Nghiên cứu hệ thống radar mimo và định vị mục tiêu di động sử dụng hàm ambiguity

Trong đó tác giả đã dẫn ra các lý thuyết có liên quan cùng với các kỹ thuật được sửdụng trong một hệ thống radar, đồng thời các tác giả cũng đề cập đến các kỹthuật được dùng để phát hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống radar MIMO và định vịmục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity” là công trình nghiên cứu của riênghọc viên

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần là lýthuyết cơ bản về kỹ thuật radar, một phần là các nghiên cứu về radar MIMO

đã được công bố hiện nay tại các trường Đại học và các bài báo trên tạp chícủa Viện kỹ thuật công nghệ điện - điện tử IEEE Phần còn lại là nghiên cứuứng dụng và mô phỏng hàm Ambiguity định vị mục tiêu di động là nghiêncứu của học viên

Quy Nhơn, ngày 15 tháng 9 năm 2019

Học viên

Nguyễn Thanh

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi muốn cám ơn thầy hướng dẫn của tôi, TS Đào Minh Hưng,người đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình trong suốt thời gian tôi làm luận vănnày Thầy đã dạy tôi mọi thứ tôi cần để trở thành một nhà nghiên cứu như làsáng tạo, suy nghĩ sâu sắc và các kỹ năng trình bày ý tưởng và viết bài Thầycũng là một quý ông hoàn hảo, luôn tốt bụng, lịch sự và ân cần Thầy là mộthình mẫu hoàn hảo và tôi đã học được rất nhiều

Tôi cũng muốn cảm ơn đến các giảng viên trong Khoa Kỹ thuật và Côngnghệ, các bạn cùng lớp Kỹ thuật viễn thông K20 Đây thực sự là một tập thểtuyệt vời khi học tập, làm việc và nghiên cứu cùng nhau

Ngoài ra, tôi cũng muốn cảm ơn cha mẹ tôi vì tình yêu và sự ủng hộ của

họ cho cả cuộc đời tôi Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến người vợ đángyêu Nguyễn Thị Vân Anh vì sự đồng hành và tình yêu của cô ấy

ra MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống MIMO có thể xem nhưmột hệ thống ghép nhiều kênh con một đầu vào một đầu ra SISO (SingleInput Single Output) hay hệ thống đơn anten Mô hình MIMO cơ bản đó làghép kênh phân chia không gian SM (Spatial Multiplexing) và mã hóa khônggian thời gian STC (Space Time Coding) Mã hóa không gian thời gian đượcdùng để làm tối đa phân tập không gian trong các kênh MIMO[1] MIMO sửdụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để mở thêm các kênh truyền trongmiền không gian Do các kênh song song được mở ra cùng thời gian, cùng tần

số, nên đạt được tốc độ dữ liệu cao mà không cần băng thông lớn Nói mộtcách khác là nhờ sử dụng nhiều phần tử anten ở cả phía phát và phía thu, mà

kỹ thuật này cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số cho hệ thống thông tin vôtuyến, cải thiện tốc độ dữ liệu, dung lượng kênh truyền cũng như độ tin cậy sovới các hệ thống truyền thông đơn anten bằng cách xử lý theo cả hai miềnkhông gian và thời gian Với tính năng nổi trội đã nêu ở trên, kỹ thuật MIMOcũng đã nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống radar nhằm để tăng dung lượng

và hiệu qủa xác định vị trí mục tiêu được gọi là hệ thống radar MIMO

Vào khoảng giữa thế kỷ 20 Giáo sư Philip Mayne Woodward đã pháttriển một kỹ thuật định hình chùm tia toán học cho anten radar, sau này trởthành tiêu chuẩn trong phân tích tín hiệu liên lạc[15] Thành tựu chính củaông về radar là đánh giá sự nghi ngờ vốn có trong tất cả các tín hiệu radar vàcho thấy xác suất Bayes có thể được sử dụng như một phần của quá trình thiết

kế để loại bỏ tất cả những thông tin không mong muốn trong tín hiệu phảnhồi Công trình nghiên cứu của Woodward về lý thuyết thông tin radar đãđược công nhận là đi trước thời đại nhiều năm và đã cho thấy sự hiểu biết tiêntri về những gì sẽ xảy ra trong việc áp dụng xác suất thống kê để phục hồi dữliệu từ tín hiệu phản hồi Ngày nay các nhà nghiên cứu đã ứng dụng các côngtrình của Woodward vào kỹ thuật radar hiện đại để tăng xác suất phát hiệnđịnh vị mục tiêu di động

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trên thế giới ngày càngquan tâm nhiều đến các kỹ thuật radar và mở rộng nghiên cứu ứng dụng choradar MIMO Trong đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khácnhau như bài toán dung lượng kênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền,bài toán mã hóa không gian thời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian.Tài liệu [4], tác giả mô tả các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật radar Tàiliệu [17],[6], các tác giả đã mô tả các vấn đề cơ bản của radar MIMO Trong

đó tác giả đã dẫn ra các lý thuyết có liên quan cùng với các kỹ thuật được sửdụng trong một hệ thống radar, đồng thời các tác giả cũng đề cập đến các kỹthuật được dùng để phát hiện, xác định vị trí của mục tiêu, sau đó tác giả cũng

đã đánh giá việc thiết kế tín hiệu thích nghi cho radar MIMO có liên quan đếnviệc tạo, ước lượng và phát hiện tín hiệu thu được Tác giả cũng đã mô tả việc

mã hóa không gian thời gian dành cho radar MIMO từ việc sử dụng phân tậpdạng sóng

Tài liệu [3] tác giả đưa ra một cái nhìn tổng quan về một số thuật toán gầnđây cho thiết kế các dạng sóng radar như phương pháp để nghiên cứu về các đặctính của hàm Ambiguity cho dạng sóng radar có độ phân giải cao, điều chế biên

độ hoặc pha, xung hoặc CW, phân tích chủ yếu đề cập đến các điều chế ngẫunhiên, trong đó có nhiều loại dạng sóng phức tạp Gần đây ý tưởng hàmAmbiguity [5] được mở rộng cho radar MIMO, các tác giả sử dụng một số tínhchất hàm Ambiguity để thiết kế các dạng sóng cho radar MIMO sau đó sử dụngthuật toán mới thiết kế các tần số phát trực giao, thuật toán này làm giảm các tínhiệu thu về nghi ngờ trong radar MIMO Tài liệu [11] tác giả nghiên cứu các tínhchất của hàm Ambiguity từ đó có những ứng dụng hữu ích đối với hệ thốngradar Các tính chất này đặc trưng cho sự không phù hợp giữa bộ lọc thích hợp

và tín hiệu radar phản xạ có thể bị dịch Doppler, bản thân hàm Ambiguity cungcấp tại đầu ra của bộ lọc thích hợp ở cả cường độ và pha như là một hàm với độtrễ thời gian và tần số dịch Doppler Sử dụng thông tin này, các nhà thiết kế radar

có thể tạo ra các tín hiệu phát tốt hơn để sử dụng trong radar

Trong luận văn này, hai loại hệ thống radar MIMO, cụ thể là nghiên cứu

về radar MIMO kết hợp và radar MIMO thống kê Những điểm tương đồng

và khác biệt của hệ thống radar MIMO và các hệ thống radar thông thường.Nghiên cứu ứng dụng hàm Ambiguity vào hệ thống radar để ước lượng cáctham số định vị mục tiêu di động

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thốngradar, nghiên cứu về radar MIMO và nghiên cứu hàm Ambiguity ứng dụngcho radar Tín hiệu được mã hóa và truyền đi từ nhiều máy phát, tại máy thu,các tín hiệu được kết hợp lại và được lọc để có được các đặc điểm nhận dạngcủa mục tiêu Đầu ra của bộ lọc thích hợp là hàm Ambiguity Hàm Ambiguity

có thể được coi là một công cụ phân tích hữu ích có thể được sử dụng để thiết

kế dạng sóng của hệ thống và phân tích trạng thái cùng với dạng sóng phảnhồi được xử lý bằng bộ lọc thích hợp Hàm Ambiguity có lợi cho việc kiểmtra tất cả các tham số sẽ ảnh hưởng đến hệ thống radar, chẳng hạn như độphân giải (Doppler và cự ly), biên độ cánh chính và cánh sóng phụ… Sau đóphân tích và so sánh tín hiệu thu được với dạng sóng truyền đi và do đó giúpphân biệt được các mục tiêu ở gần nhau có cùng vận tốc, cự ly… từ đó làmcho xác xuất phát hiện mục tiêu được nâng cao

4 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật radar và radar MIMO

Nghiên cứu tính chất hàm Ambiguity xác định mục tiêu di động

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu liên quan để thực hiện mục tiêu của

đề tài

 Sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng, so sánh đánh giá, kiểm chứngcác thông số của hệ thống

6 Tóm tắt nội dung nghiên cứu

Luận án gồm có ba chương, trong đó Chương 1 nghiên cứu tổng quan về

hệ thống radar, lịch sử ra đời,phân loại radar và dải băng tần mà radar sửdụng Trình bày các tham số chính, khái niệm về hệ thống radar và cácnguyên lý cơ bản xử lý tín hiệu trong radar như là tìm hiểu về bộ lọc thíchhợp, hiệu ứng Doppler, xác suất báo động nhầm trong hệ thống radar Chương

2 nghiên cứu về hệ thống radar MIMO, cách phân loại hệ thống radar MIMOhiện nay Tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO kết hợp gồm cáctham số nhận dạng, độ phân giải, xác suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác…cùng với tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO thống kê gồm cáctham số nhận dạng, hiệu suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác Sau đó so sánhđược các xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và radar

MIMO thống kê nhằm để ứng dụng tùy vào điều kiện để ứng dụng trong thực

tế Chương 3 nghiên cứu về hàm Ambiguity trong radar và sử dụng hàmAmbiguity để ước lượng các tham số mục tiêu bằng cách so sánh sự đồngdạng của tín hiệu thu được và tín hiệu phát

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án là tài liệu để nghiên cứu về hệ thống radar, các nguyên lý cơ bản

về kỹ thuật radar dùng cho định vị mục tiêu di động Giới thiệu các nghiêncứu mới về radar MIMO, lý thuyết quan trọng cho radar MIMO có thể sửdụng chúng trong nghiên cứu về radar MIMO trong tương lai Nghiên cứu cáctính chất của hàm Ambiguity, ứng dụng hàm Ambiguity trong việc xác địnhmục tiêu di động, sử dụng matlab thực hiện mô phỏng hàm Ambiguity để ướclượng các tham số định vị mục tiêu, kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở đểnâng cao khả năng phát hiện mục tiêu di động trong hệ thống radar hiện đại

và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên và sinh viên quan tâm đến lĩnhvực dẫn đường hàng không

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR1.1 Khái niệm hệ thống radar

Radar là tên viết tắt của “Radio Dectection and Ranging” có nghĩa làphương tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và xác định vị trí mục tiêu.Nguyên lý hoạt động chung của Radar là bức xạ năng lượng sóng điện từ rakhông gian, sóng được truyền thẳng đến mục tiêu và sau đó phản xạ trở lại.Máy thu Radar sẽ thu nhận các xung phản xạ về và tiến hành các thao tác kỹthuật để tách lọc các thông tin cần thiết để xác định và phát hiện chính xác vịtrí của mục tiêu cũng như một số đặc điểm của mục tiêu

1.1.1 Lịch sử radar

Radar với nghĩa là tìm kiếm và đo đạc bằng sóng vô tuyến điện, radarđược phát minh bởi Samuel M Tucker và F.Furth vào năm 1940 và sử dụngđầu tiên trong hải quân Mỹ Radar là hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vôtuyến để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể, mục tiêu trong vùngkhông gian quan sát Radar đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiềulĩnh vực dân sự như điều khiển không lưu trong ngành hàng không, giám sáttốc độ trong giao thông giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết…

Ngày nay, radar có thể hiểu là thuật ngữ chung cho các hệ thống pháthiện, dò tìm, thăm dò vị trí của các vật thể hay mục tiêu bằng các dạng nănglượng khác nhau, không nhất thiết là sóng điện từ như sóng âm, sóng ánhsáng, hay sử dụng năng lượng nhiệt Kỹ thuật radar ngày càng được mở rộng

và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như dùng sóng điện từ thăm dòdưới lòng đất (radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (radar thời tiết); dùngsóng âm thăm dò trong cơ thể người (siêu âm), thăm dò dưới lòng nước sửdụng kỹ thuật sonar

và tín hiệu thu được, hệ thống radar có thể xác định được vị trí của mục tiêu

và các thông tin khác về mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo )

1.1.2 Phân loại radar

Mục đích của việc phân loại là nhằm chia tập hợp cac đài radar thànhtừng nhóm có những dấu hiệu chung không phụ thuộc vào tính đa dạng củacác giải pháp kỹ thuật và kết cấu của từng đài riêng lẻ để tiện cho việc phântích các đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống[4]

Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và cácdấu hiệu kỹ thuật hình 1.2

Hình 1.2: Phân loại các đài radar

 Theo các dấu hiệu chiến thuật, có thể chia các đài radar thành các loại

sau: - Phát hiện xa các mục tiêu trên không (radar cảnh giới),

- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích

đến các mục tiêu đó (radar cảnh giới và dẫn đường),

- Phát hiện các mục tiêu bay thấp,

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

- Chuyên dụng

Radar 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 Công suất phát của đài lớn Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất

sơ lược hoặc được xac định từ đài radar chuyên đo cao với độ chính xác cao.

Radar cảnh giới và dẫn đường: là khâu cung cấp thông tin chủ yếu trong

hệ thống dẫn đường cho may 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 mụctiêu và các máy bay tiêm kích, do vậy radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly,phương vị và độ cao với độ chính xac đủ đảm bảo dẫn đường thành công.Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp.Radar loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc

dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ,gọn nhẹ, cơ động

Radar chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không cần có cự ly tácdụng đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, cac phương tiệnhỏa lực phòng không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xanhất Thông tin radar (về cả 3 tọa độ) cần đủ chính xac đảm bảo cho các đàiđiều khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo

Radar chuyên dụng chẳng hạn như các radar có độ chính xác cao, radardùng để phủ vùng nón mù đỉnh đầu, v.v

 Theo các dâu hiệu kỹ thuật có thể chia các radar theo dải sóng, theo phương pháp radar, theo phương pháp đo cự ly, theo số lượng kênh radar độc lập.

- Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động (có trả

lời thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở trên

- Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành hai nhóm lớn: radar bức

xạ xung và radar bức xạ liên tục

Radar bức xạ xung (PR) có ưu điểm chính là đơn giản trong việc đo cự

ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát vàthu Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, kháphức tạp việc đo tốc độ mục tiêu (đặc biệt khi cần độ chính xác cao)

Radar bức xạ liên tục (CW) cho phép tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơntrị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn Nhược điểmcủa loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầucuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số

1.1.3 Băng tần của radar

Các đài radar thường hoạt động ở tần số kéo dài từ 220 MHz đến 35GHz, nhưng đây không phải là giới hạn[12] Radar có thể được vận hành ởtần số dưới và trên dải tần này tuy nhiên nguyên tắc hoạt động cơ bản là giốngnhau cho các tần số khác nhau Việc lựa chọn tần số hoạt động phù hợp tùythuộc vào ứng dụng, như được mô tả dưới đây

 Thấp hơn HF (dưới 3 MHz): Tín hiệu radar ở các tần số này đôi khiđược gọi là sóng mặt đất khi chúng đi theo độ cong của trái đất Một phầnđáng kể của năng lượng bức xạ có thể được truyền đi ngoài đường chân trờicủa radar thông qua nhiễu xạ Tuy nhiên, cần có anten lớn để định hướngchùm tia; mức nhiễu RF cao do sự tán xạ từ mặt đất và các tín hiệu khác nhưtruyền thông vô tuyến Dải tần số này không phù hợp với hầu hết các ứngdụng radar vì những yếu tố này

HF (3 đến 30 MHz): Sự phản xạ của sóng trời từ tầng điện ly có thể dẫn

đến hiện tượng phản hồi không mong muốn có thể là một vấn đề Phần trêncủa dải tần số này đã được sử dụng cho thiên văn học radar sau khi nhận đượcphản hồi từ bầu khí quyển ion mặt trời Một lần nữa băng tần này không phùhợp với hầu hết các ứng dụng radar

 VHF (30 đến 300 MHz): Do phổ tần hiện tại đông đúc tại tần số VHF,các radar hiện đại không được tìm thấy trong dải này Tuy nhiên, đây là băngtần kinh tế nhất và được tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO sử dụng trong dẫn đường hàng không dân dụng

UHF (300 đến 1.000 MHz): Việc tạo ra các chùm anten hẹp ở tần sốnày dễ dàng hơn, làm cho nó phù hợp với radar giám sát tầm xa, đáng tin cậy

Băng tần L (1 đến 2 GHz): Đây là băng tần phổ biến ở Hoa Kỳ choradar giám sát máy bay Nó thường được sử dụng trong giám sát tầm xa, điều khiển không lưu lưu

 Băng tần S (2 đến 4 GHz): Hầu hết các ứng dụng radar trong băng tần S

và ở tần số cao hơn được sử dụng cho vị trí và theo dõi chính xác mục tiêu

Độ phân giải góc tốt là bởi vì các chùm tia tương đối hẹp có thể được xâydựng và mức nhiễu RF cũng thấp Băng tần S được quan tâm để phát hiện vàtheo dõi máy bay tầm trung Nó cũng được sử dụng trong giám sát phạm vivừa phải, kiểm soát không lưu đầu cuối và giám sát thời tiết tầm xa

 Băng tần C (4 đến 8 GHz): Băng tần này đã được sử dụng thành côngcho các ứng dụng giám sát phạm vi trung gian như trong radar dẫn đường tàuthủy, nơi cần thông tin chính xác Nó cũng thường được sử dụng trong các hệthống thông tin vệ tinh, kiểm soát không lưu và đo độ cao trên không

Băng tần X (8 đến 12,5 GHz): Đây là băng tần phổ biến để điều khiển vũ

khí quân sự và để theo dõi tầm ngắn, dẫn đường tên lửa, lập bản đồ, radar hàng hải, đánh chặn trên không Ở băng tần X, radar đủ nhỏ cho các ứng dụng di động.

Băng tần Ku, K và Ka (12,5 đến 40 GHz): Băng tần K ban đầu được sử

dụng trong Thế chiến II và tập trung ở mức 24 GHz, điều này sớm chứng tỏkhông phải là một lựa chọn tốt vì nó quá gần với sự hấp thụ nước ở tần số22,2 GHz Sau đó, nó được chia thành các dải con ở hai bên của tần số hấpthụ nước Dải tần số thấp hơn, Ku, kéo dài từ 12,5 GHz đến 18 GHz và dải tần

số cao hơn, Ka, kéo dài từ 26,5 đến 40 GHz Các tần số băng tần K cung cấp

độ phân giải tốt cả về cự ly và góc Trong khi đầu ra công suất cao khó đạtđược ở tần số này, anten kích thước nhỏ có thể dễ dàng đạt được Tuy nhiên,

có sự suy giảm của khí quyển trong dải tần số này

 Băng V (40 đến 75 GHz): Băng V không được sử dụng phổ biến, ngoạitrừ trong nghiên cứu radar sóng milimet và các loại nghiên cứu khoa họckhác Tại Hoa Kỳ, Ủy ban truyền thông liên bang đã phân bổ dải tần từ 57đến 64 GHz cho các hệ thống không dây không có giấy phép

 Băng tần W (75 đến 110 GHz): Băng tần W được sử dụng cho liên lạc

vệ tinh, ứng dụng radar quân sự và một số ứng dụng phi quân sự Để phát hiện

vũ khí che giấu, nhiều camera sóng milimet hoạt động ở tốc độ 94 GHz

Radar điều khiển hành trình ô tô sử dụng tần số khoảng 77 GHz

 Băng tần mm (100-300GHz): Việc sử dụng băng tần này gần đây đã trởnên phổ biến hơn vì nhiều lợi thế Cái chính là sự sẵn có của một dải tần sốrộng, có rất nhiều không gian chưa sử dụng, do đó các hệ thống radar đượcphát triển ở khu vực này có thể có băng thông rộng sẽ cho độ phân giải caohơn và các chùm tia hẹp hơn với anten nhỏ hơn

Phạm vi tần số radar thể hiện bằng giá trị cụ thể được dùng khi thíchhợp, tuy nhiên các ký hiệu trên hình 1.3 có thể được sử dụng khi cần một biểudiễn một cách ngắn gọn

Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar

1.2 Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar

Có một vài tham số được chọn trong hệ thống radar làm ảnh hưởng trựctiếp đến hiệu suất phát hiện mục tiêu của hệ thống Do đó tùy thuộc vào ứngdụng và vào hoàn cảnh thực tế, sự thay đổi của các tham số này sẽ cho phép

hệ thống đưa ra kết quả tối ưu nhất

1.2.1 Các tham số chính

 Băng thông: Đây là một trong những thông số quan trọng nhất cần tính

đến khi thiết kế hệ thống radar[12] Điều này là do thực tế là băng thông tỷ lệthuận với hiệu suất phân giải của radar Băng thông càng lớn, đỉnh phổ cànghẹp và độ phân giải hiệu suất cao hơn có thể đạt được Có hai loại băng thôngkhác nhau có thể được xác định là băng thông tín hiệu (được điều chỉnh độrộng xung của tín hiệu hoặc bằng cách điều chế tín hiệu) và băng thông radar.Nếu hệ thống yêu cầu độ phân giải lớn về cự ly để phân biệt giữa các mụctiêu, băng thông cần phải lớn Điều này là do băng thông liên quan trực tiếpđến độ phân giải của cự ly Băng thông được xác định với tiêu chí Rayleigh vàđược biểu thị dưới dạng biểu thức (1.1)

(1.1)

Đo cự ly: Cự ly mục tiêu R (Range) được tính toán bằng cách đo thời

gian trễ ứng với thời gian để một xung năng lượng cao tần bức xạ từ máy phátradar gặp mục tiêu và phản xạ về máy thu radar[12] Vì sóng điện từ lantruyền thẳng với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng c, nên ta có:

(1.2)Trong đó:

Hình 1.4: Tín hiệu radar xung

Hệ thống radar xung là phát các xung năng lượng cao tần liên tiếp, nhưminh họa trong hình 1.4 Khoảng thời gian giữa các xung (IPP – Inter Pulse

Period) ký hiệu là T, độ rộng xung ký hiệu là τ IPP còn được gọi là chu kỳ lặp

lại xung (PRI – Pulse Repetition Interval) hay khoảng lặp lại xung PRT.Nghịch đảo của PRI là PRF – tần số lặp lại xung, được ký hiệu bởi PRF:

(1.3)Các xung được phát với tần số lặp lại xung (PRF) Nó xác định cự ly rõràng tối đa của hệ thống radar, khi một xung đơn được xem xét, PRF càngnhỏ (hoặc PRT càng dài), radar có thể chờ phản xạ càng lâu Điều này cónghĩa là độ trễ tối đa của mục tiêu được phản xạ phải nhỏ hơn thời gian giữahai xung Nguyên tắc được thể hiện trong hình 1.5 Do đó, cự ly rõ ràng tối đađược xác định là:

 Độ phân giải cự ly: Độ phân giải cự ly, ký hiệu là , là một thông sốcủa radar mô tả khả năng phát hiện các mục tiêu xuất hiện gần nhau là cácmục tiêu riêng biệt[12] Hệ thống radar được thiết kế để làm việc giữa một cự

ly tối thiểu và cự ly tối đa Khoảng cách giữa và được chia thành ngăn, mỗi ngăn có độ rộng Khi đó số ngăn cự ly được xác định như sau:

(1.4)Các mục tiêu cách nhau ít nhất một khoảng sẽ được phân giải hoàn toàn

về mặt cự ly, như minh họa trong hình 1.5 Các mục tiêu trong phạm vi mộtngăn có thể được phân giải theo các tham số như cự ly, góc phương vị bằngcách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Hình 1.5: Phân giải các mục tiêu về mặt cự ly và về cự ly ngang

Băng thông radar ký hiệu là được xác định theo biểu thức (1.1):

Ta có độ phân giải cự ly được xác định theo (1.5):

(1.5)

Vì vậy, có thể thấy rằng băng thông của sóng truyền càng lớn thì độ phângiải sẽ càng nhỏ Lưu ý rằng thuật ngữ „độ phân giải không nên bị nhầm lẫnvới độ chính xác Độ chính xác là mức độ tương ứng giữa tốc độ vị trí đượctính toán và tốc độ thực tế hoặc vị trí thực của mục tiêu

Nhìn chung, để nâng cao hiệu năng radar cần tìm cách làm giảm Như ởphương trình (1.5), để nâng cao độ phân giải cự ly, ta cần giảm độ rộng xung.Tuy nhiên, điều này sẽ làm giảm công suất phát trung bình và tăng băng thông

làm việc Việc thu được độ phân giải cự ly tốt trong khi duy trì công suất pháttrung bình cần thiết có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật nén xung

 Độ phân giải góc ( ): Độ phân giải góc của hệ thống radar có thể được

định nghĩa là sự chia tách góc nhỏ nhất mà tại đó hai mục tiêu có thể đượcphát hiện khi chúng có cùng một khoảng cách[4] Tham số được cho bởi độrộng búp sóng của anten với công suất một nửa búp sóng là -3 dB

Hình 1.6 Độ phân giải góc

Do đó, hai mục tiêu bằng nhau nằm ở cùng một khoảng cách có thểđược phân biệt nếu khoảng cách giữa chúng lớn hơn chiều rộng của anten ởđiểm có công suất bằng một nữa búp sóng Vì thế; độ rộng búp sóng của antencàng nhỏ thì độ phân giải góc càng cao Độ phân giải góc có thể được tínhbằng:

(1.6)Với độ rộng búp sóng anten [độ]

R là khoảng cách từ đài radar đến mục tiêu [m]

= độ phân giải góc như khoảng cách giữa hai mục tiêu

1.2.2 Phương trình radar

Phương trình cơ bản cho tất cả các hệ thống radar được gọi là phươngtrình radar[12] Nó mô tả mối quan hệ của công suất tín hiệu, tần số tín hiệu,anten, sự tán xạ của sóng do mục tiêu và khoảng cách của mục tiêu với anten

Sự phát triển của phương trình radar bắt đầu bằng việc đặt một anten phát

xạ đẳng hướng, mật độ công suất ở cự ly R sẽ là phương trình (1.7) Tuy nhiên,

: Diện tích hiệu dụng của anten [

Công suất nhiễu máy thu là

thu, tổng công suất nhiễu

Với:

: Nhiệt độ nguồn nhiễu [K]

: Nhiệt độ chuẩn nguồn nhiễu 290 [K]

B: Băng thông máy thu [Hz]

K: Hằng số Boltzmann (3.18×[W/K/Hz]

Công suất nhiễu máy thu

Tổn thất trong hệ thống là L ta có phương trình (1.13) Tín hiệu nhỏ nhấtradar có thể phát hiện gọi là tín hiệu phân biệt tối thiểu Công suất thu nhỏhơn không thể sử dụng được vì chúng bị lẫn trong nhiễu của máy thu

Công suất tối thiểu phát hiện được mục tiêu ở cự ly tối đa từ phươngtrình (1.14) Vì vậy, cự ly tối đa về mặt lý thuyết của hệ thống radar có thểtính toán được

(1.13)

√

Phương trình trên đây là một dạng của phương trình radar tổng quát,trong đó đã có một loạt các giả định cho các trường hợp nghiên cứu Ví dụ,các anten phát và thu bằng nhau hoặc băng thông được tương thích với độ dàixung là B Nhưng mỗi ứng dụng radar cụ thể phải điều chỉnh phương trìnhradar phù hợp với hoàn cảnh cụ thể của ứng dụng

1.2.3 Các khái niệm

 Mặt cắt tiết diện radar (RCS)

Mặt cắt tiết diện của radar (RCS) là thước đo khả năng phản xạ tín hiệucủa radar theo hướng của máy thu radar[12], tức là thước đo tỷ lệ mật độ tán

xạ ngược theo hướng của radar (từ mục tiêu) so với mật độ năng lượng bịchặn bởi mục tiêu Vì mật độ năng lượng được tán xạ theo hình dạng của mộtquả cầu, một phần nhỏ của có thể được máy thu radar thu được

Mặt cắt ngang của mục tiêu radar phụ thuộc vào:

- Các tính năng hình học và ngoại thất máy bay

- Hướng của radar chiếu sáng

- Tần số máy phát radar

- Các loại vật liệu được sử dụng

Mặt cắt ngang radar được định nghĩa là khả năng phản xạ năng lượngcủa vật thể có kích thước RCS được định nghĩa là phương trình (1.15):

Trong đó

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

của máy thu radar,

r là khoảng cách,

là mật độ năng lượng phân tán trong cự ly [

là mật độ công suất bị chặn bởi mục tiêu [

Lưu ý rằng

không phải tất cả năng lượng sẽ được phản xạ theo hướng của radar Nói cáchkhác, là phép đo sự khác biệt giữa mật độ năng lượng phản xạ theo cùng hướngcủa hệ thống radar và mật độ năng lượng thực sự được phản xạ bởi vật thể

 Clutter: Là các tín hiệu phản xạ radar không mong muốn được tạo ra

khi radar phát xạ đẳng hướng[4] Do đó, khi máy thu radar thu được tín hiệudội lại, đó là nhưng tín hiệu phản xạ từ nhiều nguồn khác nhau Các tín hiệukhông mong muốn trong radar bao gồm các phản xạ từ tất cả các loại vật thểhoặc hiện tượng tự nhiên, như là mây, mưa, đồi núi, nhà cửa, cây cối, v.v

đo liên tiếp sư thay đổi của cự ly của mục tiêu theo thời gian và do đó tính đượcvận tốc hướng tâm[4] Tuy nhiên, phương pháp này mất tương đối nhiều thờigian hơn để ước tính tốc độ hướng tâm và thực hiện các ước tính riêng biệt vềvận tốc không phải là phép đo liên tục Một cách khác để đo vận tốc hướng tâm

là sử dụng dịch chuyển Doppler Sự thay đổi tần số Doppler được tạo ra bởi một

mục tiêu di động cung cấp một thước đo tốc độ hướng tâm trong thời gianngắn hơn so với đo cự ly liên tiếp để ước tính vận tốc Nó cũng có thể được sửdụng để phân biệt các mục tiêu di chuyển với mục tiêu đứng yên

1.3 Nguyên lý cơ bản về xử lý tín hiệu trong radar

Trong phần này trình bày một số nền tảng về các kỹ thuật xử lý tín hiệu

cơ bản và cụ thể được sử dụng trong radar[10] Các kỹ thuật quan trọng sẽ tạocho hệ thống radar có độ lợi SNR cao và độ phân giải được nâng lên Cùngvới các máy thu thích hợp, quy trình tích hợp xung và xử lý tần số Doppler,tốc độ báo động nhầm CFAR…

1.3.1 Bộ lọc thích hợp (Matched Filter)

Hình 1.7: Bộ lọc thích hợp

Hầu hết các đài radar có hiệu suất phát hiện mục tiêu tốt ở cả độ nhạy và độphân giải[4] Khả năng phát hiện trở nên tốt hơn khi năng lượng tăng và độ phângiải được cải thiện khi băng thông lớn hơn Như đã thấy trước đây, áp dụng kỹthuật nén xung cho phép giải quyết cả hai vấn đề với kết quả tuyệt vời

Khi thu được tín hiệu phản hồi, hệ thống sẽ tối ưu hóa thông tin chứatrong đó Theo định nghĩa, bộ lọc thích hợp là bộ lọc máy thu radar được thiết

kế để tối ưu hóa SNR ở đầu ra bộ lọc Đáp ứng xung của bộ lọc thích hợphoàn hảo sẽ là cùng dạng sóng với tín hiệu được truyền đi

Có thể thấy trong (1.21) SNR phụ thuộc vào đáp ứng tần số của máy thu.

Vì chúng ta đang tìm kiếm SNR lớn nhất có thể, nên SNR là cần lớn nhất Sửdụng bất đẳng thức Schwarz theo đó:

(1.22)

Đó là năng lượng lớn nhất có thể có tại đầu ra máy thu, sẽ chỉ xảy ra khiđáp ứng xung sẽ là:

hoặcVới α là độ lợi có giá trị bằng hằng số

là thời gian trễ khi đi qua bộ lọc

Sau đó, đáp ứng xung cần thiết là nghịch đảo thời gian trễ và liên hợpcủa dạng sóng nhân với một hằng số, được đặt thành thống nhất Do đó, đầu

ra miền thời gian của bộ lọc máy thu sẽ được đặt là:

Phương trình (1.24) có thể được xác định là mối tương quan chéo củadạng sóng truyền với tín hiệu nhiễu và tín hiệu đích Vì vậy, bộ lọcthích hợp là một bộ tương quan Ý tưởng đằng sau nó chỉ đơn giản là sử dụngmột tổ hợp lật; biên độ đầu ra của mỗi điểm sẽ là thước đo mức độ chính xáccủa bộ lọc thích hợp với phần tương đương của tín hiệu đầu vào Cuối cùng,

tỷ lệ SNR tối đa đạt được; đỉnh cao hơn công suất nhiễu trung bình sử dụngtương quan so với các bộ lọc khác

Từ phương trình (1.22) có thể được trích xuất rằng năng lượng tối đanày sẽ không phụ thuộc vào bất cứ điều gì khác ngoài năng lượng có trongdạng sóng, không phụ thuộc vào điều chế hoặc hình dạng của nó Năng lượngchứa trong dạng sóng được lan truyền bằng cách sử dụng nén xung Do đó,mức tăng SNR do nén xung sau bộ lọc thích hợp trong mỗi cổng cự ly sẽ phụ

thuộc vào độ dài của chuỗi dạng sóng được sử dụng để điều chế sóng mang Thời gian mà tại đó đầu ra tối đa được chọn, nếu được chọn là

, đầu ra sẽ chỉ là tương quan của tín hiệu thu phản xạ và trễ với đáp ứng xung của bộ lọc thích hợp

Đỉnh sẽ xảy ra ở độ trễ tương quan bằng 0, khi tươngứng với độ trễ của mục tiêu (do cự ly) cộng với độ trễ của bộ lọc thích hợp

Do đó, cự ly của mục tiêu có thể được tính là Chúng ta suy luận rằng việc lựa chọn tham số là tùy ý và thông thường sẽ là , thời gian của một chuỗi (mộtchip chuỗi)

1.3.2 Hiệu ứng Doppler

Trong công nghệ radar[4], Hiệu ứng Doppler đang sử dụng cho các nhiệm vụ sau:

 Đo tốc độ

Hình 1.8: Sự dịch pha của tín hiệu thu đƣợc

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi rõ ràng về tần số hoặc cường độ khimột nguồn âm thanh di chuyển về phía hoặc ra khỏi người nghe hoặc khingười nghe di chuyển về phía hoặc ra khỏi nguồn âm thanh Nguyên lý này,được phát hiện bởi nhà vật lý người Áo Christian Doppler, áp dụng cho tất cảcác chuyển động sóng

Sự thay đổi rõ ràng về tần số giữa nguồn phát sóng và máy thu là dochuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng và máy thu Để hiểu hiệu ứngDoppler, trước tiên, giả sử rằng tần số của âm thanh từ một nguồn phát sóngđược giữ không đổi Bước sóng của âm thanh cũng sẽ không đổi Nếu cảnguồn phát sóng và máy thu âm vẫn đứng yên, máy thu sẽ nghe cùng một âmtần số do nguồn phát ra Điều này là do máy thu đang nhận cùng số sóngtrong thời gian mỗi giây mà nguồn phát sóng phát ra

Bây giờ, nếu nguồn phát hoặc máy thu hoặc cả hai di chuyển về phíakhác, máy thu sẽ cảm nhận được âm thanh tần số khác nhau Điều này là do

máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanh lớn hơn trong một giây và diễngiải số lượng sóng lớn hơn là âm thanh tần số cao hơn Ngược lại, nếu nguồnphát và máy thu tách rời nhau, máy thu sẽ nhận được số lượng sóng âm thanhnhỏ hơn mỗi giây và sẽ cảm nhận được âm thanh tần số thấp hơn Trong cảhai trường hợp, tần số của âm thanh do nguồn phát ra sẽ không đổi

Ví dụ, tần số của tiếng còi trên một chiếc xe chuyển động nhanh có âmthanh ngày càng cao hơn khi chiếc xe đang đến gần hơn khi chiếc xe đangkhởi hành Mặc dù tiếng còi đang tạo ra các sóng âm thanh có tần số khôngđổi, và mặc dù chúng truyền qua không khí với cùng vận tốc theo mọi hướng,khoảng cách giữa xe đang đến và người nghe đang giảm dần Do đó, mỗi sóng

có khoảng cách di chuyển ít hơn để đến được người quan sát so với sóngtrước đó Do đó, sóng đến với khoảng thời gian giảm dần giữa chúng

(1.25)Trong đó là tần số Doppler [Hz]

λ là bước sóng [m]

tốc độ của mục tiêu [m/s]

Phương trình này là hợp lệ, nếu tốc độ nếu nguồn của sóng giống như tốc

độ hướng tâm Nhưng máy bay thường bay theo hướng khác hơn là hướng tớiradar Chỉ có tốc độ xuyên tâm cũng được đo Tuy nhiên, điều này khác vớitốc độ ngắm sao cho phương trình sau là hợp lệ:

(1.26)

λ là góc giữa hướng của tín hiệu truyền / phản xạ và hướng bay của mục tiêu

Đạo hàm của công thức tần số Doppler

Sự dịch pha của sóng điện từ anten radar đến mục tiêu và phản xạ trở lại như sau:

(1.27)

là lệch pha giữa tín hiệu truyền và tín hiệu thu được

là khoảng cách: đường đi và đường về

là chu kỳ dao động

Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm

(1.28)sau đó giá trị của pha thay đổi thành

(1.29)Điều này tương đương với tần số Doppler :

(1.30)(1.31)Trong đó là tần số máy phát

c là tốc độ ánh sáng

là tốc độ hướng tâm của mục tiêu

Điều này có nghĩa: Trong thực tế tần số dịch Doppler xảy ra hai lần tại mộtradar Một lần trên đường từ radar đến mục tiêu, và sau đó cho năng lượng phản

xạ (và đã bị ảnh hưởng bởi năng lượng dịch Doppler) trên đường trở về

Tần số dịch Doppler chuẩn hóa

Tần số dịch Doppler phụ thuộc vào hai biến số: tốc độ hướng tâm và tần sốsóng mang của máy phát radar Nếu tần số của máy phát không đổi, thì tần sốdịch Doppler là thước đo tốc độ xuyên tâm Radar hiện đại là radar đa dạng tần

số là chủ yếu Tần số máy phát không phải là hằng số Ở đây ảnh hưởng của cáctần số truyền khác nhau thường vẫn còn thấp Nhưng nếu tần số truyền ở các dảitần khác nhau, thì việc xử lý tín hiệu radar phổ biến là không thể Trong xử lý tínhiệu radar kỹ thuật số, tần số dịch Doppler sẽ được chia cho tần số truyền thực tế

để loại bỏ ảnh hưởng của các tần số truyền khác nhau sau đó:

(1.32)Bây giờ tần số dịch Doppler chỉ là một phép đo tốc độ xuyên tâm vàđược gọi là chuẩn hóa Các tín hiệu dội lại nhận được từ các tần số radar khácnhau có thể được xử lý chung

1.3.3 Mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar

Đối với mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar hình 1.9, ta có Δ là thời giancần để tín hiệu đến được mục tiêu[3],[12] Δ này phụ thuộc vào thời gian t

Hình 1.9: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar.

Vào thời điểm tín hiệu được phát đến mục tiêu Mục tiêu nằm trongkhoảng cách mục tiêu là hướng tâm đi xa đài radar trong trường hợp này.Vào thời điểm khoảng cách bằng:

(1.33)Trong đó là vận tốc của mục tiêu Vào thời điểm+ Δ khoảng cách

bằng:(1.34)(1.35)Bằng cách thay thế phương trình (1.33) thành phương trình (1.34) và(1.35), ta được:

(1.36)

Từ đó:

(1.37)Theo đó chúng ta có thể tính toán thời gian Δ , trong suốt khoảng thờigian tín hiệu đến mục tiêu Nó cần khoảng thời gian tương tự để quay trở lạimục tiêu

Cho phép xem xét các tín hiệu lấy mẫu Khoảng thời gian lấy mẫu củatín hiệu được phát là Mẫu đầu tiên được phát tại thời điểm và thu đượctại thời điểm Mẫu thứ hai được phát vào thời điểm

điểm Nếu chúng ta tìm thấy mối quan hệ giữa

Sự khác biệt của f và f‟ được gọi là tần số Doppler và ký hiệu là

Rõ ràng là tín hiệu thu được ( ), thu được tại thời điểm

Trong đó

Theo phương trình (1.44) và (1.37) ta có được:

(1.45)Bằng với:

(1.46)

1.3.4 Mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar

Hình 1.10: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar

Đối với mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar[3],[12], hình 1.10, khoảngcách của mục tiêu tại thời điểm t là Ta có phương trình tính toán khoảngcách này như sau:

(1.50)Thời điểm vị trí của mục tiêu là:

(1.51)Nếu tín hiệu được gửi vào thời gian t nó cần thời gian để đến được mục

tiêu Thời gian Δ bằng:

(1.52)

Sử dụng biểu thức này chúng ta có được hệ số dịch Doppler cho mụctiêu hướng tâm đi đến đài radar Chúng ta sử dụng mẫu tại thời điểm vàlần nữa Các phương trình (1.38) và (1.39) là hợp lệ Thời gian được thể hiện như sau:

(1.53)sau đó bằng:

(1.54)(1.55)Bây giờ, sử dụng phương trình (1.44) và (1.52), chúng ta có thể viết:

(1.56)Thay vào với:

Bây giờ chúng ta có thể viết biểu thức chung cho tín hiệu thu được:

(1.63)

Trong đó bằng (1.49) hoặc (1.59) các hằng số này được chọn theohướng của mục tiêu di động

1.3.5 Xác suất báo động nhầm CFAR

Báo động nhầm là sự phát hiện mục tiêu radar sai gây ra bởi nhiễu hoặc cáctín hiệu gây nhiễu khác vượt quá ngưỡng phát hiện[4] Nói chung, nó là một dấuhiệu cho thấy sự xuất hiện của mục tiêu radar khi không có mục tiêu hợp lệ

Tỷ lệ báo động sai (FAR) được tính theo công thức sau:

Báo động sai được tạo khi nhiễu nhiệt vượt quá mức ngưỡng cài đặt sẵn,bởi sự xuất hiện của tín hiệu giả (có thể bên trong bộ thu radar hoặc từ cácnguồn bên ngoài radar) hoặc do trục trặc thiết bị

Một cảnh báo sai có thể được biểu hiện dưới dạng một đốm sáng tạmthời trên màn hình ống tia âm cực (CRT), đầu ra bộ xử lý tín hiệu số, tín hiệu

âm thanh hoặc bằng tất cả các loại phương tiện

Nếu ngưỡng phát hiện được đặt quá cao, sẽ có rất ít báo động sai, nhưng

tỷ lệ tín hiệu-nhiễu cần thiết sẽ hạn chế phát hiện các mục tiêu hợp lệ

Nếu ngưỡng được đặt quá thấp, số lượng lớn báo động sai sẽ che giấuviệc phát hiện các mục tiêu hợp lệ

a- Ngưỡng được đặt quá cao: Xác suất phát hiện =

66% b- Ngưỡng được đặt tối ưu: Xác suất phát hiện =

83% Nhưng một báo động sai phát sinh! Tỷ lệ báo

động sai = 1/666 =

c- Ngưỡng được đặt quá thấp: một số lượng lớn báo động sai phát sinh.d- Ngưỡng được đặt biến thiên: tốc độ cảnh báo sai không đổi

Mục tiêu thực

Hình 1.11: Các mức ngƣỡng khác nhau

Tốc độ báo động sai phụ thuộc vào mức độ của tất cả các can nhiễu, tán

xạ gây nhiễu Gần vị trí radar, ảnh hưởng của sự tán xạ cố định cao hơn mứcnhiễu Ở khoảng cách lớn, ảnh hưởng của mức độ nhiễu cao hơn Điều này cónghĩa là tỷ lệ báo động sai phụ thuộc vào cự ly Nhưng phương trình khôngcung cấp bất kỳ sự phụ thuộc cự ly Để đạt được xác suất phát hiện cao hơntrong khoảng cách lớn bằng cách sử dụng mức ngưỡng thấp hơn, tốc độ cảnhbáo sai sẽ tăng ở khoảng cách gần

Tốc độ báo động sai liên tục (CFAR)

Nguyên lý mạch cho tốc độ báo động sai liên tục được mô tả lần đầu tiênvào năm 1968 bởi H M Finn và R S Johnson

Các giải pháp cho vấn đề cảnh báo sai liên quan đến việc thực hiện các

sơ đồ tỷ lệ cảnh báo sai (CFAR) không đổi thay đổi ngưỡng phát hiện là mộtchức năng của môi trường cảm nhận Mặc dù có một số lượng lớn các loạimạch CFAR, chúng thường dựa trên nền trung bình (đôi khi được gọi làCFAR trung bình) Sơ đồ khối đơn giản được hiển thị trong hình 1.12

Hình 1.12: Nguyên lý CFAR

Có hai tình huống duy nhất sẽ luôn lặp lại, hoặc phát hiện chỉ là nhiễu(Giả thuyết 0) hoặc phép đo là sự kết hợp của phản hồi từ một mục tiêu hợp lệcộng với các can nhiễu (Giả thuyết 1) Do đó, máy dò phải kiểm tra từng phép

đo và chọn một trong hai giả thuyết có thể có khả năng liên quan đến tín hiệunhất định đó Nếu quyết định thu được ít có khả năng hơn, thì các giả thuyếtchỉ áp dụng can thiệp và được tuyên bố rằng không có mục tiêu Mặt khác,nếu phép đo phù hợp nhất với mục tiêu, một tuyên bố hiện diện mục tiêu củatọa độ sẽ được thực hiện và dự kiến sẽ xử lý thêm

Bản chất thống kê của các tín hiệu đưa chúng ta tiếp cận vấn đề với một

mô tả về hàm mật độ xác suất (pdf), sẽ đặc trưng cho việc phát hiện, có tínhđến hai kết quả có thể xảy ra Nếu tín hiệu được nghiên cứu được đặt tên là y,

sẽ có hai pdf:

 : pdf của tín hiệu không có sự hiện diện của mục tiêu

 : pdf của tín hiệu cho sự hiện diện của một mục tiêu

Do đó, để giải quyết thách thức phát hiện cần có các mô hình giải quyết cácpdf trước đó Các thiết kế mô hình sẽ phụ thuộc vào môi trường mà radar sẽđược sử dụng và trong chính thiết kế hệ thống; do đó được chọn để trải nghiệmhiệu suất thuận lợi nhất trong phát hiện Cụ thể, các phát hiện sẽ được duy trì bởimột số mẫu dữ liệu từ ma trận dữ liệu radar Các xác suất tiếp theo Các kháiniệm sắp xếp được mô tả vì chúng sẽ được sử dụng trong mọi thuật toán CFAR:

Xác suất phát hiện ( : Đó là xác suất mà mục tiêu được giải quyết có mặtkhi nó thực sự có mặt tại tọa độ phát hiện đang nghiên cứu

Xác suất báo động nhầm : Đó là xác suất mà mục tiêu được giải quyết

có mặt khi nó thực sự không xuất hiện ở tọa độ phát hiện đang nghiên cứuNói chung, một báo động nhầm là một quyết định phát hiện mục tiêuradar sai lầm gây ra bởi nhiễu hoặc các tín hiệu gây nhiễu khác vượt quángưỡng phát hiện Nói chung, nó là một dấu hiệu cho thấy sự hiện diện củamục tiêu radar khi không có mục tiêu hợp lệ

Khi các tham số cần thiết được xác định, để đưa ra quyết định cần có quytắc Kết quả quyết định sẽ dựa trên quy tắc này Trong radar, người ta thường

sử dụng một tiêu chí có tên là Neyman Pearson, theo đó, được tối đa hóa theo giới hạn của được đặt ở giá trị không đổi không nên vượt quá Giá trị cho phép sẽ được quyết định bởi nhà thiết kế hệ thống và nó sẽ phụ thuộc vào ý nghĩa đối với hệ thống radar cụ thể đó Thông thường, nên thấp

Xác suất phát hiện sẽ chủ yếu phụ thuộc vào SNR mục tiêu

Cho đến nay, mô tả ở trên cho rằng mức độ tán xạ và nhiễu được biết đến

và cũng không thay đổi tại mỗi thời điểm Giả định này cho phép thiết lập một

hệ thống đảm bảo xác suất cảnh báo sai chính xác và cụ thể Tuy nhiên, trongcác ứng dụng thực tế, mức độ can thiệp được sử dụng là một quá trình

ngẫu nhiên không gian và thời gian khác nhau, do đó sẽ không thể đoántrước được, điều này không được mong muốn Do đó, cần có một hệ thốngthích ứng sẽ hoạt động với ngưỡng biến đổi tùy thuộc vào tình huống tán xạvới dao động, cường độ và cự ly khác nhau, trong thời gian thực Lý tưởngnhất, thuật toán sẽ thay đổi các tham số tùy thuộc vào môi trường trong thờiđiểm cụ thể đó để cung cấp tỷ lệ chính xác và được kiểm soát

Ngày nay hệ thống radar có thể thực hiện thậm chí hàng trăm ngàn pháthiện mỗi giây May mắn thay, khi phần cứng đã nâng cấp và việc xử lý trở