẾT LUẬN 144

11.1 Kết quả đạt được và ý nghĩa 144

11.1.1 Kết quả đạt được 144

11.1.2 Ý nghĩa 144

11.2 Hướng phát triển 145

TÀI LIỆU THAM KHẢO 146

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc luận văn 3

Hình 2.1 Sơ đồ khối một hệ thống radar đơn giản 4

Hình 2.2 Xác định cự ly tìm kiếm của Radar 8

Hình 2.3 Độ chính xác khoảng cách radar phụ thuộc vào băng thông 9

Hình 2.4 Sơ đồ khối của một hệ thống Radar đơn xung so sánh biên độ 18

Hình 2.5 Các mô hình chùm tia Antenna trong tọa độ Đề các 19

Hình 2.6 Phase-comparision Monopulse 19

Hình 3.1 PDF của tín hiệu và tín hiệu + nhiễu 21

Hình 3.2 Xử lý data và tín hiệu trong hệ thống radar hiện đại 23

Hình 3.3 Sơ đồ khối của quá trình MTI 25

Hình 3.4 Hệ thống xóa ba xung và đa xung (tổng quát) 26

Hình 3.5 Trung bình và biên được sử dụng trong hệ thống giữ ngưỡng 29

Hình 4.1 Các phần tử hệ thống cơ bản tác dụng đến việc tìm kiếm mục tiêu 33

Hình 4.2 Tác dụng của bộ lọc qua băng trong việc phát hiện mục tiêu 35

Hình 4.3 Mức điện áp dung quyết định sự có mặt của mục tiêu 36

Hình 4.4 Hàm mật độ phân phối xác suất Gaussian PDF 39

Hình 4.5 Tác dụng của lọc nhiễu trắng 43

Hình 4.6 Các hàm mật độ phân bố xác suất của nhiễu cộng tín hiệu 45

Hình 4.7 Các diện tích trong các hàm phân bố xác suất PDF của nhiễu 46

Hình 4.8 Vẽ Pd theo SNR với một khỏng các giá trị của Pfa 47

Hình 4.9 Các hàm mật độ phân bố xác suất PDF 53

Hình 5.1 Đối tượng ba chiều 58

Hình 5.2 Phương pháp Moment chia toàn bộ bề mặt thành phần nhỏ hơn 61

Hình 5.3 RCS theo thuyết quang hình 63

Hình 5.4 Nhiễu xạ 64

Hình 5.5 Góc trường tới và trường phản xạ của vật hình nêm 65

Hình 5.6 RCS của hình nón cụt theo phân cực dọc 66

Hình 5.7 RCS của hình nón cực theo phân cực ngang 66

Hình 5.8 Hai tán xạ trong tầm nhìn thẳng Radar 69

Hình 5.9 Sự phụ thuộc của RCS vào góc hướng 69

Hình 5.10 Sự phụ thuộc tần số của RCS 70

Hình 5.11 RCS của quả cầu trong các miền 74

Hình 5.12 Ellipsoid có tâm tại vị trí (0,0,0) 75

Hình 5.13 Mặt phẳng hình tròn 76

Hình 5.14 Hình nón cụt 77

Hình 5.15 Hình trụ 78

Trang 11

Hình 7.1 Lưu đồ giải thuật Prony 95

Hình 7.2 Lưu đồ giải thuật Prony hiệu chỉnh 99

Hình 8.1 Lưu đồ giải thuật Matrix Pencil 105

Hình 9.1 Board mạch Stellaris LM3S2965 106

Hình 9.2 Sơ đồ khối bo mạch Stellaris LM3S2965 106

Hình 9.3 Sơ đồ chân vi điều khiển LM3S2965 107

Hình 9.4 Sơ đồ khối CPU 108

Hình 9.5 Các khối chức năng trong vi điều khiển họ Stellaris 2000 109

Hình 9.6 Sơ đồ khối Module ngủ đông 111

Hình 9.7 Sơ đồ khối bộ nhớ Flash 112

Hình 9.8 Sơ đồ khối GPIO port 113

Hình 9.9 Sơ đồ khối module GPTM 114

Hình 9.10 Sơ đồ khối ADC 115

Hình 9.11 Thanh ghi điều khiển UART 116

Hình 9.12 Sơ đồ khối module UART 116

Hình 9.13 Cấu trúc Frame UART 117

Hình 9.14 Sơ đồ khối module SSI 117

Hình 9.15 Sơ đồ khối module so sánh tương tự 118

Hình 9.16 Thiết bị FTDI2232 120

Hình 9.17 Sơ đồ khối chip FTDI2232 120

Hình 9.18 Màn hình OLED 121

Hình 9.19 Sơ đồ mạch ứng dụng OLED 121

Hình 9.20 Giao diện phần mềm Red_Suite 122

Hình 9.21 Import một Project đã lập trình sẵn 123

Hình 9.22 Cửa sổ import 123

Hình 9.23 Cửa sổ chọn file cần import 124

Hình 9.24 Kết quả hiển thị project đã được import 124

Hình 9.25 Tạo mới một Project 125

Hình 9.26 Khai báo Project 125

Hình 9.27 Khai báo module và tác giả 126

Hình 9.28 Khai báo bộ vi điều khiển 127

Hình 9.29 Giao diện chỉnh sửa thuộc tính 127

Hình 9.30 Cửa sổ Include path 128

Hình 9.31 Chọn đường dẫn trỏ đến thư mục lưu các file thư viện cần include 128

Hình 9.32 Include Workspace 129

Hình 9.33 Kiểm tra đường dẫn 129

Hình 9.34 Kiểm tra các đường dẫn đã include 130

Hình 9.35 Khai báo driver 130

Trang 12

Hình 9.36 Lắp đặt phần cứng để cài đặt và giao tiếp dữ liệu 131

Hình 9.37 Biên dịch Project 131

Hình 9.38 Khởi tạo biên dịch 132

Hình 9.39 Cửa sổ Run 132

Hình 9.40 Giao diện debug trên phần mềm 133

Hình 10 1 Trang giao diện đầu tiên của phần mềm tạo mẫu dữ liệu và nạp kit 135

Hình 10 2 Giao diện tạo tín hiệu giả lập 135

Hình 10 3 Giao diện nhập thông tin tạo tín hiệu thành phần 136

Hình 10 4 Tín hiệu giả lập 137

Hình 10 5 Giao diện truyền nhận dữ liệu với Kit LM3S2965 137

Hình 10 6 Kết nối giữa Kit LM3S2965 và máy tính thông qua cáp USB 138

Hình 10 7 Giao diện lập trình trên Red_Suite v2.02 138

Hình 10 8 Lưu đồ tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony hiệu chỉnh 139

Hình 10 9 Kết quả tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony 140

Hình 10 10 Lưu đồ giải thuật Matrix Pencil 141

Hình 10 11 Kết quả tách tâm tán xạ theo phương pháp Matrix Pencil 142

Trang 13

PHẦN I:

GIỚI THIỆU,

LÝ THUYẾT RADAR

Trang 14

Chương 1: Giới thiệu tổng quan Trang 1 HV: Nguyễn Thiên Tân

CH ƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Gi ới thiệu

Ngày nay Radar là một lĩnh vực không thể thiếu được trong cuộc sống, được ứng dụng rộng rãi cả trong dân sự lẫn trong quân sự Trong dân sự, hệ thống Radar giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển lưu thông hàng hải, hàng không và tàu vũ trụ, hoặc được sử dụng để đo độ cao, dự báo thời tiết, theo dõi môi trường từ xa, môi trường nguy hiểm, hay thăm dò không gian, thăm dò lòng đất … Cũng như vậy, trong quân sự, khi đề cập đến các hệ thống vũ khí tấn công và phòng thủ thì hệ thống Radar cũng chiếm một vị thế hết sức quan trọng

Ngày nay, với các hệ thống Radar hiện đại – Radar phân giải cao – thì ngoài khả năng thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như xác định cự ly, góc hướng, vận tốc của mục tiêu, chúng còn có khả năng tự động phân loại và nhận dạng mục tiêu Cơ sở cho việc phân loại và nhận dạng của các hệ thống radar này là dựa vào các đặc tính về tâm tán xạ của mục tiêu

Tách tâm tán xạ của mục tiêu là một kỹ thuật phức tạp, thu hút được nhiều sự nghiên cứu cũng như nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Đồng thời, kỹ thuật tách tâm tán xạ của mục tiêu cũng là kỹ thuật nền tảng và hết sức cần thiết cho các sinh viên, học viên khi nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống radar hiện đại – Radar phân giải cao

Bên cạnh đó, vi điều khiển cũng là một lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực và ngày càng khẳng định được vai trò quan trọng của nó trong các ứng dụng xử lý tính toán Với thuận lợi là đã có nhiều thời gian nghiên cứu tìm hiểu về

vi điều khiển trong thời gian thực hiện luận văn đại học, tôi quyết định lựa chọn thực

hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển nhằm tách tâm tán xạ của mục tiêu

trong các hệ thống Radar phân giải cao”, với mục tiêu vừa để nghiên cứu tìm hiểu về

hệ thống Radar phân giải cao, vừa phát triển thêm các kỹ năng về lập trình vi điều khiển

đã nghiên cứu từ trước

1.2 M ục đích nghiên cứu

Được tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C/C++ và ngôn ngữ lập trình MATLAB, hai ngôn ngữ lập trình được ứng dụng rất nhiều trong các công tác nghiên cứu khoa học cũng như thực tế đời sống

Được tìm hiểu về kỹ thuật tách tâm tán xạ của mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao, cụ thể là phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil Kỹ thuật tách tâm tán xạ mục tiêu là kỹ thuật cơ bản, đóng vai trò nền tảng để tiếp tục nghiên cứu các kỹ thuật chuyên sâu hơn trong hệ thống Radar phân giải cao như xác định hướng di chuyển, đo vận tốc và nhận dạng mục tiêu …

Trang 15

Được tìm hiểu về vi điều khiển LM3S2965, là vi điều khiển 32 bit được thiết kế dựa trên kiến trúc ARM Cortex-M3 Đây là kiến trúc 32 bit được ứng dụng rộng rãi và sản xuất nhiều nhất trên thế giới, chiếm trên 70% các ứng dụng CPU nhúng 32 bit

1.3 Lý do thực hiện đề tài

Hiện nay, kỹ thuật Radar đang phát triển hết sức mạnh mẽ Trong quân sự, hệ thống Radar không chỉ đóng vai trò phát hiện mục tiêu mà còn thực hiện được nhiều chức năng khác như xác định hướng di chuyển, đo vận tốc di chuyển, nhận dạng mục tiêu …Cơ sở cho việc thực hiện các giải thuật đo đạc, phân loại, nhận dạng mục tiêu là dựa trên các đặc tính về tâm tán xạ Do đó, nghiên cứu về kỹ thuật tách tâm tán xạ và ứng dụng vi điều khiển để tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống Radar phân giải cao

là một hướng nghiên cứu cần thiết và là lý do chính để tôi thực hiện đề tài này

Bên cạnh đó, các ứng dụng dựa trên vi điều khiển ngày càng được phát triển và trở nên phổ biến trong các ứng dụng điện – điện tử – tự động hóa, việc thực hiện luận văn và nghiên cứu lập trình vi điều khiển là điều kiện thuận lợi để tôi có thể tiếp thu kiến thức và áp dụng vào các hoạt động thực tế cuộc sống

1.5 Mục tiêu đề tài

Đề tài được thực hiện với các mục tiêu như sau:

- Nắm được các lý thuyết chung về hệ thống Radar

- Hiểu rõ và trình bày được lý thuyết về kỹ thuật tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao, đặc biệt là bằng phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil

- Hiểu rõ cách thức lập trình mô phỏng bằng phần mềm MATLAB, cách thức lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ để lập trình vi điều khiển

- Lập trình vi điều khiển để tách tâm tán xạ mục tiêu từ mẫu tín hiệu tổng hợp thu nhận được

1.6 Nhiệm vụ luận văn

• Nghiên cứu tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao bằng phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil

• Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển LM3S2965 nhằm tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao, theo hai phương pháp nêu trên

1.7 Tổng quan về luận văn

Luận văn gồm 11 chương, được chia làm 3 phần chính:

Trang 16

+ Phần I: Giới thiệu, lý thuyết cơ bản về radar Bao gồm Chương 2, Chương 3, Chương 4 và Chương 5 Phần này trình bày một số nội dung lý thuyết cơ bản về hệ thống Radar

+ Phần II: Phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu Bao gồm Chương 6, Chương 7

và Chương 8 Phần này trình bày chi tiết về hai phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống Radar phân giải cao thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài này là Phương pháp Prony và Phương pháp Matrix Pencil

+ Phần III: Mô phỏng, kết luận Bao gồm Chương 9, Chương 10 và Chương 11 Phần này giới thiệu về Kít vi điều khiển Stellaris LM3S2965 và trình bày nội dung, kết quả mô phỏng các phương pháp tách tâm tán xạ khi thực hiện trên phần cứng cũng như các kết luận, đánh giá so sánh kết quả

Như vậy, cấu trúc luận văn có thể được mô tả theo sơ đồ sau:

Hình 1.1: Cấu trúc luận văn

Trang 17

Chương 2: Lý thuyết Radar Trang 4 HV: Nguyễn Thiên Tân

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT RADAR

2.1 Các vấn đề về Radar

2.1.1.Khái niệm Radar

Radar là thiết bị dùng sóng vô tuyến để phát hiện sự tồn tại và vị trí của các vật thể (mục tiêu) Đây là các loại Radar có độ phân giải thấp Ngày nay với các radar hiện đại chúng ta còn có thể nhận dạng mục tiêu, phân loại, tạo ảnh của vật thể, vẽ bản đồ mặt đất

từ vệ tinh,… các loại radar này cần có độ phân giải cao [6]

Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống radar đơn giản

Nguyên lí làm việc của Radar là có một máy phát sẽ phát đi sóng vô tuyến, sóng tới này gặp vật thể và phản xạ trên vật thể và một phần sóng quay trở lại và được một máy thu thu lấy, rồi được khuếch đại sau đó xử lí để sắp xếp chọn lọc Một radar đơn giản có tần số sóng mang là tần số Radio (RF) chính của Radar, nó được thiết lập bởi bộ tổng hợp tần số Tín hiệu tạo ra từ bộ tổng hợp tần số đi vào bộ điều chế rồi vào bộ khuếch đại máy phát rồi đưa ra anten phát qua một bộ công tắc thu phát (công tắc nối anten với máy thu hay phát vào thời gian hợp lý) Khi xung truyền đi thì đồng hồ Radar bắt đầu đếm thời gian, xung vô tuyến được truyền đi với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng được tán xạ từ mục tiêu và quay trở lại radar Chúng ta có khoảng cách đến mục tiêu [6]

Trang 18

/ 2

Với: R là khoảng cách từ Radar tới mục tiêu

C bằng 3.108 [m/s] là vận tốc ánh sáng

τ là thời gian sóng đi về (một vòng )

Ở máy thu Radar, tín hiệu thu được khuếch đại, kết hợp với tổng hợp tần số, khuếch đại

IF và bộ tổng hợp tần số sẽ cho ở ngõ ra một tín hiệu và tín hiệu này được tách lọc để

xử lý và sau cùng được hiển thị

2.1.2 Tổng quan về tần số Radar

Sóng vô tuyến là một bộ phận trong thanh phổ sóng điện từ vì vậy nó có thể được mô tả theo thuyết sóng hay thuyết lượng từ Quan hệ giữa tần số, bước sóng và vận tốc sóng là

Trong Radar tần số thấp nhất được sử dụng là f = 1MHz Tần số thấp nhất có thể truyền

đi được xa, tuy nhiên phát sinh 4 vấn đề sau:

• Ở tần số thấp thì kích thước antenna phải lớn, điều này dẫn đến không thực tế khi xây các cột antenna có độ lợi cao

• Ở tần số thấp vì tầng điện ly là một vật tán xạ mạnh, và điều này sẽ tạo ra các tiếng dội không mong muốn, dễ gây nhầm lẫn với các mục tiêu di động Antenna

có hướng tính cao có thể tránh được điều này nhưng vì lý do kể trên, đó không phải là một giải pháp thực tế

• Bước sóng dài nghĩa là chỉ một thay đổi nhỏ trong tần số sẽ xảy ra khi tín hiệu tán xạ từ vật thể di động (hiệu ứng dịch tầng Doppler) mất nhiều thời gian để phân giải, điều này sẽ dẫn đến Radar có bước sóng dài trở nên vô hiệu trong việc phát hiện các mục tiêu di động

• Ở tần số thấp có nhiều vấn đề về “ thủ tục hành chánh” như khó xin phép phát sóng, khó tìm kênh truyền, mức nhiễu nền thường cao và chỉ sẵn cho các Radar băng thông hẹp, điều này sẽ dẫn đến giới hạn độ phân giải của hệ thống

Dù vậy các Radar hoạt động ở tần số thấp, đặc biệt là băng HF (từ 3 MHz đến 30 MHz) nó phù hợp cho các phát hiện những mục tiêu cự ly xa ngang (long rang Over– the–horizone)

Trang 19

Các hệ thống Radar thường sử dụng tần số ở tần số cao; ở đây hầu hết các vấn đề liên quan và phức tạp cần phải khắc phục, đó là sự hấp thụ của bầu khí quyển và giới hạn về mặt kĩ thuật Các Radar làm việc ở tần số rất cao như các hệ thống lazer nó còn được gọi là Lidar (light detection and ranging) nó có thể đo khoảng cách một cách chính xác, thường được dùng để nghiên cứu bầu khí quyển và trong quốc phòng

• Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng

• Cho phép đo đạc thông tin về góc để có thể xác định hướng của mục tiêu

Ta có hai loại Antenna đó là Antenna vô hướng và antenna có hướng :

Antenna vô hướng nó bức xạ công suất một cách đồng nhất trong một góc khối

là độ rộng chùm tia theo hướng góc ngẫng

Nếu tính theo góc khối từ biểu thức (2.3) ta có

( , ) 4 /

Với Ω là góc khối của chùm tia

Độ lợi cực đại của antenna cũng được tính theo kích thước của nó

Trang 20

.

e

Với A là diện tích thực của antenna

ε là hệ số hiệu suất của antenna; đối với antenna đĩa parabol ε có giá trị từ 0.4 đến 0.9

Biểu thức (2.5) được suy ra khi ta xem, mặt bức xạ là hình chữ nhật có A= d1.d2

2 /d

2 / 4

r t

Nếu công suất bức xạ có hướng tính thì

2 / 4

r t t

Khi mục tiêu nhận được một phần công suất tới này và bức xạ trở lại Chúng ta gọi số đo của phần công suất mà mục tiêu nhận và phản xạ lại cho Radar là mặt cắt ngang Radar được viết tắt là RCS (Radar Cross – Section) và được kí hiệu là σ Vậy công suất bức xạ phản hồi từ mục tiêu là [2]

2 / 4

r t t

Vậy mật độ công suất bức xạ phản hồi là :

2 2 /(4 )

Trang 21

2 3 1/ 4 max [ /((4 ) t t r s )]

Độ phân giải khoảng cách của một hệ thống Radar được xác định như sau

+ Nếu thời gian trễ giữa các tiếng dội từ hai vật thể lớn hơn chu kỳ xung T thì hai tiếng dội được coi là riêng biệt

+ Nếu thời gian trễ giữa các tiếng dội từ hai vật thể nhỏ hơn chu kì xung T thì các tiếng dội sẽ lẫn vào nhau

Độ phân giải khoảng cách được tính bằng biểu thức dưới đây

Trang 22

(a) Dễ dàng thấy hai mục tiêu vì thời gian trễ giữa tín hiệu phản hồi lớn hơn độ rộng xung T

(b) Khó xác định khi chúng bị chồng lên nhau

(c) Khi tín hiệu phản hồi có thời gian trễ đúng bằng độ rộng xung T

Hình 2.3 Độ chính xác khoảng cách radar phụ thuộc vào băng thông

Thông thường các hệ thống thu Radar lấy mẫu ngõ ra máy thu mỗi T giây và mỗi mẫu biểu thị một khoảng cách R được gọi là cửa cự ly (range gate hay range bin) Độ chính xác của việc đo khoảng cách phụ thuộc vào độ sắc cạnh của dạng xung và vì thế cần có một hệ số tới hạn (crucial) xác định độ chính xác khoảng cách là băng thông bị chiếm bởi Radar

Trong thực tế, dạng xung và băng thông có mối quan hệ trong các Radar xung đơn giản Các xung ngắn chiếm nhiều băng thông của phổ vô tuyến hơn các xung dài Với xung có chù kì T chúng ta có

Trang 23

/ 2 2

2.1.6 Thời gian tích hợp và hiệu ứng doppler

Độ dài của thời gian cần thiết để thực hiện một quan sát với một hệ thống radar được gọi là thời gian tích hợp (integration time), bởi vì tất cả data trên mục tiêu được tích hợp hay cộng vào cho đến khi phép đo đủ chính xác

Có hai phương pháp để đo tốc độ một vật thể bằng radar Phương pháp đơn giản nhất là ước lượng sự thay đổi vị trí theo thời gian Phương pháp chính xác hơn là lợi dụng hiệu ứng doppler Hiệu ứng này làm thay đổi tần số tín hiệu radio do sự chuyển động của mục tiêu Nếu mục tiêu đứng yên, mỗi tín hiệu radio được phát đi từ Radar sẽ trở lại cùng pha Nếu mục tiêu dang tiến về phía Radar, tín hiệu radio phải chuyển động một khoảng cách ngắn hơn và pha của tiếng dội sẽ thay đổi liên tục theo thời gian Gọi

Vr là thành phần xuyên tâm của vận tốc mục tiêu về phía Radar, độ dịch tần số doppler tương ứng là :

2.1.7 Các kĩ thuật Radar phân giải cao

Radar hiện đại đã tiến xa hơn ‘radio detection and ranging’ để hợp nhất sự phân loại mục tiêu và các giải thuật nhận dạng Các phương pháp này đòi hỏi sự cải thiện về độ phân giải để xác nhận các đặc điểm phân biệt trên các mục tiêu Chúng ta đã thấy rằng

độ phân giải phụ thuộc như thế nào vào các thông số của hệ thống nhưng chúng ta chưa

kể ra sự đóng góp mà có thể thực hiện bằng cách phát triển phần cứng, xử lí tín hiệu và phần mềm xử lí data

Trang 24

Có nhiều phương pháp để tăng độ phân giải của các hệ thống Radar Thường thì các

kĩ thuật này được phát triển trong các lĩnh vực nghiên cứu khác và phù hợp cho sự xử dụng với radar Một vài trong các điều đạt được đây liên quan tới sự thay đổi phần cứng hay chiến lược thu nhập data và được đề cập tới đây

Các hệ thống băng thông rộng ( wideband radar systems)

Độ phân giải cao đôi khi được sử dụng để nhận diện các đặc điểm trên mục tiêu, nếu một băng thông dù lớn có thể đạt được Các kĩ thuật băng rộng gồm có radar không sóng mang (carrier – free radar), điều chế tần số xung đến xung (pulse to pulse frequency modulation), điều chế nhiễu (noise modulation), chirp băng rộng (wideband chirp),… Bất lợi chính yếu là băng thông nhiễu được tăng lên thường giới hạn kĩ thuật này chỉ có ở các ứng dụng khoảng cách ngắn (short range applications)

Sự thám sát đa tầng số (multifrequency illumination)

Ngoài việc có một kênh radar đơn có băng thông rộng, có thể chọn nhiều kênh băng thông hẹp hơn và tương quan các output để tìm vài tính chất không gian của mục tiêu Chủ đề này được khảo sát rộng rãi bởi Gjessing (xem “ Target Adaptive Matched Illumination Radar”–IEE Electromagnetic Waves series 22, Peter Peregrinus, Hitchin, Herts, 1986) và có thể rất có năng lực khi một thông tin ưu tiên về hình dạng và mục tiêu là đã sẵn có, mặc dù nó hơi nhạy đối với góc tới

Các kĩ thuật đa cực tính hoá (Multipolaritization techniques)

Một điều đã được nhận ra là nhiều thông tin trên nhiều loại mục tiêu có thể được cải thiện nếu các kĩ thuật đa cực tính hoá được sử dụng Đó là bởi vì đặc điểm đa cực tính của mục tiêu về nguyên lý có năm bậc tự do (ba biên độ và hai pha tương đối) Sự đánh giá các đặc tính cực hóa của các mục tiêu là một lĩnh vực tích cực của sự nghiên cứu, và các radar sử dụng các đặc điểm cực hóa này là kém phát triển

Trang 25

Sự giao thoa (Interferomettry )

Một tiến bộ nửa trong việc sử dụng SAR là trong một mode giao thoa Trong mode này, sự lệch pha giữa các ảnh SAR thu nhập từ các quĩ đạo nằm gần nhau trong không gian có thể được sử dụng để xây dựng một bản đồ địa hình của vùng được tạo ảnh Dưới đây ta sẽ mô tả một vài trong số phần mềm và các kĩ thuật toán học mà có thề được sử dụng để làm tăng độ phân giải radar

ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar)

ISAR được sử dụng để tăng độ phân giải góc theo cách giống như SAR nhưng với

sự khác biệt là radar vẫn giữ tính ổn định và thuận lợi được nhận từ sự di động mục tiêu

o Sự phân tích phổ doppler được cải thiện

Có nhiều bộ ước lượng phổ hiện đại như phương pháp Maximum Likelihood, phương pháp Entropy cực đại, phương pháp vector đặc tính cực tiểu,… Các phương pháp này có thể được sử dụng để cải thiện độ phân giải doppler và nhận diện các mục tiêu bằng cách tìm các đặc điểm như sự quay cách turbine, hay bước bánh răng, sự lan

và sự đi chệch hướng của một máy bay hay tàu thuyền Các bộ ước lượng phổ được cải thiện cùng được áp dụng cho các mảng pha (phase array) để cải thiện thông tin góc

o Phân tích sự biến thiên RCS ( Radar Cross – Section Fluctuation Analysis)

Khi một mục tiêu bao gồm một số hữu hạn các điểm tán xạ đơn lẻ mà mô tả đặc tính của nó, mục tiêu này có thể được nhận diện bằng các phân tích thống kê hay phân tích phổ của sự biến thiên biên độ RCS

o Siêu phân giải ( super – resolution)

Ngay cả khi hình dạng của một mục tiêu nhỏ hơn độ phân giải khoảng cách, vài thông tin có thể được phục hồi từ tiếng dội (echo) bằng cách thực hiện một quá trình phân ly (deconvolution) được gọi là siêu phân giải, sao cho hàm trãi điểm (point spread function) hay đáp ứng xung của hệ thống là đã được biết Ít nhất nhất băng thông radar được tăng một cách nhân tạo bằng cách giới hạn khả năng chọn lựa có thể của hình dạng mục tiêu

o Tomography

Cấu trúc của một mục tiêu cho trước sắp xếp thành một hình dạng đặc biệt trong sơ

đồ không rõ (ambiguitydiagram) hay là sự kết hợp của cấu trúc mục tiêu với dạng xung

Trang 26

trong khoảng cách và doppler Các tốc độ chirp khác nhau tương ứng với các góc khác nhau trên mặt phẳng không rõ ràng và vì vậy có thể được sử dụng để lấy thông tin về hình dạng mục tiêu, giống như cách tạo ảnh tomographic trongy tế

Đa số trong các kỹ thuật này cho kết quả tốt trong các mô phỏng máy tính, nhưng thực tế ảnh hưởng của nhiễu và sai pha do sự di chuyền không phân giải được dẫn đến làm giảm hiểu quả Cách khắc phục điều này thường là kết hợp nhiễu kỹ thuật kể trên

2.2 Radar quan sát

2.2.1.Radar và sự quan sát

Các radar quan sát hiện đại nhất là có tính đa chức năng, tức có khả năng thực hiện các hoạt động khác nhau cùng một lúc Các radar có thể phát hiện và bám theo một mục tiêu chi đến khi chúng vượt ra khỏi tầm kiểm soát của radar Ví dụ như radar điều khiển

sự cất và hạ cánh các máy hay các radar điều khiển các vũ trụ tầm ngắm bám theo mục tiêu

2.2.2.Khảo sát độ rộng chùm tia antenna

Một chọn lựa chung về tần số cho các radar quan sát tầm xa bằng L (∼2.3 GHz )

vì tránh được các rắc rối như thời tiết xấu ảnh hưởng ở các tần số cao hơn Khi khảo sát thiết kế một antenna cho radar có hai vấn đề :

A Có nhiều lý do chính đáng để chọn các chùm tia hẹp :

Vị trí góc của mục tiêu có thể được đovới độ chính xác cao

Giảm được số tiếng dội không mong muốn gây xáo trộn hình ảnh radar

Giảm nhiễu nội tại

Tăng hệ số lợi thu, phát của antenna sẽ dẫn đến cải thiện được SNR làm cho mục tiêu dễ bị phát hiện hơn

B Các điều bất lợi

Nếu một vùng trời cho trước cần quan sát, các chùm tia hẹp hơn có nghĩa là có nhiều vị trí chùm tia hơn Nếu chúng ta khảo sát toàn bộ bầu trời, điều đó có nghĩa là ứng với một góc khối 2π steradian, với độ rộng chùm tia là Ω = θ φ , số vị trí chùm tia cần là

Trang 27

Nhưng theo biểu thức (2.3), ta có thể viết:

2.2.3.Tần số lặp lại xung – vận tốc và khoảng cách rõ ràng

Tốc độ truyền xung của hệ thống radar càng lớn thì công suất bức xạ càng lớn Giới hạn về tốc độ truyền xung cực đại xảy ra khi các xung được truyền nhanh quá đến nỗi một xung được truyền đi trước khi xung trước đó đã hoàn thành một vòng đi đến mục tiêu và quay về radar.Trong tình trạng này nguồn gốc các xung truyền đi là không rõ ràng đối với xung tiếng dội và khoảng cách mục tiêu trở nên không rõ ràng

Tốc độ mà ở đó các xung được truyền đi gọi là tần số lặp lại xung, viết tắt là PRF PRF cực đại có thể sử dụng cho một hệ thống radar với khoảng cách rõ ràng Rmax là : PRF c≤ / 2Rmax (2.26)

Có nhiều cách để tăng PRF mà không cần giảm khoảng cách rõ ràng Một phương pháp là “sơn màu ”

Hay “gắn nhãn ” mỗi xung theo một cách nào đó mà chúng ta có thể phân biệt với xung lân cận Các phương pháp gắn nhãn xung bao gồm truyền chúng với tần số, pha, cực tính, hay hình dạng xung khác nhau Tuy nhiên các phương pháp nào gặp khó khăn khi mặt cắt radar (radar-cross-section=RCS) của mục tiêu biến thiên từ xung này đến xung khác Một phương pháp khác là sử dụng một loạt xung với PRF khác nhau Một cách độc lập, mỗi loạt này có thể không rõ ràng với một khoảng cách riêng nhưng khi được sử dụng kết hợp với những loạt xung khác sự không rõ ràng có thể được loại trừ

Có thể tránh sự không rõ ràng doppler với radar có PRF cao Trong truờng hợp này,

hệ thống thường được gọi là radar xung doppler Nói chung hệ thống doppler xung có PRF cao, chịu được sự không rõ ràng khoảng cách và các khoảng cách mù (blind range)

mà ở đó sự truyền của các xung khác không cho phép máy thu Thường ta không thể tìm được một giá trị PRF mà tránh được sự không rõ ràng vừa về khoảng cách vừa về doppler Với các hệ thống doppler xung, độ phân giải đối với vấn đề không rõ ràng cùng sử dụng đa PRF để các khoảng cách mù xảy ra ở các nơi khác nhau

Trang 28

2.2.4 Độ dài xung và sự lấy mẫu

Độ dài xung được chọn tuỳ thuộc vào tốc độ lấy mẫu ngõ ra máy thu và tốc độ của các computer Độ dài xung 3 us là tiêu biểu cho các radar quan sát hàng không tầm xa

và từ độ dài này cho độ phân giải khoảng cách danh định là khoảng 450m Thực tế còn

tệ hơn do hình dạng xung và các tổn hao hệ thống Con số cuối cùng là gần bằng 750m Ngõ ra máy thu radar cần được lấy mẫu mỗi 3 us Bởi vì xung tiếng dội tối thiểu phải có cùng độ dài như xung được truyền đi, tốc độ lấy mẫu này đảm bảo rằng không

bị bỏ sót thông tin Nếu việc lấy mẫu được thực hiện < 3 us, thông tin có thể bị mất và một mục tiêu nhỏ có thể thoát khỏi sự phát hiện của Radar khi rơi vào giữa hai mẫu

2.2.5 Clutter và nhiễu

a) Clutter

Clutter là một từ được dùng để mô tả tất cả các tiếng dội không mong muốn mà làm xáo trộn hình ảnh radar Clutter gần như là luôn luôn có mặt và thường trãi rộng với các tiếng dội phát sinh từ các ngọn đồi, các tòa nhà, mặt biển, chim chóc và côn trùng, sao băng, các địa cực và nhiều nguồn khác Dĩ nhiến, clutter đối với một ứng dụng này có thể không phải là clutter với một ứng dụng khác Clutter có thể xảy ra như

là Clutter phân bố - tăng theo kích thước cell của độ phân giải hay như là clutter điểm – không tăng theo kích thước cell của độ phân giải

Clutter mặt (surface clutter): các tiếng dội từ đất liền hay mặt biền, vùng mà

được radar quét qua RCS của clutter được mô tả tốt nhất là bằng cách tính mật độ RCS trung bình σ theo tỉ số : 0

0 c/A c

Trong đó σc= RCS của điện tích Ac

Clutter khối (volume clutter): Các tiếng dội từ bầu khí quyển, trong đó theo thể

tích được radar quét mà xác định RCS của clutter được quan sát Theo định nghĩa, RCS trung bình trên một đơn vị thể tích là :

/

c c

Trong đó σc= RCS của điện tích Vc

Các tiếng dội từ clutter mặt là lớn, thường lớn hơn nhiều so với mục tiêu cần quan tâm

Trang 29

b) Nhiễu

Ở băng L, nhiễu gần như bị chi phối mạnh bởi nhiễu nội tại được phát sinh bởi chuyển động ngẫu nhiên của các điện từ bị nhiệt kích thích Ở khoảng 600 GHz ( nghĩa

là cho tất cả các radar thực tế ) nhiễu nhiệt được xem là ồn trắng ( white noise ) có mật

độ phổ công suất phẳng S(f) cho bởi:

Trong đó K = 1.38.10-23 ( J.K-1): là hằng số Boltzeman và T0 là nhiệt độ hệ thống [K]

T0 thường được giả định là 290K ⇒S(f) = -240 dB W/Hz Phổ nhiễu này trãi khối băng thông của hệ thống radar và chúng ta chỉ quan tâm đến ồn trắng giới hạn băng ( band – limited) mà nó bị hạn chế bởi bộ lọc thông dài của máy thu Công suất nhiễu trung bình

N được cho bởi:

Với B : băng thông

Trong thực tế mức nhiễu được tìm thấy còn tệ hại hơn trong (2.30) bởi một hệ thống gọi là hệ số nhiễu F Hệ số nhiễu F được đo trên phần tuyến tính của tầm hoạt động của máy thu như sau:

Trong các radar băng L băng thông có thể được tìm từ 1/độ dài xung = 333.3KHz

=55.2 dB Hz Giả sử hệ số nhiễu cho máy thu là 3 dB, mức nhiễu trung bình là N = k.T0.B = -204 + 3 + 55.2 = 145.8 dB W

2.3 Radar theo dõi

2.3.1 Sự theo dõi

Một radar theo dõi liên tục do tọa độ của mục tiêu di động để xác định hướng đi của nó và dự đoán nó sẽ đi đâu Sự bám theo có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thông tin khoảng cách, góc hay độ dịch doppler, nhưng bám theo bằng thông tin góc là một đặc điểm đặc trưng của một radar theo dõi

Các radar quan sát cũng có thể xem là radar theo dõi vì chúng tạo một ước lượng

vị trí mục tiêu mỗi khi bộ quét hướng về hướng đó – quá trình này gọi là theo dõi trong khi quét (track – while – scan ) Tuy nhiên độ chính xác do radar cung cấp đặc biệt là

về góc không phù hợp với vài mục đích Ngược lại radar theo dõi được dành cho một mục tiêu và quan sát nó liên tục với độ chính xác cao

Trang 30

Antenna của các radar theo dõi luôn đối mặt với mục tiêu để giữ nó trong trung tâm của chùm tia và vì vậy đạt được S/N cực đại Nếu mục tiêu chệch ra khỏi trung tâm của chùm tia, đều này sẽ làm sinh ra một sai áp, được khuếch đại và đưa vào một động

cơ servo để lái antenna về mục tiêu Góc ngẫng và góc phương vị của mục tiêu sau đó được đọc từ bộ cảm biến góc Đây là một trong những mặt chính của việc thiết kế một radar theo dõi

2.3.2 Tạo búp liên tiếp ( Sequential lobing) và sự quét hình nón

a) Tạo búp liên tiếp

Chuyển qua lại nhiều vị trí chùm tia hay tạo búp liên tiếp là một trong những phương pháp đầu tiên được sử dụng để thu thông tin góc của mục tiêu Một antenna sẽ

có hai chùm tia được đặt hơi lệch về phía bên trái so với đường trung tâm và máy thu sẽ chuyển qua lại nhanh giữa chúng Nếu mục tiêu dường như trở nên lớn hơn ở chùm bên trái, antenna sẽ được lái sang trái cho đến khi tín hiệu bằng nhau ở cả hai bên trở lại Tương tự hai chùm tia được đặt lệch đứng để chỉnh góc ngẫng

Một lựa chọn để bước theo chùm antenna quanh hướng của mục tiêu là quay nó liên tục Ta có thể mô phỏng tác động này bằng cách chỉ tay thẳng ra một vật thể xa và

di chuyển cánh tay theo các vòng tròn nhỏ quanh vật thể Mỗi lần quay vòng tay ta sẽ đến gần vật thể hơn Nếu đây là một hệ thống vô tuyến, Chúng ta sẽ nhận được tín hiệu lớn hơn về vị trí và thông tin có thề được sử dụng đúng để chỉnh hướng antenna

b) Sự quét hình nón

Các radar quét hình nón thường xử lí 10 xung hay nhiều hơn cho một vòng quay, nhưng dù vậy chúng cũng gặp các bất lợi như tạo búp liên tiếp vì RCS của mục tiêu có thể thay đổi giữa các xung

2.3.3 Radar đơn xung

Các vấn đề về sự biến đổi từ xung này qua xung khác trong biên độ tiếng dội có thể được khắc phục bằng cách sử dụng đồng thời nhiều hơn một chùm tia để đo vị trí góc của mục tiêu trên một xung đơn Kĩ thuật này được gọi là theo dõi đơn xung (monopulse tracking) Theo dõi đơn xung có thể lợi dụng thông tin biên độ từ antenna, thông tin pha hay cả hai để đạt độ chính xác cao hơn hai hệ thống búp liên tiếp và quét hình nón Một thuận tiện khác của radar đơn xung, về nguyên lý, là một mục tiêu có thể được định vị từ việc đo đạc một xung đơn, hữu ích khi radar bị gây nhiễu và mục tiêu không chỉ được xem xét thoáng qua

Trang 31

Các hệ thống đơn xung đơn giản nhất là các radar đơn xung so sánh biên độ (amplitude – comparion monopulse radar) Hai chùm tia antenna được đặt lệch nhau một góc và các ngõ ra được nối với mạch hybrid, mạch sẽ tạo các tín hiệu tổng Σvà hiệu Các tín hiệu này được đưa vào một cặp máy thu thích ứng, được trộn với một tần số thấp hơn và được khuếch đại

Hình 2.4 Sơ đồ khối của một hệ thống Radar đơn xung so sánh biên độ

Kênh tổng tạo ra một chùm tia kết hợp tín hiệu công suất với hai chùm riêng rẽ

và vì vậy có một tỉ số S/N được cải thiện Chùm tia này dùng để phát hiện mục tiêu và

đo thông tin khoảng cách doppler Tuy nhiên chùm tổng cộng hơn các chùm đơn nên không thích hợp cho việc đo góc

Kênh hiệu tạo ra một sai áp gần tỉ lệ với độ dời góc của mục tiêu từ bore – sight,

và ngõ ra không thu được gì khi biên độ tiếng dội giống nhau trong cả hai chùm tia antenna Fading của tiếng dội xảy ra bằng nhau trong cả hai chùm tia và vì vậy nó không ảnh hưởng đến sự so sánh này ngoại trừ độ kém chính xác thường tỉ lệ ở tỉ số S/N thấp

Bộ tách sóng nhạy pha (phase – sensitive detector) được dùng để xác định hướng

mà động cơ servo lái antenna về phía mục tiêu

Trang 32

Hình 2.5 Các mô hình chùm tia Antenna trong tọa độ Đề các

Một hệ thống đơn xung khác là đơn xung so sánh pha (phase–comparision monopulse) Hai antenna được gắn kề nhau và song song nhau và bằng cách so sánh khác biệt về pha của hai ngõ ra, thông tin góc có thể suy được

Trang 33

2.3.4 Độ chính xác tracking và Agility tần số

Ở khoảng cách xa, một mục tiêu thường được xem như là một chất điểm và độ chính xác về góc của radar theo dõi bởi cả hai yếu tố điện cơ liên quan đến việc điều khiển antenna bằng cách quay bánh răng và tỉ số S/N của việc đo đạc của radar Dù dùng phương pháp theo dõi nào thì :

Agility tần số là quá trình thay đổi tần số radar từ xung này đến xung khác Kỹ thuật này có các thuận lợi đáng kể mặc dù làm tăng tính phức tạp của hệ thống radar Các điểm lợi đó là :

Giảm ồn góc (angle noise): Bởi vì tổng phức của các thành phần từ các mặt tán

xạ mục tiêu cá thể thay đổi từng xung và có thể thực hiện sự ước lượng trung bình chính xác hơn khi dùng trọng tâm của mục tiêu

Giảm ảnh hưởng đa đường (multipath effect) : bởi vì sự thay đổi của bước sóng làm thay đổi vị trí mà tại đó xãy ra giao thoa tiêu cực

Sự cản trở lớn hơn các biện pháp đối phó về điện tử giống như các radar hoạt động ở tần số lẻ

Các tần số được chọn phải đủ cách xa để có các số đo không tương quan, nghĩa

là tối thiểu chúng phải cách nhau một băng thông radar Nếu kích thước đặc tính của mục tiêu range là l, cách biệt tần số f phải thỏa mãn :

2

c f

l

≥

Trang 34

Chương 3: Xử lý tín hiệu và dữ liệu trong Radar Trang 21 HV: Nguyễn Thiên Tân

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ DỮ LIỆU TRONG RADAR

3.1 Sự phân bố của tín hiệu cộng nhiễu

Giả sử một thành phần tín hiệu có mặt ở ngõ vào máy thu Chúng ta biết rằng nếu tín hiệu bị làm trễAu t( −τd) đi vào máy thu cùng với nhiễu cộng n(t) thì output được cho bởi :

trong đó v (t) và n (t) là các số hạng tín hiệu và nhiễu trong output Vì tại thời diểm quyết định người sử dụng không biết τd hay thật sự là có một tín hiệu có mặt hay không, tất cả những gì có thể nói là nếu có một tín hiệu có mặt thì phân bố output tại thời điểm t là Gaussian, nhưng với một trị trung bình chưa biết v(t) Do đó người ta quyết định cố gắng phân biệt hai trường hợp có thể có trên cơ sở của sự quan sát ở thời diểm t :

Chỉ có nhiễu : PDF (Probability Density Function hàm mật độ xác suất) của một

mấu đơn lẻ và gaussian trung bình bằng 0 ( zero- mean), với variance 2

2

h m

( )

( )2

2 2

1exp(

22

y

m m

y V

p y

σπσ

Trang 35

Hai điều mà chúng ta có thể thấy từ hình vẽ :

Một ngưỡng đơn giản là cách tốt nhất để phân cách hai trường hợp

Giá trị v t( ) σm càng lớn cơ hội quyết định đúng càng tốt

3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ( SNR)

Ở đây cần chúng ta cần nói ‘rộng ra’ một chút để phân loại các khái niệm của SNR

Có hai định nghĩa được sử dụng rộng rãi trong các tài liệu mà thường không có sự phân biệt rõ ràng giữa chúng Đối với một vết điện áp y(t) = f(t) + n(t) bao gồm thành phần tín hiệu (được tích phân trên khoảng thời gian T) trên năng lượng mong muốn trong nhiễu trong cùng khoảng thời gian,

trong đó E s, E n : tương ứng là năng lượng tín hiệu và nhiễu

Với nhiễu trung bình zero có cong suất trung bình σ , năng lượng nhận được trong 2

thời gian T là Tσ , để mà định nghĩa có thể viết lại : 2

Đây là SNR được tính bằng cách sử dụng phương trình radar trong các chương trước Định nghĩa thứ hai so sánh giá trị tức thời của tín hiệu với công suất nhiễu RMS,

2 '

2

( )

v t SNR

σ

(Vài tác giả còn dùng v t( ) σ) Định nghĩa này thích hợp nhất khi khảo sát các

tín hiệu băng gốc (baseband) Hai định nghĩa này là tương đối bởi và trong thưc tế, các

tín hiệu băng gốc thực sự sẽ là hình bao của một tín hiệu IF Đối với các khoảng thời gian ngắn so với tốc độ thay đổi của hình bao (nghĩa là ngắn hơn nhiều so với 1/B, trong đó B là băng thông của sự điều chế băng gốc), tín hiệu IF có thể được viết Vcos(ω0t) trong đó đường bao băng gốc có giá trị tức thời V Do đó

2 ' 2

V SNR

Trang 36

Chú ý rằng, cả hai định nghĩa này không có công dụng mô tả tỉ số S/N trước máy thu, bởi vì ở giai đoạn này chúng ta xem nhiễu như có một băng thông rất lớn và vì thế

có công suất tổng cộng rất lớn (với nhiễu trắng, công suất này thường đựoc xem là vô hạn) Chỉ sau khi đi qua máy thu (hay băng thông nhiễu được làm giảm bằng cách nào đó) SNR mới trở nên có ý nghĩa, bởi vì công suất nhiễu lúc đó là NE h/ 2 Hình dưới đây cho thấy rằng khi SNR tăng toàn bộ PDF tín hiệu cộng nhiễu di chuyển về bên phải Điều này có hàm ý rằng cơ hội quyết định đúng khi tín hiệu đo được giữ ngưỡng cũng tăng lên

3.3 Phân chia xử lý tín hiệu và xử lý data

Độ tin cậy và giá thành thấp của kỹ thuật điện tử số hiện đại đã làm một bước tiến mới trong kỹ thuật radar.Trong nhiều năm qua, bộ biến đổi A/D dưa máy thu xích lại gần antenna, ngày càng thay thế điện tử tương tự bằng các phần cứng số và phần mềm máy tính Hoạt động kỹ thuật này có hai mục tiêu : loại bỏ clutter không mong muốn càng nhiều càng tốt, và tách được mục tiêu từ clutter và nhiễu còn lại

Mục tiêu của chương này là nghiên cứu quá trình xử lý dữ liệu và tín hiệu theo sơ đồ khối:

Hình 3.2 Xử lý data và tín hiệu trong hệ thống radar hiện đại

Nhưng chúng ta không thể bắt đầu cho tới khi chúng ta hiểu về tính chất của clutter

mà chúng ta cố gắng lọc bỏ Rõ ràng nghiên cứu clutter mặt đất trở nên quan trọng

trước khi chúng ta bắt đầu xử lý tín hiệu

3.4 Tính chất của clutter

Tiêu biểu, clutter phát sinh từ vùng mặt hay khối rộng được chùm chính hay một trong các búp trên của antenna rọi tới Giả sử clutter có cùng số thống kê như nhiễu

Trang 37

nhiệt ở tầng tiền tách sóng Sau khi tách sóng hình bao, các giá trị clutter có phân phối Rayleigh :

2

2 exp 2 2

c

c c p

Các điều kiện như thế thường đúng trong trường hợp clutter thời tiết hay bụi (chaff )

Với các điều kiện này các giá trị lớn hơn của clutter xảy ra thường hơn so với mong đợi

từ phân phối Rayleigh, để mà sự báo động giả sẽ xảy ra thường xuyên hơn ngoại trừ khi ngưỡng tách sóng được nâng lên

Các phân tích của tốc độ tách sóng/báo động giả cho các clutter không phải là phân phối Gaussian đòi hỏi một mô hình cho clutter và các PDF tín hiệu cộng clutter ở tần tách sóng

Khi các mục tiêu được tìm bởi radar đang di động, thông tin doppler cũng được sử dụng để phân biệt chúng với clutter Điều này phức tạp bởi vì có nhiều dạng clutter như mặt biển, thực vật bị gió thổi, bụi và mây mưa cũng di động và thế cũng sinh ra hiệu ứng doppler Do đó, phổ clutter thường trãi từ tần số doppler zero Trong hầu hết các trường hợp phổ này có thể xử lý như có hình gaussian :

( ) ( )

2 2 0

0 /a 2V rms 0 /c

để mà a = 2c/V rms

Trang 38

3.5 Quá trình chỉ báo mục tiêu di động

Hầu hết các hệ thống radar cần vài dạng của sự xử lý doppler để lọc bỏ clutter và vì thế phát hiện được các mục tiêu di động nhanh hơn Ngày nay những bộ lọc như thế được thực hiện bằng số hoặc như vài dạng của giải thuật biến đổi Fourier nhanh (FFT)

hay như là một hệ thống các bộ lọc ngang (transversal filter)

Trong xử lý tín hiệu số, data f(t) được lấy mẫu ở các khoảng thời gian rời rạc được

tách biệt bởi nấc thời gian (timestep) cố định∆t Điều này làm phát sinh tín hiệu số { }f t với f t = f l t( ) ∆ Các bộ lọc ngang lấy tổng có trong số các khối có chiều dài M của các data được lấy mẫu để cho ra :

0

M l

p l p l l

Nguyên lý của MTI như hình vẽ :

Hình 3.3 Sơ đồ khối của quá trình MTI

Trang 39

Mỗi tiếng dội từ một range gate cho trước được trừ một cách kết hợp với tiếng

dội trước đó từ range gate đó bị làm trễ Nếu không có gì thay đổi, sự xóa bỏ xảy ra, mà hoàn toàn không có mặt của nhiễu Nếu tiếng dội đã hơi thay đổi pha do sự di động thì

sự xóa này sẽ kém hoàn toàn hơn

Tác động của sự xóa hai xung trên clutter có thể được lượng hóa bởi hệ số tắt dần clutter :

2

rms

c CA

Trang 40

3.6 Xử lý quá trình biến đổi Fourier nhanh (FFT )

Các bộ lọc ngang và MTI thường được hiệu chỉnh để vô hiệu hóa các clutter chuyển động Tòan bộ ý tưởng MTI là hướng đến việc loại bỏ clutter theo cách này để mà mục tiêu chỉ còn phải cạnh tranh với nhiều hệ thống

Một mục tiêu khác là tập trung vào hướng mục tiêu bằng cách phát triển mọt bộ lọc đặc biệt mà chỉ cho phép mục tiêu đi qua Mục tiêu sau đó được tách trong một băng thông hẹp nhất có thể có, để giảm tối thiểu nhiễu Không may là cho đến khi mục tiêu

bị phát hiện, chúng ta không biết tốc độ của nó và không thể thiết kế các bộ lọc Lời giải cho tình huống khó khăn này là sử dụng một bank các bộ lọc, chỉ gối lên nhau, để

mà mục tiêu phải xuất hiện trong một trong những bộ lọc đó

Có nhiều cách để tạo một bank bộ lọc, kể cả các phương pháp analog, nhưng ngày nay cách nhanh nhất là sử dụng giải thuật FFT Để thực hiện viêc này, một bộ mẫu từ một cửa cự ly cố định được thu nhập, sử dụng xung sẵn có trong một scan đơn.Ta có :

1 exp(j .l.T) d

trong đó t là chu kỳ lấy mẫu

DFT của chuỗi này là :

Từ phương trình này ta có thể tìm được tần số dopper ωd

Để tìm sự cải thiện SNR từ quá trình này, ta viết f1=u1+n1 trong đó u1và n1 là các

số hạng tín hiệu và nhiễu trong chuỗi vào Dùng DFT, ta được :

Định dạng
Số trang	163
Dung lượng	8,24 MB