Đồ án Phương pháp phát hiện mục tiêu trong nền nhiễu tiêu cực, lợi dụng sự khác nhau về tần số Doppler giữa nhiễu và mục tiêu để phát hiện

của các bộ lọc được chỉ ra trên hình vẽ. * Đánh giá ưu nhược điểm của 2 mạch: + Cả hai mạch chỉ khử bỏ tốt nhiễu có tần số Doppler trung bình bằng không. + Đối với bộ bù khử 2 xung hệ số khuếch đại đạt giá trị max tại vận tốc tối ưu của mục tiêu và bằng 2. Đối với bộ bù khử 3 xung hệ số khuếch đạt max cũng tại vận tốc tối ưu và bằng 8/3. Như vậy là bộ bù khử dùng dây giữ chậm đơn và đôi là một bộ xử lý tựa tối ưu. Thật vậy, ta thấy rằng khi xử lý tương tự thì tỉ số tín trên tạp đối với một xung đơn thì bằng một, đối với N xung thì tỉ số tín trên tạp ở đầu ra bằng N. Như nhận xét ở trên thì bộ bù khử 2 xung có đầu ra bằng 2 chỉ tại vận tốc tối ưu của mục tiêu, còn bộ bù khử 3 xung không bao giờ đạt được. + Ta nhận thấy đối với bộ bù khử 2 xung hệ số khuếch đại công suất nhỏ hơn 1 đối với 50% khoảng tần số Doppler. Đối với bộ bù khử 3 xung hệ số khuếch đại này nhỏ hơn 1 trong khoảng 57% tần số Doppler . Sự giải thích như vậy cho thấy phần lớn khoảng tần số Doppler thì hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ hơn so với hệ số khuếch đại đạt được bằng xử lý xung đơn không dùng dây giữ chậm. Như vậy là suy giảm hệ số khuếch đại tăng lên khi cấp bộ lọc MTI tăng. Trong trường hợp tổng quát thì điều này cũng đúng khi tăng cấp lọc thì bài toán đặt ra là sự suy giảm hệ số khuếch đại tín hiệu. 2.4.3. Qui tắc lắc tần số Một trong những nhược điểm của bộ bù khử là khi mục tiêu chuyển động với vận tốc mù thì đầu ra của bộ bù khử sẽ bằng không và như vậy mục tiêu coi như là nhiễu. Phương pháp để khắc phục một phần thiếu sót này là sử dụng lắc tần số, nghĩa là ta không phát xung theo chu kỳ tuần hoàn mà phát xung theo hai tần số khác nhau. Khi đó vận tốc mù sẽ được tăng lên. 2.4.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống Sơ đồ khối được chỉ ra trên hình 2.10. Ta thực hiện phát xung theo hai tần số là T1 và T2, các giá trị của nó tương ứng là: T1 = T(1+e), T2 = T(1- e), T = (T1 +T2) / 2 (2.24) T1 T2 T2 T1 T1=T(1+e) ; T2=T(1-e) a) Qui tắc lắc sóng Giữ chậm T1 S 1 1 -2 b) Hình 2.10: Quy tắc lắc 3 xung và bộ lọc Doppler Giữ chậm T2 Trong đó e là hệ số lắc và là một số dương. Sóng phản xạ về được xử lý bằng mạch có 2 phần tử giữ chậm và độ giữ chậm của 2 đoạn là khác nhau, tương ứng với các chu kỳ lặp của xung. Đáp ứng xung của mạch với các hệ số trọng lượng chuẩn hoá để sao cho hệ số khuếch đại công suất nhiễu bằng 1. Đối với thứ tự giữ chậm như hình vẽ ta có: (2.25) Đối với mạch mà thứ tự giữ chậm là T1 sau đó đến T2 thì đáp ứng xung của mạch là: Đối với hai trường hợp, hàm truyền công suất bằng: (2.26) Mạch vẫn có đầu ra bằng 0 tại Fđ = 0. Tuy nhiên vận tốc mù được tăng lên. Ví dụ về đáp ứng tần số nhận được theo quy tắc lắc được chỉ ra bởi đường cong của hình 2.11. Đáp ứng ở trên cùng là đối với trường hợp e = 0,1. Chú ý rằng đáp ứng có chu kỳ tại tần số Doppler bằng 1/eT. Để so sánh, đáp ứng ở bên dưới là trường hợp không lắc sóng. Các đường cong ở dưới cùng là đối với trường hợp mở rộng thang tỉ lệ và có 3 giá trị của hệ số lắc sóng là: 0 (không lắc); 0,1 và 0,3, nó cho thấy đáp ứng đối với các mục tiêu có vận tốc nhỏ tăng lên khi tăng hệ số lắc. Tuy nhiên sự tăng đáp ứng như vậy gây ra sự giảm khả năng khử nhiễu. Ta có thể giải thích việc tăng hệ số khuếch đại đối với vùng lân cận tần số Doppler không khi tăng hệ số lắc như sau: Sử dụng 2 số hạng đầu tiên của khai triển chuỗi Taylor đối với biểu thức (2.26) ta nhận được giá trị của tại vùng lân cận 0 là: Từ biểu thức trên ta thấy khi tăng e thì đáp ứng của bộ lọc tăng lên. e =0,1 Độ lớn (dB) -50.00 (Fđ chuẩn hoá) (a) 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 Hình 2.11: Mở rộng thang tỷ lệ (Fđ chuẩn hoá) (c) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -10 -30 -50 Độ lớn chuẩn hoá (dB) Không lắc e=0,3 e=0 (Fđ chuẩn hoá) (b) 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 0.00 -1000 -2000 -3000 -4000 -5000 Hình 2.11: Đường cong đáp ứng đối với qui tắc lắc sóng Việc chọn e ta phải căn cứ vào các yếu tố sau: + Tại vận tốc mù đầu tiên, hệ số khuếch đại công suất không bằng 0 mà bằng: (2.27) Đỉnh đáp ứng xấp xỉ tại Fđ = 1/2T và giá trị đỉnh xấp xỉ 16. Như vậy tỉ số của hệ số khuếch đại tại vận tốc mù với đỉnh xấp xỉ (pe)2. + Đáp ứng của mạch có chu kỳ tại tần số Doppler Fđ = 1/eT. Căn cứ vào hai yếu tố trên ta phải chọn giá trị e sao cho đảm bảo hệ số khuếch đại tại vận tốc mù đầu tiên là lớn và một bên là được đáp ứng có chu kỳ lặp lớn. Lắc xung có thể sử dụng đối với số xung bất kỳ. Tuy nhiên khi sử dụng lắc nhiều xung sẽ trở nên phức tạp, như đã được chỉ ra ở phần trước, lắc 3 xung nó làm cho phức tạp thêm. Thêm vào đó là chưa có 1 phương pháp thiết kế nào được biết đến và sự thử nghiệm cộng với sai sót trong thiết kế là điều tất yếu. 2.4.3.2. Đánh giá hiệu quả của mạch Để phân tích hiệu quả của mạch ta phải tính tổng công suất nhiễu đầu ra của mạch. Sử dụng công thức (2.11) để tính tổng công suất nhiễu đầu ra. Trong đó ta phải tính hàm tự tương quan của nhiễu và hàm tự tương quan của hàm truyền của bộ lọc. Hàm tự tương quan của nhiễu được tính với giả thiết phổ của nhiễu có dạng phân bố chuẩn và nhận được từ biểu thức (2.12). Hàm tự tương quan của bộ lọc nhận được bằng biến đổi Fourier của bình phương độ lớn của hàm truyền. Biến đổi Furier của biểu thức (2.26) ta nhận được Rh() là: Như vậy phổ nhiễu đầu ra bằng: Xấp xỉ các hàm mũ bằng 2 số hạng đầu tiên của chuỗi Taylor ta nhận được hệ số hiệu quả là: (2.28) Chú ý rằng biểu thức chỉ đúng khi e ạ 0. Hình 2.12: Hệ số hiệu quả của các bộ bù khử đối với trường hợp lắc tần số và không lắc tần số 31.6 100 316 1000 80 60 40 20 0 Tần số lặp / dải tần của nhiễu Hệ số hiệu quả (dB) 3 xung 2 xung 3 xung, với e = 0,1 Đồ thị so sánh hiệu qủa của các mạch: * Đánh giá hiệu quả của các mạch: Để đánh giá hiệu quả của các mạch, cũng như so sánh ưu nhược điểm của các mạch ta dựa vào hệ số hiệu quả, cũng như hàm truyền của bộ lọc. + Các bộ bù khử đều triệt nhiễu tại tần số Doppler không. + Từ các kết quả phân tích ở trên ta thấy hiệu quả của bộ bù khử 3 xung là lớn nhất sau đó đến bộ bù khử sử dụng qui tắc lắc, với hệ số lắc bằng 0,1. Như được chỉ ra ở hình 2.12. + Từ biểu thức (2.21) và (2.28) ta thấy hệ số hiệu quả của bộ bù khử 3 xung là hàm bậc 4 của tần số lặp với dải tần của nhiễu, còn bộ bù khử sử dụng qui tắc lắc là hàm bậc 2 và phụ thuộc vào cả e. + Bộ bù khử 3 xung có hệ số khuếch đại công suất nhỏ hơn một xấp xỉ 50% khoảng tần số Doppler, còn bộ bù khử 3 xung không lắc khoảng 57%. Như vậy vấn đề đặt ra là khi tăng cấp bù khử thì hệ số khuếch đại công suất tín hiệu nhỏ hơn một tăng lên. + Sử dụng qui tắc lắc làm tăng đáng kể vận tốc mù đầu tiên. + Bộ bù khử có sử dụng qui tắc lắc sẽ gây ra đa trị đo cự ly. Đây là một thiếu sót khi sử dụng qui tắc lắc và bộ bù khử kiểu này sẽ không được sử dụng trừ khi không có nhiễu địa vật vùng gần. + Đối với tất cả các mạch khi mục tiêu chuyển động với vận tốc mù thì nó được coi như là nhiễu. 2.4.4. Hệ số trọng lượng của bộ bù khử Hàm truyền của bộ bù khử dùng dây giữ chậm đơn, 2 xung có dạng: ở đây g1 được chọn để hệ số khuếch đại tạp âm đạt được bằng 1. Cũng vậy bộ bù khử dùng 2 dây giữ chậm, 3 xung có dạng: Tổng quát đối với M dây giữ chậm bù khử, hàm truyền có dạng: (2.29) Sử dụng khai triển nhị thức: ở đây biểu thị hệ số nhị thức. Ta có các hệ số trọng lượng tỉ lệ với hệ số nhị thức. Để khử bỏ tần số Doppler 0 thì tổng các hàm trọng lượng phải bằng 0. Thêm nữa, từ biểu thức (2.29) lấy vi phân theo tần số Doppler ta thu được: (2.30) Từ biểu thức (2.30) ta thấy tại tần số Doppler không hàm truyền bằng không. 2.4.4.1. Các ví dụ về hệ số trọng lượng của các bộ bù khử dùng dây giữ chậm đã xem xét ở phần trước Đối với bộ bù khử dùng một dây giữ chậm: M = 1 ị (1,-1). Đối với bộ bù khử dùng hai dây giữ chậm: M = 2 ị (1,-2,1). Đối với bộ bù khử dùng ba dây giữ chậm: M = 3 ị (1,-3,3,1). Đối với bộ bù khử dùng bốn dây giữ chậm: M = 4 ị (1,-4,6,-4,1) Đối với tất cả các trường hợp tổng các hệ số trọng lượng bằng 0. 2.4.4.2. Bộ bù khử dùng dây giữ chậm đơn và có sử dụng đường phản hồi Khi thay đổi các hệ số trọng lượng cũng như thêm các đường phản hồi vào các bộ bù khử thì đáp ứng của mạch sẽ bị thay đổi. Sơ đồ khối và các đường cong đáp ứng của mạch đối với các hệ số phản hồi khác nhau: 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -50 -40 -30 -20 -10 0 I = 13,8 dB I = 21,3 dB I = 27,8 dB K1= - 0,5 K1= 0 K1= 0,5 V / VB Hình 2.13: Bộ bù khử đơn Đáp ứng (dB) K1 S Dây giữ chậm 1 / z S + + - + ein eo X K1 Điểm không tại gốc Vòng tròn đơn vị Mặt phẳng - z x jy Ta có: Mạch có một điểm không tại gốc và một điểm cực được đặt trên trục x, cách tâm một khoảng là k1. Như vậy sử dụng bộ bù khử có phản hồi và thay đổi hệ số phản hồi ta được các đường cong đáp ứng khác nhau. Khi sử dụng đường phản hồi thì đáp ứng rộng hơn. Bộ bù khử không sử dụng đường phản hồi thì có đáp ứng tại các giá trị gần với vận tốc tối ưu lớn hơn là khi dùng phản hồi. 2.4.4.3. Bộ bù khử dùng hai dây giữ chậm và có đường phản hồi Sử dụng nhiều dây giữ chậm thì rãnh chữ V khử bỏ nhiễu sẽ rộng hơn và như vậy hiệu quả của mạch sẽ được cải thiện. Sơ đồ và các đáp ứng với các hệ số phản hồi khác nhau được chỉ ra trên hình 2.14. Ta có: Bộ bù khử có hai đường phản hồi, hai điểm không nằm tại gốc, 1 điểm cực được đặt cách tâm đường tròn đơn vị một khoảng là , còn một điểm cực nữa được đặt cách gốc một khoảng là , với góc . K1 S 1/z S + + - + 1/z S + - K2 + ein eo Hình 2.14(a): Sơ đồ của bộ bù khử hai dây giữ chậm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V / VB -50 -40 -30 -20 -10 0 Đáp ứng (dB) I = 28,5 dB I =39,9 dB I = 46,0 dB I =37,7 dB K1=0,2, K2= -0,6 K1=0,5, k2= 0 K1=0,2, k2= 0,6 K1=0, k2= 0 Hình 2.14(b): Đáp ứng của bộ bù khử hai dây giữ chậm X jy x q Mặt phẳng - z Các điểm cực đối với k1 = 0,5, k2= 0 Ta thấy sử dụng bộ bù khử có đường phản hồi thì đáp ứng rộng hơn và bị mấp mô, còn bộ bù khử không có đường phản hồi thì có đáp ứng tại các vận tốc lân cận vận tốc tối ưu lớn hơn so với các bộ bù khử có chứa đường phản hồi. 2.4.4.4. Bộ bù khử dùng 3 dây giữ chậm và có đường phản hồi Sơ đồ khối và các đáp ứng với các hệ số phản hồi khác nhau được chỉ ra trên hình 2.15. Ta có: Mạch có 1 điểm không tại gốc và 2 điểm không nằm trên đường tròn đơn vị, với góc V = arc(cosk1). Một điểm cực nằm trên trục x và cách tâm một khoảng = k4. Hai điểm cực còn lại đặt cách tâm một khoảng là , tại các góc ± q. Với: . Các điểm cực-không được chỉ ra đối với k1 = 0,98, k2= 0,71, k3= - 0,25, k4= 0,5 X K4 X q V jy x Mặt phẳng - z K4 S 1/Z S + + - + 1/Z S + - K2 + 1/Z K3 + + 2K1 eo ein Hình 2.15: Bộ bù khử 3 dây giữ chậm có đường phản hồi 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V / VB -50 -40 -30 -20 -10 0 Đáp ứng (dB) I =43,9 dB I = 56,6 dB I =42,0 dB K1=1,0, k2= 0, K3=0, k4=0 K1=1,0, k2=1,2 K3=-0,7, k4=0,088 K1=0,98, k2= 0,71 K3=-0,25, k4=0,5 Ta thấy rằng khi thay đổi các hệ số phản hồi thì đáp ứng của mạch sẽ bị thay đổi. Như được chỉ ra trên hình 2.15, ứng với 3 tập hợp các giá trị phản hồi khác nhau thì ta có các đáp ứng khác nhau. Khi thêm đường phản hồi thì đáp ứng sẽ rộng hơn. 2.4.4.5. Bộ bù khử dùng 3 dây giữ chậm không có hồi tiếp Sơ đồ được chỉ ra trên hình 2.16. Ta có: Trong đó: 3 điểm cực đặt tại tâm của đường tròn đơn vị, hai điểm không được đặt tại gốc, điểm không còn lại được đặt tại trục x, cách tâm 1 khoảng bằng -1/k . Sơ đồ: K 1/Z S + + - 1/Z S + - 1/Z S + jy x Mặt phẳng - z 3 điểm cực Hình 2.16: Bộ bù khử 3 dây giữ chậm không có đường hồi tiếp Điểm không biểu diễn với k =1,78 So sánh đáp ứng của các bộ bù khử 4 xung không có phản hồi với bộ bù khử 5 xung không có phản hồi và bộ bù khử 3 xung có phản hồi được chỉ ra trên hình 2.17. 3 xung có hồi tiếp 5 không xung có hồi tiếp 4 xung không có hồi tiếp 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 V / VB Đáp ứng (dB) I =33,6 dB I = 37,7dB I =31,6 dB 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Hình 2.17: So sánh đáp ứng của các mạch Từ hình vẽ ta thấy đáp ứng của bộ bù khử 4 xung và 5 xung không có đường hồi tiếp là tương đối giống nhau. 1,0 0,9 Hình 2.18 chỉ ra hệ số hiệu quả của các bộ bù khử 1 dây giữ chậm, 2 dây giữ chậm, 3 dây giữ chậm có đường hồi tiếp. Hệ số hiệu quả của mạch phụ thuộc vào số lượng dây bù khử, phụ thuộc vào các hệ số phản hồi. K1= 0 K2= 0 Bộ bù khử đơn K1=-0,5 K1= 0 K1=0,5 K1=0,2 K2=0,6 K1=0,5 K2= 0 K1=0,2 K2=-0,6 K1= 1,00, K2=1,200 K3=-0,70, K4=0,088 K1= 0,98, K 2=0,71 K3=-0,25, K4=0,5 K=1,00, K 2= 0 K3=0, K4 = 0 0 3 5 10 20 50 100 0 10 20 50 60 70 Số xung trong độ rộng búp sóng Hình 2.18: Sự hạn chế của hệ số hiệu qủa do quét anten của các bộ bù khử có hồi tiếp. I (dB) Chiều hướng tác động của các hệ số phản hồi đối với hệ số hiệu quả được chỉ ra trên hình vẽ. 2.4.5. Bổ sung các hiệu ứng không ổn định vào hệ số hiệu quả Những nhân tố không ổn định sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của mạch. Những nhân tố không ổn định có thể là: + Sự không ổn định tần số máy phát cũng như là tần số ngoại sai. + Sự không ổn định biên độ phát từ xung đến xung. + Sự không ổn định độ rộng xung phát. + Sự không ổn định định pha của dao đông tương can. + Sự không tuyến tính của các bộ phận của hệ thống. + Sự không phối hợp giữa đường giữ chậm và không giữ chậm. Sau đây ta xét một số yếu tố không ổn định ảnh hưởng đến hiệu quả của mạch. 2.4.5.1. Sự trôi pha Giản đồ pha của hình 2.19 trình bày các xung phản xạ liên tiếp từ mục tiêu cố định. Hình vẽ cho thấy sự trôi pha và biên độ từ xung tới xung là do sự không ổn định của máy phát. Các biên độ của hai xung biểu thị bởi E1 và E2 tương ứng. ở đây ta chỉ xem xét sự trôi pha, khi đó cho độ lớn của 2 xung bằng nhau. Trong hình vẽ, cả hai xung là bán kính của một đường tròn và nối lại ta được cung có độ dài là fE. Trong đó E biểu thị độ lớn chung của 2 xung. Độ lớn ở đầu ra bộ bù khử hai xung bằng: Do dây cung xấp xỉ cung ị độ lớn đầu ra . Như vậy hệ số hiệu quả xấp xỉ bằng: (2.31) Hình 2.19: Giản đồ phân tích sai số biên độ – pha f Ví dụ: Khi sự trôi pha từ xung đến xung bằng 0,01rad(0,060), hệ số hiệu quả bằng 52(dB). Khi sự trôi pha từ xung tới xung bằng 0,1rad(0,60), hệ số hiệu quả bằng 23(dB). 2.4.5.2. Sự không ổn định biên độ từ xung đến xung của máy phát Khi hai xung liên tiếp khác nhau về biên độ, từ phương trình (2.31) ta có: Sự trôi về biên độ phát luôn luôn được xác định qua biểu thức: ở đây dBE là sự trôi biên độ từ xung tới xung biểu diễn bằng dB. Khi đó: (2.31a). Từ biểu thức (2.31a), khi sự trôi biên độ từ xung đến xung bằng 0,1(dB) thì hệ số hiệu quả bằng 41,8(dB). Khi sự trôi biên độ từ xung tới xung bằng 0,05(dB), hệ số hiệu quả là 47,8(dB). Đồ thị của phương trình (2.31) và (2.31a) được chỉ ra trên hình 2.20. Như vậy, ví dụ khi thiết bị thiết kế được chỉ ra có hệ số hiệu quả là 30(dB). Với giả thiết trên thì các trang bị được thiết kế phải đảm bảo có độ trôi pha nhỏ hơn 0,055(rad) (2,60) và độ trôi biên độ từ xung tới xung là nhỏ hơn 0,385(dB). Hình vẽ biểu thị sự phụ thuộc của hệ số hiệu quả vào các yếu tố không ổn định. 0,01 0 10 20 30 40 50 60 70 Sai số biên độ - dB 0,04 0,16 0,64 2,56 20 30 40 50 60 70 Hệ số hiệu quả (dB) Sai pha - Rad 0,001 0,002 0,004 0,008 0,016 0,032 0,064 Hình 2.20: Các hạn chế của sự không ổn định biên độ và pha Hệ số hiệu quả (dB) 2.4.5.3. Sự trôi tần số của bộ dao động tại chỗ và máy phát Thêm một yếu tố không ổn định nữa là các bộ dao động tại chỗ và máy phát có thể bị trôi tần số từ xung đến xung. Hệ số hiệu quả khi chỉ bị giới hạn bởi sự trôi tần số bằng: ở đây T là chu kỳ lặp của xung, KT là sự thay đổi tần số từ xung tới xung và TR là khoảng thời gian từ đài ra đa tới mục tiêu. Ví dụ về sự mất ổn định của tần số máy phát: KT = 0,1(Hz) (10-10, tần số mang là 1(GHz)), chu kỳ lặp xung là 300(Hz). Như vậy hệ số hiệu quả với các số liệu trên là 56,7(dB), ở cự ly gần và 47,2(dB) đối với cự ly xa. Kết luận chương 2 Trong chương 2 ta đã phân tích kỹ các bộ bù khử dùng dây giữ chậm, đánh giá được hiệu quả của từng mạch, so sánh hiệu quả của các mạch. Bộ bù khử dùng dây giữ chậm thực hiện đơn giản, khử bỏ tốt đối với nhiễu có tần số Doppler trung bình bằng không. Tuy nhiên mạch còn tồn tại các nhược điểm sau: (1) Ta đã xem xét các bộ bù khử dùng dây giữ chậm, phân tích hiệu quả của mạch. Ta thấy sử dụng bộ bù khử đã cải thiện đáng kể hiệu quả triệt nhiễu, tuy nhiên các hệ thống MTI cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm. (2) Các hệ thống MTI sử dụng dây giữ chậm dùng để triệt nhiễu địa vật, đầu ra của mạch bằng không với tần số Doppler không. Do đó hệ thống chỉ khử bỏ tốt đối với nhiễu có tần số Doppler trung bình bằng không. Hiệu quả của mạch phụ thuộc nhiều vào đặc tính phổ của nhiễu. Trong thực tế nhiễu thường gồm nhiều phần tử bức xạ thứ cấp và chúng thường chuyển động tương hỗ lẫn nhau, ngoài ra do sự quét cánh sóng anten do đó phổ của nhiễu thường bị thăng giáng. Khi xuất hiện sự thăng giáng phổ của nhiễu thì hiệu qủa của mạch bị giảm đáng kể. (3) Khi nhiễu chuyển động với tốc độ gió, đó là các nhiễu tiêu cực (nhiễu chấn tử…) thì hệ thống sẽ không khử bỏ được và hệ thống coi nhiễu như là mục tiêu. (4) Một nhược điểm nữa của hệ thống MTI cần phải xem xét là khi mục tiêu chuyển động với vận tốc mù, khi đó hệ thống không tách được mục tiêu và coi chúng như là nhiễu. (4) Các bộ bù khử dùng dây giữ chậm đơn, bù khử 2 xung; bộ bù khử đôi, bù khử 3 xung như đã xem xét chúng là các bộ xử lý tựa tối ưu. Ta thấy đầu ra max của các bộ bù khử 2 xung bằng 2 chỉ đạt được ở tại vận tốc tối ưu. Bộ bù khử 3 xung có đầu ra max bằng 8/3 luôn luôn nhỏ hơn 3. Tương tự đối với N xung phát thì tỉ số tín trên tạp luôn nhỏ hơn N. Đối với các bộ xử lý không sử dụng dây giữ chậm, các bộ xử lý tương tự tối ưu có tỉ số tín trên tạp ở đầu ra theo công suất khi xử lý N xung bằng N. Chúng ta có thể khắc phục các nhược điểm trên bằng các biện pháp: (1) Như đã xét ở trên hiệu quả của các bộ bù khử dùng dây giữ chậm phụ thuộc vào phổ của nhiễu, vào sự thăng giáng của phổ nhiễu. Để khắc phục điều này ta có thể sử dụng bộ bù khử nhiều dây giữ chậm, khi đó ta được đáp ứng của bộ lọc có rãnh chữ V khử bỏ nhiễu rộng hơn, phổ nhiễu lọt vào vùng đáp ứng tần số Doppler ít hơn so với bộ bù khử đơn. Như vậy hiệu quả chế áp nhiễu tăng lên, tuy nhiên khi sử dụng nhiều dây giữ chậm sẽ mắc phải các nhược điểm khác. (2) Khắc phục nhược điểm khi nhiễu chuyển động với tốc độ gió. Đối với nhược điểm này ta có một số giải pháp khắc phục: + Sử dụng mạch bù gió, mạch này được mắc vào giữa đầu ra của bộ dao động tương can và đầu vào tách sóng pha. Mạch bù gió áp dụng đối với phương pháp tương can trong, định pha từ máy phát. + Sử dụng tương can ngoài, đây là phương pháp định pha từ nhiễu. Phương pháp định pha từ nhiễu được áp dụng khi nhiễu có độ dài bằng 3 lần độ rộng xung phát. (3) Nhược điểm của bộ bù khử khi mục tiêu chuyển động với tốc độ mù có thể được khắc phục bằng qui tắc lắc tần số, vận tốc mù đầu tiên được tăng lên đáng kể khi sử dụng biện pháp này. Trong phần tiếp theo của đồ án sẽ trình bày hệ thống MTD để khử bỏ nhiễu, nó khắc phục được các nhược điểm của bộ bù khử dùng dây giữ chậm. Chương 3 Nghiên cứu hệ thống MTD và tổng hợp băng lọc Doppler kiểu DFT 3.1. Tổng quan về hệ thống xử lý tín hiệu trong ra đa 3.1.1. Đặt vấn đề Trong chương 2 ta đã xem xét các bộ bù khử dùng dây giữ chậm MTI để triệt nhiễu. Việc thực hiện này rất đơn giản và có hiệu quả tốt đối với nhiễu địa vật có tần số Doppler trung bình bằng không. Tuy nhiên hệ thống MTI còn tồn tại một số thiếu sót cần phải khắc phục như: a. Hệ thống MTI chính là bộ lọc tần số không. b. Xác suất phát hiện mục tiêu bị giảm khi tồn tại nhiễu chuyển động, cũng như nhiễu thời tiết. c. Hệ thống không phát hiện được mục tiêu chuyển động với vận tốc hướng tâm bằng không và chuyển động với vận tốc mù. d. Đây là bộ xử lý tựa tối ưu, tỷ số tín/tạp theo công suất ở đầu ra khi xử lý N xung luôn luôn nhỏ hơn N khi N ³ 3 và khi N = 2 thì chỉ bằng 2 khi mục tiêu chuyển động với vận tốc tối. Để khắc phục các nhược điểm trên, trong một số ra đa hiện đại đã sử dụng hệ thống MTD. 3.1.2. Giới thiệu về các thế hệ MTD Hệ thống MTD được sử dụng để cải thiện sự phát hiện mục tiêu trong nền nhiễu. Hệ thống đã sử dụng kỹ thuật số, máy tính trong quá trình xử lý tín hiệu. Hệ thống MTD phiên bản đầu tiên được trình bày ở phòng thí nghiệm Lincoln. áp dụng cho ra đa giám sát hàng không, được đặt ở các sân bay quan trọng. Về sau nó được cải tiến và cho ra đời các thệ hệ khác. 3.1.2.1. Giới thiệu chung về MTD cơ sở Hệ thống MTD ban đầu được thiết kế cho ra đa giám sát hàng không, làm việc ở băng S có dải tần từ (2,7 á 2,9) GHZ, tx = 0.6 ms, b0,5 = 1,350, Vanten = 12,8v/p, Fl = 1040 Hz, Ptb = 875w. Sơ đồ khối của MTD cơ sở được trình bày trên hình 3.1 Nhớ (Bản đồ nhiễu) Bộ bù khử 3 xung Băng lọc đốple 8 xung Bổ sung và độ lớn Bộ lọc v = 0 Biên độ Bộ lọc hồi qui và bản đồ nhiễu Ngưỡng I, Q Hình 3.1: Sơ đồ khối của MTD cơ sở Băng lọc Doppler: Được thiết kế theo FFT, xử lý 8 xung, có 8 bộ lọc đơn. Trước băng lọc có đặt bộ bù khử 3 xung. Băng lọc Doppler nhằm cải thiện việc khử bỏ nhiễu. Hệ thống có sử dụng lắc tần số để hạn chế tốc độ mù và phát hiện mục tiêu từ nhiễu thời tiết. Bản đồ nhiễu: Đầu ra của bộ lọc Doppler tương ứng với các ô cự ly -phương vị - tần số được lưu giữ trong bộ nhớ gọi là bản đồ nhiễu. Giá trị trong bản đồ nhiễu là trung bình mức nhiễu đầu ra của các bộ lọc trên một vài Tqs. Bản đồ nhiễu dùng để thiết lập ngưỡng và nó được sử dụng để tách các mục tiêu chuyển động với vận tốc mù. Trong sơ đồ, đầu ra của bộ lọc không dùng để thiết lập bản đồ nhiễu. Đối với ra đa giám sát hàng không có trang bị MTD cơ sở thì ô cự ly- phương vị được chia thành 365.000 ô, mỗi một ô trong các ô cự ly - phương vị này tích luỹ giá trị trung bình đầu ra của bộ lọc không trong một số Tqs. Khoảng xử lý tương can (CPI): Trong hệ thống ra đa này thì cự ly và phương vị được lượng tử hoá thành 365.000 ô phân biệt cự ly - phương vị. Trong đó sự lượng tử về cự ly xấp xỉ với sự phân biệt của xung và sự phân biệt về phương vị . Mỗi một ô phương vị lượng tử như trên ta thu được M xung. Trong M xung thu được có Fl = const, M xung này gọi là khoảng xử lý tương can. M xung sẽ được xử lý bằng băng lọc Doppler. ô phương vị tiếp theo nhận được M xung có Fl khác. Phần bổ sung được đặt sau băng lọc Doppler, nó có tác dụng giảm bớt bướu bên trong hệ thống MTD. Ngưỡng thích nghi: Quyết định có mục tiêu hay không phụ thuộc vào việc đặt ngưỡng. Các ra đa thế hệ trước việc đặt ngưỡng là cố định và thay đổi ngưỡng bằng tay. Việc đặt ngưỡng quyết định đến xác suất báo động lầm PF và xác suất phát hiện đúng. Khi ngưỡng tăng thì xác suất báo động lầm giảm, tuy nhiên xác suất bỏ sót mục tiêu tăng. Một vấn đề đặt ra là khi nhiễu thay đổi yêu cầu ngưỡng phải thay đổi để ổn định PF cho trước. Hệ thống MTD sử dụng ngưỡng thích nghi để ổn định xác suất báo động lầm (CFAR). Thường có 2 phương pháp CFAR: a. CFAR trung bình theo thời gian. b. CFAR trung bình theo ô cự ly. Phương pháp CFAR trung bình theo thời gian chính là CFAR theo bản đồ nhiễu. Hệ thống MTD sử dụng lắc tần số: Một trong số các ưu điểm của lắc tần số là nó tách được các mục tiêu chuyển động từ nhiễu thời tiết chuyển động, lợi dụng sự khác nhau về vận tốc của mục tiêu và nhiễu. Vận tốc của mục tiêu thường lớn hơn vận tốc mù đầu tiên, còn vận tốc của nhiễu thì nhỏ hơn rất nhiều so với vận tốc mù đầu tiên. Do đó ở các Fl khác nhau ta có thể tách được mục tiêu do nhiễu và mục tiêu xuất hiện ở các bộ lọc khác nhau của băng lọc. Đầu ra của bộ xử lý MTD được đưa đến bộ xử lý trung tâm tiếp theo. 3.1.2.2. MTD cải tiến từ phiên bản đầu tiên MTD cải tiến dựa trên cơ sở của MTD gốc. MTD cải tiến bao gồm các thành phần sau: a. Băng lọc Doppler: Băng lọc Doppler được xây dựng dựa trên cơ sở thiết kế bộ lọc theo tiêu chuẩn Chebyshev, nó là bộ lọc FIR (bộ lọc ngang). MTD cơ sở băng lọc được xây dựng theo FFT. b. Bản đồ nhiễu: ô cự ly- phương vị trong bản đồ nhiễu bây giờ không phải là một ô đối với mỗi khoảng CPI, mà là một ô cự ly- phương vị của ra đa. c. Khoảng xử lý tương can: Khoảng xử lý tương can (CPI) có 8 xung và có 2 tần số lặp khác nhau. Một CPI có chu kỳ lặp bằng 900(ms) và CPI khác có chu kỳ lặp là 1100 (ms). 3.2. Bản đồ nhiễu 3.2.1. Đặt vấn đề Xử lý tín hiệu trong hệ thống MTD có sử dụng mức ngưỡng thích nghi. Như ta đã xem xét khi xuất hiện nhiễu ở cự ly - phương vị - tần số đốple nào đó thì xác suất báo động lầm PF sẽ thay đổi nếu ta không thay đổi mức ngưỡng. Như vậy vấn đề đặt ra là khi nhiễu thay đổi ta cần phải ổn định xác suất báo động lầm PF cho trước theo hệ thống. Thực hiện điều này ta cần phải thay đổi ngưỡng theo mức nhiễu để PF = const. Xuất phát từ biểu thức liên hệ giữa ngưỡng và xác suất báo động lầm: (3.1) Như vậy: thì thay đổi theo . Mục tiêu xuất hiện ở tần số Doppler thứ i khi: . Mục tiêu không xuất hiện ở tần số Doppler thứ i khi: Khi xuất hiện nhiễu ta có: (3.2) Trong đó: là phương sai tạp, là phương sai nhiễu. Đặt: (tỉ số nhiễu/tạp). (3.3) Từ biểu thức trên ta thấy mối liên hệ giữa PF và PF(n+c). Vấn đề ở đây là cần ổn định xác suất báo động lầm khi mức tạp và nhiễu thay đổi. Giải quyết vấn đề này có 2 phương pháp thực hiện. Đó là phương pháp bản đồ nhiễu và phương pháp trung bình theo ô cự ly. 3.2.2. Phương pháp xây dựng bản đồ nhiễu Bản đồ nhiễu ngoài tác dụng ổn định xác suất báo động lầm (CFAR) còn có tác dụng phát hiện mục tiêu chuyển động với vận tốc vr = 0 và vận tốc mù. Phương pháp bản đồ nhiễu được gọi là phương pháp trung bình theo thời gian. Sơ đồ khối của bộ lọc không và bản đồ nhiễu trình bày trên hình 3.2 MTI Băng lọc đốple Băng lọc Fđ = 0 Sự hạn chế nhiễu Biên độ Lọc hồi quy Nhớ bản đồ nhiễu I,Q Hình 3.2: Bản đồ nhiễu và bộ lọc không, Fđ = 0. Bản đồ nhiễu Mục tiêu có Fđ = 0 Bản đồ nhiễu được xây dựng dựa vào dữ liệu đầu ra của bộ lọc Fđ = 0. Giá trị trong bản đồ nhiễu là trung bình mức nhiễu đầu ra của bộ lọc trên một vài Tqs. Do sự rời rạc cự ly - phương vị mà không gian quan sát của ra đa được chia thành các ô cự ly - phương vị- tần số đốple. Bản đồ nhiễu cũng được chia thành các ô cự ly- phương vị- tần số đốple để ghi mức nhiễu trung bình qua các chu kì quan sát. ô cự ly- phương vị - tần số đốple của bản đồ nhiễu có thể bằng 1 hoặc vài ô cự ly- phương vị của đài ra đa. Bản đồ nhiễu được xây dựng cho băng 0, băng lân cận 0, do nhiễu chỉ tập trung chủ yếu ở các băng này. Tuy nhiên do các bướu bên mà nhiễu cũng xuất hiện ở tất cả các bộ lọc chính vì vậy ta có thể xây dựng bản đồ nhiễu cho các bộ lọc khác. Thuật toán tính mức nhiễu có dạng: (3.4) Trong đó: - yn-1 : Là mức của bản đồ nhiễu đã tích luỹ ở chu kì thứ n-1. - xn : Là mức tín hiệu ra của bộ lọc tại chu kì đang xét. - a: Là hệ số nhỏ hơn 1 ( a < 1). Ví dụ: Giả sử ta chọn: Như vậy cứ sau một vòng quét thì 1/8 biên độ đầu ra của bộ lọc không được cộng với 7/8 giá trị được tích luỹ trong bản đồ nhiễu. Khi đó giá trị ngưỡng thích nghi được tính theo biểu thức: (3.5) Trong đó: Từ biểu thức (3.4) ta thấy đối với vùng không có nhiễu tương ứng với ô cự ly- phương vị- tần số đốple trong bản đồ nhiễu có mức tạp nhỏ, khi mục tiêu xuất hiện trong vùng này sẽ được phát hiện (tín hiệu đầu ra bộ lọc Fđ = 0 lớn hơn mức ngưỡng). Sau 10 đến 20 vòng quét ta thiết lập trạng thái ổn định của bản đồ nhiễu. Số này đảm bảo tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ít ảnh hưởng đến ngưỡng. Khi mục tiêu chuyển động trong vùng có nhiễu với vận tốc vr = 0 hoặc vận tốc mù ta thấy xn tham gia vào ngưỡng là ít và nếu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu là lớn thì mục tiêu sẽ được phát hiện. 3.3. Tổng quan về bộ xử lý CFAR 3.3.1. Giới thiệu chung về CFAR Có hai kiểu CFAR: CFAR trung bình theo thời gian, CFAR trung bình theo cự ly. CFAR trung bình theo cự ly có 3 kiểu CFAR là: + CA-CFAR + GO-CFAR + SO-CFAR Bộ CFAR có các chức năng sau: + ổn định xác suất báo động lầm PF. + phát hiện mục tiêu chuyển động với vr = 0 và với vận tốc mù. + Tách mục tiêu trong nhiễu chuyển động. Sơ đồ khối tổng quát của bộ xử lý CFAR được trình bày trên hình 3.3 (6 bộ lọc đơn). Giá trị lớn nhất Biên độ F1 Biên độ F0 Biên độ F2 Biên độ F3 Biên độ F4 Biên độ F5 So sánh So sánh So sánh So sánh So sánh So sánh So sánh Bản đồ nhiễu m0 k0 k1 So sánh m1 c1 k5 c5 m5 CFAR khoảng dài CFAR khoảng ngắn CFAR địa vật Dữ liệu MTD Hình 3.3: Sơ đồ tổng quát của bộ xử lý CFAR Biên độ tín hiệu đầu ra của các bộ lọc của băng lọc được đưa tới các bộ so sánh, các giá trị vượt ngưỡng sẽ là dữ liệu đầu ra MTD. Đối với bộ lọc không: Tín hiệu đầu ra của bộ lọc không (biên độ) dùng để thiết lập bản đồ nhiễu và đồng thời đưa đến các bộ so sánh. Các bộ lọc còn lại thì biên độ tín hiệu đầu ra chỉ được đưa đến các bộ so sánh. Trong sơ đồ khối có áp dụng 3 dạng CFAR: * CFAR khoảng dài: ước lượng mức tạp của hệ thống, sau đó nhân với các hệ số từ K0 á K5 để thiết lập ngưỡng so sánh. Các giá trị K0 á K5 phụ thuộc vào FAR của hệ thống. * CFAR khoảng ngắn: Xác định ngưỡng thích nghi phù hợp với mức nhiễu, nhiễu ở đây là biển và thời tiết. CFAR kiểu này ước lượng mức nhiễu trung bình theo ô cự ly. Phương pháp này tạo ra các ngưỡng thích nghi từ C0 á C5 để đưa vào các bộ so sánh. * CFAR địa vật: Xác định mức ngưỡng theo bản đồ nhiễu, ngưỡng thích nghi được thiết lập bằng cách nhân giá trị tích luỹ trong bản đồ nhiễu với hằng số thích hợp, ngưỡng này được đưa đến bộ so sánh. Phần tiếp theo đồ án sẽ trình bày chi tiết các dạng CFAR trung bình theo cự ly. 3.3.2. CFAR trung bình theo ô cự ly Việc thiết lập ngưỡng theo CFAR trung bình ô cự ly dựa trên mức trung bình của các tín hiệu nhận được ở các ô lân cận ô kiểm tra. Bộ CFAR đánh giá mức tạp ở N = 2n ô xung quanh ô kiểm tra. Ta xem xét cửa sổ tham khảo để đánh giá mức tạp: X1 X2 ….. Xn Y Xn+1 Xn+2 ….. X2n+1 Cửa sổ tham khảo được chia làm 2 nửa xung quanh ô kiểm tra Y. Mỗi cửa sổ được ước lượng bằng 2 giá trị Y1 và Y2: Tùy vào cách xử lý Y1 và Y2 mà ta có các bộ CFAR khác nhau. 3.3.2.1. Bộ CFAR kiểu CA - CFAR Quyết định Bộ lọc X2n+1 X2n … Xn+1 … Y Xn Xn-1 X2 X1 ồ So sánh Z T Ngưỡng Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc của bộ CA- CFAR Sơ đồ khối của bộ xử lý CFAR: Tín hiệu sau bộ lọc được đưa vào 2n+1 ô, mỗi ô có độ dài bằng khoảng phân biệt, có n ô trước ô kiểm tra và n ô sau ô kiểm tra. Mức tạp được đánh giá như sau: (3.6) Đại lượng Z sau khi nhân với hằng số T sẽ thiết lập ngưỡng thích nghi: (3.7) Giá trị T được xác định theo xác suất báo động lầm và số lượng ô N = 2n + 1. Ta có: (3.8) Trong đó: + Y > Z.T: quyết định có mục tiêu. + Y < Z.T: quyết định không có mục tiêu. Để giải quyết vấn đề phát hiện trên nền nhiễu chuyển tiếp và mục tiêu ở rìa nhiễu ta đưa ra 2 bộ CFAR kiểu GO-CFAR và SO-CFAR. 3.3.2.2. CFAR kiểu GO- CFAR Sơ đồ cấu trúc: Quyết định Bộ lọc X2n+1 X2n … Xn+1 Y Xn X2 X1 Z = Max(Y1,Y2) So sánh Z T Ngưỡng … Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của bộ GO- CFAR Tín hiệu sau bộ lọc được đưa tới cửa sổ tham khảo. Tham số Z được ước lượng bằng giá trị lớn nhất của 2 giá trị Y1 và Y2, sau đó nhân với T ta sẽ được ngưỡng thích nghi. Tín hiệu từ ô kiểm tra, ô Y đưa đến bộ so sánh với mức ngưỡng và cho ra quyết định. + Mục tiêu xuất hiện khi: Y > T.Z. + Mục tiêu không xuất hiện khi: Y < T.Z. Tham số T được chọn phụ thuộc vào xác suất báo động lầm và số ô kề bên, n ô. Ta có: (3.9) CFAR kiểu GO-CFAR để giải quyết vấn đề phát hiện trên nền nhiễu chuyển tiếp. 3.3.2.3. CFAR kiểu SO-CFAR Quyết định Bộ lọc X2n+1 X2n … Xn+1 Y Xn X2 X1 Z = Min(Y1,Y2) So sánh Z T Ngưỡng … Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của bộ SO- CFAR Sơ đồ cấu trúc: Tín hiệu sau bộ lọc được đưa tới cửa sổ tham khảo. Đại lượng Z được ước lượng bằng min(Y1,Y2), sau đó nhân với giá trị T để thiết lập ngưỡng. Tín hiệu của ô kiểm tra Y được so sánh với ngưỡng để đưa ra quyết định: + Mục tiêu xuất hiện: Y > T.Z. + Mục tiêu không xuất hiện: Y < T.Z. Giá trị T được chọn phụ thuộc vào xác suất báo động lầm PF và số ô kề bên để ước lượng tạp. (3.10) Bản đồ nhiễu loại bỏ nhiễu địa vật và phát hiện mục tiêu chuyển động với vận tốc vr = 0 và vmù. Xem xét đường truyền tín hiệu: Biên độ tín hiệu từ đầu ra của bộ lọc không đồng thời được đưa đi thiết lập bản đồ nhiễu và được đưa đến bộ so sánh đầu tiên: Bộ so sánh này thực hiện so sánh biên độ tín hiệu đầu ra của bộ lọc với ngưỡng được thiết lập từ CFAR khoảng dài, ngưỡng được tính là Ung1 = . K0. Khi tín hiệu vượt ngưỡng thì nó sẽ được đưa đến bộ so sánh thứ hai. Bộ so sánh này thực hiện so sánh biên độ tín hiệu đầu ra của bộ lọc không sau khi đã vượt Ung1 = . K0 với Ung2 = yn0.m0. Trong đó yn0 là mức tạp được tích luỹ trong bản đồ nhiễu. Nếu như nó vượt ngưỡng thì sẽ là dữ liệu đầu ra của bộ xử lý MTD. Đối với các bộ lọc từ F1 đến F5 thì biên độ tín hiệu đầu ra của các bộ lọc từ F1 đến F5 được đưa đến bộ so sánh đầu tiên. Bộ so sánh này thực hiện so sánh biên độ tín hiệu đầu ra của các bộ lọc từ F1 đến F5 với mức ngưỡng tương ứng tương ứng từ K1. á . K5, nếu tín hiệu vượt ngưỡng nó sẽ được đưa đến bộ so sánh thứ hai. Bộ so sánh này thực hiện so sánh tín hiệu đầu ra của các bộ so sánh thứ nhất với ngưỡng tương ứng từ C1á C5. Nếu tín hiệu vượt ngưỡng nó sẽ được đưa đến bộ so sánh thứ ba. Bộ so sánh này được thực hiện so sánh tín hiệu đầu ra của các bộ so sánh thứ hai với mức ngưỡng tương ứng là m1.yn1 á m5.yn5 . Trong đó yn1á yn5 là lượng nhiễu tích luỹ trong bản đồ nhiễu của các bộ lọc. Nếu tín hiệu vượt ngưỡng thì nó là dữ liệu đầu ra của bộ xử lý MTD. 3.4. Thiết kế băng lọc Doppler trong hệ thống MTD 3.4.1. Lựa chọn sơ đồ khối và một số tham số của hệ thống xử lý tín hiệu Sơ đồ khối của hệ thống xử lý tín hiệu như trình bày trên hình 3.7. Bộ xử lý thời tiết Bộ xử lý MTD Xử lý PRS Bộ xử lý thời tiết Bộ xử lý MTD Xử lý PRS Hình 3.7: Sơ đồ khối của bộ xử lý tín hiệu Tín hiệu thị tần I,Q Tín hiệu thị tần I,Q Từ kênh B Từ kênh A Dữ liệu thời tiết Dữ liệu mục tiêu Dữ liệu thời tiết Dữ liệu mục tiêu Bộ xử lý tín hiệu (kênh B) Bộ xử lý tín hiệu (kênh A) Bộ xử lý bao gồm các phần: Bộ xử lý MTD, bộ xử lý PSR và bộ xử lý thời tiết. * Bộ xử lý MTD sử dụng các bộ lọc Doppler, ngưỡng thích nghi và bản đồ nhiễu để loại bỏ nhiễu mặt đất, nhiễu mưa. * Bộ xử lý PRS: Các dữ liệu từ bộ xử lý MTD được đưa tới bộ xử lý PRS. Chức năng của PRS là kết hợp các bản thông báo vượt ngưỡng cự ly - phương vị - đốple của cùng một mục tiêu vào một bản thông báo đơn và tính toán cự ly, phương vị chính xác của mục tiêu này. * Bộ xử lý thời tiết: Phát hiện sự có mặt của thời tiết . Trên hình vẽ ta thấy bộ xử lý tín hiệu gồm 2 phần giống nhau. Các tín hiệu ở 2 kênh I,Q là các tín hiệu đã được A/D sau khi tách sóng pha và được đưa đến bộ xử lý MTD, sau đó đưa đến bộ PRS và đưa ra các thông tin của mục tiêu. Tương tự, tín hiệu thị tần thời tiết được đưa đến bộ xử lý thời tiết sau đó đưa đến bộ PRS và đưa ra các thông tin của thời tiết. Bộ xử lý MTD cải thiện đáng kể sự triệt nhiễu chuyển động, khắc phục các nhược điểm của bộ xử lý MTI. a. Bộ xử lý MTI có xác suất phát hiện giảm nhiều khi có nhiễu chuyển động, chẳng hạn như nhiễu thời tiết. b. Không phát hiện được mục tiêu chuyển động với vr = 0 và với vận tốc mù. Bộ xử lý CFAR Giá trị lớn nhất F1 F2 F3 F4 F7 F0 Biên độ Băng lọc đốp le Bộ bù khử - MTI DESTAGGER Biên độ Hạn chế nhiễu Bản đồ nhiễu Bộ lọc đốp le 0 Tới PRS EXTRACTOR Kênh I Kênh Q Hình 3.8: Sơ đồ khối của bộ xử lý MTD Sơ đồ khối của bộ xử lý MTD: F1 F7 F0 Bộ xử lý MTD gồm các phần sau: - Bộ bù khử MTI: Là bộ bù khử đơn, 2 xung. - Băng lọc Doppler. - Biên độ các đầu ra của bộ lọc - Bản đồ nhiễu. - Sự khử bỏ nhiễu. - Bộ xử lý CFAR. Lựa chọn một số tham số của hệ thống như sau: (1) Bộ xử lý MTD 1. Khoảng xử lý: 0 - 240 km. 2. Bộ biến đổi A/D: - Lượng tử biên độ: 12 bit - Tần số lấy mẫu 2 kênh I, Q: 0,02 ms 3. Bộ bù khử MTI: Bộ bù khử 3 xung. 4. Băng lọc Doppler: Gồm 8 bộ lọc, xử lý 8 xung (kể cả bộ lọc v = 0). 5. Bản đồ nhiễu: - ô cự ly: Nhỏ hơn 1,4 km - ô phương vị: Nhỏ hơn 2,80 6. Sự đóng mở bộ bù khử MTI: Điều khiển đóng mở chỉ có tác dụng bởi bản đồ nhiễu. 7. Bộ xử lý CFAR: Có 3 kiểu test được thực hiện: - CFAR khoảng dài - CFAR khoảng ngắn - CFAR địa vật (2). Bộ xử lý thời tiết 1. Lượng tử biên độ: 12 bit 2. Chu kỳ lấy mẫu: xấp xỉ 0,02 ms . 3.4.2. Thiết kế băng lọc Doppler Bộ xử lý MTD sử dụng băng lọc Doppler gồm các bộ lọc liên tiếp, có tần số trung tâm khác nhau, chúng là các bộ lọc thông dải tương đối hẹp. Sử dụng băng lọc Doppler cho phép phát hiện các mục tiêu chyển động với vận tốc khác nhau, do xuất hiện ở các bộ lọc khác nhau của băng lọc. 3.4.2.1. Sơ đồ cấu trúc của băng lọc Bộ lọc cộng hưởng tại tần số 0 Bộ lọc cộng hưởng tại tần số Xử lý dữ liệu CFAR CFAR Bộ lọc cộng hưởng tại tần số CFAR Hình 3.9: Sơ đồ khối của băng lọc Doppler Từ sơ đồ khối ta thấy băng lọc Doppler là một tập hợp gồm N bộ lọc đơn, có tần số trung tâm từ 0 đến (N-1)/NT. ở đây ta xử lý N xung phản xạ về. 3.4.2.2. Xây dựng bộ lọc đơn của băng lọc Doppler Bộ lọc đơn được thiết kế theo dạng bộ lọc FIR, đây là bộ lọc không hồi quy, có chiều dài hữu hạn do đó mà hệ thống luôn ổn định. Xây dựng bộ lọc FIR, là bộ lọc phổ biến, dễ dàng thực hiện. Các lỗi sinh ra do thực hiện mạch không lý tưởng trong trường hợp FIR có thể được điều khiển dễ dàng. Do sự liên quan chặt chẽ đến thuật toán FFT, bộ lọc FIR được thực hiện có hiệu quả với bộ lọc có bậc lớn. Xây dựng bộ lọc FIR theo FFT khó nhận được bướu bên đủ thấp, khó nhận được đặc tính mong muốn và đặc biệt là tính linh động trong thiết kế. Bộ lọc FIR được đặc trưng bằng phương trình sai phân sau: (3.11) Hoặc bằng hàm truyền: (3.12) ồ I, Q X0 XN-3 XN-2 XN-1 T T T W0 S(k) X X1 T W 1 W N-3 W N-2 W N-1 X X X X Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc kiểu DFT Ta thiết kế bộ lọc theo DFT, sơ đồ khối của bộ lọc đơn xử lý N xung như hình vẽ. Trên sơ đồ chỉ ra cấu trúc của bộ lọc thứ k, kiểu DFT. Thực hiện bởi N điểm, tín hiệu được đưa đến từ 2 kênh I và Q. Tín hiệu đầu ra được tính toán theo biểu thức : (3.13) Ta có: , tín hiệu phức được đưa đến bộ lọc từ 2 kênh I,Q. (3.14) Xem xét hàm truyền của bộ lọc được thiết kế: xét bộ lọc thứ K, với hệ số trọng lượng của nhánh thứ n được cho như sau: (3.15) Trong đó: K = 0 á N-1, n =1á N. ở đây giả thiết biên độ của các hệ số trọng lượng là như nhau. Khi đầu vào của bộ lọc là hàm delta d(t) thì ta sẽ nhận được đáp ứng xung của bộ lọc. Đáp ứng xung của bộ lọc: (3.16) Biến đổi Furier của đáp ứng xung ta nhận được đáp ứng tần số của bộ lọc: (3.17) Ta có đáp ứng biên độ: (3.18) Như vậy đáp ứng biên độ có dạng được chỉ ra trên hình vẽ. Fđ Hình 3.11: Hàm truyền của bộ lọc đơn 0,9/NT 2/NT ` Đỉnh của các đường cong đáp ứng xuất hiện khi mà mẫu số bằng 0 hay và khi đó tử số cũng bằng 0. Dạng là bất định và sử dụng quy tắc Lopital ta có thể tìm được max của . Đỉnh của các đường cong đáp ứng tại các tần số: (3.19) Trong đó: K là bộ lọc thứ K, có tần số cộng hưởng tại K/NT, chu kỳ lặp lại là 1/T. Do vậy bướu chính bằng 2/(NT) tính theo 2 điểm không đầu tiên, tính theo 0,5 công suất là 0,9/(NT). 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 1/NT 2/NT 3/NT 4/NT 5/NT 6/NT 7/NT 1/T Fđ Hình 3.12: Đáp ứng tần số của băng lọc Đáp ứng biên độ Từ các vấn đề xem xét ở trên ta có thể đưa ra đáp ứng tần số của băng lọc Doppler có 8 bộ lọc đơn cho trên hình vẽ. Tần số trung tâm của bộ lọc 0 là 0, bộ lọc thứ K là K/(NT). 8 bộ lọc tương ứng với 8 xung được xử lý trải khắp vùng tần số từ 0 á Fl. Đỉnh của bộ lọc kề bên là giá trị min của bộ lọc kề trước đó. 3.4.2.3. Đánh giá hệ số hiệu quả của mạch * Tổn hao giao nhau: Ta xem xét băng lọc gồm 8 bộ lọc đơn, xử lý 8 xung từ hình 3.12 ta thấy với N = 8 thì 2 bộ lọc sẽ cắt nhau tại tần số . Như vậy biên độ tín hiệu ra tương ứng với hàm truyền tính theo biểu thức (3.18) . ị Biên độ tín hiệu đầu ra chuẩn hoá bằng: , tương ứng = -3,92(dB) (tổn hao giao nhau). Ta thấy, do thiết kế bộ lọc không được lý tưởng, có dạng hình chuông. Do đó xuất hiện tổn hao, nghĩa là giảm tỉ số tín/tạp tại vùng giao nhau và tại các tần số khác đỉnh. Đây là một trong những nhược điểm của băng lọc Doppler. Tương ứng với tổn hao giao nhau (giảm tỉ số tín/tạp) ta xem xét xác suất phát hiện đúng PD. Ta lấy ví dụ đối với mục tiêu không thăng giáng, tỉ số tín/ tạp (SNR) tại đỉnh của đáp ứng = 13(dB), tương ứng với xác suất phát hiện đúng đối với mỗi bộ lọc là PD = 0,13. Ta thấy xác suất phát hiện đúng của hai bộ lọc kề nhau là độc lập, như vậy PD của cả hai bộ lọc kề nhau là độc lập. Như vậy PD của cả hai bộ lọc là: PD = 1 - (1 - 0,13)2 = 0,24 Như vậy PD = 0,24 là nhỏ hơn 0,87, xuất hiện tổn hao xác suất phát hiện đúng. * Khả năng chế áp nhiễu địa vật của băng lọc Doppler. Như đã trình bày ở chương 2, ta đã tính được hệ số hiệu quả (I) của bộ bù khử 2 xung và 3 xung, trong phần này ta xem xét hệ số hiệu quả của các bộ lọc đơn của băng lọc. Xem xét băng lọc Doppler gồm 8 bộ lọc đơn. Từ hàm truyền của từng bộ lọc, có các tần số trung tâm khác nhau và giả thiết phổ nhiễu là chuẩn. Bằng phương pháp tính toán như ở chương 2 ta có thể tính được hệ số hiệu quả I cho từng bộ lọc và hệ số hiệu quả trung bình của băng lọc. Nó là một hàm của sf(Fl), với sf là độ phân tán trung bình bình phương phổ của nhiễu, Fl: Tần số lặp của xung. Các đồ thị đánh giá khả năng chế áp nhiễu của các bộ lọc, với 3 phương án: (1) Hệ số trọng lượng có biên độ bằng nhau, không đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước. (2) Hệ số trọng lượng có biên độ bằng nhau, đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước. (3) Hệ số trọng lượng Chebyshev, mức bướu bên là 25(dB), có đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước. 10 20 30 40 50 60 70 (sf / Fl) Hệ số hiệu quả (dB) 5 4, 6 3, 7 2. 8 Hình 3.13: Hệ số hiệu quả của băng lọc có biên độ các hệ số trọng lượng bằng nhau 10 -3 0 10 -2 10 -1 10 -3 0 20 40 60 80 100 10 -2 10 -1 120 140 (sf / Fl) Hệ số hiệu quả (dB) 5 4, 6 3, 7 2. 8 Hình3.14: Hệ số hiệu quả của băng lọc với các hệ số trọng lượng có biên độ bằng nhau và đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước 10 -3 0 20 40 60 80 100 10 -2 10 -1 120 140 (sf / Fl) Hệ số hiệu quả (dB) 5 4, 6 3, 7 2. 8 Hình3.15: Hệ số hiệu quả của băng lọc với các hệ số trọng lượng có biên độ khác nhau và đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước Đối với băng lọc Doppler có đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước, có hệ số trọng lượng Chebyshev thì hệ số hiệu quả là lớn nhất. Sau đó đến băng lọc Doppler có đặt bộ bù khử 3 xung đằng trước nhưng biên độ của các hệ số trọng lượng bằng nhau. Cuối cùng là băng lọc Doppler không đặt bộ bù khử 3 xung ở đằng trước, các biên độ của hệ số trọng lượng bằng nhau. Như vậy, bằng cách đặt bộ bù khử ở trước băng lọc thì khả năng triệt nhiễu tốt hơn. Ngoài ra khi sử dụng các hệ số trọng lượng Chebyshev thì hệ số triệt nhiễu cao hơn, do bướu bên của bộ lọc bị giảm (sẽ được xem xét ở phần sau). Từ đồ thị ta thấy các bộ lọc càng gần vận tốc 0 và vận tốc mù thì hệ số hiệu quả càng giảm. 3.4.2.4. Điều khiển bướu bên để tăng khả năng triệt nhiễu Để tăng hệ số hiệu quả triệt nhiễu của băng lọc ta phải giảm bướu bên. Với hàm truyền đã xem xét ở phần trước, đồ thị hình 3.11. Ta thấy bướu bên lớn nhất sẽ bằng -13,2(dB) so với đỉnh của bướu chính. Như vậy mức bướu bên này là quá lớn, khả năng triệt nhiễu sẽ giảm, ta phải làm giảm mức bướu bên. Phương pháp làm giảm mức bướu bên là sử dụng biên độ của các hệ số trọng lượng. Pha của hệ số trọng lượng quyết định đến tần số cộng hưởng của bộ lọc, biên độ của hệ số trọng lượng quyết định đến mức bướu bên. Một số phương pháp lựa chọn biên độ của các hệ số trọng lượng được đưa ra đó là: (1). Hệ số trọng lượng Blackman: Biên độ của các hệ số trọng lượng được tính theo biểu thức: (3.20) (2). Hệ số trọng lượng Rectang: Biên độ của tất cả các hệ số trọng lượng bằng 1, ta có: (3.21) (3). Hệ số trọng lượng Chebyshev: Với n và mức biếu bên (dB) nhập vào ta sẽ tính được các hệ số trọng lượng: w = chebwin(n,r). (4). Hệ số trọng lượng Hamming: (3.22) (5). Hệ số trọng lượng Hanning: (3.23) (6). Hệ số trọng lượng Kaiser: Với n và mức biếu bên, a(dB) nhập vào theo b ta sẽ tính được các hệ số trọng lượng: w = Kaiser(n,b). Với b được tính như sau: b = (3.24) (7). Hệ số trọng lượng Triang: Với n là lẻ: (3.25) Với n là chẵn: (3.26) Tuy nhiên khi nhận được mức bướu bên thấp thì độ rộng của đáp ứng chính sẽ tăng và hệ số khuếch đại giảm, nó phụ thuộc vào mức suy giảm bướu bên. Mỗi một phương pháp lựa chọn hệ số trọng lượng ở trên sẽ thu được các ưu nhược điểm khác nhau. 3.4.2.5. Mô phỏng hàm truyền của bộ lọc được thiết kế theo DFT Hàm truyền được thiết kế theo biểu thức (3.18) áp dụng cho trường hợp biên độ của các hệ số trọng lượng bằng nhau. Phần này sẽ mô phỏng hàm truyền của bộ lọc có sử dụng biên độ các hệ số trọng lượng đã xem xét ở trên. Hàm truyền được thiết kế với các tham số sau: Số điểm DFT là 8 điểm: N = 8 Số bộ lọc K = 8, từ bộ lọc thứ 0 đến bộ lọc thứ 7 Số xung xử lý là 8 xung Hệ số trọng lượng của bộ lọc thứ K của nhánh thứ n: (3.27) Ta thấy các bộ lọc thứ 5 đến thứ 7 có hệ số trọng lượng là liên hợp phức của các hệ số trọng lượng của bộ lọc thứ 1 đến thứ 3. Như vậy đáp ứng tần số của bộ lọc thứ 5 đến thứ 7 đối xứng với bộ lọc thứ 1 đến thứ 3. 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 Tần số chuẩn hoá(Fl) Băng lọc 1/8 Đáp ứng tần số(dB) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Hàm truyền được thiết kế theo hệ số trọng lượng Kaiser với a = 50(dB) 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 Tần số chuẩn hoá(Fl) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Đáp ứng tần số(dB) Băng lọc 3/8 Băng lọc 2/8 Đáp ứng tần số(dB) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Tần số chuẩn hoá(Fl) 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 Tần số chuẩn hoá(Fl) 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Đáp ứng tần số(dB) Băng lọc 4/8 Nhận xét: Do làm giảm bướu bên mà độ rộng phổ chính bị mở rộng. Ta thấy băng lọc số 1 tại gốc đáp ứng không phải là 0, tại tần số lặp bướu chính mở rộng sang tần số chuẩn hoá ằ 7/8. So sánh đáp ứng của bộ lọc số 4, được thiết kế với các hệ số trọng lượng khác nhau. 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Đáp ứng tần số(dB) Băng lọc 4/8(Hệ số trọng lượng Chev +Kaiser) Chev Kaiser Tần số chuẩn hoá(Fl) Tần số chuẩn hoá(Fl) 0 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 2/3 7/8 1 Băng lọc 4/8(Hệ số trọng lượng Chev +Triang) Đáp ứng tần số(dB) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 Chev Triang Để giảm bớt tính toán ta có thể thiết kế bộ lọc theo kiểu FFT. Kết luận chương 3 Trong chương này ta đã xem xét hệ thống MTD dùng để khử bỏ nhiễu. Các phần tử của hệ thống MTD bao gồm: Băng lọc Doppler, bản đồ nhiễu, ngưỡng thích nghi. Băng lọc Doppler gồm nhiều bộ lọc đơn có tần số trung tâm khác nhau, trải hết vùng tần số từ 0 đến Fl. Hệ thống đã khắc phục được những nhược điểm của bộ bù khử dùng dây giữ chậm, có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp chống nhiễu được xem xét ở chương 2: (1). Hệ thống có thể tách được các mục tiêu chuyển động với vận tốc khác nhau do xuất hiện ở các bộ lọc khác nhau của băng lọc. (2). Hệ thống có thể phát hiện được mục tiêu chuyển động với vận tốc mù bằng cách sử dụng bản đồ nhiễu. (3). Bằng các biện pháp xử lý ngưỡng, sử dụng các tần số lặp khác nhau hệ thống có thể phát hiện được mục tiêu trong khi bị che lấp bởi nhiễu chuyển động như nhiễu thời tiết. Hệ thống còn một số nhược điểm: Nó trở nên phức tạp hơn, việc thiết kế các bộ lọc có được đặc tính mong muốn là khó, yêu cầu xử lý nhiều xung, xuất hiện tổn hao giao nhau. Mặc dù vậy với ưu điểm vượt trội, các hệ thống ra đa hiện đại đã sử dụng hệ này. Kết luận chung Sau một thời gian làm đồ án với sự cố gắng của bản thân, sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Trịnh Đăng Khánh cùng các thầy giáo trong bộ môn đồ án đến nay đã hoàn thành và thực hiện được các nội dung sau: 1. Nghiên cứu lý thuyết phát hiện: + Xem xét tín hiệu đầu vào đài ra đa. + Nghiên cứu các tiêu chuẩn phát hiện tối ưu, các chỉ tiêu chất lượng phát hiện để xây dựng các tiêu chuẩn phát hiện. + Đưa ra năm mô hình mục tiêu để xem xét, năm mô hình này đủ để mô tả hầu hết các mục tiêu ra đa. Tính toán chỉ tiêu chất lượng phát hiện của các mô hình. 2. Nghiên cứu các hệ thống khử bỏ nhiễu dùng dây giữ chậm, hệ thống MTI. Đánh giá hiệu quả của từng mạch cũng như nhược điểm của chúng. Đồng thời so sánh ưu nhược điểm của các mạch để thấy được mỗi một hệ thống khi đạt được những ưu điểm thì sẽ bị trả giá bởi những nhược điểm nhất định. Hệ thống thực hiện đơn giản nhưng còn nhiều nhược điểm. 3. Nghiên cứu hệ thống MTD, tổng hợp bộ lọc của băng lọc Doppler theo DFT. Hệ thống này đã khắc phục được những nhược điểm của hệ thống MTI, với các ra đa hiện đại người ta đã thay thế các hệ thống bù khử MTI bằng hệ thống MTD. Qua nghiên cứu ta thấy hệ thống MTD là một hệ thống mới, các tài liệu đề cập đến nó còn ít, hệ thống tương đối phức tạp việc nghiên cứu nó không phải là đơn giản. Do hạn chế về thời gian cũng như năng lực của bản thân nên đồ án chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu hệ thống, so sánh ưu nhược điểm của các hệ thống MTI và so sánh hệ thống này với hệ thống MTD. Các bước xử lý dữ liệu đầu ra của hệ thống MTD là hết sức phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian cũng như tài liệu tham khảo, nội dung đồ án chưa đề cặp nhiều. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Đức Luyện, Nguyên lý Ra đa- phần 2, Học viện KTQS - 1980. 2. Nguyễn Quốc Trung, Xử lý tín hiệu và lọc số, NXB Khoa học và kỹ thuật - 2001. 3. Hoàng Thọ Tu, Cơ sở xây dựng đài đài Ra đa cảnh giới phòng không, Học viện KTQS - 1985. 4. Hồ Anh Túy, Xử lý tín hiệu số, NXB Khoa học kỹ thuật – 1996. 5. Г. M. ВИШИН, СЕЛЕКЦИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ – 1996. 6. Menl Skolnic, RADAR HANDBOOK – 1996. 7. Peyton Z. Peebles, Radar Principies – 1998.