Để ổn định tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu, trong điều kiện dải động đầu vào lớn, trong tất cả các máy thu vô tuyến người ta thường phải sử dụng kết hợp các biện pháp: hạn chế công suất t[r]
Trang 1NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH DẢI ĐỘNG MÁY THU CÁC ĐÀI RADAR ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC THẾ HỆ MỚI
Vũ Hỏa Tiễn1, Trần Ngọc Quý2, Lê Văn Sâm3*
Tóm tắt: Trong bài báo này đề xuất nghiên cứu một hệ tự động điều khiển thu –
phát khép kín qua hệ thống máy phát, nhằm mục đích tự động hóa hoàn toàn quá trình ổn định dải động đài radar điều khiển hỏa lực thế hệ mới, khi cự ly mục tiêu thay đổi trong dải rộng Bài báo đã phân tích những vấn đề mang tính nguyên lý, đã khảo sát một số đặc trưng quan trọng của hệ thống máy thu một loại đài radar điều khiển hỏa lực (ПН-30H6E) thế hệ mới hiện có trong trang bị, trên cơ sở của bộ dữ liệu thực của các tham số để dẫn ra cơ sở xây dựng luật điều khiển máy phát Đây
là cơ sở ban đầu để hình thành hệ tự động thu – phát nói trên
Từ khóa: Radar điều khiển hỏa lực, Bộ điều khiển máy phát, Ổn định dải động máy thu
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các đài radar thế hệ mới nói chung và các đài radar điều khiển hỏa lực (PПН) nói riêng, công suất tín hiệu thăm dò không gian thường không thay đổi [1], [2] Vấn đề này gắn liền với giá trị dải động đầu vào máy thu sẽ rất lớn, do sự thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trong một dải cự ly (R)từ hàng trăm xuống chỉ còn vài km Mặt khác, một trong những yêu cầu chính của máy thu các đài radar là sự ổn định biên độ tín hiệu mục tiêu ở đầu ra so với một giá trị cho trước [2] Yêu cầu đó nhằm bảo đảm độ tin cậy cho các thuật toán phát hiện hay xác định tọa độ mục tiêu.Yêu cầu ổn định biên độ tín hiệu đầu ra máy thu hoàn toàn đồng nghĩa với yêu cầu ổn định tỷ số tín/tạp (S/N) trong bài toán phát hiện, nếu như ta coi mức tạp âm của máy thu là không thay đổi
Để ổn định tỷ số tín/tạp đầu ra máy thu, trong điều kiện dải động đầu vào lớn, trong tất
cả các máy thu vô tuyến người ta thường phải sử dụng kết hợp các biện pháp: hạn chế công suất tín hiệu đầu vào bằng các bộ suy giảm (SGTH); tự động thay đổi hệ số khuếch đại máy thu (mạch APY); điều chỉnh khuếch đại bằng tay (PPY);tự động điều chỉnh khuếch đại theo thời gian (BAPY);…Trong các biện pháp đó, việc thay đổi khuếch đại bằng tay (PPY) và suy giảm tín hiệu (SGTH) tuyến thu các đài radar hiện nay vẫn là quá trình chưa hoàn toàn tự động hóa, tức là vẫn có sự can thiệp của con người
Từ góc độ khác, nếu khảo sát quy luật thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trong dải động đầu vào máy thu, ta nhận thấy quy luật thay đổi hệ số suy giảm và khuếch đại của máy thu lànhữnghàm phi tuyến Nếu xét trên toàn dải động, tính tới tính phi tuyến của đặc trưng khuếch đại của máy thu, thì tín hiệu đầu
ra nhìn chung sẽ bị méo, thông tin về các tọa độ mục tiêu sẽ bị sai lệch, điều này không nên có đối với các radar điều khiển hỏa lực
Tự động thu hẹp dải động, tuyến tính hóa đặc trưng khuếch đại máy thu đài radar điều khiển hỏa lực bảo đảm sự ổn định tỷ số tín/tạp đầu ra, trong điều kiện cự
ly tới mục tiêu thay đổi trong dải rộng là vấn đề rất đáng quan tâm Đặc biệt là vấn
đề này nếu được giải quyết trên cơ sở xây dựng một hệ thống tự động điều chỉnh lại càng có ý nghĩa khoa học và thực tế
Trang 22 PHÂN TÍCH CƠ SỞ XÂY DỰNG TUYẾN THU – PHÁT
TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH DẢI ĐỘNG THEO TỶ SỐ TÍN/TẠP
Tuyến thu-phát của một đài radar điều khiển hỏa lực hiện đại có sơ đồ cấu trúc rút gọn như trên hình 1 [4]
Theo cấu trúc hệ thống thu - phát như trên hình 1, ta thấy rõ ràng hệ thống không là hệ tự động điều chỉnh Cụ thể là phần máy phát làm việc theo chế độ và quy luật riêng bởi máy tính trung tâm và không được khép kín với máy thu Nếu đặt vấn đề khép kín hai hệ thống máy phát và máy thu thành hệ tự động điều chỉnh thì ta cần giải quyết những vấn đề sau:
- Một là phải khảo sát và xây dựng đặc trưng dải động đầu vào máy thu, tức là quy luật thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (hoặc thay đổi của tỷ số S/N) phụ thuộc vào cự ly mục tiêu thay đổi
- Hai là xây dựng đặc trưng khuếch đại của máy thu trên cơ sở bài toán phát hiện tín hiệu mục tiêu trên nền tạp, tức là đặt điều kiện tỷ số S/N ở đầu ra máy thu không thay đổi trong toàn dải cự ly mục tiêu
- Ba là xây dựng thuật toán điều khiển máy phát tín hiệu dò không gian trên cơ sở của đặc trưng khuếch đại của máy thu Thuật toán và bộ điều khiển máy phát đài radar khi đó đóng vai trò vòng hồi tiếp âm, có tác dụng ổn định dải động đầu vào máy thu, thông qua đó ổn định khuếch đại toàn tuyến, trong đó có cả tỷ số S/N ở đầu ra
Cấu trúc mới của hệ thống thu – phát của đài radar điều khiển hỏa lực sẽ là cấu trúc của một hệ tự động ổn định tỷ số S/N như trên hình 2 Đối tượng điều khiển của hệ là máy phát xung dò không gian, được khép kín qua không gian tới đầu vào máy thu bởi khâu phản hồi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Đặc điểm của
hệ hở như hình 1 là có hệ số truyền (hệ số khuếch đại) thay đổi phi tuyến, vì vậy hệ cũng là phi tuyến Nguyên nhân làm cho đặc trưng khuếch đại của hệ thống phi tuyến là sự có mặt của bộ SGTH có hệ số thay đổi nhảy bậc và có điều chỉnh
khuếch đại bằng tay (PPY)
Hình 1 Mô hình cấu trúc hệ thống thu-phát quan sát mục tiêu đài radar РПН
Trong đó: KĐCT Khuếch đại cao tần; Bộ SGTH Bộ suy giảm tín hiệu; KĐTT -Khuếch đại trung tần; ABT - Bộ tự động báo động (phát hiện mục tiêu) theo tỷ số
8dB
Trộn
3
Lọc
R -V
KĐTT
2
Trộn
2
KĐTT
1
Trộn
1
Hiện hình
Bộ
24dB
Từ máy tính trung tâm
f ns3
f ns2
Xung chọn R
KĐCT
Máy phát
KĐTT3 Mục tiêu
PPY
Trang 3Hình 2 Mô hình cấu trúc hệ tự động điều khiển thu – phát quan sát mục tiêu
2.1 Khảo sát xác định dải động tín hiệu đầu vào máy thu
Công suất tín hiệu đầu vào máy thu được xác định bởi công thức nguyên lý radar [1],[3]:
2
'
px
P G G P
Trong đó: Ppx – biên độ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ở đầu vào máy thu; Pp - công suất đỉnh xung máy phát;Gp,Gt- hệ số khuếch đại anten phát và thu tương ứng; - bước sóng; mt - diện tích phản xạ hiệu dụng (PXHD) của mục tiêu; ,’- hiệu suất truyền năng lượng từ máy phát đến anten và từ anten về máy thu; R(t)- cự lytớimục tiêu, hàm theo thời gian;L - tổng mất mát, suy giảm trên đường truyềncủa hệ thống
Theo số liệu tham khảo từ đàiРПН[4], ta có: Pp=75kW; Gp=Gt=43dB; =3cm;
=0.8; ’=0.9; R=(5÷300)Km; L=10dB Nếu chọn cố định một loại mục tiêu là
B-1 với diện tích PXHD là mt=10m2, thì kết quả khảo sát theo (1) khi cự ly mục tiêu thay đổi từ 300km đến 5km ta nhận được dải động đầu vào máy thu, đặc trưng cho thay đổi công suất tín hiệu phản xạ như trên hình 3
Hình 3 Dải động tín hiệu đầu vào máy thu quan sát đài РПН
8dB
Trộn
3
Lọc
R -V
KĐTT
2
Trộn
2
KĐTT
1
Trộn
1
Bộ
24dB
f ns3
f ns2
Xung chọn R
KĐCT
Máy phát
KĐTT3 Mục tiêu
Bộ
S/N Luật
ĐK
R
Tín hiệu ĐK
PPY
Trang 4Theo số liệu khảo sát, khi cự ly mục tiêulà 300km, thì tín hiệu phản xạ có công suất nhỏ nhất làPpx_min=-149.2dB, xác định độ nhạy thực tế của máy thu Khi cự ly mục tiêu là 5km, tín hiệu phản xạ có công suất cực đại làPpx_max=-78.1dB, xác định mức quá tải của máy thu
trong điều kiện công suất đỉnh xung dò và diện tích PXHD của mục tiêu không thay đổi (Pp=const., σ=const.) có giá trị khá lớn.Đặc trưng của dải động là phi tuyến
2.2 Khảo sát đặc trưng khuếch đại của tuyến thu đài РПН
Đối với mỗi tuyến thu vô tuyến bất kỳ, phương pháp xác định hệ số khuếch đại tổng có dạng sau:
out Σ in
U
K =
U theo yêu cầu duy trì: Uout=U =const.0 (2)
Trong đó:KΣ- hệ số khuếch đại của toàn tuyến thu; Uin, Uout- biên độ tín hiệu tương ứng với đầu vào và đầu ra máy thu
Hệ số khuếch đại toàn tuyến xác định bằng biểu thức:
N
i=1
K =K ; i=1,2,3, ,N (3) Với i là chỉ số của các tầng xử lý tín hiệu của máy thu, tính từ đầu vào
Về nguyên tắc, đối với bất kỳ máy thu nào Uout cần phải ổn định ở một mức xác định để đảm bảo cho các thiết bị khác (hệ thống hiện hình, hệ tọa độ,…) hoạt động Trong khi đó, như thể hiện ở hình 3, Uin thay đổi trong dải động D tương đối lớn Chính vì vậy hệ số khuếch đại toàn tuyến nhất thiết phải thay đổi theo quy luật ngược với quy luật dải động để ổn định Uout
Trong thực tế, các đài radar và đài РПН thường sử dụng các mạch: SGTH; BAPY, APY; PPY để thay đổi KΣ, ổn định Uout Trong số các mạch đó, chỉ có mạch BAPY và APY là tự động điều chỉnh khuếch đại Các mạch còn lại là điều chỉnh bằng tay hay nhảy bậc Dưới đây là sơ đồ tuyến thu thực tế của đài РПН [4], thể hiện sự phân bố các phần tử điều chỉnh khuếch đại, bao gồm cả các bộ suy giảm số (Digital)
Hình 4 Sơ đồ phân bố hệ số khuếch đại của tuyến thu đài РПН
Bit 5 Вit 4 Вit 3 Bit 2 Bit 1
KĐCT (K 1 )
KĐTT sơ bộ(K 2 )
BSG-I (K 3.1 -K 3.3 )
KĐTT (I, II) (K 4.1 K 4.2 )
KĐTT-III (K 5 )
BSG-II (Digital) (K 6.1 -K 6.5 )
IV (K 8 )
BSG-III (Digital) (K 7 )
0.5dB; 1dB; 2dB; 4dB; 8dB
ABT/Hiện hình
U out
U in
Trang 5Nếu coi hệ số của các mạch truyền và biến đổi tín hiệu trong tuyến thu là 1, thì
hệ số khuếch đại tổng KΣ của tuyến thu đài РПН theo (3) và hình 4 được xác định
cụ thể như sau:
8
i=1
K =K ; i=1,2,3, ,8 (4) Trong đó cần lưu ý là hệ số suy giảm khuếch đại của các bộ suy giảm (BSG) trong (4) chỉ lấy một trong những giá trị rời rạc (Ki.j) xác định Hệ số suy giảm của BSG-III được điều chỉnh tự động nhờ mạch APY theo nguyên lý số (Digital Control) Khi đó K7 được xem như thay đổi tuyến tính
Theo thuyết minh đài РПН [4], hệ số khuếch đại toàn tuyến thay đổi bởi:
- Các tầng khuếch đại với hệ số cố định K1.K2.K4.1.K4.2.K5.K8;
- Các BSG nhảy bậc bằng tay và số: (K3.1÷K3.3); (K6.1÷K6.5);
- APY số tác động làm thay đổiK7[data(APY)]
Hệ số khuếch đại toàn tuyến thu thay đổi trong dải 71dB, phù hợp với dải động
Hệ thống APY cho phép thay đổi hệ số khuếch đại trong khoảng 11,5dB khi dữ liệu 5bit thay đổi từ 00000 đến 10000.BSG-I, dạng Attenuator, đầu vào máy thu suy giảm tín hiệu tương ứng với các mức 8dB, 18dB, 24dB khi chuyển mạch [4]
Sử dụng dữ liệu dải động đầu vào đã khảo sát (hình 3), cố định hệ số khuếch đại toàn tuyến (KΣ=const.) xác định theo (4), tính tới tham số của đài РПН, ta nhận được đặc trưng thay đổi biên độ tín hiệu (hay S/N) ở đầu ra máy thu (Uout) trên toàn dải cự ly như trên hình 5
Hình 5 Quy luật tín hiệu đầu ra máy thu quan sát đài РПН khi chưa được ổn định
Như đã nêu, máy thu radar РПН cần ổn định biên độ tín hiệu đầu ra (Uout=const.), tức là ổn định tỷ số S/N ở mức cho trước, khi đó quy luật thay đổi công suất tín hiệu trên hình 5 cần được thu hẹp và tuyến tính trên toàn dải động 71.1dB đầu vào (hình 3), tương ứng với cự ly mục tiêu thay đổi trong dải (5-300)km Nếu như Uout máy thu cần ổn định ở mức 3V (1dB)tương đương với S/N=1.2, theo biểu thức (2), kết quả khảo sát dải động(hình 3) và các mức chuyển
hệ số suy giảm tín hiệu trong tuyến thu đài РПН [4], ta xây dựng được đặc tuyến khuếch đại như trên hình 6
Trang 6Từ hình 6 rút ra 3 nhận xét sau:
- Đặc trưng khuếch đại máy thu(hình 6) bao gồm các đoạn thẳng gấp khúc, tương ứng với các giai đoạn thay đổi hệ số suy giảm (HSSG) và hệ số khuếch đại (HSKĐ) bằng tay PPY
- Phần tuyến tính trong các đoạn là đặc trưng tự động điều chỉnh khuếch đại của hệ thống APY
- Đặc trưng khuếch đại là phi tuyến, có dạng ngược so với đặc trưng dải động thể hiện ở hình 3
Hình 6 Đặc trưng khuếch đại máy thu đài РПН trong dải cự ly mục tiêu
2.3 Biện luận cơ sở xây dựng luật điều khiển máy phát để thu hẹp dải động máy thu
Căn cứ vào những kết quả đã khảo sát như đặc trưng dải động D (hình 3), đặc trưng khuếch đại K (hình 6), biểu thức (1) xác định công suất (Ppx) tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và giá trị cho trước của tỷ số S/N (hay biên độ Uout), ta có cơ sở để thu hẹp dải động máy thu đến mức trong hệ thống khi đó chỉ cần duy trì duy nhất mạch APY
Cơ sởổn định dải động D trước hết phải dựa trên nguyên lý thay đổicông suất tín hiệu phản xạ (1) phụ thuộc vào các tham số: công suất đỉnh xung dò Pp đầu ra máy phát; diện tích PXHD; quy luật thay đổi cự ly R(t) của mục tiêu.Tức là ta cần tìmraquy luật điều khiển máy phátdựatrên cơ sở sự phụ thuộccông suất tín hiệu phản xạ vào cự ly mục tiêu vàyêu cầu tỉ số S/N đầu ra máy thu (F(R,S/N)) như trên hình 2 thể hiện
Quy luật F(R,S/N) có thể tìm được dựa trên cơ sở quy luật thay đổi HSKĐ tuyến thu đã khảo sát ở hình 6 Như vậy để xây dựng luật điều khiển máy phát xung dò F(R, S/N) của hệ thống, bằng phương pháp nào đó ta cần xấp xỉ (approximation) đặc trưng khuếch đại của tuyến thu Hàm F(R, S/N) sẽ được hình thành trên cơ sở tham chiếu hàm khuếch đại xấp xỉ với các tham số tức thời R và S/N của tuyến
Dưới đây bài báo sẽ trình bày hai phương pháp xấp xỉ đặc trưng khuếch đại GCA (Gain CharacteristicApproximation) theo phép nội suy hàm số và lý thuyết Fuzzy Logic
2.3.1 Sử dụng phép nội suy hàm số
Trang 7Từ đặc trưng dải động ở hình 3, đặc trưng khuếch đại máy thu ở hình 6 và giá trị dải làm việc của APY, PPY, SGTH [4], hoàn toàn có thể tìm được tọa độ các điểm gấp khúc (điểm đánh dấu thời điểm bật suy giảm) trên đặc trưng ở hình 6 như bảng 1
Bảng 1 Thống kê các điểm bật suy giảm trong tuyến thu theo cự ly mục tiêu
Sử dụng phép nội suy hàm số [5] có thể tìm ra hàm số GCA theo bảng 1 Tuy nhiên, để đồ thị hàm GCA bám sát đường đặc trưng hình 5 cần bổ sung một số điểm lân cận các điểm trong bảng 1 Kết quả thu được biểu thức (5)
GCA = f(R) =-1,145.10-20R10+1,96.10-17R9-1,46.10-14R8+6,2.10-12R7-1,65.10-9R6++
2,89.10-7R5-0,33.10-4R4 + 0,25.10-2R3- 0.12R2+3.57R-15.18 (5) Đặc trưng GCA nhận được sau nội suy trong dải R=(5-300)km, S/N=1.2 là đường cong nét đứt màu đỏ thể hiện trên hình 7 Rút ra nhận xét là đặc trưng GCA theo nội suy hàm số trơn hơn đặc trưng khuếch đại (đường liền màu xanh) ban đầu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp GCA này là để đạt độ chính xác cao so với đường chuẩn, hàm nội suy phải có bậc khá cao, trong trường hợp trên hình 7 là hàm bậc 10.Đây là một trở ngại liên quan tới yêu cầu thời gian thực khi giải các thuật toán điều khiển cho trang bị, nó đòi hỏi hệ thống tính toán có cấu hình rất cao, tốc độ tính toán lớn
Hình 7 Đặc trưng khuếch đại xấp xỉ (GCA) của máy thu РПН theo nội suy hàm số
2.3.2 Sử dụng lý thuyết Fuzzy Logic
Để tìm hàm FLA (Fuzzy Logic Approximation ) theo lý thuyết Fuzzy Logic [6], ta cũng sử dụng dữ liêu bảng 1 để xây dựng thuật toán bộ điều khiển mờ với tín hiệu vào
là cự ly R, đầu ra là khuếch đại xấp xỉ FLA Các bước cơ bản bao gồm:
- Mờ hóa đầu vào và đầu ra:
Theo bài toán, đầu vào bộ điều khiển mờ là cự ly (R) và đầu ra là FCA Tập mờ đầu vào là 6 biến tương ứng với 6 giá trị R trong bảng 1: Rất gần (RG): 5km; gần vừa (GV): 17,86km; gần (G): 50,36km; trung bình (TB): 79,8km; Xa (X): 154,75km; rất xa (RX): 300km với dạng các hàm liên thuộc như hình 8