Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không

.

Bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự


Nguyễn Huy Hoàng

Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu
phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của
rađa cảnh giới phòng không



Chuyên ngành: Kỹ thuật rađa - dẫn đờng
Mã số: 62.52.72.01



Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật






Hà Nội - 2006

các công trình công bố liên quan đến luận án

Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự


Ngời hớng dẫn khoa học:
1. TS. Nguyễn Văn Liên
2. TS. Nguyễn Phùng Bảo

Ngời phản biện 1: GS - TSKH. Phan Anh

Đại học Quốc gia Hà nội
Ngời phản biện 2: PGS - TSKH. Nguyễn Hồng Vũ
Cục Tác chiến điện tử - Bộ Quốc phòng
Ngời phản biện 3: GS - TS. Nguyễn Bình
Học viện Công nghệ Bu chính Viễn thông




Luận án đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án nhà nớc
họp tại Học viện KTQS - Nghĩa đô - Từ liêm - Hà nội.
Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2006





Có thể tìm hiểu luận án tại: Th viện Học viện KTQS
Th viện Quốc gia


1. Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Huy Hoàng: Về các dấu hiệu nhận
dạng mục tiêu bay trong kỹ thuật rađa. Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị -
TCKT - Bộ Quốc phòng, số 18 (03/ 2002).
2. Phạm Văn Thuận, Nguyễn Huy Hoàng: Tạo chân dung phơng vị
mục tiêu bằng phơng pháp tổng hợp ngợc mặt mở anten có hội tụ
toàn phần. Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị - TCKT - Bộ Quốc phòng, số
50 (11/ 2004).
3. Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Hoàng Nguyên, Phạm Thanh Giang,
Nguyễn Huy Hoàng: Xây dựng mô hình thống kê cho hệ thống nhận

dạng trong đài quan trắc không lu NHEBO - 55J6. Báo cáo trong
Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ t về nghiên cứu phát triển và ứng
dụng công nghệ thông tin và truyền thông ICT.rda

06, Hà nội, 2006.
4. Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Hoàng Nguyên, Phạm Thanh Giang,
Nguyễn Huy Hoàng: Phân lớp và xây dựng chân dung mẫu cho các
lớp đối tợng cần nhận dạng trong đài quan trắc không lu NHEBO
- 55J6. Báo cáo trong Hội thảo khoa học quốc gia lần thứ t về
nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền
thông ICT.rda

06, Hà nội, 2006.
5. Nguyễn Huy Hoàng: Kết quả mô phỏng chân dung phổ của các lớp
mục tiêu có hiệu ứng điều chế quay. Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị -
TCKT - Bộ Quốc phòng, số 71 (08/ 2006).
1
A. Khái quát chung về luận án
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong chiến tranh hiện đại, tập kích đờng không đóng vai trò rất quan
trọng và trong nhiều trờng hợp, nó quyết định số phận của cả cuộc chiến tranh.
Hiện nay, với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, các mục tiêu bay ngày càng có độ
hoàn thiện và mức độ nguy hiểm rất cao nên để có phơng án đánh trả kịp thời
và hiệu quả thì nhiệm vụ đặt ra với các đài rađa phòng không là không những
phải phát hiện sớm, đo đạc chính xác tọa độ mà còn phải xác định đợc tính
chất, kiểu loại mục tiêu bay một cách kịp thời và chính xác. Nhiệm vụ này
thuộc về bài toán nhận dạng mục tiêu rađa. Để đảm bảo yêu cầu về tính kịp thời
và chính xác thì hợp lý hơn cả là thực hiện nhận dạng từ xa trên các đài rađa
cảnh giới phòng không (ĐRĐCGPK) và quá trình nhận dạng phải là quá trình tự
động, thực hiện đồng thời với quá trình phát hiện. Muốn vậy, việc nhận dạng lúc

này phải dựa trên các dấu hiệu tín hiệu mà chúng đợc hình thành trên cơ sở sự
khác nhau của các tham số trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bay. Vì các lý do
nh vậy, việc chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản
xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không là có tính
cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn trong việc đảm bảo, nâng cao khả năng chiến đấu
của các ĐRĐCGPK, đáp ứng yêu cầu tác chiến trong chiến tranh hiện đại.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Tổng hợp tài liệu, tóm lợc có hệ thống các vấn đề cần phải giải quyết của
bài toán nhận dạng mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK. Nghiên cứu về chân
dung phổ tín hiệu phản xạ (chân dung phổ), lựa chọn các dấu hiệu nhận dạng và
phân lớp các mục tiêu bay, tạo chân dung mẫu và qui chuẩn chân dung, xây
dựng thuật toán nhận dạng theo chân dung phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế
quay để tạo cơ sở và tiền đề cho việc xây dựng hệ thống nhận dạng (HTND)
mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK.
3. Đối tợng, phạm vi nghiên cứu
Các mục tiêu bay mà chúng là đối tợng quan sát của các ĐRĐCGPK.
Thiết lập và giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa
trên dấu hiệu phổ điều chế quay với 4 lớp mục tiêu bay bao gồm 9 kiểu loại mục
tiêu (AGLCM, GLCM, B52, B1B, F15, TU16, TORNADO, AN26, AH64).
4. Phơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng, đánh giá kết quả bằng mô
phỏng. Luận án sử dụng phơng pháp nghiên cứu tổng hợp trên cơ sở lý thuyết
quyết định và mô hình hóa thông kê, lý thuyết rađa và các phơng pháp thống
kê toán học để thiết lập, giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân
dung phổ trong các ĐRĐCGPK và thực hiện mô phỏng trên máy tính điện tử để
kiểm chứng, đánh giá các kết quả đã đạt đợc từ nghiên cứu lý thuyết.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Nghiên cứu và ứng dụng phơng pháp các thành phần đơn giản để khảo
sát các mục tiêu bay phức tạp, hình thành đợc qui trình và các công thức tính
2

toán phục vụ cho việc khảo sát hiện tợng điều chế quay xảy ra trong các mục
tiêu bay.
- Đa ra phơng án phân các mục tiêu bay thành 4 lớp (Lớp 1: Các mục
tiêu không có hiện tợng điều chế quay; Lớp 2: Lớp máy bay động cơ phản lực;
Lớp 3: Lớp máy bay động cơ cánh quạt; Lớp 4: Lớp máy bay trực thăng) bằng
cách tính đến khoảng cách giữa các vạch phổ (lớp 2) và tỷ lệ giữa thành phần
phổ điều chế quay với thành phần phổ thân mục tiêu (lớp 3 và lớp 4). Từ đó xây
dựng thuật toán nhận dạng các mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa trên dấu
hiệu phổ điều chế quay để nhận dạng 4 lớp mục tiêu với 9 kiểu loại mục tiêu
bay cụ thể: Lớp 1 (AGLCM, GLCM); Lớp 2 (TU16, B52, B1B, F15,
TORNADO); Lớp 3 (AN26); Lớp 4 (AH64).
- Đã thực hiện mô phỏng để kiểm chứng tính hiệu quả, tính hợp lý của
phơng án phân lớp và thuật toán nhận dạng đã xây dựng. Kết quả mô phỏng
khẳng định các kết quả của luận án là thuyết phục và tin cậy.
6. Bố cục của luận án
Toàn bộ nội dung của luận án đợc trình bày trong 119 trang (không kể
danh mục các công trình đã công bố, 63 tài liệu tham khảo và phụ lục), với 37
hình vẽ và đồ thị, 1 bảng biểu. Luận án gồm phần mở đầu, 4 chơng và phần kết
luận. Phụ lục luận án gồm: Các bảng dữ liệu về các thành phần đơn giản, chân
dung phổ, bảng xác suất nhận dạng đúng của các mục tiêu bay thuộc 4 lớp mục
tiêu cần nhận dạng.
b. nội dung luận án
chơng 1. tổng quan về bi toán nhận dạng mục tiêu rađa
1.1. Bài toán nhận dạng mục tiêu rađa
Các dấu hiệu nhận dạng
12
, , ,
N

lập nên một không gian dấu hiệu nhận
dạng chiều
[
N
]
12
, , ,
N


, trong đó mỗi lớp hay mỗi loại mục tiêu riêng biệt
đợc biểu diễn bằng một véc tơ chiều mà ta gọi là chân dung rađa (CDRĐ)
của mục tiêu. Bài toán nhận dạng mục tiêu rađa phát biểu nh sau:
N
Giả sử trong không gian dấu hiệu nhận dạng
[
]
12
, , ,
N


, các lớp mục tiêu
mẫu đợc mô tả bằng các CDRĐ chiều N
(
)
12
, , , , 1,
iN
Ci

= M chứa các thông
tin tiên nghiệm về lớp mục tiêu thứ . Các thông tin về mục tiêu cần nhận dạng
thu đợc trong quá trình trinh sát rađa đợc xử lý, biến đổi để xác định các
dấu hiệu đặc trng, tạo ra CDRĐ của nó
i
T
(
)
12
, , ,
N
T


. Nhận dạng mục tiêu T là
xác định nó thuộc lớp mục tiêu nào bằng cách so sánh CDRĐ của mục tiêu
(
12
, , ,
)
N
T


với chân dung của các lớp mục tiêu mẫu
(
)
12
, , ,

i
C
N


theo một qui
tắc (thuật toán) nhận dạng thích hợp.
Nh vậy quá trình nhận dạng mục tiêu rađa phải giải quyết các nhiệm vụ
sau: Thiết lập các lớp mục tiêu và chân dung mẫu
(
)
12
, , , , 1,
iN
Ci

= M; Xây dựng
thiết bị đo để tạo CDRĐ của mục tiêu
(
)
12
, , ,
N
T


; Xây dựng các thuật toán
nhận dạng; Đánh giá tính hợp lý và hiệu quả của việc giải quyết các nhiệm vụ
kể trên bằng các chỉ tiêu chất lợng - giá thành đặt ra cho HTND đợc thiết kế.
Thiết lập các lớp mục tiêu mẫu thực chất là nhiệm vụ phân lớp mục tiêu. Đây

3
là nhiệm vụ đầu tiên phải giải quyết khi giải bài toán nhận dạng, nó quyết định
dạng và mức độ chi tiết cũng nh chất lợng của thông tin nhận dạng đa ra. Với
các ĐRĐCGPK, việc phân lớp các mục tiêu bay phải dựa trên các cơ sở sau:
- Khả năng phân biệt của đài rađa trong không gian dấu hiệu tơng ứng.
- Yêu cầu của hệ thống chỉ thị và phân phối mục tiêu, đây là hệ thống sử
dụng thông tin nhận dạng làm dữ liệu đầu vào.
Thiết bị tạo CDRĐ có nhiệm vụ đánh giá định lợng các dấu hiệu nhận
dạng chứa trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu rađa. Đây chính là nhiệm vụ xác
định CDRĐ
(
12
, , ,
)
N
T


trong không gian dấu hiệu nhận dạng
[
]
12
, , ,
N


từ
không gian đo. Trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu rađa có chứa các tham số đặc
trng cho mục tiêu đó nhng mức độ bộc lộ của chúng phụ thuộc vào dạng tín
hiệu thăm dò và mỗi loại mục tiêu đều có các tham số đặc trng riêng. Vì vậy

khi xây dựng thiết bị tạo CDRĐ phải dựa trên cơ sở nghiên cứu kỹ các đặc trng
của tín hiệu thăm dò và tính chất của các loại mục tiêu, từ đó chọn dạng tín hiệu
thăm dò thích hợp sao cho các dấu hiệu cần đo bộc lộ rõ nhất và dễ đánh giá nhất.
Cuối cùng là vấn đề xây dựng các thuật toán nhận dạng mục tiêu. Đây thực
chất là việc phân tích các qui tắc chọn quyết định để đa ra các lựa chọn quyết
định tối u theo một tiêu chuẩn nào đó. Thực tế có nhiều loại thuật toán nhận
dạng khác nhau đợc sử dụng, việc lựa chọn thuật toán nào tùy thuộc vào các
điều kiện bất định tiên nghiệm, các dấu hiệu nhận dạng đợc sử dụng, điều kiện
làm việc của HTND v.v nhằm đạt đợc xác suất nhận dạng đúng cao nhất.
1.2. Các cơ sở nhận dạng mục tiêu rađa
Phần này trình bày cơ sở giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa, các cơ sở
nhận dạng dựa trên dấu hiệu quĩ đạo và các dấu hiệu tín hiệu. Các dấu hiệu tín
hiệu cụ thể chính là các CDRĐ một chiều, bao gồm: Chân dung công suất, chân
dung thăng giáng, chân dung tơng quan - tần số, chân dung cộng hởng - tần
số, chân dung phân cực, chân dung cự li, hình ảnh rađa, chân dung phổ. Qua đó
rút ra kết luận: Khi xây dựng HTND cho các ĐRĐCGPK thế hệ cũ thì hợp lý và
khả thi hơn cả là sử dụng chân dung phổ. Với chân dung phổ, yêu cầu đặt ra với
đài rađa là phải có khả năng phân biệt rất cao theo tần số, yêu cầu này hoàn toàn
đợc đáp ứng bằng cách sử dụng các bộ lọc số dải hẹp chất lợng cao và khi sử
dụng chân dung phổ thì lợng thông tin cần thiết cho việc nhận dạng thờng rõ
nét hơn nếu chúng ta sử dụng tín hiệu thăm dò dải hẹp - điều này rất phù hợp
với các dạng tín hiệu thăm dò đợc sử dụng phổ biến trong các ĐRĐCGPK thế
hệ cũ hiện có ở Việt nam.
1.3. Qui tắc, thuật toán giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa
1.3.1. Thuật toán nhận dạng mục tiêu ra đa
Với các mục tiêu bay đợc quan sát bởi các ĐRĐCGPK, thuật toán nhận
dạng đợc xây dựng theo quan điểm thống kê do tính ngẫu nhiên của tín hiệu
phản xạ, của nhiễu cũng nh các dấu hiệu nhận dạng thu nhận đợc. Bài toán
nhận dạng là bài toán kiểm định giả thiết thống kê, thực hiện chọn 1 trong
M

giả
thiết là mục tiêu thuộc lớp thứ
i nào trong
M
lớp đó. Vì vậy, việc giải bài toán
nhận dạng ở đây sẽ đợc thực hiện theo tiêu chuẩn Bayes, theo đó qui tắc chọn
4
quyết định tối u là nhằm mục đích đạt đợc độ thiệt hại trung bình nhỏ nhất.
Ta biết rằng, thông tin sử dụng để nhận dạng mục tiêu chủ yếu nằm trong
các CDRĐ của nó, CDRĐ chịu tác động của hàng loạt yếu tố ngẫu nhiên nên nó
mang tính thống kê và đợc mô tả bằng mô hình thống kê dới dạng qui luật
phân bố hỗn hợp các phần tử của nó. Lúc này, thông tin về mục tiêu nằm ở dạng
và các tham số của qui luật phân bố các phần tử của CDRĐ. Khi biết dạng của
qui luật phân bố thì phần cơ bản của thông tin nằm trong các tham số khác nhau
của qui luật phân bố. Vùng tồn tại của các tham số đó trong mọi điều kiện quan
sát và mọi trạng thái có thể có của mục tiêu đợc gọi là các tham số nhiều thông
tin, còn giá trị cụ thể của các tham số đó đợc xác định bởi điều kiện quan sát
và trạng thái cụ thể của mục tiêu đợc gọi là các tham số ít thông tin (TSITT).
Các TSITT đợc đánh giá và biểu diễn bằng ma trận TSITT . Chân dung mẫu
đợc tạo ra trên cơ sở đánh giá của các TSITT và là các tham số thống kê của qui
luật phân bố các phần tử trong CDRĐ của mục tiêu. Trong HTND mục tiêu rađa,
CDRĐ của mục tiêu đợc so sánh với các chân dung mẫu và quyết định mục tiêu
thuộc lớp có chân dung mẫu giống với CDRĐ quan sát đợc của mục tiêu nhất.
Theo tiêu chuẩn Bayes, thuật toán nhận dạng mục tiêu rađa có dạng sau:

- Nếu
()
(
)
,,1,

kk ll
CP CP l kl M

= thì
*
k
*
A
A
=
. (1.14)
Trong đó: ,1,
k
Ck M= - Các hệ số Bayes.
(
)
,1,
k
Pk

=M - Mật độ xác suất của
CDRĐ

của mục tiêu lớp có tính đến ma trận TSITT k

.
1.3.2. Xử lý tối u chân dung rađa, sơ đồ khối tổng quát của HTND mục tiêu rađa
Giả thiết là sau khi xử lý sơ bộ tín hiệu thu đợc, CDRĐ của mục tiêu đợc
tách ra ở dạng biên độ phứcN
[

]
,1,
i
iN

==. Trờng hợp tổng quát, CDRĐ của
mục tiêu lớp là tổng của 2 thành phần tín hiệu k ,1,
k
ki
iN


==

và nhiễu
,1,
f
f
i
iN


==

, tức
kf


=+. Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và nhiễu là các quá
trình ngẫu nhiên độc lập, có tính dừng do thời gian quan sát hạn chế. Khi loại bỏ

tính không xác định tiên nghiệm thì MTTQ của nhiễu
*
f
ff
R


= đợc thay thế
bằng đánh giá hợp lý cực đại của nó, còn MTTQ thành phần tín hiệu của chân
dung mục tiêu cần nhận dạng lớp , k
*
,1,
kkk
R
kM

== đợc xác định dựa trên ma
trận TSITT . Thực tế có thể coi mật độ xác suất của CDRĐ khi có mục tiêu
lớp ,

k
()
k
P

và nhiễu
()
f
P

có dạng chuẩn:

()
()
(
*1
1
exp
2det
k
kf
N
kf
P
R
)
R




+
+
=

(1.15)

()
()
(

*1
1
exp
2det
f
f
N
f
P
R
)
R




= (1.16)
Lúc này thuật toán (1.14) có thể biến đổi về dạng đơn giản hơn nh sau:
- Nếu
,
0, 1,
kl k l
Z
ZZ lk M== thì
*
k
AA
*
=
. (1.17)

Trong (1.17) đại lợng
()
kl
Z
là kết quả xử lý chân dung

của kênh xử lý chân
dung thứ
(
)
klcủa HTND tơng ứng với thuật toán:
*,0k
kk
Zd R


=+ (1.18)
Trong (1.15) đến (1.18) thì:
kf k f
R
RR
+
=
+ ;
det
ln ln
det
f
k
kf

R
d
R
+

=


k
C+
)
- Chuyển dịch của
kênh xử lý thứ ; k
(
,0 1 1k
f
kf
RRR

+
= - Ma trận xử lý chân dung của kênh xử lý thứ
5
k ; Sơ đồ khối tổng quát HTND mục tiêu rađa, thể hiện các thuật toán (1.17) và
(1.18) nh hình 1.8.

Hình 1.8 - Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống nhận dạng mục tiêu rađa
1.4. Vấn đề chất lợng của hệ thống nhận dạng mục tiêu rađa
1.4.1. Các chỉ tiêu chất lợng nhận dạng
Trờng hợp tổng quát, để đánh giá đầy đủ của HTND sử dụng nhóm các chỉ
tiêu xác suất nh: Xác suất nhận dạng đúng , xác suất nhận dạng sai
k
D
kg
F , giá
trị trung bình của xác suất nhận dạng sai
k
F
, xác suất hậu nghiệm đối với quyết
định đúng , chỉ tiêu thông tin
k
H
tt
I
và độ liều trung bình khi ra quyết định r .
Trong thực tế thờng chỉ sử dụng một hoặc hai chỉ tiêu sau:
- Xác suất nhận dạng đúng khi có mục tiêu lớp
k
A
:

(
)
*
kkk kk
DP PAA== (1.19)
- Giá trị trung bình của xác suất nhận dạng sai:

(
*
1, 1,
11
11
MM
kkg
ggk ggk
FP P
MM
= =

==

)
kg
AA (1.21)
Trong đó:
()
*
,
kg k g
PPAAg= k - Xác suất nhận dạng sai khi không có mục tiêu lớp

k
A
.
1.4.2. Các yếu tố hạn chế làm suy giảm chất lợng nhận dạng mục tiêu rađa và
hớng giải quyết
Phần này trình bày về các yếu tố hạn chế làm suy giảm chất lợng nhận
dạng mục tiêu bay và nêu ra hớng giải quyết khi giải bài toán nhận dạng mục
tiêu bay trên các ĐRĐCGPK.
Kết luận chơng 1: Chơng 1 đã trình bày tổng quan, có hệ thống về các vấn
đề cần giải quyết của bài toán nhận dạng mục tiêu rađa, trong đó tập trung vào
các mục tiêu bay quân sự mà chúng là đối tợng quan sát của các ĐRĐCGPK.
Các vấn đề đó bao gồm: Phân lớp mục tiêu và các cơ sở nhận dạng mục tiêu rađa,
thuật toán nhận dạng theo tiêu chuẩn Bayes và thuật toán xử lý tối u CDRĐ, sơ
đồ khối tổng quát và vấn đề đánh giá chất lợng của HTND mục tiêu rađa.
Chơng 2. hiện tợng tán xạ v các phơng pháp xác định
các đặc trng của hiện tợng tán xạ từ mục tiêu rađa
2.1. Hiện tợng tán xạ từ mục tiêu rađa
Phần này trình bày hiện tợng tán xạ từ mục tiêu rađa và 2 đặc trng rađa
6
quan trọng nhất của nó, đó là diện tích phản xạ hiệu dụng (DTPXHD)
mt

và ma
trận tán xạ phân cực (MTTXPC)
A
.
2.2. Các phơng pháp thực nghiệm xác định các ĐTTX từ các mục tiêu bay
Phần này trình bày các phơng pháp thực nghiệm để xác định các ĐTTX từ
các mục tiêu bay bao gồm: Các thí nghiệm trong điều kiện thực, phơng pháp
mô hình điện động tỷ lệ và phơng pháp mô hình thủy âm.

2.3. Các phơng pháp tính toán xác định các ĐTTX từ các mục tiêu bay
2.3.1. Phơng pháp các thành phần đơn giản
Bản chất của phơng pháp này là mục tiêu bay đợc coi là một vật tán xạ
gồm nhiều thành phần đơn giản tơng tự, tối u hợp lại và việc tính toán các
ĐTTX trớc hết sẽ đợc thực hiện trên các thành phần đơn giản, sau đó tổng
hợp lại theo phơng trình tán xạ tổng quát. Theo phơng pháp này, các bộ phận
của mục tiêu nh thân, cánh, cụm đuôi, động cơ và một số thiết bị gắn bên
ngoài khác sẽ đợc thay thế bằng một tập hợp các mặt, khối đơn giản nh: Mặt
phẳng, mặt bậc hai, hình chóp, thanh mỏng, đĩa v.v và thực hiện tính toán các
ĐTTX cho các phần tử đó bằng phơng pháp vật lý - toán dựa trên việc giải các
phơng trình Maxwell. Các bộ phận khác phức tạp hơn nh buồng lái, cụm
anten, ống phụt động cơ v.v mà không thể mô tả chúng bằng các thành phần
đơn giản hoặc có thể mô tả đợc nhng phơng trình Maxwell mô tả quá trình
điện động trong chúng quá phức tạp, không giải đợc thì lấy kết quả từ thực
nghiệm. Phơng pháp các thành phần đơn giản có u điểm là cho phép giảm
đợc khối lợng tính toán mà vẫn đạt đợc độ chính xác cho phép khi tính toán
các ĐTTX và đặc biệt là rất thuận lợi cho việc mô phỏng hiện tợng tán xạ trên
máy tính điện tử nhng nó cũng có những hạn chế. Các hạn chế đó là nó chỉ cho
kết quả chính xác ở dải sóng và với các mục tiêu bay có hình dạng quá
phức tạp thì sẽ gặp khó khăn khi mô tả chúng bằng các thành phần đơn giản
cũng nh việc giải các phơng trình Maxwell là không thể thực hiện đợc do
tính phức tạp của chúng. Các phơng pháp khác đợc dùng để khắc phục các
hạn chế kể trên đã đợc liệt kê trong luận án, tuy nhiên chúng chỉ mang tính
chất tham khảo.
,dm cm
2.3.2. Các hệ tọa độ và các phép chuyển tọa độ sử dụng trong phơng pháp các
thành phần đơn giản
Phần này trình bày về các hệ tọa độ và các phép chuyển tọa độ sử dụng trong
phơng pháp các thành phần đơn giản. Các hệ tọa độ đợc sử dụng bao gồm: Hệ
tọa độ Đề các gắn với đài rađa (hệ tọa độ đài rađa) và hệ tọa độ cầu tơng ứng, hệ

tọa độ Đề các gắn với mục tiêu (hệ tọa độ mục tiêu), các hệ tọa độ Đề các gắn với
các thành phần đơn giản (các hệ tọa độ cục bộ). Các phép chuyển tọa độ đợc xét
trong cả 2 trờng hợp tính và không tính đến độ cong trái đất.
2.3.3. Tính toán các ĐTTX từ mục tiêu bay bằng phơng pháp các thành phần
đơn giản
2.3.3.1. Mô tả bề mặt mục tiêu bằng các thành phần đơn giản
Bề mặt của mục tiêu đợc chia thành 2 phần: Thân mục tiêu và các phần tử
7
chuyển động trên mục tiêu. Phần này chỉ xem xét với phần thân mục tiêu, còn các
phần tử chuyển động sẽ xem xét ở chơng 3. Bề mặt mục tiêu đợc chia thành
các mặt cơ bản độc lập với nhau (gọi là các mặt xấp xỉ) N

() ( )
,, 0, 1,Fr F x y z N



===, chúng có thể là các phần tử nh: Mặt cong hai lớp
giới hạn, mặt nêm thẳng hoặc mặt nêm cong, mặt hình nón, mặt hình trụ, mặt
hình xuyến, mặt cung nhọn và các tấm phẳng trong hệ tọa độ cục bộ
Oxyz


.
Một điểm thuộc các mặt đó đợc coi là mục tiêu nếu nó nằm trong một số mặt
giới hạn
k

< 0, với là chỉ số mặt giới hạn 0,1,2, , 1kK

=k
k


và K

là tổng số
các mặt nh vậy. Mỗi mặt nh vậy đợc xác định trong hệ tọa độ cục bộ
Oxyz



bởi các phơng trình và
()
0Fr

=
(
)
0
k
r


= . Phơng pháp xây dựng các mặt giới
hạn nh vậy dùng để tính toán và thiết kế các chơng trình mô phỏng về sau.
2.3.3.2. Phơng trình tán xạ tổng quát
Khi không tính đến khả năng phân biệt theo tọa độ góc của các bộ phận trên
mục tiêu và ảnh hởng của độ cong trái đất, không xem xét với tín hiệu dải siêu
rộng và các mục tiêu bay thấp thì phơng trình tán xạ tổng quát có dạng nh sau:

()
() ( )
()
*
00 2 2
1
,,10
iAbi
N
T
ift Q
ti
i
EtL p A R LUt te p


=


=


00
p
)
(2.20)
Trong đó: - MTTXPC của điểm chói thứ trong cơ sở rađa;
(
0

,
i
AR L i
0
t
p
và
0
p
p
-
Các véc tơ phân cực của anten thu và anten phát;
(
)
Ut- Giá trị đờng bao của tín
hiệu đầu ra bộ lọc kết hợp tại thời điểm ; t
i
t

- Khoảng thời gian giữ chậm ứng
với điểm chói thứ
i
;
f
- Tần số mang;
A
bi
Q - Hệ số hấp thụ sóng rađa của điểm
chói thứ
i

.
2.3.3.3. Hệ cơ sở dữ liệu về các thành phần đơn giản để tính toán các ĐTTX từ
mục tiêu bay
Phần này trình bày một số điểm cần chú ý khi sử dụng các dữ liệu có sẵn
về các phần tử phản xạ chủ yếu trong các bảng phụ lục 2.1, 2.2, 2.3 để tính toán
các ĐTTX của các thành phần đơn giản cũng nh của mục tiêu bay. Các dữ liệu
có sẵn này đã đợc công bố trong một số các công trình nghiên cứu khác.
2.3.3.4. Qui trình tính toán và đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần
1 - Biến đổi và tính toán các véc tơ:
Thực hiện biến đổi véc tơ đơn vị của sóng tới sang hệ tọa độ cục bộ thứ


theo các công thức từ (2.8) đến (2.15) để có thể sử dụng các dữ liệu có sẵn. Véc
tơ tọa độ của phần tử tán xạ thứ đợc tính toán cho tất cả các bề mặt thay
thế xấp xỉ
i
r
i
0,1,2, , 1N


= bằng các dữ liệu cho ở các bảng 2.1, 2.2, 2.3. Việc
kiểm tra đối với điểm tán xạ thứ trên phần tử thứ i

của mục tiêu đợc thực
hiện bằng cách kiểm tra các bất phơng trình
(
)
ki
r

< 0, 0,1,2, , 1kK

=
.
2 - Kiểm tra hiện tợng che khuất:
Công việc này đợc thực hiện bằng cách chứng minh các đờng ngắm thẳng
từ đài rađa đến điểm tán xạ thứ
()
0
,
i
ir s r sR 0
=
=
không giao nhau với các phần
hữu hạn của các bề mặt thay thế xấp xỉ. Nếu có sự giao nhau, tức là điểm tán
xạ đang bị che khuất thì phơng trình sau sẽ có nghiệm thực dơng
s
:
(2.22)
()
[]
() ()
T
rs r sPrs C

= =
8

Trong đó: P

là ma trận vuông 33
ì
các hệ số của phơng trình chuẩn tắc của bề
mặt thứ

; const.
[]
.,CC= =
Kiểm tra sự che khuất của các đoạn thẳng hay các mặt tán xạ đợc thực
hiện gián đoạn với các bớc gián đoạn bằng các vi phân tơng ứng ,lS
3 - Ma trận tán xạ phân cực của các phần tử tán xạ thành phần:
MTTXPC của các phần tử tán xạ thành phần đợc tính toán dựa trên các bảng dữ
liệu 2.1, 2.2, 2.3. Với các điểm tán xạ thứ
i
thì MTTXPC đợc tính theo công thức:

*T
ii
i
A
UIUM

== (2.24)
Trong đó:
()
,.
iiii
M

diag I


==;
I
- Ma trận đơn vị.
Với các đoạn thẳng tán xạ thứ
i
thì MTTXPC đợc tính theo công thức:

*T
iii
i
A
UMU= (2.27)
Trong đó:
(
,
ii
Mdiag


=

)
i
. Kí hiệu:
(
)
,diag a b - Ma trận đờng chéo.

4 - Đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần:
Để tính toán các tích vô hớng
()
0T
it
R
R , các hệ tọa độ của các điểm tán xạ
không bị che khuất phải đợc biến đổi theo công thức (2.9) sang các hệ tọa độ
chung (hệ tọa độ mục tiêu hay hệ tọa độ đài rađa). Đối với hệ tọa độ mục tiêu,
những công việc tính toán nh vậy đợc thực hiện bằng cách sử dụng công thức
(2.12), nó cho phép ớc lợng tín hiệu phản xạ toàn phần theo (2.20).
Kết luận chơng hai: Chơng 2 luận án đã trình bày về hiện tợng tán xạ và các
phơng pháp xác định các ĐTTX từ các mục tiêu bay. Trong đó tập trung vào
phơng pháp các thành phần đơn giản bao gồm các vấn đề sau: Nội dung cơ bản,
phạm vi ứng dụng và các hạn chế của phơng pháp; Các hệ tọa độ và các phép
chuyển tọa độ đợc sử dụng trong phơng pháp; Tính toán các ĐTTX từ mục tiêu
bay theo phơng pháp các thành phần đơn giản với các nội dung cơ bản nh: Mô
tả bề mặt mục tiêu bằng các thành phần đơn giản, phơng trình tán xạ tổng quát,
hệ cơ sở dữ liệu để tính toán các ĐTTX của các thành phần đơn giản và đa ra
qui trình tính toán, đánh giá tín hiệu phản xạ toàn phần từ mục tiêu bay.
Chơng 3. nghiên cứu khảo sát v mô phỏng hiện tợng
điều chế quay xảy ra trên các hệ thống quay của mục
tiêu bay
3.1. Hiện tợng điều chế quay trong tín hiệu tán xạ từ các mục tiêu bay.
3.1.1. Hiện tợng điều chế quay xảy ra trên các hệ thống quay một động cơ,
một tầng cánh với các dạng tín hiệu thăm dò khác nhau
1 - Với tín hiệu thăm dò hình sin liên tục: Giả sử các cánh y hệt nhau, hiện
tợng điều chế quay tơng ứng với sự thay đổi về pha và biên độ của tín hiệu
hình sin theo chu kỳ 1
q

NF . Trong đó là số cánh của hệ cánh quạt hay tua bin
động cơ và
N
q
F
là tần số quay. Với sự tán xạ độc lập trên mỗi cánh, giá trị tức
thời của tín hiệu tán xạ đợc xác định theo phơng trình sau:

()
{
}
1
0
0
1
.cos 2 sin 2
N
bq
qq
Et t ft C F t
NF NF





=


= + +

(3.1)
Trong đó:
()
b
s

- DTPXHD của cánh, nó là một hàm của thời gian;
0
f
- Tần số
9
mang;

- Pha ban đầu cố định; C

- Các hằng số phụ thuộc vào

.
Phổ tần số của hàm tuần hoàn (3.1) là phổ vạch với các vạch phổ xác định tại
các tần số và khoảng cách cực đại giữa các vạch phổ là . , 0,1,2, ,
q
kNF k K=
max q

NF
2 - Với tín hiệu thăm dò hình sin có thời gian hữu hạn: Dao động hình sin bị
điều chế quay (3.1) đợc nhân với một tín hiệu thị tần
(
)
Ut có độ rộng hữu hạn .
Có thể coi trờng hợp này nh sự điều chế đối với mỗi hài của (3.1) theo hàm
0
T
(
)
Ut.
Các vạch phổ điều chế quay bị mở rộng ra một khoảng là
0
1 T
với điều kiện
0
1
q
TF

.
3 - Với tín hiệu thăm dò là chùm xung hình sin: Dao động hình sin bị điều
chế quay (3.1) đợc nhân với một tín hiệu thị tần là một chùm xung có tần số lặp
là
l
F
. Với độ rộng tín hiệu hữu hạn, thì phổ của tín hiệu về cơ bản giống nh
trờng hợp 2, các vạch phổ này bị mở rộng ra một khoảng
0

T
0
1 T và bị gián đoạn
với khoảng tần số nhất định tùy thuộc vào giá trị của tần số lặp là lớn hay nhỏ.
3.1.2. Hiện tợng điều chế quay xảy ra trên hệ thống quay nhiều động cơ, nhiều
tầng cánh
1 - Với hệ thống quay nhiều động cơ: Nếu tần số quay của các động cơ
giống nhau, thì sự xếp chồng tín hiệu tán xạ trên các động cơ đó không làm thay
đổi kết quả của hiện tợng điều chế quay. Ngợc lại sẽ có sự thay đổi tín hiệu
phản xạ từ các động cơ và số vạch phổ tăng lên so với trờng hợp 1 động cơ.
q
F
2 - Với hệ thống quay nhiều tầng cánh: Nó tạo ra các vạch phổ ở các tần số
kết hợp, ví dụ khi có hai tầng cánh là ở các tần số
(
)
11 2 2 1,2
, 0, 1, 2,
q
kN kN F k
+
= .
Các vạch phổ kết hợp với tầng cánh thứ 2,
2
0k

, nhỏ hơn các vạch kết hợp với
tầng cánh thứ nhất, . Trờng hợp bức xạ xung theo chu kỳ, các vạch phổ
kết hợp đợc tạo ra tại các tần số
2

0k =
(
)
11122l
kF kN k N F
q
+
+ , chúng bị mở rộng ra một
khoảng
0
1 T . Các vạch phổ giống với trờng hợp tín hiệu có tần số lặp lớn.
3.1.3. Các yếu tố ảnh hởng đến hiện tợng điều chế quay xảy ra trên các mục
tiêu bay
Hiện tợng điều chế quay xảy ra trên mục tiêu bay phụ thuộc vào các yếu
tố sau: Dạng mục tiêu bay, dạng và tham số tín hiệu thăm dò (bớc sóng, tần số
lặp), vị trí không gian giữa mục tiêu bay và đài rađa (góc hớng), thời gian tích
lũy tơng can. Vấn đề này sẽ đợc xem xét ở mục 3.5.
3.2. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay của các động cơ phản lực
3.2.1. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay của các động cơ phản lực khi không
tính đến hiệu ứng che khuất và ảnh hởng của cửa khí
3.2.1.1. Hiện tợng tán xạ từ cánh đơn đứng im
Trong trờng hợp này, việc tính toán đợc thực hiện với giả thiết là không có
sự phản xạ qua lại nhiều lần nh trong ống dẫn sóng và
th
f
f
. Cánh thứ

,
0,1,2, , 1N

= đợc coi là mặt chữ nhật dẫn điện lý tởng , /20x

= a
y
a

/2 ,
R
b / / trong hệ tọa độ cục bộ Ox2 zRb

+2 yz


. Trong đó:
N
- Số cánh của
tua bin hoặc bộ nén khí ;
R
- Véc tơ bán kính của tâm cánh (hình 3.4).
Hệ tọa độ cục bộ của cánh thứ

bị quay đi so với hệ tọa độ mục tiêu
mt
O



, cụ thể là quanh trục
mt

O

một góc bằng góc tấn
0

của cánh không
phụ thuộc vào

và quanh trục
mt
O

một góc bằng góc quay của cánh
10
2



= /
N
phụ thuộc vào

. Gốc của hệ tọa độ Oxyz


đợc xác định bởi véc
tơ bán kính
0000
T

== trong hệ tọa độ mục tiêu
mt
O


, trong đó
000


là
tọa độ của tâm hệ thống quay.







Hình 3.4 - Xấp xỉ cánh tua bin bằng hình chữ nhật phẳng trong hệ tọa độ cục bộ.
Véc tơ đơn vị truyền sóng
0
R
phải đợc biến đổi từ hệ tọa độ đài ra đa sang
hệ tọa độ mục tiêu và sau đó sang hệ tọa độ cục bộ, vì thế ta có:

()()
000
0
0, , , , cos cos sin cos sin

T
T
TT
xyz
RRR H H



= (3.4)
Theo các định luật quang lý và vận dụng các kết quả ở chơng 2, ta xác
định đợc các phần tử trên đờng chéo của MTTXPC của cánh là:

()
22
000
22
24
exp
aRb
i
yzx
aRb
i
e R y R z R dydz

+



=+


(3.5)
Lấy tích phân (3.5) ta có đợc các thành phần trên đờng chéo của MTTXPC:

(
)
(
)
0
00
04
00
sin 2 sin 2
2
22
z
yz
ii
x
yz
aR bR
eab Re
aR bR

RR










=
(3.6)
3.2.1.2. Hiện tợng tán xạ từ các hệ thống quay một động cơ, một tầng cánh
Trờng hợp này giống nh trờng hợp các thanh phản xạ độc lập từ mỗi
cánh mà không tính đến sự che khuất lẫn nhau của chúng. Khi tính đến sự quay
của cánh thứ

thì ta phải dùng đến biểu thức góc quay của cánh trong hệ tọa độ
mục tiêu
O
mt

:
()
(
)
22 2

qq
tF NFtNF

q


== = (3.7)
Giá trị tức thời của tín hiệu phản xạ từ các cánh đang quay của bộ nén
khí hay tua bin một tầng cánh với điều kiện
()
Et
th
f
f đợc xác định nh sau:

()
()
1
0
Re
N
ii
Et e e

=








(3.8)
Trong đó:
()
0
2
T
mt en
RR


=+

(3.9)
với
mt
R
- Véc tơ bán kính của tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ đài rađa ;
en

-

Véc tơ bán kính của vị trí tâm động cơ trong hệ tọa độ mục tiêu.
3.2.2. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay khi tính đến hiệu ứng che khuất
Phần này trình bày một số phơng án để giải quyết ảnh hởng của hiệu ứng
che khuất khi mô phỏng hiện tợng điều chế quay của các động cơ phản lực.
3.2.3. Mô phỏng các hệ thống quay nhiều động cơ, nhiều tầng cánh
Trờng hợp này, việc mô phỏng chỉ hiệu quả khi động cơ đợc mô tả chi
tiết và phải thực hiện tính toán rất phức tạp. Ta sử dụng phơng án đơn giản hơn
là nhân kết quả mô phỏng trong trờng hợp một tầng cánh với một hệ số thực
nghiệm
(
22
cos 2 kNt
)


++ với tổng


+
lớn hơn 1 một chút.
3.3. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay của cánh quạt
11
Với hiện tợng điều chế quay của cánh quạt thì do sóng vô tuyến có thể
truyền tới cánh quạt từ nhiều hớng nên có thể bỏ qua sự che khuất giữa các
cánh với nhau. Có thể thay thế tơng đơng cánh của cánh quạt bằng mặt
phẳng, mặt xoắn hay bằng một vài phần tử tối giản. Mỗi cách thay thế đều có
những u, nhợc điểm riêng và luận án chọn cách thay thế bằng mặt xoắn. Theo
cách này, cánh xoắn
()
00

zABz


== thứ i đợc thay thế bởi một tập các mặt
phẳng nhỏ có góc tấn khác nhau, ta có thể lấy tích phân (3.6) trong giới hạn
biến từ đến : z
1
L
2
L

()
(
)
()
()
2
0
1
0
04
0
sin 2
2
2
z
L
y
ii
x

L
y
aR z
ea Rze
aR z












=
zR
dz

(3.13)
Giả sử
sin 1
x
x do a tơng đối nhỏ, ta có:

()
2
0

1
04
2
z
L
i
x
L
eaRze








=
iR
dz


(3.14)
3.4. So sánh các phơng pháp thay thế cánh khác nhau khi mô phỏng hiện
tợng điều chế quay của động cơ phản lực và động cơ cánh quạt
Kết hợp với kết quả nghiên cứu của một số công trình khác đã công bố, luận
án khi mô phỏng hiện tợng điều chế quay thực hiện thay thế cánh theo hai cách:
1 - Tấm phẳng cho cánh của tua bin và bộ nén khí trong động cơ phản lực.
2 - Mặt xoắn cho cánh của hệ cánh quạt trong động cơ cánh quạt và trực thăng.
3.5. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay với các mục tiêu bay thực tế. Đánh

giá và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm
Phần này trình bày việc mô phỏng hiện tợng điều chế quay với một số
mục tiêu bay thực tế. Chơng trình mô phỏng đợc xây dựng trên phần mềm
Mathcad11.0a, kết quả mô phỏng đợc đa ra dới dạng các ảnh phổ cho từng
trờng hợp khảo sát cụ thể. ở đây chỉ đa ra các nhận xét, đánh giá về sự phụ
thuộc của phổ điều chế quay vào các yếu tố đã nêu ở mục 3.1.3. Kết quả mô
phỏng đã đợc trình bày trong luận án.
3.5.1. Các điều kiện mô phỏng
Quá trình mô phỏng đợc tiến hành với các điều kiện giới hạn sau:
- Việc mô phỏng đợc thực hiện riêng rẽ với hệ động cơ và cánh quạt của 3
loại máy bay điển hình cho 3 lớp mục tiêu có xảy ra hiện tợng điều chế quay là:
Máy bay động cơ phản lực TU16, máy bay động cơ cánh quạt AN26, máy bay trực
thăng AH64. Cách thức mô phỏng phù hợp với các phân tích đã trình bày, cụ thể
là: Cánh của bộ nén khí, tua bin động cơ phản lực TU16 đợc thay thế bằng tấm
phẳng hình chữ nhật và để tính toán sử dụng các công thức từ (3.6) đến (3.12),
cánh của động cơ cánh quạt AN26 và hệ cánh quạt của AH64 đợc thay thế bằng
mặt xoắn, để tính toán sử dụng các công thức (3.8), (3.9) và (3.13), (3.14).
- Mục tiêu chuyển động thẳng đều ở những góc hớng khác nhau, giá trị
góc hớng sẽ đa ra trong từng trờng hợp cụ thể.
- Tín hiệu thăm dò là dãy xung đơn đồng bộ độ rộng 10
X
s


= , bớc sóng

, tần số lặp
l
F
và thời gian quan sát sẽ thay đổi trong quá trình khảo sát.

qs
T
- Tín hiệu phản xạ lấy ở sau tách sóng pha và đa vào biến đổi FFT để lấy ra
12
chân dung phổ. Vận tốc Dopler coi nh đã đợc bù khử trớc đó. Số điểm FFT
thay đổi tùy theo điều kiện khảo sát.
3.5.2. Phổ điều chế quay của các lớp mục tiêu khác nhau
1 - Các ảnh phổ đều chứa các vạch phổ chính ứng với thành phần phản xạ từ
thân máy bay ở giữa cửa sổ tần số và các vạch phổ ứng với phổ điều chế quay ở
hai phía của nó. Khoảng cách giữa các vạch phổ đợc xác định bởi tần số cánh
. Sự thay đổi của số cánh và tần số quay sẽ dẫn đến sự khác nhau về
mật độ phổ điều chế quay do các loại động cơ khác nhau gây ra.
q
NF
N
q
F
2 - Phổ điều chế quay của máy bay động cơ phản lực (TU16) có các vạch phổ
tha nhất. Điều này là do tần số quay, số cánh của tua bin và bộ nén khí của động
cơ lớn. Tùy thuộc vào góc hớng mà các cánh của tua bin hay của bộ nén khí sẽ bị
rađa chiếu xạ nhiều hay ít, tuy nhiên trong trờng hợp tổng quát thì các ảnh phổ
chứa cả các thành phần tần số cánh chính của tua bin, của tầng thứ nhất và tầng thứ
hai ( và ) của bộ nén khí và cả các thành phần kết hợp của chúng.
1 q
NF
2 q
NF
3 - Phổ điều chế quay của máy bay động cơ cánh quạt (AN26) dày hơn so
với máy bay động cơ phản lực bởi vì động cơ của nó có ít cánh hơn, chiều dài
cánh lớn hơn và tốc độ quay thì nhỏ hơn so với máy bay động cơ phản lực. Các

vạch phổ bắt đầu chồng lên nhau, tiến dần đến phổ liên tục với tính không đối
xứng cao và nhọn.
4 - Phổ điều chế quay của máy bay trực thăng (AH64) thực sự trở thành phổ
liên tục với tính không đối xứng yếu và có độ rộng lớn. Điều này là do cánh
quạt của máy bay có kích thớc lớn, số cánh ít và quay rất chậm trong mặt
phẳng ngang. Một cánh quạt có hớng quay nh vậy (nằm ngang) làm cho sự
điều chế quay đều rất lớn ở hầu hết các hớng.
3.5.3. ảnh hởng của bớc sóng đến phổ điều chế quay
Các hạn chế về dải sóng của hiện tợng điều chế quay đã đợc nêu trong
công thức (3.3). Trong quá trình khảo sát, tần số lặp của xung thăm dò đợc
điều chỉnh sao cho không xẩy ra hiện tợng chồng phổ.
1 - Với máy bay động cơ phản lực (TU16), hiện tợng điều chế quay đợc
tạo nên bởi hai phần khác nhau: phần nén khí và phần tua bin. Nhìn chung, hiện
tợng điều chế quay đối với cả hai thành phần này chỉ thể hiện rõ nét ở phần
đầu dải sóng . Khi bớc sóng tăng thì số vạch phổ điều chế quay giảm dần và
biến mất (khoảng bớc sóng
cm

>10 ), tuy nhiên lúc này do ảnh hởng của tua
bin phản lực, phổ của tín hiệu phản xạ bị dãn ra một lợng đáng kể, mức độ dãn
phổ giảm dần khi bớc sóng tăng.
cm
2 - Với máy bay động cơ cánh quạt (AN26) thì sự thể hiện hiện tợng điều chế
quay giảm dần khi bớc sóng tăng. ở dải sóng , hiện tợng này thể hiện không còn
rõ nét, chỉ còn một hai vạch phổ ứng với tần số điều chế quay.
m
3 - Với máy bay trực thăng (AH64) thì hiện tợng điều chế quay của hệ
cánh quạt thể hiện rõ nét ở cả ba dải sóng .
,,cm dm m
3.5.4. ảnh hởng của góc hớng của mục tiêu đến phổ điều chế quay

Phổ điều chế quay của máy bay động cơ cánh quạt và trực thăng ít phụ
thuộc vào góc hớng. Phần này chỉ đa ra các nhận xét, đánh giá với máy bay
13
động cơ phản lực vì trờng hợp này ảnh hởng của góc hớng đến phổ điều chế
quay là đáng kể.
1 - Với máy bay động cơ phản lực (TU16) khi quan sát từ phía sau thì hiện
tợng điều chế quay đợc quyết định bởi các cánh của bộ nén khí, còn khi quan
sát từ phía trớc thì nó bị chi phối bởi các cánh của tua bin. Phổ điều chế quay
của tua bin khác với bộ nén khí ở chỗ là số vạch ít hơn. Điều này là do tua bin
có tần số cánh lớn hơn nhiều so với bộ nén khí. Mặt khác, vì số cánh của
tua bin lớn nên gây ra hiện tợng che khuất và khi đó ở một số dải góc hớng
gần thì hiện tợng điều chế quay xảy ra rất yếu và thậm chí là không có.
q
NF
0
90
2 - Hình dạng, độ rộng phổ điều chế quay thay đổi theo sự thay đổi của góc
hớng và góc tấn.
3 - Nhìn chung, hiện tợng điều chế quay tuân theo đúng qui luật rút ra từ
các nghiên cứu lí thuyết. Tuy nhiên, tại một số góc hớng nh đã nêu ở nhận xét
(1) xảy ra hiện tợng pha đinh do ảnh hởng của hiện tợng che khuất nên phổ
điều chế quay có những thay đổi đặc biệt. Vấn đề này cần phải đợc khảo sát kỹ
lỡng hơn và để có kết luận tin cậy cần phải dựa trên cơ sở thực nghiệm.
3.5.5. ảnh hởng của tần số lặp và thời gian tích lũy tơng can đến phổ điều chế quay
1 - Tần số lặp nhỏ sẽ làm cho cấu trúc vạch (vị trí và khoảng cách các vạch
phổ) của phổ điều chế quay bị sai lệch. Ta biết rằng ảnh phổ tuần hoàn theo chu kì
đúng bằng tần số lặp nên nếu tần số lặp nhỏ, sẽ có trờng hợp ảnh phổ nằm ra
ngoài cửa sổ tần số đang xét và các vạch phổ điều chế quay mà ta đang quan sát là
của chu kì khác tràn sang - đây là hiện tợng chồng phổ. Để tránh hiện tợng
chồng phổ thì tần số lặp phải thoả mãn điều kiện: >

l
F
(
)
max 0
21FT+ (3.15)
Trong đó:
max
F
- Tần số lớn nhất của phổ điều chế quay ; - Độ rộng chùm
xung tín hiệu phản xạ.
0
T
2 Việc giảm thời gian tích lũy tơng can làm cho phổ điều chế quay kém
chi tiết và ảnh hởng đến hiệu quả nhận dạng. Cụ thể, khi giảm thì đầu tiên
là cấu trúc vạch phổ và sau đó là cấu trúc đờng bao của phổ điều chế quay sẽ bị
biến dạng, đồng thời các vạch phổ sẽ bị mở rộng ra.
qs
T
3.5.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm
Thực tế thì các công trình công bố kết quả thực nghiệm về phổ điều chế
quay là rất hạn chế. Các công bố của R.E Gardner và một số công trình khác về
vấn đề này cho thấy kết quả mô phỏng trong luận án đều phù hợp với tất cả các
dữ liệu và kết quả thực nghiệm trong các công trình này.
Kết luận chơng ba: Chơng 3 đã trình bày hiện tợng điều chế quay xảy ra
trên các hệ thống quay của mục tiêu bay và các phơng pháp mô phỏng chúng
sử dụng các thành phần đơn giản. Trong đó, cánh của bộ nén khí và tua bin
trong động cơ phản lực đợc thay thế bằng tấm phẳng chữ nhật, còn cánh của hệ
cánh quạt trong động cơ cánh quạt và trực thăng đợc thay thế bằng mặt xoắn.
Trong chơng này, luận án đã tiến hành mô phỏng hiện tợng điều chế

quay với 3 loại máy bay, đại diện cho 3 lớp mục tiêu thực tế là: TU16 (lớp mục
tiêu mang động cơ phản lực), AN26 (lớp mục tiêu mang động cơ cánh quạt),
14
AH64 (lớp mục tiêu cánh quạt). Dựa trên kết quả mô phỏng kết hợp với các
phân tích định tính, luận án đã đa ra các nhận xét, đánh giá về đặc trng và sự
phụ thuộc của phổ điều chế quay vào các yếu tố nh: Dạng mục tiêu, tham số
của tín hiệu thăm dò (bớc sóng, tần số lặp), vị trí không gian của mục tiêu (góc
hớng), thời gian tích lũy tơng can. Các nhận xét, đánh giá này đặc biệt quan
trọng vì chúng chính là các căn cứ để lựa chọn dấu hiệu nhận dạng, phân lớp
mục tiêu khi xây dựng và đánh giá chất lợng của thuật toán nhận dạng mục
tiêu bay theo chân dung phổ ở chơng 4.
chơng 4. xây dựng thuật toán nhận dạng các mục tiêu
bay theo chân dung phổ
4.1. Xây dựng mô hình thống kê và lựa chọn dấu hiệu nhận dạng
4.1.1. Mô hình thống kê của chân dung phổ
Chân dung phổ đợc tạo ra dới dạng tập hợp các tín hiệu ngẫu nhiên trên
đầu ra các bộ lọc biến đổi Fourier nhanh (FFT) dải hẹp và đợc biểu diễn dới
dạng ma trận cột
[
]
,1,
n
nN

==. Trong đó, số phần tử
N
xác định bởi số điểm
FFT , mỗi phần tử
FFT
NN= ,1,

n
iN

= là một giá trị biên độ phức của tín hiệu đầu
ra bộ lọc FFT với giá trị tần số tơng ứng. Dải quan sát của chân dung phổ
thờng đợc chọn bằng tần số lặp
l
F
của tín hiệu thăm dò. Khi đó, khả năng
phân biệt theo tần số bằng độ rộng dải thông của mỗi bộ lọc FFT:

l FFT
FFN

= (4.1)
Hàm mật độ phân bố xác suất của chân dung phổ khi có mục tiêu thuộc lớp
thứ và khi chỉ có nhiễu tạp đợc xác định theo các biểu thức (1.18) và (1.19).
Với chân dung phổ có thể coi các phần tử của nó là không tơng quan và nh
vậy MTTQ của chân dung phổ sẽ có dạng:
k
Khi có mục tiêu thuộc lớp thứ k :

()
*2
,,, ,
,
2
k
kmnmknk mn
nk

RR

== = với ,1,nm N= (4.2)
Khi chỉ có nhiễu tạp:

()
*2
,,,
,
,
2
f
fmnmfnf
mn
nf
RR

== = với ,1,nm N= (4.3)
Trong đó:
2
2
,
,
0,5
nf
nf

= ,
2
2

,
,
0,5
nk
nk

= - Công suất thành phần nhiễu và tín hiệu của
phần tử thứ trong chân dung phổ của lớp mục tiêu thứ k ; n
(
,mn
)

- Hàm Crôneke.
Khi này biểu thức (1.18) và (1.19) có thể viết dới dạng đơn giản hơn:
Trờng hợp khi có mục tiêu thuộc lớp thứ : k

()
()()
2
22 22
1
,, ,,
1
exp
42
N
n
k
n
nk n f nk n f

P



=


=


++



(4.4)
Trờng hợp khi chỉ có nhiễu tạp:

()
2
2
1
,,
1
exp
42
N
n
f
n
nf nf

P



=


=



2


(4.5)
Để đơn giản cách viết ta có thể biểu diễn
2
,1,
nn
nN

== và
[
]
,1,
n
nN

==.
4.1.2. Lựa chọn dấu hiệu nhận dạng và phân lớp mục tiêu

Khi sử dụng các dấu hiệu phổ điều chế quay để nhận dạng mục tiêu bay, theo
15
các kết quả chơng 3, thông tin phân lớp thể hiện qua các yếu tố sau: Sự tồn tại
hoặc không tồn tại hiệu tợng điều chế quay, độ rộng phổ điều chế quay,
khoảng cách giữa các vạch phổ, hình dạng đờng bao của phổ, tỷ lệ giữa thành
phần phổ tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu và thành phần phổ điều chế quay.
Với các ĐRĐCGPK ta cần lu ý thêm một số yếu tố sau:
- Chu kỳ quan sát của đài rađa thờng là rất lớn ( 10T

s
=
hoặc tùy
theo chế độ quay của anten), nên chỉ có khả năng xử lý tín hiệu theo từng chu
kỳ quan sát.
20T

= s
- Thời gian quan sát trong mỗi chu kỳ hạn chế trong khoảng
(
)
100 200
qs
T=ms, tuy nhiên giá trị thời gian quan sát này đảm bảo độ phân giải
theo tần số
(
)
10 5
H
z đủ để phân biệt đa số các chủng loại động cơ và cánh quạt
khác nhau.

- Tần số lặp của tín hiệu thăm dò thờng là khá nhỏ (
l
F
< 1000
H
z ) nên sẽ gây
ra hiện tợng chồng phổ. Với động cơ phản lực, khoảng cách giữa các vạch phổ
điều chế quay rất lớn (hàng ) nên sự chồng phổ chủ yếu làm xê dịch khoảng
cách giữa các thành phần phổ điều chế quay. Với máy bay động cơ cánh quạt và
trực thăng, khoảng cách giữa các vạch phổ điều chế quay là nhỏ (100
KHz
200
H
z ) sự
chồng phổ sẽ gây khó khăn đáng kể trong việc phân biệt hai lớp mục tiêu này.
- Thông tin có thể biết đợc về tham số của mục tiêu là hạn chế và không
chính xác. Số lợng kiểu loại mục tiêu trong một lớp có thể lớn và thậm chí, một
loại mục tiêu có thể dùng các kiểu động cơ khác nhau hoặc một động cơ có thể
có nhiều chế độ làm việc khác nhau.
- ảnh hởng của điều kiện quan sát và các đại lợng bất định tới tham số
của chân dung phổ.
Tổng hợp tất cả các nhận xét trên, ta sẽ phân các mục tiêu bay thành 4 lớp
và thực hiện nhận dạng các lớp mục tiêu bay đó theo những dấu hiệu nh sau:
Lớp 1: Lớp mục tiêu không tồn tại hiệu tợng điều chế quay (tên lửa, một
số thiết bị bay không ngời lái, một số máy bay phản lực)
Lớp 2: Máy bay động cơ phản lực (khoảng cách giữa các vạch phổ điều
chế quay rất lớn).
Lớp 3: Máy bay động cơ cánh quạt (khoảng cách giữa các vạch phổ điều
chế quay khá nhỏ, thành phần phổ điều chế quay có giá trị khá nhỏ so với thành
phần phổ tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu).

Lớp 4: Trực thăng (khoảng cách giữa các vạch phổ điều chế quay rất nhỏ,
thành phần phổ điều chế quay có giá trị khá lớn so với thành phần phổ tín hiệu
phản xạ từ thân mục tiêu).
4.2. Khảo sát và xây dựng tập chân dung mẫu cho các lớp mục tiêu bay
Mục tiêu: Xây dựng tập chân dung mẫu cho 4 lớp mục tiêu bay cần nhận dạng
đã nêu, mỗi lớp gồm một vài kiểu loại mục tiêu bay điển hình. Cụ thể: Lớp 1
(AGLCM, GLCM), lớp 2 (TU16, B52, F15, B1B, TORNADO), lớp 3 (AN26),
lớp 4 (AH64).
Điều kiện khảo sát: Thực hiện khảo sát ở đài rađa kết hợp với các tham số:
Bớc sóng 5cm

= , tín hiệu thăm dò là dẫy xung đơn đồng bộ với độ rộng
16
10
X
s


= , tần số lặp . Thời gian quan sát 800
l
F= Hz ms200
qs
T
=
(số xung đợc xử lý
trong mỗi chùm là 128). ở đây tần số Dopler coi nh đã đợc bù khử, bộ lọc
FFT ứng với tần số 0 nằm ở giữa với số thứ tự 264
pl FFT
NN
=

= .
Lớp 1: Lớp mục tiêu không tồn tại hiệu tợng điều chế quay.
Trờng hợp mục tiêu đứng yên, trong chân dung phổ chỉ tồn tại một vạch
ứng với tần số Dopler bằng 0. Xét mục tiêu chuyển động và có dao động do ảnh
hởng của khí quyển, khi đó phổ sẽ bị dãn ra hai bên một khoảng tỷ lệ
nghịch với thời gian thăng giáng
tg
F
tg


của mục tiêu 1
tg tg
F


= . Tùy kiểu loại
mục tiêu mà
tg

có giá trị khác nhau và thờng nằm trong khoảng vài đến
một vài giây tơng ứng với độ dãn phổ cỡ vài chục . Nếu tính tới sai lệch
trong việc bù khử vận tốc Dopler thì ta có thể giới hạn
ms
Hz
tg
F

< . Đối với
trờng hợp đang xét, khoảng cách giữa hai bộ lọc FFT nằm cạnh nhau có giá trị

là:
50Hz
6,25
l FFT
FFN Hz= = . Khi đó các vạch phổ tơng ứng với thành phần tín hiệu
phản xạ từ thân mục tiêu tập trung chủ yếu trong khoảng:

p
ltg pltg
N
NnN N

+

1
4
2
tg
tg
F
N round
F


=
=



(4.6)

44
pl pl
NnN

+
Trong đó: 2
pl FFT
NN= - Số thứ tự bộ lọc Dopler ứng với tần số 0; round() - Ký
hiệu phần nguyên.
Ngoài khoảng này, mọi thành phần còn lại của chân dung phổ nhận giá trị 0.
Sự phân bố các vạch phổ công suất
n

:
p
ltg pltg
N
NnN N+ phụ thuộc chủ yếu
vào tính chất chuyển động của mục tiêu cùng độ chính xác của quá trình bù khử
Dopler. Trong trờng hợp đang xét, phân bố này không cho ta biết thông tin về lớp
mục tiêu cần nhận dạng (do tính chất phản xạ của nó cũng tơng tự nh sự phản xạ
từ phần thân của các lớp mục tiêu có gây ra hiệu tợng điều chế quay). Vì vậy ta sẽ
chỉ khai thác thông tin ở khía cạnh tổng công suất phản xạ của các thành phần
không gây ra bởi hiệu tợng điều chế quay. Đối với lớp mục tiêu không có hiệu
tợng điều chế quay, nó chính là tổng công suất của tín hiệu phản xạ, còn với các
lớp còn lại - tổng công suất các thành phần phản xạ từ thân mục tiêu.
Theo quan điểm nh vậy ta sẽ quy chuẩn chân dung theo tổng công suất các
thành phần
n

:
p
ltg pltg
N
NnN N+. Chân dung mẫu của lớp 1 có dạng nh sau:
(4.7)
1
:1
1
0
FFT
n
n
For n N
RifnN
Rotherwi
=


=

=





R
R
K

pl
se
Lớp 2: Máy bay động cơ phản lực.
Đặc trng của hiệu tợng điều chế quay ở động cơ phản lực là khoảng cách
giữa các vạch phổ điều chế quay khá lớn (hàng ). So với giá trị tần số lặp
KHz
800
l
F
Hz= thì một sự thay đổi nhỏ về giá trị của tần số điều chế quay cũng làm
biến dạng đáng kể chân dung phổ. Ngoài ra do động cơ phản lực cấu thành từ
hai phần: phần nén khí và phần tuabin. Tùy theo góc quan sát mà một trong hai
17
hoặc cả hai thành phần sẽ có vai trò ít hay nhiều trong việc tạo ra hiệu tợng
điều chế quay. Vì vậy, để xây dựng chân dung mẫu, ta thực hiện khảo sát dạng
chân dung cho các mục tiêu điển hình trong lớp ở từng vùng góc hớng xác định
và lựa chọn tham số của chân dung mẫu nằm ở giữa khoảng biến động cho các
kiểu loại mục tiêu trên từng vùng góc hớng tơng ứng. Sau đó thực hiện quy
chuẩn chân dung theo tổng công suất các vạch phổ ứng với các thành phần phản
xạ từ thân mục tiêu nh đối với lớp 1. Chân dung mẫu của lớp 2 có dạng nh sau:

2
2
2
1
:1
1
:1
1
0( )( )

1
pl tg
pl tg
FFT
M
i
nn
i
NN
pl i
iN N
FFT
npl
nplpltgpltg
nn
pl
For n N
M
P
For n N
RifnN
RifnNNNnNN
Rotherwise
P



=
+
=

=


=
=
+




R
K
K

2
R =

Trong đó:
2
M
- Số loại mục tiêu thuộc lớp 2;
p
l
P - Công suất ứng với thành phần thân
mục tiêu.
i
n

- Thành phần thứ trong chân dung phổ của mục tiêu thứ i thuộc lớp 2. n
Lớp 3 và 4: Máy bay động cơ cánh quạt và máy bay trực thăng.

Với hai lớp máy bay động cơ cánh quạt và trực thăng, phổ điều chế quay
có dạng gần nh liên tục nên có thể lấy chân dung mẫu dạng hình chữ nhật (trừ
vùng các vạch phổ tơng ứng với thành phần thân) với biên độ khác nhau cho
mỗi lớp. Kết quả khảo sát các dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng cho thấy, nên
lấy tỷ lệ giữa thành phần thân điều chế quay và thành phần thân cho máy bay
cách quạt cỡ còn của trực thăng cỡ với chú ý rằng,
các giá trị này có thể hiệu chỉnh theo kết quả mô phỏng với tham số chi tiết của
các loại mục tiêu trong từng lớp và kết quả thực nghiệm. Phơng pháp khảo sát
tỷ lệ phần thân và phần điều chế quay thực hiện bằng cách xác định khoảng biến
động của các tham số của phần thân và phần điều chế quay, thực hiện mô phỏng
rồi tính tỷ lệ giữa hai thành phần. Chân dung mẫu của lớp 3, lớp 4 có dạng nh sau:
3
0,15 0,20
pl
K =ữ
4
0,40 0,50
pl
K =ữ
(4.9)
()
()(
()
34
34
: 1
1
R0
R
FFT

npl
nplpltgpl
npl
For n N
RifnN
RifnNNNnNN
RKotherwise
ỡ
ù
=
ù
ù
ù
ù
ơ=
ù
ù
ù
ù
ù
=ơạ-ÊÊ+
ớ
ù
ù
ù
ù
ơ
ù
ù
ù

ù
ù
ù
ợ
)
tg
4.3. Tổng hợp thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ
Thay giá trị các hàm mật độ phân bố xác suất
(
)
(
)
,
kf
PP


tơng ứng ở (4.4),
(4.5) vào (1.17) và thực hiện biến đổi, ta sẽ nhận đợc thuật toán nhận dạng mục
tiêu bay theo chân dung phổ nh sau: Nếu
(
)
1,M
kk
k
Z
argmax Z=
*
()
()

=

thì (4.10)
*
k
AA=
00
1
N
k, k,
kk
kkkn,nn
n
f
cp
Zln dR dR
p
=
==+=+
ồ
(4.11)
18
Trong đó:
M
- Số lớp mục tiêu và
k
c - Hệ số Bayes; - Véc tơ các phần tử
1
n
,n , N= ;

11k,o
f
kf
RRR

+
=- - Ma trận xử lý chân dung của kênh xử lý thứ k .
Trong (4.11) thì và
k
d
0k,
n,n
R
đợc xác định theo các công thức:

(
)
(
)
,0
,
22
22
,,
,, ,
1111
(1 )
22
21
k

nn
nf nf
nk n f nk
R


= =
++
(4.12)

()

=
+
+=
N
n
kn
kk
cd
1
,
1
1
lnln
(4.13)
Trong đó:
22
n,k n,k n,f

=
- Tỷ số tín/tạp ứng với phần tử chân dung thứ của
mục tiêu lớp k .
n
Lu đồ thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa trên
dấu hiệu phổ điều chế quay ứng với thuật toán (4.10) có dạng nh hình 4.3. Các
bớc thực hiện cụ thể nh sau:
1 - Đọc thông tin về chế độ hoạt động của đài rađa nh: Các tham số của tín
hiệu thăm dò (độ rộng, chu kỳ lặp), các tham số về độ rộng cánh sóng và tốc độ
quét v.v Các tham số này sẽ thay đổi khi đài rađa thay đổi chế độ hoạt động và
chúng là các dữ liệu cần thiết để xác định thời gian quan sát, số xung trong
chùm, số điểm FFT v.v ở các bớc sau.
2 - Đọc thông tin về điều kiện quan sát: Điều kiện quan sát ở đây là điều kiện
thời tiết, mây, ma, tốc độ gió v.v Chúng đợc sử dụng để đánh giá mức độ thăng
giáng và xác định độ rộng phổ của thành phần tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu.
3 - Đọc (xác định) thông tin về vận tốc và quỹ đạo chuyển động của mục
tiêu: Các dữ liệu này cần thiết cho việc hiệu chỉnh tham số chân dung mẫu (vận
tốc và góc hớng). Việc hiệu chỉnh đợc thực hiện tinh hoặc thô tùy theo khả
năng khảo sát và mức độ chi tiết của các thông tin đầu vào. Trong một số trờng
hợp, có thể xác định thêm những thông tin cần thiết không lấy trực tiếp đợc từ
đài rađa. Riêng thông tin về cự ly còn sử dụng trực tiếp cho bớc 6 và 7.
4 - Phân tích sự tồn tại của chùm xung phản xạ và xác định tham số của chân
dung phổ - bớc này thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Phát hiện chùm xung phản xạ và xác định cửa sổ cự ly, việc này có thể
thực hiện tại HTND hoặc theo thông tin có đợc từ đài rađa.
- Xác định số điểm FFT: Đợc lấy bằng số xung trong chùm làm tròn theo
luỹ thừa cơ số 2.
- Trên cơ sở độ rộng phổ thăng giáng cực đại của thành phần tín hiệu phản
xạ từ thân mục tiêu bay ta xác định
tg

N
theo công thức (4.6).
5 - Xác định tập chân dung mẫu: Tính toán MTTQ
1
k
R
,k , M=
, tùy theo giá
trị của ma trận TSITT mà hiệu chỉnh chân dung mẫu cho phù hợp. Cụ thể:
- Hiệu chỉnh
P
l
N
theo điều kiện quan sát.
- Điều chỉnh MTTQ
2
R
của lớp 2 cùng tỷ lệ giữa thành điều chế quay và thành
phần thân , của lớp 3, 4 theo góc hớng và vận tốc bay của mục tiêu.
3
pl
K
4
pl
K
6 - Thực hiện biến đổi FFT tín hiệu phản xạ và lấy bình phơng biên độ: Trên cơ
sở cự li của mục tiêu ta sẽ xác định các mẫu theo thời gian giữ chậm tơng ứng
n

và

lấy bình phơng biên độ
2
nn


= .
19

(
)
k
Rk1M=
f
R
(
)
k0
Rk1M=
(
)
k
dk1M=
(
)
k
Zk1M=

Hình 4.3 - Lu đồ thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung
phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế quay
7 - Thực hiện biến đổi FFT nhiễu tạp và lấy bình phơng biên độ: Để tạo chân

dung phổ của nhiễu tạp
f

ta thực hiện biến đổi FFT với các mẫu tín hiệu nằm
ngoài vùng của sổ cự ly đã xác định cho mục tiêu và lấy bình phơng biên độ
2
f

.
8 - Xác định công suất thành phần tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu theo
công thức: (4.14)

+
=
=
tgpl
tgpl
pl
NN
NNn
f
nnN
P )(
22
9 - Xác định tỷ số tín/tạp theo công thức:
pl
f
Nf
KP p (4.15)
=

2
1
1
FFT
N
f
Trong đó:
fn
n
FFT
p
N

=

=
10 - Quy chuẩn MTTQ
f
R
theo công thức:

()( )
f
:1
R0
1
R
FFT
pl
npl

f
nplpltgpltg
n
f
For n N
N
RifnN
K
R
if n N N N n N N
Rotherwise
K
ỡ
=
ù
ù
ù
ù
ù
ù
ơ=
ù
ù
ù
ù
ù
ù
=ơạ-ÊÊ+
ớ
ù

ù
ù
ù
ù
ơ
ù
ù
ù
ù
ù
ù
ù
ợ

(4.17)

11 - Thực hiện quy chuẩn chân dung của tín hiệu phản xạ theo công thức:


2
:1
0( )( )
1
pl
FFT
nplpltgpl
npl
n
n
N

For n N
if n N N N n N N
if n N
otherwise
P


ỡ
=
ù
ù
ù
ù
ơạ-ÊÊ+
ù
ù
ù
ơ=
ù
ù
ù
=
ớ
ù
ù
ơ
ù
ù
ù
ù

ù
ù
ù
ù
ợ
h
h
x
h
K
tg
(4.18)
20
12 - Tính ma trận
0
;1,
k
R
kM= theo công thức (4.12).
13 - Tính ;1,
k
dk M= theo công thức (4.13).
14 - Tính ;1,
k
Z
kM= theo công thức (4.11).
15 - So sánh: Tìm kênh xử lý có tín hiệu cực đại
()
1
k

arg max Z ,k ,M= .
16 - Ra quyết định: Thực hiện theo thuật toán (4.10).
4.4. Khảo sát và đánh giá chất lợng của thuật toán nhận dạng đã đề thảo
bằng phơng pháp mô phỏng
4.4.1. Các chỉ tiêu chất lợng nhận dạng và phơng thức đánh giá chúng
Thực tế để đánh giá chất lợng nhận dạng mục tiêu thuộc lớp thứ nào đó,
ngời ta thờng sử dụng một hoặc hai chỉ tiêu là xác suất nhận dạng đúng
k
k
D
và
xác suất nhận dạng lầm
k
F
xác định theo các công thức (1.23) và (1.25). ở đây
ta sử dụng
k
D
, 1,kM= . Lúc này chỉ tiêu chất lợng tổng quát, tích hợp cho cả
HTND đợc thể hiện qua tham số - Là giá trị trung bình của các giá trị xác
xuất nhận dạng đúng của tất cả
n
P
M
lớp mục tiêu (xác xuất ra quyết định nhận
dạng đúng) và đợc xác định theo công thức:
1
1
M
n

k
P
M
=

=
k
D (4.19)
Để xác định
k
D
cần phải chú ý là: Mỗi lớp mục tiêu có thể chứa rất nhiều
kiểu loại mục tiêu mà CDRĐ của chúng có những điểm khác nhau. Vì vậy khi
tính toán cần phải thực hiện với nhiều kiểu loại mục tiêu trong lớp rồi lấy trung
bình kết quả theo công thức:
1
1
k
N
k
k
D
N
k
D


=

= (4.20)

Trong đó: - Số kiểu loại mục tiêu có trong lớp thứ ; - Xác xuất nhận
dạng đúng mục tiêu loại
k
N k
vk
D

trong lớp thứ . k
4.4.2. Mô phỏng đánh giá chất lợng của thuật toán nhận dạng mục tiêu bay
theo chân dung phổ đã đề thảo
Phần này trình bày phơng pháp mô phỏng để đánh giá giá trị của thuật
toán nhận dạng theo chân dung phổ đã đề thảo (4.10) với 4 lớp mục tiêu đã nêu,
dới tác động thay đổi của tỷ số tín/tạp tại các vùng góc hớng khác nhau
cũng nh ảnh hởng của chân dung mẫu. Tất cả các yếu tố ảnh hởng khác sẽ
đợc coi nh cố định và không đợc tính đến trong khi tiến hành mô phỏng.
n
P


Quá trình mô phỏng cần phải thực hiện các nhiệm vụ sau: Mô phỏng quá
trình tạo chân dung, đánh giá tham số tín hiệu và nhiễu, qui chuẩn chân dung;
Tạo chân dung mẫu 1
k
R
,k , M= ; Mô phỏng thuật toán nhận dạng; Tính toán xác
suất nhận dạng đúng , xác suất ra quyết định nhận dạng đúng .
k
D
n
P

Mô phỏng quá trình tạo chân dung, đánh giá tham số tín hiệu và nhiễu, qui
chuẩn chân dung đợc thực hiện theo các giai đoạn: Đầu tiên là mô phỏng tín
hiệu phản xạ (theo phơng pháp các thành phần đơn giản ở chơng 2), thực hiện
FFT và đánh giá cờng độ tín hiệu phản xạ từ phần thân mục tiêu (thực chất là
xác định giá trị phơng sai ). Để tăng độ tin cậy của mô hình, giai đoạn này
đợc thực hiện với một số lợng thể hiện nhất định của tín hiệu phản xạ, ở đây
ta lấy số thể hiện . Tiếp theo là thực hiện tạo chân dung phổ ngẫu
nhiên trên cơ sở tham số tín hiệu đã mô phỏng ở trên. Ta có: .
2
n,k

50
50gG==
nn,fn
=+
,k
21
Phơng sai (công suất) của nhiễu tạp sẽ đợc tính toán tùy thuộc vào giá trị tỷ
số tín/tạp đã chọn theo công thức: /
2
n,f n,k
=
2

(4.21)
Véc tơ bình phơng biên độ phức của chân dung phổ 1
n
,n , N= sẽ đợc tạo
ngẫu nhiên theo luật phân bố nh sau:
2

2
1
nn n
r exp C, ,i ,C
ổử
ữ
ỗ
== =
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ốứ
Trong đó: C - Số lợng chân dung ngẫu nhiên đợc tạo ra, ta lấy .
(4.22)
500C =
Cuối cùng là thực hiện qui chuẩn CDRĐ theo cờng độ tín hiệu phản xạ từ
phần thân mục tiêu.

var 2=
var3=
n,k

50
gG 50==
k
Z
for k 1 to 4=
(
)

k,c k
D1ifZargmaxZ==
k,c
D 0 otherwise=
for k 1 to 4=
C
kk,c
c1
1
DD
C
=
=



k
D


ii i
nn,fn,k

= +
2
i
nn

=
(

)
k,


Hình 4. 6 - Lu đồ thuật toán mô phỏng đánh giá chất lợng nhận dạng
Về vấn đề tạo mẫu, nh đã trình bày trong luận án, đây là một nhiệm vụ
rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và để giải quyết hiệu quả nó cần phải
nghiên cứu, khảo sát một cách toàn diện và kỹ lỡng. ở đây, nhằm mục đích
đánh giá chất lợng thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ đã
đề thảo chúng ta coi nh chân dung mẫu về các lớp mục tiêu đã đợc khảo sát
và tạo ra từ trớc. Tuy nhiên, theo cách tạo mẫu của ta thì có thể hiệu chỉnh lại
chân dung mẫu trong quá trình mô phỏng khi có thêm các dữ liệu tin cậy hơn về
mục tiêu cũng nh sự phụ thuộc của phổ điều chế quay vào góc hớng .
Mô phỏng thuật toán nhận dạng theo chân dung phổ đợc thực hiện theo các
công thức từ (4.10) đến (4.13). Xác suất nhận dạng đúng tính theo công thức:
k
D

1
1
C
kk,c
c
DD
C
=
ồ
= (4.23)
Trong đó:
k,c

D
đợc xác định theo thuật toán: if1
k,c
D =
()
1
kl
Z
Z,l ,M
arg max
==
0
k,c
D = otherwise


22
Lu đồ thuật toán mô phỏng để đánh giá chất lợng nhận dạng nh hình
4.6. Khi mô phỏng, ta sử dụng các điều kiện ban đầu nh sau: Tín hiệu thăm dò
là dãy xung đồng bộ với độ rộng và tần số lặp 10
x
s= 800
l
F
Hz= ; Tỷ số tín/tạp
10 20 27 30

,,,dB= ; Thời gian quan sát (tơng ứng với số xung đợc xử
lý trong chùm là 128) ; Mô phỏng đợc thực hiện ở thị tần (bỏ qua ảnh hởng
của các tuyến trớc) và tần số Dopler coi nh đã đợc bù trừ từ trớc; Tọa độ

mục tiêu: Thay đổi tùy theo từng kiểu loại mục tiêu; Góc hớng thay đổi
một trong khoảng từ đến ; Nhiễu tạp ở đây đợc coi là tạp trắng.
200
qs
T= ms

0
10
0
0
0
180

4.4.3. Đánh giá kết quả
Từ kết quả mô phỏng (đồ thị hình 4.7) ta có một số đánh giá, nhận xét nh sau:
1 - Với lớp 1 và lớp 4, xác suất nhận dạng đúng đạt giá trị cao nhất trên
tất cả các góc hớng với mọi giá trị của tỷ số tín/tạp. Điều này phù hợp với thực
tế và kết quả đã khảo sát ở chơng 3, chân dung phổ của các lớp này có tính ổn
định cao, ít phụ thuộc vào góc hớng. Đặc biệt là với lớp 1, xác suất nhận dạng
đúng , vì chân dung mẫu của lớp này rất ổn định và có độ chân thực cao.
k
D
1
1D ằ
2 - Với lớp 2 và lớp 3, xác suất nhận dạng đúng biến động nhiều theo
góc hớng. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với thực tế và kết quả đã khảo sát
ở chơng ba, phổ điều chế quay của 2 lớp này thay đổi nhiều theo góc hớng,
đặc biệt là với lớp 2. ở các góc hớng gần , do ảnh hởng của hiệu ứng che
khuất, xác suất nhận dạng đúng của các lớp này cực thấp ( ) và vì vậy mục
tiêu thuộc các lớp này bị nhận dạng lầm sang lớp 1.

k
D
0
90
k
D
0
3 - Xác suất nhận dạng đúng của lớp 2 khá thấp. ở đây có hai lý do : Một
mặt là do sự khác nhau về hình dạng, kích thớc và các đặc trng động học của
từng kiểu loại mục tiêu trong lớp nên sự thể hiện của hiện tợng điều chế quay và
dẫn tới phổ điều chế quay của chúng khác nhau. Mặt khác là do việc tạo chân
dung mẫu không sát với từng kiểu loại mục tiêu, chúng ta cần phải có các thông
2
D
23
tin chính xác và đầy đủ về hình dạng, kích thớc cũng nh các đặc trng động
học của từng kiểu loại mục tiêu và phải mô phỏng, thử nghiệm chi tiết hơn để
nâng cao tính chân thực của chân dung mẫu ứng với lớp mục tiêu này.
4 - Về ảnh hởng của tỷ số tín/tạp, kết quả mô phỏng với các giá trị tỷ số
tín/tạp khác nhau cho thấy: Khi tỷ số tín/tạp 20

dBÊ thì các xác suất nhận dạng
đúng giảm rõ rệt và giảm đáng kể (thậm chí là ở hầu hết các góc
hớng khi ), còn với các mục tiêu thuộc lớp 1 và lớp 2 thì ảnh hởng của
tỷ số tín/tạp là không nhiều do cấu trúc phổ điều chế quay của các lớp này là
phổ vạch khác với phổ nhiễu. Nhìn chung, để đảm bảo đợc các chỉ tiêu về xác
suất nhận dạng đúng của từng lớp mục tiêu và xác suất ra quyết định nhận
dạng đúng của toàn HTND thì giá trị tỷ số tín/tạp
4
D

3
D 0ằ
10 Ê
k
D
n
P

phải lớn hơn 20 . dB
5 - Xác suất ra quyết định nhận dạng đúng khi tỷ số tín/tạp > biến
động nhiều theo góc hớng. Điều này là do xác suất nhận dạng đúng của các lớp
mục tiêu , đặc biệt là của lớp 2 và lớp 3 biến động nhiều theo góc hớng.
n
P 20dB
k
D
Kết luận chơng bốn: Chơng 4 đã xây dựng mô hình thống kê của chân dung
phổ, lựa chọn các dấu hiệu nhận dạng và phân lớp các mục tiêu bay. Theo đó,
các mục tiêu bay đợc phân thành 4 lớp với các dấu hiệu nhận dạng nh đã trình
bày. Sau khi phân lớp mục tiêu, luận án đã đa ra phơng pháp tạo chân dung
mẫu và tiến hành qui chuẩn chân dung cho 4 lớp mục tiêu cần nhận dạng.
Luận án tiến hành tổng hợp thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân
dung phổ dựa trên các dấu hiệu nhận dạng đã lựa chọn. Thuật toán nhận dạng
đợc xây dựng là thuật toán thống kê tối u theo tiêu chuẩn Bayes.
Cuối cùng, luận án tiến hành đánh giá chất lợng của thuật toán nhận dạng
đã đề thảo bằng phơng pháp mô phỏng. Kết quả mô phỏng và các nhận xét đánh
giá về sự phụ thuộc của xác suất nhận dạng đúng từng lớp mục tiêu và xác
suất ra quyết định nhận dạng đúng vào các yếu tố ảnh hởng nh góc hớng,
tỷ số tín/tạp và tính chân thực của chân dung mẫu đã trình bày ở phần trên.
k

D
n
P
Kết luận
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận
dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không đạt đợc các kết quả nh sau:
1 - Trên cơ sở tổng hợp t liệu từ các công trình, kết quả nghiên cứu về lĩnh
vực nhận dạng mục tiêu rađa ở trong và ngoài nớc, luận án đã trình bày tóm
lợc, có hệ thống các vấn đề cần phải giải quyết khi giải bài toán nhận dạng mục
tiêu bay và tính đặc thù riêng khi giải quyết bài toán này trong các ĐRĐCGPK.
2 - Luận án đã trình bày các phơng pháp xác định các ĐTTX từ các mục
tiêu bay, trong đó chủ yếu tập trung vào phơng pháp các thành phần đơn giản
và đa ra phơng trình tán xạ tổng quát từ các mục tiêu bay, hệ cơ sở dữ liệu để
tính toán các ĐTTX của các thành phần đơn giản cùng qui trình tính toán, đánh
giá tín hiệu phản xạ toàn phần từ phơng trình tán xạ tổng quát.
3 - Luận án đã trình bày về hiện tợng điều chế quay xảy ra trên các hệ
thống quay (hệ cánh quạt, hệ động cơ) của các mục tiêu bay với các dạng tín
hiệu thăm dò khác nhau, các phơng pháp mô phỏng hiện tợng điều chế quay