Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài rada sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ được viết dựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Phạm Thành Công

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Nghiên cứu,

thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự

hướng dẫn của TS.Phạm Thành Công

Mọi thông tin và số liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng đúng luật bản quyền quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2012 Học viên

Vũ Thị Hân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Lịch sử nghiên cứu 10

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11

4 Tóm tắt nội dung luận văn 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ THUẬT ĐỐI VỚI ĐÀI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG 13

1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không 13

1.2 Phân loại các đài ra đa 16

1.2.1 Phân loại theo công dụng 16

1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật 17

1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới 19

1.4 Các yêu cầu chiến – kỹ thuật cơ bản đối với đài ra đa cảnh giới 21

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG 23

2.1 Khái niệm – Phân loại – Ưu điểm của tín hiệu dải rộng 23

2.1.1 Khái niệm 23

2.1.2 Phân loại 24

2.1.3 Các ưu điểm của tín hiệu dải rộng 25

2.2 Thiết bị thu khi xử lý tương quan bằng bộ lọc phối hợp 26

2.2.1 Bộ lọc phối hợp và đặc tính xung của nó 27

2.2.2 Đặc tính tần số của bộ lọc phối hợp 29

2.2.3 Dạng tín hiệu ở đầu ra bộ lọc tối ưu 31

2.2.4 Tỷ số tín/tạp ở lối ra bộ lọc tối ưu 34

2.2.5 Lọc tối ưu tín hiệu điều tần tuyến tính 35

2.3 Các dạng tín hiệu điều chế tần số và đặc trưng của nó 38

2.3.1 Tín hiệu điều tần tuyến tính (LFM) 38

2.3.2 Tín hiệu điều tần theo luật chữ V 42

2.3.3 Chuỗi mã M 44

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH TRONG BỘ LỌC PHỐI HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT FFT 47

3.1 Đặc điểm xây dựng các hệ thống hình thành xung điều tần tuyến tính 47 3.1.1 Hệ thống hình thành xung ĐTTT theo phương pháp thụ động 47

3.1.2 Hệ thống hình thành xung ĐTTT bằng phương pháp chủ động 48

3.1.3 Đặc điểm xây dựng các hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ trong ra đa phát xạ xung điều tần tuyến tính 49

3.2 Phân tích thuật toán và xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp 49

3.2.1 Phân tích thuật toán 51

3.2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp 52

3.3 Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT 53

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG ĐÀI RA ĐA SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH 56

4.1 Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của BLPH 57

4.2 Công cụ phần mềm thiết kế bộ lọc phối hợp 57

4.3 Thiết kế BLPH sử dụng kỹ thuật FFT 66

4.4 Import chương trình thiết kế trên vào phần cứng 68

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FPGA Field Programmable Gate Array Mạng cổng lập trình

LFM Linear Frequency Modulation Điều tần tuyến tính

CW radar Continous Wave radar Ra đa phát xung liên tục FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược FFT

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

VHDL VHSIC Hadware Description

Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống ra đa 13

Hình 1.2 Phân loại các đài ra đa 16

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới 21

Hình 2.1 Dạng tín hiệu và đặc tuyến xung cần có của bộ lọc phối hợp 29

Hình 2.2 Bộ lọc tính mô đun tích phân tương quan 29

Hình 2.3 Dạng đặc tuyến biên độ - tần số và đặc tuyến pha – tần số của BLTU 31

Hình 2.4 Đồ thị minh họa hiện tượng cộng pha của các hài trong BPH 33

Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian giữ chậm của bộ lọc vào tần số 36

Hình 2.6 Bộ lọc làm trên dây giữ chậm tán sắc 37

Hình 2.7 Dạng tín hiệu đầu ra bộ lọc tối ưu tín hiệu điều tần 38

Hình 2.8 Tín hiệu điều tần tuyến tính và đầu ra sau bộ lọc nén 40

Hình 2.9 Giản đồ bất định của xung điều tần tuyến tính 42

Hình 2.10 Tín hiệu điều tần hình chữ V và qui luật điều chế 43

Hình 2.11 Giản đồ bất định của xung điều tần hình chữ V 43

Hình 2.12 Sơ đồ mạch tạo chuỗi mã M 45

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc đơn giản tuyến hình thành và phát xạ xung điều tần tuyến tính theo phương pháp thụ động 47

Hình 3.2 Phương pháp thụ động hình thành xung điều tần tuyến tính 48

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị hình thành xung điều tần tuyến tính theo phương pháp tích cực 49

Hình 3.4 Sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số trong xung tín hiệu phản xạ 50

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc đài ra đa hình thành xung phát xạ điều tần tuyến tính theo phương pháp thụ động và thu nén xung nhờ sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số và bộ lọc mã 51

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp 53

Hình 4.1 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp 56

Hình 4.2 Tín hiệu đầu ra bộ lọc phối hợp khi có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu 57

Hình 4.3 Tài nguyên Xillinx Blockset Blockset trong thư viện Matlab Simulink 58

Hình 4.4 Một chương trình thiết kế trong môi trường phần mềm Matlab Simulink 61 Hình 4.5 Sơ đồ khối mức cao của Board ML605 63

Hình 4.6 Hình ảnh của Board ML605 64

Hình 4.7 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp 64

Hình 4.8 Mô đun tạo giả tín hiệu 65

Hình 4.9 Mô hình bộ nhân 66

Hình 4.10 Mô đun thực hiện FFT 66

Hình 4.11 Mô đun IFFT 67

Hình 4 12 Mô phỏng kết quả của bộ lọc phối hợp 67

Hình 4 13 Kết quả biên dịch từ phần mềm Matlab tạo ra một chương trình trong Xillinx 68

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt của khoa học kỹ thuật đặc biệt

là kỹ thuật điện tử - tin học đã làm thay đổi về cơ bản nội dung cũng như chất lượng của các thiết bị điện tử Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử đã cho phép chế tạo được các IC tổ hợp lớn và những dạng tín hiệu phức tạp cũng bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực vô tuyến viễn thông, ra đa, điều khiển Tín hiệu phức tạp

đã đáp ứng được các yêu cầu rất cao về tính năng kỹ, chiến thuật cần có của một hệ thống thiết bị ra đa hiện đại Ứng dụng chủ yếu của ra đa liên tục sử dụng tín hiệu phức tạp là quan sát, phát hiện các mục tiêu bay, xác định khoảng cách và vận tốc của mục tiêu so với trạm ra đa liên tục Những năm gần đây, đã xuất hiện nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ ra đa liên tục trong các lĩnh vực như: ra đa cảnh giới tầm trung, ra đa kiểm soát biên giới, ra đa đo sơ tốc đạn pháo, ra đa đo bám quỹ đạo đạn, ra đa kiểm soát các phương tiện giao thông…

Ở nước ta, các thiết bị ra đa sử dụng trong quân đội chủ yếu vẫn là các loại ra đa xung được trang bị từ những năm 70 của thế kỷ trước theo công nghệ của Liên Xô trước đây Hiện tại, một số cơ sở nghiên cứu trong quân đội cũng đã được trang bị một

số loại ra đa liên tục nhưng khả năng ứng dụng còn ở mức độ hạn chế

Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc phối hợp dùng

trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ với những nội dung cụ thể

sau:

- Tìm hiểu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính

- Tìm hiểu tổng quan về bộ lọc phối hợp

- Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

Với lòng biết ơn chân thành, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Phạm

Thành Công đã tận tình chỉ bảo và có những đóng góp quý báu, giúp đỡ em trong suốt

quá trình làm luận văn Và cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy,

cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông nói riêng và Trung tâm đào tạo sau đại học, các

đồng nghiệp nói chung đã dạy bảo và cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong

quá trình học tập tại trường Cảm ơn gia đình, bạn bè đã khích lệ, ủng hộ tôi trong

những năm qua

Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 06 năm 2012 Học viên thực hiện

Vũ Thị Hân

Đặc điểm chung của các đài ra đa đó là sử dụng tín hiệu phức tạp, kết hợp bài toán xử lý ứng dụng công nghệ hiện đại

Xu hướng chung của các đài ra đa hiện nay là phát xạ tín hiệu phức tạp, ứng dụng công nghệ cao trong việc xử lý tín hiệu số đã đáp ứng được cơ bản các yêu cầu phức tạp mà các đài ra đa thế hệ cũ không đáp ứng được

Với xu hướng đó việc phát triển nghiên cứu để chế tạo ra một bộ lọc phối hợp ứng dụng được trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính là cần thiết

2 Lịch sử nghiên cứu

Tháng 3/2012: Nghiên cứu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính và phần

mềm dùng trong thiết kế

Tháng 4/2012: Nghiên cứu tổng quan về bộ lọc phối hợp dùng trong các đài ra

đa hiện nay

Tháng 5/2012: Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính bằng phần mềm Xillinx kết hợp với Matlab

Tháng 6: Hoàn thiện nội dung luận văn và viết luận văn

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu về ứng dụng của tín hiệu dải rộng, cụ thể là tín hiệu điều tần tuyến tính trong thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng trong các đài ra đa

4 Tóm tắt nội dung luận văn

Chương I: Tổng quan về cấu trúc và yêu cầu chiến – kỹ thuật đối với ra đa cảnh giới phòng không

Giới thiệu sơ bộ về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, phân loại các đài ra

đa và sơ đồ tổng quát của một đài ra đa cảnh giới

Chương II: Tổng quan về tín hiệu dải rộng và bộ lọc phối hợp

Tìm hiểu về khái niệm, phân loại và ưu, nhược điểm của tín hiệu dải rộng so với tín hiệu đơn xung; tìm hiểu sơ bộ về bộ lọc phối hợp: đặc tính tần số, tín hiệu đầu ra cũng như tỷ số tín/tạp của bộ lọc phối hợp

Chương III: Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật FFT

Giới thiệu về thuật toán xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp

và đưa ra mô hình tổng quát về một bộ lọc phối hợp cần thiết kế

Chương IV: Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính

Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của bộ lọc phối hợp, giới thiệu tổng quan

về công nghệ phần mềm sử dụng trong luận văn, đó là phần mềm Xllinx kết hợp với Matlab Mô phỏng và đưa ra các kết quả mô phỏng về bộ lọc phối hợp

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Tổng qua về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, tìm hiểu về tín hiệu điều tần tuyến tính và bộ lọc phối hợp

Nghiên cứu công nghệ: Tìm hiểu về Xillinx kết hợp với Matlab để xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp

Chương I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ THUẬT

ĐỐI VỚI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG 1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không

Hệ thống ra đa cảnh giới phòng không là nhóm cấu trúc các phương tiện kỹ thuật vô tuyến điện được bố trí theo những quy tắc nhất định trên lãnh thổ, có liên hệ chức năng với nhau để giải quyết nhiệm vụ thu thập, xử lý và cung cấp thông tin ra đa

về các mục tiêu trên không

Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ra đa như sau:

Hình 1.1: Hệ thống ra đa

Các phương tiện kỹ thuật vô tuyến điện trong hệ thống trên bao gồm:

- Các phương tiện ra đa,

- Các phương tiện xử lý thông tin ra đa,

- Các phương tiện truyền thông tin ra đa

Thông tin ra đa do hệ thống này tạo ra dùng để đánh giá tình hình không phận

và giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Phát hiện và phân phối các mục tiêu trên không,

- Xác định hỏa lực và phương tiện phòng không cần thiết,

- Chỉ thị mục tiêu cho các tổ hợp tên lửa phòng không,

- Dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu cần tiêu diêt

Mối liên hệ chức năng giữa các phương tiện trong hệ thống với nhau nhằm tạo

ra mạng ra đa có khả năng quan trắc toàn diện vùng không gian cần quản lý, mà thực chất là tạo ra những đặc trưng chất lượng mới, cho phép giải quyết những nhiệm vụ mà không một đài ra đa riêng lẻ nào có thể giải quyết được Đạt được như thế, trước hết là

do không còn những hạn chế về kích thước hình học vùng quan sát, gây ra do độ cong của Trái đất Các phần tử của hệ thống ra đa có thể bố trí trên những địa điểm xác định của lãnh thổ, cho phép tránh được những khó khăn về mặt nguyên lý xuất hiện khi cần quan sát vùng không gian rộng lớn trên lãnh thổ

Những ưu điểm chính của hệ thống ra đa:

- Cho phép nhận được thông tin đầy đủ và có độ chính xác cao về mục tiêu nhờ

xử lý các thông tin đơn lẻ thu từ các đài ra đa chủng loại khác nhau làm việc ở những tần số khác nhau và ở các vị trí xa nhau

- Tăng xác suất phát hiện mục tiêu

- Việc trao đổi thông tin về mục tiêu giữa các đài ra đa với nhau cho phép tăng

- Hệ thống có khả năng đối phó thích nghi với những tình huống “chiến tranh điện tử” khác nhau, cho phép giảm nhỏ ảnh hưởng của nhiễu tự nhiên hoặc nhân tạo, giảm hiệu quả của các phương tiện trinh sát điện tử và chống ra đa của đối phương

Tín hiệu (bao gồm cả tín hiệu có ích và nhiễu) thu được từ máy thu của ra đa thứ

i (i = 1,2, ,I) mang thông tin về mục tiêu thứ j (j = 1,2, ,J) nào đó trong không gian, khi mục tiêu này được chiếu xạ bởi tín hiệu phát từ máy phát của ra đa thứ k (k = 1,2 ,K) trong hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, về mặt toán học có thể biểu diễn dưới dạng hàm của thời gian y(t), hoặc dưới dạng ma trận ba chiều:

(1.1) Nhiệm vụ của các phương tiện xử lý thông tin ra đa là phải tách được các tín hiệu có ích từ tập hợp các tín hiệu Yijk(t) đã thu được, hợp nhất các tín hiệu của cùng một mục tiêu, tổng hợp thông tin nhận được từ các tín hiệu đã hợp nhất, ước lượng các tham số về chuyển động của từng mục tiêu, biến đổi thông tin thành dạng thích hợp và cung cấp cho nơi sử dụng tin Quá trình xử lý thông tin ra đa thường phân đoạn thành 3 cấp: xử lý cấp 1, xử lý cấp 2, xử lý cấp 3

1.2 Phân loại các đài ra đa:

Hình 1.2 : Phân loại các đài ra đa

1.2.1 Phân loại theo công dụng

- Phát hiện xa các mục tiêu trên không (ra đa cảnh giới): để trinh sát phát hiện các mục tiêu trên không ở cự ly xa Loại đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương

vị của mục tiêu với độ chính xác vừa phải Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất sơ lược Công suất phát của đài lớn

- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu đó (ra đa cảnh giới và dẫn đường): là khâu cung cấp thông tin chủ yếu trong hệ thống dẫn đường cho máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay tiêm kích, ra đa cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xác

đủ đảm bảo dẫn đường thành công

- Ra đa phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp Ra đa loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc dm, có thiết bị áp chế nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động

- Ra đa chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không cần có cự ly tác dụng

đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa lực phòng không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất Thông tin ra đa (về cả

3 tọa độ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sao

- Ra đa chuyên dụng: chẳng hạn như ra đa có độ chính xác cao, ra đa dùng để phủ vùng nón mù đỉnh đầu

1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật:

Có thể chia các ra đa theo dải sóng, theo phương pháp ra đa, theo phương pháp

đo cự ly, theo số lượng kênh ra đa độc lập

* Tần số làm việc của ra đa có thể thuộc dải tần như bảng dưới đây Ra đa HF lợi dụng sự phản xạ sóng ở tầng đối lưu và tầng điện ly để phát hiện các mục tiêu trong đường chân trời Ra đa dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân trời Các ra đa cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m(10  1m), dm (10 – 1 dm), và cm (10 – 1cm)

*Theo phương pháp ra đa:

Các phương tiện ra đa, nếu xét theo phương pháp ra đa, có thể bao gồm các loại

ra đa sau:

- Ra đa chủ động có trả lời thụ động Loại ra đa này là nguồn cung cấp chủ yếu thông tin ra đa hiện nay Nguyên lý làm việc của nó dựa trên sự chủ động phát tín hiệu cao tần chiếu xạ vào các mục tiêu và thu các tín hiệu phản xạ thụ động từ chúng

- Ra đa chủ động có trả lời chủ động để phát hiện và nhận biết các máy bay ta có trang bị máy trả lời tương ứng

- Ra đa thụ động phát hiện và định vị mục tiêu dựa trên việc thu các bức xạ vô tuyến riêng của các mục tiêu (như bức xạ vô tuyến của mục tiêu, bức xạ vô tuyến từ các thiết bị kỹ thuật vô tuyến điện của mục tiêu, )

* Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: ra đa bức xạ xung

và ra đa bức xạ liên tục Ra đa bức xạ xung có ưu điểm chính: đơn giản việc đo cự ly,

về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và thu Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu (đặc biệt khi cần đo độ chính xác cao) Ra đa bức xạ liên tục liên tục cho phép

tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn Nhược điểm này của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số

1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới:

Dưới đây là sơ đồ cấu trúc tổng quát của các đài ra đa cảnh giới làm việc theo phương pháp ra đa chủ động Các đài ra đa này cần đảm bảo:

- Hình thành tín hiệu phát xạ có cấu trúc định trước và bức xạ định hướng sóng điện từ vào không gian

- Thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu,

- Phát hiện mục tiêu, đo tọa độ và các tham số về chuyển động của nó

Muốn vậy trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của loại đài ra đa này cần có các hệ thống sau:

- Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ,

- Hệ thống anten để bức xạ định hướng tín hiệu phát và thu các tín hiệu phản xạ

Để tạo ra hình dạng vùng quan sát cần thiết và đảm bảo khả năng xác định các tọa độ góc của mục tiêu cần tiến hành quét búp sóng anten (theo phương pháp cơ điện hoặc điện tử) trong các mặt phẳng tương ứng

- Hệ thống xử lý tín hiệu thu nhằm cực đại hóa chất lượng phát hiện mục tiêu khi có tác động của các loại nhiễu khác nhau Hệ thống này gồm các thiết bị: khuếch đại, lọc phối hợp, tích lũy tín hiệu, chống nhiễu tiêu cực và chống nhiễu tích cực

- Hệ thống phát hiện, đo tọa độ và cac tham số chuyển động của mục tiêu Trong các ra đa phát hiện mục tiêu bằng mắt và đọc tọa độ trên màn hiện sóng thì đó là hệ thống “hiện sóng – trắc thủ”, còn trong ra đa tự động phát hiện và lấy tọa độ mục tiêu thì đó là các máy tính điện tử chuyên dụng

- Hệ thống anten phát làm việc cùng với hệ thống tạo tín hiệu phát, tạo thành tuyến hình thành và bức xạ tín hiệu phát Còn hệ thống anten thu làm việc cùng với hệ thống xử lý tín hiệu thu, tạo thành tuyến thu và tách tín hiệu khỏi nhiễu Cấu trúc và các tham số của hai tuyến này quyết định các đặc trưng quan trọng nhất của đài ra đa

- Hệ thống đồng bộ, đảm bảo đồng bộ hoạt động của tất cả các tuyến và các hệ thống trong đài ra đa,

- Hệ thống điều khiển kiểm tra và bảo vệ các chế độ làm việc của đài, cho phép chọn chế độ tối ưu trong những tình huống nhiễu cụ thể,

- Hệ thống nguồn cấp điện cho đài ra đa,

- Các hệ thống và thiết bị phụ, đảm bảo hoạt động bình thường của các tuyến và các hệ thống chính trong đài (như hệ thống thông gió và làm nguội máy, hệ thống bảo

vệ quá tải, thiết bị khử ghép )

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới

1.4 Các yêu cầu chiến – kỹ thuật cơ bản đối với ra đa cảnh giới

Để thực hiện có hiệu quả các nhiệm vụ phức tạp và đa dạng, đài ra đa cần thỏa mãn những yêu cầu nhất định Các yêu cầu này thường chia thành hai loại: yêu cầu chiến thuật và yêu cầu kỹ thuật

Hệ thống chỉ tiêu sử dụng để đánh giá khả năng chiến đấu của đài ra đa và tiến hành các tính toán chiến thuật được gọi là các đặc trưng chiến thuật của đài, và bao gồm:

- Thành phần của thông tin ra đa,

- Vùng quan sát (hình dạng vùng và các tham số của nó),

- Độ chính xác của thông tin,

- Khả năng phân biệt theo các tọa độ,

- Khả năng thông tin,

- Khả năng chống nhiễu,

- Độ tin cậy,

- Khả năng dung hòa điện từ,

- Các đặc trưng cơ động (thời gian triển khai và thu hồi, thời gian nối và tắt máy, độ cơ động )

Thông tin mà ra đa đưa ra cần có các thành phần sau đây:

- Tọa độ không gian của mục tiêu,

- Tên quốc gia hoặc cơ quan, đơn vị sở hữu mục tiêu,

- Đặc tính của mục tiêu (đơn hay nhóm) và thành phần định lượng của mục tiêu nhóm,

-Các dạng nhiễu tạo ra và cường độ của chúng

Chương II: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG 2.1 Khái niệm – Phân loại – Ưu điểm của tín hiệu dải rộng

2.1.1 Khái niệm

Trong các đài ra đa chủ động, toàn bộ thông tin về một mục tiêu đều ẩn chứa trong các tham số của các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu đó, các tín hiệu này được hình thành do bức xạ thứ cấp của mục tiêu, khi mục tiêu đó bị chiếu xạ bởi tín hiệu được phát xạ từ đài ra đa Đài ra đa có thể phát tín hiệu liên tục, tín hiệu tựa liên tục, tín hiệu xung (chuỗi xung vô tuyến tuần hoàn chu kỳ T) Chuỗi xung vô tuyến có thể tương quan (pha đầu như nhau hoặc thay đổi theo quy luật biết trước) hoặc không tương quan (pha đầu ngẫu nhiên) Các đài ra đa xung thường sử dụng loại xung vô tuyến sau đây:

- Xung vô tuyến đơn giản: không có điều chế tần số mang trong xung

- Xung vô tuyến mà sóng mang trong xung bị điều chế ( điều tần hoặc điều pha,…) theo một quy luật thì được gọi chung là tín hiệu phức tạp hay tín hiệu dải rộng

Trong ra đa, để làm tăng độ chính xác tới hạn đo cự ly cần sử dụng các tín hiệu phát với phổ rộng, bởi vì độ chính xác tới hạn đo cự ly σR liên quan với độ chính xác tới hạn đo thời gian giữ chậm στ qua biểu thức:

Tuy nhiên khi công suất đỉnh của xung phát bị hạn chế thì sự giảm độ rộng xung phát sẽ dẫn tới làm giảm năng lượng bức xạ và do đó giảm cự ly phát hiện của ra đa Đồng thời, khi giảm độ rộng xung thì khả năng phân biệt theo tốc độ hướng tâm Δv cũng bị giảm vì: V = 0,6/x ( với λ là bước sóng làm việc của ra đa)

Có thể khắc phục mâu thuẫn này nếu mở rộng phổ xung phát không phải bằng cách thu hẹp độ rộng xung mà bằng cách điều chế tần số hay pha của dao động mang trong độ rộng xung, tức là sử dụng tín hiệu dải rộng (tín hiệu phức tạp hay tín hiệu giả tạp)

Để đặc trưng cho tính chất “đơn giản” hay “phức tạp” của tín hiệu thường dùng giá trị B = F x

Đối với tín hiệu dải rộng thì tích của độ rộng phổ F với độ rộng xung τx, tức là đáy của tín hiệu B (hay còn gọi là hệ số nén xung), là rất lớn hơn 1:

B = F τx >>1 (2.2) Còn đối với tín hiệu dải hẹp thì B = F τx 1

2.1.2 Phân loại

Có nhiều dạng điều chế tần số hay pha dao động trong độ rộng xung và cũng có rất nhiều tài liệu khác nhau đề cập đến các dạng khác nhau Tuy nhiên theo tài liệu đã nghiên cứu thì có thể tạm thời chia tín hiệu phức tạp thành các dạng sau:

- Tín hiệu điều tần

- Tín hiệu nhiều tần số

- Tín hiệu điều pha

- Tín hiệu tần số rời rạc (tín hiệu có tần số được mã hóa theo qui luật mã nào đó)…

Trong đó, đối với kỹ thuật ra đa thì hai dạng tín hiệu hay đề cập đến đó là tín hiệu điều tần và tín hiệu pha nhảy nấc nhị phân hay điều pha ma-níp (ĐPMN) vì kỹ thuật thực hiện chúng đơn giản hơn

2.1.3 Các ưu điểm của tín hiệu dải rộng:

Trong việc nghiên cứu xử lý các tín hiệu phức tạp đã chỉ rõ ràng việc sử dụng tín hiệu phức tạp cho phép đạt được một loạt ưu điểm so với dạng tín hiệu xung đơn Đó là:

- Trong các đài ra đa xung thông thường để nâng cao khả năng phân biệt theo cự ly cần phải giảm độ rộng xung phát xạ, do công suất đỉnh bị hạn chế bởi độ bền điện cho phép của thiết bị phát và hệ thống anten phi đơ nên điều đó dẫn đến giảm năng lượng phát nghĩa là làm giảm cự ly phát hiện của đài ra đa

Việc sử dụng phát tín hiệu phức tạp và kỹ thuật thu xử lý nén xung cho phép xây dựng các đài ra đa có khả năng phân biệt rất cao mà không làm giảm cự ly phát hiện của đài

- Việc nâng cao khả năng phân biệt của đài nhờ sử dụng tín hiệu phức tạp dẫn tới:

+ Tăng khả năng chống nhiễu tiêu cực dạng phân bố

+ Giảm xác suất bị mất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu do thăng giáng bề mặt phản

xạ hiệu dụng của nó (chẳng hạn do khả năng phân biệt cự ly rất cao, kích thước của mục tiêu có thể trùm lên vài lần phần tử phân biệt theo cự ly, khi đó khó xảy ra mất đồng thời tín hiệu phản xạ từ tất cả các phần tử phân biệt đó)

- Ngoài ra, do việc dùng tín hiệu phức tạp sẽ làm tăng đáng kể khả năng tác chiến của ra đa trong điều kiện có nhiễu tích cực, vì việc dùng tín hiệu phản xạ dẫn tới:

Gây khó khăn cho đối phương nếu muốn tạo nhiễu tạp tích cực ngụy trang vì, dải phổ nhiễu càng rộng thì đòi hỏi công suất trung bình của máy phát nhiễu càng lớn

để nhận được mật độ phổ công suất nhiễu cần thiết để chế áp đài ra đa

Nhiễu ngụy trang dải hẹp có thể bị mất hiệu quả bởi vì bằng cách lọc chặn dễ dàng loại bỏ được nó mà vẫn không làm mất tín hiệu có ích

- Một ưu điểm đáng kể nữa của đài ra đa sử dụng tín hiệu phức tạp là nó cho phép nâng cao đáng kể độ chính xác đo cự ly của mục tiêu bay

Tuy nhiên cùng với việc sử dụng tín hiệu phức tạp dạng này hay dạng khác là yêu cầu kỹ thuật cụ thể của quá trình xử lý không đơn giản như yêu cầu về đồng bộ, về lọc nén với việc giảm bướu khi xuất hiện khi xử lý nén tín hiệu

2.2 Thiết bị thu khi xử lý tương quan bằng bộ lọc phối hợp

Như đề cập ở trên, độ phân biệt cự ly trong ra đa có thể trở nên tốt hơn khi dùng xung rất ngắn Tuy nhiên khi dùng xung ngắn thì mức trung bình của công suất phát sẽ

bị suy giảm, điều đó có thể gây trở ngại cho sự hoạt động của các kiểu ra đa thông thường Mức trung bình công suất phát có liên quan trực tiếp tới tỷ số tín/tạp của máy thu Mong muốn đó được giải quyết bởi sự tăng thêm của độ rộng xung (tương đương tăng mức trung bình công suất phát) đồng thời duy trì độ phân biệt cự ly thích hợp Điều này có thể hợp lý hóa bằng cách dùng kỹ thuật nén xung Nén xung cho phép chúng ta hoàn tất mức công suất trung bình của một độ dài xung tương đối cho đến khi đạt được độ phân biệt cự ly đối với xung ngắn

Ở đây ta xét đến sự nén xung được thực hiện bởi sự kết hợp giữa kỹ thuật điều tần tuyến tính trong độ rộng xung ở thiết bị phát và sử dụng bộ lọc phối hợp ở thiết bị thu phối hợp để nén tín hiệu thu được

2.2.1 Bộ lọc phối hợp và đặc tính xung của nó

Trước hết, ta xét cho trường hợp tín hiệu có các tham số đã biết hoàn toàn, mục

tiêu ở cự ly cho trước , thời gian giữ chậm là tgc:

toàn có thể thực hiện bằng một bộ lọc tuyến tính có đặc tính xung hopt(t) là ảnh gương

của tín hiệu C.x(t) qua trị số t = t0/2 với C là một hằng số tùy ý, t0 là thời gian giữ chậm

tín hiệu trong bộ lọc:

hopt(t) = C.x(to-t) (2.5) Thực vậy, với một bộ lọc bất kỳ có đặc tính xung h(t), thì khi có tác động tín

hiệu y(t) ở đầu vào, ở đầu ra của nó ta sẽ nhận được tín hiệu

Vì đặc tính xung h(t) chỉ khác không khi t>0, do vậy với mọi t-s <0, tức là với

s>t thì hàm h(t-s) = 0 Do đó, ta có thể viết biểu thức trên dưới dạng:

Như vậy, bộ lọc có đặc tính xung dạng (2.5) khi có tác động ở đầu vào tín hiệu y(t) sẽ cho ở đầu ra tại thời điểm t0 + tgc tín hiệu chỉ sai khác với hàm tương quan một hằng số C Bộ lọc như vậy gọi là bộ lọc phối hợp với tín hiệu x(t), hay gọi tắt là bộ lọc phối hợp Nó hoàn toàn có thể thay thế hàng ngàn kênh của máy thu tương quan Bởi thế, nó còn mang tên khác là bộ lọc tối ưu

Trong xử lý bằng máy thu: tin tức về đối tượng cần phát hiện (tín hiệu phản xạ) chứa trong tín hiệu chuẩn; còn trong xử lý bằng bộ lọc phối hợp tin tức chứa ngay trong đặc tuyến xung của bộ lọc

Ta thấy rằng, xử lý tương quan vạn năng hơn vì muốn dùng nó để phát hiện tín hiệu khác chỉ cần thay đổi tín hiệu chuẩn tương ứng còn bộ lọc phối hợp nếu không có khả năng thay đổi cấu trúc của mình chỉ dùng phát hiện được một loại tín hiệu là ảnh gương đặc tuyến xung của nó Tuy nhiên, vì đặc tuyến xung không phụ thuộc vào thời gian giữ chậm tgc nên nó có thể dùng phát hiện tín hiệu với mọi giá trị tgc- Ta nói rằng

bộ lọc bất biến với tham số tgc Trong khi đó một kênh máy thu tương quan chỉ dùng được với một giá trị tgc xác định Nhưng bộ lọc phối hợp chỉ bất biến với một tham số

tgc nhưng không bất biến với các tham số khác như Fd chẳng hạn Tuy vậy, dù chỉ bất biến với một tham số tgc, một bộ lọc phối hợp có thể thay cho hàng ngàn kênh máy thu tương quan Đó cũng chính là một ưu điểm nổi bật của nó

Như đã nói ở trên, đặc tuyến xung của bộ lọc phối hợp là ảnh gương của tín hiệu qua điểm t = t0/2 Trong đó t0 chính là thời gian giữ chậm tín hiệu trong bộ lọc (vì tín hiệu vào x(t – tgc) cho cực đại ở đầu ra chỉ ở thời gian (t0 + tgc) Hình 2.1 cho ta dạng tín hiệu và đặc tính xung của bộ lọc phối hợp đối với một số giá trị của t0

Hình 2.1: Dạng tín hiệu và đặc tuyến xung cần có của bộ lọc phối hợp

Trên hình 1 cho thấy, nếu t0 < x thì đặc tuyến xung của bộ lọc phối hợp phải khác không ngay từ khi t<0 Điều này không thể thực hiện được Bởi vậy, khi xây dựng bộ lọc phối hợp cần chọn t0  x

Người ta đã chứng minh được rằng, bằng cách thêm vào một bộ tách sóng biên

độ ta có thể dùng bộ lọc này để tính mô đun tích phân tương quan z() nghĩa là dùng

nó để phát hiện tín hiệu có các tham số pha ban đầu ngẫu nhiên và biên độ ngẫu nhiên

Ứng dụng đối với bộ lọc phối hợp, từ biểu thức (2.5) và (2.11) ta dễ dàng nhận được:

Như vậy, đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc tối ưu chỉ sai khác với phổ biên

độ của tín hiệu có ích một thừa số không đổi C 0 Kết luận này cho thấy bộ lọc tối ưu cho qua những thành phần phổ tín hiệu lớn hơn tốt hơn (theo nghĩa hệ số truyền lớn hơn) so với các thành phần phổ tín hiệu yếu hơn Hay nói cách khác, bộ lọc tối ưu tách những thành phần mang tin nhiều nhất của phổ tín hiệu và chế áp cùng với nhiễu những thành phần phổ mang ít tin (hình 2 3a)

2.2.3 Dạng tín hiệu ở đầu ra bộ lọc tối ưu

Ta sẽ xác định dạng tín hiệu có ích ở đầu ra bộ lọc tối ưu qua phổ của nó Ta có mối liên hệ giữa phổ tín hiệu ở đầu ra và đầu vào:

gra(f) = gv(f).Kopt(f) (2.19) Nếu phổ tín hiệu có ích x(t) với thời gian giữ chậm tgc = 0 là:

g(f) = ejφ(f) (2.20) Thì tín hiệu bị giữ chậm t = tgc có phổ là:

gv(f) = e-j2πftgc g(f) = ej

Như vậy ta sẽ có:

gra(f) = C 2.e-j2πf(tgc +t0) (2.22) Dùng biến đổi ngược Furie ta nhận được dạng tín hiệu ở đầu ra thông qua phổ của nó:

w(t) = gra(f).ej2πft.df = C 2.ej2πf (t- tgc – t0) df (2.23) Dùng công thức Ơle và chú ý rằng tích phân của hàm lẻ (sinx) bằng không, ta nhận được:

w(t) = C 2.cos2πf (t – tgc –t0).df (2.24) Biểu thức trên cho ta thấy tín hiệu lối ra là tổng của các hài thành phần phổ tín hiệu đầu vào và không phụ thuộc vào phổ pha của tín hiệu này Điều này có được do việc chọn đặc tuyến pha của bộ lọc tối ưu Ta cũng thấy rằng, những hài thành phần phổ tín hiệu bị chậm pha hơn sẽ ít bị giữ chậm hơn (độ dịch pha nhỏ hơn) trong bộ lọc tối ưu Kết quả là tất cả các hài của phổ tín hiệu với trọng số tương ứng được cộng cùng pha tại t =tgc + t0 và cho trị số cực đại

Hình 2.4: Đồ thị minh họa hiện tượng cộng pha của các hài trong bộ lọc phối hợp

W(t) = 2.df = C.϶ = wmax với t = t0 + tgc (2.25)Trong đó:

2.2.4 Tỷ số tín/tạp ở lối ra bộ lọc tối ưu:

Theo định nghĩa tỷ số của giá trị cực đại của tín hiệu có ích ở đầu ra và độ lệch trung bình bình phương σ của nhiễu được gọi là tỷ số “tín/tạp” theo điện áp

Phương sai σ2 của nhiễu ở đầu ra bộ lọc có thể tính qua mật độ phổ N(f) của nó theo công thức:

σ2 = 2 df (2.26) Nếu nhiễu là tạp “trắng” thì N(f) = N0 = const và:

σ2

n = N0.C2 2 df = C2N0϶/2 (2.27) Như vậy ta sẽ có:

Như vậy:

- Tỷ số tín/tạp ở lối ra bộ lọc tối ưu chỉ phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu có ích

và mật độ phổ của nhiễu mà không phụ thuộc vào dạng tín hiệu và qui luật điều chế các tham số của nó

- Ta sẽ chứng minh thêm rằng so với các bộ lọc tuyến tính khác, bộ lọc phối hợp cho tỷ số tín/tạp ở lối ra của nó lớn nhất

Thực vậy, với các đặc tuyến tần số A(f) và B(f) bất kỳ, bất đẳng thức Bunhiacopxki có dạng:

Nếu chọn:

A(f) = K(f) .exp (-j2πf (t0 + tgc) B(f) = g(f) (2.29) Khi đó ta có:

2.2.5 Lọc tối ưu tín hiệu điều tần tuyến tính

Theo hình dưới đây, nếu coi quy luật giữ chậm nhóm trong tín hiệu điều tần tuyến tính là đường liền nét, thì bộ lọc tối ưu đối với tín hiệu này chính là một dây giữ chậm có thời gian giữ chậm phụ thuộc vào tần số theo quy luật ngược lại (đường đứt nét)

Hình 2.5: Sự phụ thuộc thời gian giữ chậm của bộ lọc vào tần số