Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ phased array system toolbox PAST của matlab

Designing A Basic
Monostatic Pulse Radar

GVHD: TS. HOÀNG MẠNH HÀ
Nhóm 3


NỘI DUNG

1

2

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RADAR

Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ Phased Array System Toolbox PAST của Matlab


Giới thiệu chung về Radar
Thuật ngữ RADAR là viết tắt của Radio Detection And Ranging, tức là dùng sóng vô tuyến để xác định phương
vị và khoảng cách tới mục tiêu.

Monostatic radar hay còn gọi two-way radar sử dụng cùng một anten cho việc truyền và nhận. Trong suốt
khoảng thời gian truyền radar không thể nhận. Radar chuyển mạch truyền - nhận bằng chuyển mạch điện gọi là
duplexer.


Nguyên lý hoạt động
Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý : đo khoảng thời gian từ lúc phát sóng điện từ siêu cao tần cho đến
khi nhận được tín hiệu phản hồi từ mục tiêu.

Công thức tính :
d = c.t/2
8
c : vận tốc truyền sóng (3.10 m/s)
t : thời gian truyền sóng (đi và phản xạ trở về)
d : khoảng cách từ radar tới mục tiêu


Sơ đồ khối radar:

Duplexer

Transmitter

antenna

Electromagnetic wave

aim

Display

Receiver

Duplexer

antenna

Echo signal

Nguyên lý radar xung

 Xung : là đại lượng biến thiên nhanh theo theo một quy luật nhất định, đặc trưng bởi tần số f và bước sóng λ.

Hiện nay, trong radar sử dụng các loại xung sau:

•
•
•
•

•

Xung nhọn
Xung răng cưa
Xung vuông
Xung siêu cao tần (xung radio)

Các đặc trưng của xung radio : chiều dài xung (τ x), chu kì lặp xung (Tx). Thông thường hiện nay τ x = 0.01 ÷ 3 µs, Tx = 1000 ÷
4000 µs


Nguyên lý phát xung trong radar xung:

Radar phát 1 xung trong thời gian τx, sau đó chờ xung phản xạ trở về mới phát xung tiếp theo với chu kì lặp xung là Tx . Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở
về, qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu, khuếch đại, sửa đổi thành tín hiệu điện, đưa sang bộ chỉ báo hiển thị.

Để cho máy phát, máy thu và khối chỉ thị hoạt động đồng bộ nhau, người ta tạo ra các xung chỉ thị từ khối đồng bộ điều khiển toàn bộ trạm radar.

Để anten có thể dùng chung cho cả bộ phát và bộ thu, người ta tạo ra bộ chuyển mạch anten tách máy phát và máy thu phù hợp lúc phát và lúc thu:

•
•

Ngắt máy thu khi máy phát hoạt động (phát sóng).
Ngắt máy phát khi máy thu hoạt động (thu sóng)


Công suất phát xung:
Công suất phát xung Px là công suất máy phát đi trong thời gian τx
                                             

Px

τx

Px =

∫ Pdt
0

Ptb

τx

τx
Tx

Công suất trung bình P

P

tb

tb

của máy phát trong cả chu kỳ là T

x

.T =P .τ
x
x x

Do đó :

Ptb

Px * τ x
=
Tx


Một số thông số kỹ thuật trong radar

1.
2.
3.
4.
5.

6.

Radar cross-section ( tiết diện radar)
Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency)
Độ phân giải tầm xa ( range resolution)
Tầm xa cực đại (max range)
Noise power threshold
Pulse Integrator (tích hợp xung)


Radar cross-section ( tiết diện radar)
 RCS: đo khả năng phản xạ tín hiệu radar của mục tiêu theo hướng radar thu.

RCS được đo bằng tỉ số của công suất tán xạ ngược trên steradian theo hướng của radar (từ mục tiêu) với mật độ công suất bị chắn bởi mục
tiêu.

Chỉ số RCS càng lớn thì khả năng vật thể bị phát hiện càng lớn. Kí hiệu σ
RCS có thể được hiểu như sau:
σ = Projected crosss ection x Reflectivity x Directivity

Projected cross section:

Reflextivity : Phần trăm công suất chặn được từ mục tiêu tái bức xạ.

Reflectivity =
Directivity : Tỉ số công suất tán xạ ngược lại theo hướng radar với công suất tán xạ ngược đẳng hướng.
Directivity = =


Radar cross-section ( tiết diện radar)

 

RCS có thể được tính:
Với Si là mật độ công suất tới được đo ở mục tiêu.
Ss là mật độ công suất tán xạ cách mục tiêu khoảng cách r


Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency)

Pulse_bw

Tần số lặp lại của xung ( Pulse Repetition Frequency PRF) là số xung
radar phát ra trong một giây. PRT (Pulse Repetition Time ) là thời gian
phát giữa hai xung.

prt

PRF xác định phạm vi mục tiêu “rõ ràng (unambiguous)”. Để phạm vi mục tiêu là “rõ ràng unambigous”, PRT radar phải lớn hơn thời gian cần thiết
để một xung truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và quay trở lại. Nếu PRT nhỏ hơn thời gian một xung truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và
quay trở lại thì tín hiệu trở về không được thu do lúc đó radar đã phát xung kế tiếp.

 

Trong đó v là vân tốc truyền sóng


Độ phân giải tầm xa ( range resolution)

 Khả năng của một hệ thống radar phân biệt giữa hai hay nhiều mục tiêu cùng phương hướng nhưng ở vị trí khác nhau.

Vd:Giả sử mục tiêu A và B ở gần nhau, khi phần tử đầu tiên từ B phản xạ về đến A mà phần tử cuối cùng phản xạ từ A chưa rời khỏi A thì sóng phản xạ
của 2 mục tiêu sẽ nối tiếp nhau về anten gây nên 1 vệt sáng của cả 2 mục tiêu trên màn chỉ báo, vì vậy không phân biệt được ảnh của 2 mục tiêu này.

Phụ thuộc:





Chiều rộng của xung phát,
Loại hay kích thước mục tiêu,
Hiệu suất bộ nhận.

Độ rộng xung là yếu tố chính trong độ phân giải tầm xa. Một hệ thống radar được thiết kế tốt, với tất cả các yếu tố đều đạt hiệu suất tối đa, có thể phân
biệt các mục tiêu riêng biệt với một nửa độ rộng xung τ. Do vậy, độ phân giải tầm xa có thể được tính theo công thức:


Tầm xa cực đại (max range)

Khoảng cách d giữa mục tiêu và radar sao cho thời gian phát từ xung thứ nhất đến khi nhận lại xung phản xạ nhỏ hơn thời
gian phát liên tiếp giữa 2 xung.

Max range = ½*vận tốc truyền sóng*(thời gian lặp lại xung)


Noise power threshold

 

Trong điều kiện bộ phát hiện là noncoherent, và nhiễu Gauss, trắng thì giá trị ngưỡng có thể được tính theo
công thức

(1)

Trong đó σ là phương sai của nhiễu Gauss, trắng
� là hàm gamma


Pulse Integrator (tích h p xung)

Tích hợp xung là một kỹ thuật cải tiến để tăng khả năng phát hiện bằng cách sử dụng nhi u xung truyền.

Matched Filter (IF-Amp)

Coherent Integrator

Amplitude Detector

Threshold Devide

detect

no detect

Matched Filter

Amplitude Detector

Noncoherent Intergrator

Threshold Devide

detect

(IF-Amp)
no detect


Pulse Integrator (tích hợp xung)
x = repmat(sin(2*pi*(0:99)'/100),1,10)+0.1*randn(100,10); 
y = pulsint(x);


Radar Range Equation
Giả sử sóng điện từ truyền trong điều kiện lý tưởng, … không tán sắc. Nếu năng
lượng ở tần số cao được phát bởi bộ bức xạ đẳng hướng, năng lượng truyền như
nhau theo mọi hướng. Vùng có cùng mật độ công suất mặt cầu có tâm tại bộ phát.
Mật độ công suất trên bề mặt mặt cầu tỉ lệ nghịch với bình phương bán kính R
của mặt cầu.
Vì thế ta có phương trình tính Mật độ công suất đẳng hướng Su.

Mật độ công suất đẳng hướng giảm dần theo khoảng cách

2
 ( W/m )
 

 
Trong đó PS : công suất phát [W]

Su : mật độ công suất đẳng hướng.
R1 : khoảng cách anten-mục tiêu [m]


Radar Range Equation

Nếu công suất phát đi theo một hướng nhất định nào đó, thì mật độ theo hướng đó lớn hơn mật độ công suất đẳng
hướng. Đặc trưng cho tính chất này chính là độ lợi của anten. Theo định nghĩa, mật độ công suất định hướng là:
Sg = Su. G
Trong đó, G : độ lợi anten
Sg : mật độ công suất định hướng

Mặt khác công suất phản xạ có thể xác định theo công thức :

 

Trong đó Pr : công suất phản xạ [W]
σ : radar cross section [m2]


Radar Range Equation

Vì tín hiệu phản hồi trong cùng điều kiện với bộ phát nên mật độ công suất ở bộ thu cũng được cho bởi:
 

Công suất thu được PE: PE = Se. AW
 

Mặt khác, độ lợi của anten có thể tính theo công thức
Từ đó suy ra

Suy ra


Radar Range Equation

 Công suất nhỏ nhất mà bộ thu nhận được là P

Emin tương ứng khoảng cách Rmax

Trong các xem xét trên, sóng điện từ lan trong môi trường lý tưởng. Nhưng thực tế một hệ số suy hao có thể được xem xét do ảnh hưởng
của điều kiện truyền

Hệ số tổn hao này bao gồm:

•
•
•
•

LD : hệ số tổn thất bên trong radar do việc thiết lập đường truyền phát và thu.
Lf: mất mát trong quá trình phản xạ
Latm : Mất mát trong quá trình truyền sóng.
Mất mát trong quá trình truyền sóng và phản xạ ở bề mặt Trái Đất

(2)

là các hiện tượng có ảnh hưởng lâu dài.


Bộ Match Filter

Trong xử lý tín hiệu, bộ Match Filter (hay còn gọi là North filter) là bộ lọc tuyến tính để làm cho chỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR đạt giá
trị lớn nhất.

 Phổ của tín hiệu y(t) thu được sau khi qua bộ lọc Match Filter Y(Ω) = H(Ω). X(Ω). Xem xét cho việc tính giá trị max SNR ở thời điểm

TM. Công suất ngõ ra ở thời điểm này là:


Bộ Match Filter

 Để xác định công suất nhiễu ngõ ra, xem xét trong trường hợp này interference là nhiễu trắng với mật độ phổ công suất là N 0/2 Watts/Hertz. Mật độ phổ công 
2
suất ngõ ra là (N0/2)|H(Ω)|  . Khi đó công suất ngõ ra:

 Và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở thời điểm T

M là:

Từ phương trình trên ta thấy tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR phụ thuộc vào đáp ứng tần số của bộ thu. Lựa chọn H(Ω) để SNR đạt giá trị lớn nhất có
thể đạt được thông qua bất đẳng thức Schwarz.


Bộ Match Filter

 Dấu

*
“ = ” xảy ra khi B(Ω) = α.A ( Ω), trong đó α là một hằng số bất kì. Từ đó ta suy ra

SNR đạt giá trị lớn nhất khi

*
*
H(Ω) = α.X ( Ω). hay h(t) = α.x (TM – t )

Nếu dạng sóng của radar thay đổi, điều đó đồng nghĩa với việc thay đổi đáp ứng bộ lọc để luôn thỏa mãn điều kiện
“match”. Hằng số α thường chọn là 1, nó không ảnh hưởng đến SNR có thể đạt được. Giá trị T M cũng có thể là bất kì. Tuy
nhiên để bộ lọc có tính chất nhân quả thì TM


Bộ Match Filter

 Giả

sử tín hiệu x’(t) bao gồm cả mục tiêu và nhiễu. ngõ ra của bộ match filter :

Ta thấy tín hiệu output thể hiện tương quan chéo giữa tín hiệu mục tiêu cộng nhiễu x’(t) và tín hiệu truyền đi x(t).
*
Với H(Ω) = α.X ( Ω). thì

Với E là năng lượng của tín hiệu x(t)
Và