Báo cáo " Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại Việt Nam " pptx

Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động
sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại
Việt Nam

Lương Xuân Trường

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ Thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70
Người hướng dẫn: TS. Trần Minh Tuấn
Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Giới thiệu tổng quan về radar và một số khái niệm cơ bản có liên quan tới
hoạt động của radar, cũng như cách phân loại và một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt
động của radar. Trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng liên quan đến hoạt động của
hệ thống radar bao gồm: Lý thuyết về truyền sóng trong không gian tự do, Hiệu ứng
Doppler cho truyền sóng vô tuyến điện, lý thuyết anten, đồ thị bức xạ của anten và kỹ
thuật anten có mặt phản xạ, anten parabol. Giới thiệu lịch sử và khái niệm về radar thụ
động. Trình bày về hệ thống radar thụ động hai vị trí. Hoạt động của radar thụ động
hai vị trí. Các dạng tín hiệu của nguồn phát có sẵn được nghiên cứu cho hệ thống radar
thụ động. Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh
truyền hình tại Việt Nam. Đề xuất khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt
Nam trong thời gian tới.

Keywords: Kỹ thuật điện tử; Radar; Tín hiệu; Phát thanh; Truyền hình

Content
TỔNG QUAN VỀ RADAR
Giới thiệu một cách tổng quan về radar.
Radar (Radio Angle Detection and Ranging) Radar là tên viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh chỉ
hệ thống thiết bị ra đời nhằm mục đích nhận dạng vị trí mục tiêu nhờ vào hiện tượng phản xạ
sóng điện từ.

Một số khái niệm cơ bản: Đài ra đa thu, đài phát.
Dải tần số hoạt động: Từ băng V,U,L,S…
Công suất phát sóng có thể lên đến hàng triệu Watt.
Radar được phân loại theo phương thức hoạt động hoặc ứng dụng. Một số tên gọi các loại
radar thường gặp: radar xung, radar theo dõi, radar thời tiết, radar hình ảnh…
Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến đến hoạt động của radar: Địa hình, can nhiễu tần số vô tuyến
điện…
Ứng dụng radar: Radar giám sát, theo dõi, dẫn đường, điều khiển vũ khí… (dân sự), radar khí
tượng thủy văn (dân sự).
[1]
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng liên quan đến hoạt động của hệ thống radar.
Bao gồm:
- Tính chất lan truyền sóng điện từ trong không gian tự do:

2
o Sóng điện từ truyền qua môi trường đồng nhất, và đẳng hướng thì truyền thẳng. Vận
tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng (3.10
8
m/s).
o Suy hao năng lượng của sóng điện từ khi truyền qua không gian tự do là:
4
L ( ) 20log( )
F
r
dB



(1)

o Ngoài ra còn phải kể đến hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ - chúng là các yếu tố ảnh
hưởng trực tiếp tới hoạt động của radar.
- Hiệu ứng Doppler:
o Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản xạ bởi
mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ bị thay đổi, sự
thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler có thể làm tăng hoặc giảm tần
số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của sóng, vận tốc chuyển động của
mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi.
o Công thức tính trường hợp tổng quát. Giải bài toán tính độ dịch tần Doppler trong kỹ
thuật radar. Trường hợp 1, mục tiêu chuyển động, đài thu đài phát đứng cố định. Trường
hợp 2, đài phát, đài thu chuyển động, mục tiêu không chuyển động.
- Lý thuyết anten:
o Đồ thị bức xạ (giản đồ) của anten.
o Anten có mặt phản xạ, anten parabol.
o Anten mảng
o Bài toán định hướng sóng đến.
- Một số lĩnh vực quan trọng khác: Siêu cao tần, xử lý số tín hiệu, kỹ thuật máy tính…
RADAR THỤ ĐỘNG
- Giới thiệu radar thụ động
o Lịch sử ra đời của những hệ thống radar thụ động đầu tiên vào những năm trong chiến
tranh thế giới lần 2.
o Khái niệm radar thụ động (passive radar) có thể hiểu một cách gần chính xác là: Radar
thụ động (Passive radar) là dạng radar phát hiện vào theo dõi mục tiêu bằng cách thu các
tín hiệu bị phản xạ bởi mục tiêu. Các nguồn phát tín hiệu là các nguồn phát xạ có sẵn trong
như tín hiệu quảng bá phát thanh truyền hình, tín hiệu của các hệ thống viễn thông.
o Dạng tiêu biểu của radar thụ động có sơ đồ như hình 1 được gọi là radar thụ động hai
vị trí (bistatic passive radar), là dạng nghiên cứu chủ yếu trong luận văn.

Hình 1: Hệ thống radar thụ động hai vị trị

- Để thiết kế một hệ thống radar thụ động người ta nghiên cứu hai phần cơ bản sau:

3
o Nghiên cứu dạng tín hiệu sử dụng. Công cụ toán học chính được dùng đó là hàm đánh
giá độ mù mờ (Ambiguity function)
o Bài toán xây dựng mô hình, tính toán vùng phủ sóng, khoảng cách đài thu với nguồn
phát.Các tham số cần tính toán là: Tỉ số SNR, phương trình radar và hằng số radar thụ động
K, tính toán vùng phủ sóng và vị trí đặt đài radar thu.
- Đặc điểm một số dạng tín hiệu được nghiên cứu sử dụng cho radar thụ động:
o Tín hiệu FM được quy hoạch trong băng tần VHF 88-108 MHz. Quá trình điều chế là
điều chế FM băng thông rộng. (Với một kênh truyền có băng thông B khoảng 50 kHz
tương ứng với độ phân giải khoảng c/2B = 3000 m).
o Các tín hiệu truyền hình tương tự được quy hoạch trong cả băng tần VHF (đoạn băng
tần từ 174MHz - 216 MHz) và băng UHF (đoạn băng tần từ 470-806 MHz ). Băng thông
của các điều chế video tương tự thường được 5,5 – 6,5MHz (tương ứng với độ phân giải
khoảng c/2B = 30 m).
o Một số dạng tín hiệu khác như Truyền thanh số, truyền hình số, truyền hình vệ tinh,
HF, tín hiệu điện thoại của trạm BTS…
- Hàm đánh giá độ mù mờ (AF)
o Hàm mù AF là một công cụ để nghiên cứu và đánh giá khả năng hoạt động của radar
theo các dạng sóng radar đó sử dụng. Biểu diễn toán học của hàm AF có dạng [9]:
2
2 * 2
| ( , )| | ( ) ( ) |
d
j f t
d
f s t s t e dt

  





(2)
o Trong vai trò nghiên cứu dạng tín hiệu, hàm AF được sử dụng để đánh giá độ phân
giải về khoảng cách và tần số của radar đối với mỗi dạng tín hiệu sử dụng.


Hình 2: Biểu diễn của hàm AF đối với tín hiệu đầu vào là tín hiệu FM và DVB-T


4
o Tính chất quan trọng rút ra được khi nghiên cứu hàm AF đối với các tín hiệu sử dụng
cho hệ thống radar đó là: Khi băng thông của tín hiệu càng lớn thì độ phân giải khoảng
cách càng chính xác. Ngược lại khi thời gian kéo dài xung càng dài thì độ phân giải
Doppler càng chính xác
- Bài toán xây dựng mô hình radar thụ động
Gọi P
T
là công suất của đài phát, P
R
là công suất tín hiệu phản xạ thu được tại máy thu, R
R
,
R
T
là khoảng cách từ mục tiêu đến radar và nguồn phát, G là tăng ích anten, L
i
, F

i
là các
yếu tố suy hao không gian truyền sóng. Khi đó phương trình radar được biểu diễn như sau:
2 2 2
3 2 2
(4 )
T T R B T R
R
T R T R
P G G F F
P
L L R R



(4)
Tỉ số S/N được tính như sau:
2 2 2
3 2 2
(4 )
T T R B T R
s n T R T R
P G G F F
S
N kT B L L R R



(5)
K gọi là hằng số radar được tính như sau:

2 2 2
3
K
(4 )
T T R B T R
s n T R
P G G F F
kT B L L



(6)
Viết lại công thức S/N trong hệ tọa độ Cực như hình 4, L được gọi là độ dài đường cơ sơ,
sử dụng biến đổi Cassini cho ta kết quả như sau:

Hình 4: Biểu diễn radar thụ động hai vị trí trong hệ tọa độ Cực
2
2 2 2 2 2
( ) cos
4
K
SNR
L
r r L




(7)
Giải phương trình 7 cho ta kết quả như hình:

Hình 3: Biểu diễn vùng phủ của radar thụ động hai vị trí theo giá trị SNR

5
Trong hình 3 mỗi elip thể hiện vùng phủ đối với mỗi giá trị SNR của hệ thống radar
Diện tích vùng phủ sẽ được tính như sau:
48
1
24
13
1 ( )( ) ( )( )
64 16384
B
LL
A



  



(8)
Bài toán xây dựng mô hình hệ thống radar thụ động cần xác định được 3 yếu tố quan trọng:
+ Tỉ số SNR
+ Vị trí đặt radar (độ dài đường cơ sơ)
+ Hình dạng và diện tích vùng phủ

o Các yếu tố đánh giá chất lượng của hoạt động radar: Độ phân dải khoảng cách, độ
phân dải tần số, xác suất phát hiện, xác suất báo giả.

[3][7]

o Bài toán:

Đài FM
Truyền hình
DVB-T
Tần số
102,7MHz
514MHz
Công
suất
20KW
10KW
Điều
chế
FM
OFDM
Băng
thông
300KHz
8MHz
Các giả thiết:
Độ lợi anten phát : 15 dB
Độ lợi anten thu : 15 dB
Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS : 10 m
2

Hệ số truyền lan trên đường phát :1dB
Hệ số truyền lan trên đường thu : 1dB

Tổng nhiệt tạp âm máy thu : 2900K
Băng thông tạp âm : 180KHz
Suy hao phát :1dB
Suy hao thu :1dB
Tỉ số SNR = 15
Kết quả tính toán:

6

FM
DVB-T
Độ phân
dải khoảng
cách
Hàng trăm
mét
Vài chục mét
SNR
15
15
Hắng số K
1343.10
19

5362.10
17

Độ dài
đường cơ
sở L

60Km
30Km
R
T
R
R

1542Km
2

274,5Km
2

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG TẠI VIỆT NAM
Xây dựng tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu các nguồn
phát tín hiệu phát thanh, truyền hình. Phân tích hiện trạng phát thanh truyền hình tại Việt Nam
hiện nay và xu hướng phát triển. Đánh giá khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt
Nam.
- Điều kiện để một nguồn phát có thể sử dụng cho một hệ thống radar thụ động:
 Thời gian phát sóng liên tục
 Công suất đủ lớn
 Băng thông phù hợp
 Vị trí phù hợp
 Tần số nằm trong đoạn băng tần có quy hoạch phù hợp nhằm tránh can nhiễu do việc
sử dụng lại tần số trong khu vực.
- Hiện trạng phủ sóng phát thanh, truyền hình tại Việt Nam:
 Việt Nam có hệ thống phát thanh, truyền hình dày đặc với nhiều loại hình.
 Truyền hình tương tự và phát thanh FM trải đều trên 63 tỉnh thành với mật độ phủ
sóng gần 100% diện tích đất liền.
 Hệ thống truyền hình số mặt đất khá phát triển (nhà cung cấp VTC, AVG).

- Khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt Nam:
Việt Nam có nhiều đài phát quốc gia, quy mô lớn, hoạt động liên tục và vùng phủ sóng
rộng. Các đài phát này còn có ưu điểm đã được quy hoạch riêng kênh tần số do đó tránh
được các can nhiễu không mong muốn từ đài khác.

7
Cơ sở hạ tầng phát thanh truyền hình hiện nay hoàn toan cho phép Việt Nam triển khai
các hệ thống radar thụ động. Đặc biệt tại các khu vực đồng bằng, khu tập chung đông dân
cư, vùng kinh tế trọng điểm, vùng cửa biển.
KẾT LUẬN
Luận văn đạt được những kết quả nghiên cứu về hệ thống radar thụ động và bài toán
xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng nguồn phát tín hiệu phát thanh truyền hình.
Luận văn đã đề xuất mô hình thí nghiệm thực tế và đánh giá tiềm năng triển khai hệ
thống radar này trên lãnh thổ Việt Nam dựa trên những khảo sát đã tiến hành.

References
[1] Merrill Skolnic. Radar Handbook . Mc Graw-Hill, 2008.
[2] H.D Griffiths. Passive Bistatic Radar.RTO-EN-SET-133
[3] Benson Chan.Reciever site optimisation for passive coherent location radar system.Cape
Town, 2008.
[4] Nicholas J. Willis. Bistatic Radar.Scietech Publishing INC, 2005.
[5] John W.Franklin.Passive Bistatic Radar. www.cse.unt.edu, 2010.
[6] H.D Griffiths. Bistatic and Multistatic Radar. IEE Military Radar Seminar, Shrivenham,
2004.
[7] Amerigo Capria, Michele Conti, Dario Petri, Macro Martorella, Fabrizio Berizzi, Enzo
Dalle Mese, Rocco Soleti, Vincenzo Carulli, Ship Detection with DVB-T software defined
passive radar, ieee.uniparthenope.it, 2010.