Ứng dụng lý thuyết nhiễu xạ hình học để xử lý tín hiệu radar phân giải cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐÀO NGỌC ẨN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ HÌNH HỌC XỬ LÝ TÍN
HIỆU RADAR PHÂN GIẢI CAO

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS TS LÊ TIẾN THƢỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS HÀ HOÀNG KHA

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS VÕ TRUNG DŨNG

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 07 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Lê Tiến Thƣờng

2. Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Đặng Thành Tín
3. Tiến sĩ Hà Hồng Kha
4. Tiến sĩ Võ Trung Dũng
5. Tiến sĩ Vũ Phan Tú
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trƣởng Khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỒI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐÀO NGỌC ẨN ............................................ MSHV: 12140001
Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1971 ........................................... Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử ............................................... Mã số: 605270
I. TÊN ĐỀ TÀI: « ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ HÌNH HỌC XỬ LÝ
TÍN HIỆU RADAR PHÂN GIẢI CAO »
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Nghiên cứu về kỹ thuật và tín hiệu radar phân giải cao,
- Lý thuyết nhiễu xạ hình học GTD,
- Lý thuyết wavelets,
- Phân tích đặc trƣng của vật thể tàng hình và các vật liệu hấp thụ sóng điện từ,
- Viết chƣơng trình mơ phỏng nhận dạng vật thể hiện hữu và tàng hình dùng mơ
hình GTD trong hệ thống radar phân giải cao,

- Đánh giá kết quả và viết luận văn tốt nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/06/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Tp. HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS LÊ TIẾN THƯỜNG

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG
TRƯỞNG KHOA

TS ĐỖ HỒNG TUẤN


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS. L TIẾN
THƢỜNG. Thầy đã hƣớng dẫn và hỗ trợ em trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Em cũng gửi lời cám ơn đến quý thầy cô bộ môn Điện tử
viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã
tạo điều kiện để em có thể hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi lời cám ơn đến vợ và hai con trai tôi đã sát
cánh cùng tôi, luôn an ủi và động viên tôi trong suốt q trình
thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cám ơn đến các anh em đồng
nghiệp, bạn bè, sinh viên mọi ngƣời đã giúp đở tôi trong suốt

quá trình thực hiện luận văn.
TP. Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 06 năm 2014.
Học viên thực hiện

ĐÀO NGỌC ẨN


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Đào Ngọc Ẩn là học viên Cao học khóa 2012, chuyên ngành
Kỹ Thuật Điện Tử . Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ "Ứng dụng lý thuyết
nhiễu xạ hình học xử lý tín hiệu radar phân giải cao" là cơng trình nghiên
cứu của riêng tôi, các kết quả mô phỏng thu đƣợc từ quá trình làm việc của
bản thân và khơng hề sao chép.

Học viên

ĐÀO NGỌC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................................................... 1
TĨM TẮT CƠNG VIỆC THỰC HIỆN L.VĂN TỐT NGHIỆP ............................................................ 4
ABSTRACT ................................................................................................................................................. 8
1.GIỚI THIỆU: ........................................................................................................................................... 9
1.1. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................................................. 9
1.2. HƢỚNG GIẢI QUYẾT CỦA ĐỀ TÀI............................................................................................ 11

PHẦN I: ..................................................................................................................................................... 13
LÝ THUYẾT CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ............................................................................. 13
CHƯƠNG 1: .............................................................................................................................................. 13
LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO ............................................................................................. 13
1.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................................................... 13
1.2. ỨNG DỤNG PHƢƠNG TRÌNH RADAR CHO RADAR PHÂN GIẢI CAO ............................... 14
1.3. DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG RADAR (RCS)..................................................................................... 15
1.3.1 Định nghĩa ................................................................................................................................... 15
1.3.2. Các Nguồn Tán Xạ Ngược về Hệ Thống Thu Radar .................................................................. 16
1.3.3. Diện Tích Hiệu Dụng (RCS) Của Radar Phân Giải Thấp ......................................................... 16
1.3.4. Diện Tích Hiệu Dụng (RCS) Của Radar Phân Giải Cao ........................................................... 18
1.4. TỔN HAO TOÀN HỆ THỐNG ...................................................................................................... 19
1.5. SỰ SUY GIẢM THEO CỰ LY ....................................................................................................... 19
1.6. ĐỘ NHẠY MÁY THU .................................................................................................................... 20
1.7. TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU CỦA BỘ LỌC THÍCH NGHI.................................................... 21
1.8. ĐỘ PHÂN GIẢI RADAR................................................................................................................ 23
1.8.1. Độ Phân Giải Cự Ly ................................................................................................................... 23
1.8.2. Độ Phân Giải Doppler ............................................................................................................... 25
1.8.3. Độ Phân Giải Cự Ly – Tốc Độ ................................................................................................... 26
1.8.4. Độ Phân Giải Góc ...................................................................................................................... 27
1.9. CỰ LY PHÁT HIỆN CỦA RADAR PHÂN GIẢI CAO ................................................................ 27
1.10. DẠNG SÓNG RADAR PHÂN GIẢI CAO .................................................................................. 28
1.10.1. Giới thiệu .................................................................................................................................. 28
1.10.2. Dạng sóng xung ngắn ............................................................................................................... 28
1.10.3. Nén xung Chirp ........................................................................................................................ 28
1.10.4. Dạng sóng tần số bước ............................................................................................................. 31

MỤC LỤC

1

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

CHƯƠNG 2: .............................................................................................................................................. 34
LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ HÌNH HỌC GTD ......................................................................................... 34
2.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................................................... 34
2.2. CÁC CƠ CHẾ NHIỄU XẠ: ............................................................................................................ 34
2.2.1. Nhiễu xạ cạnh ............................................................................................................................ 34
2.2.2. Nhiễu xạ góc .............................................................................................................................. 35
2.3. CÁC CƠ CHẾ PHẢN XẠ ............................................................................................................... 35
2.3.1. Phản xạ mặt cầu ........................................................................................................................ 35
2.3.2. Phản xạ mặt trụ ......................................................................................................................... 36
2.3.3. Phản xạ mặt phẳng .................................................................................................................... 36
2.4. CÁC HÌNH MINH HỌA CÁC LOẠI NHIỄU XẠ VÀ TÁN XẠ................................................... 36
2.4.1. Hình nhiễu xạ bởi cạnh thẳng .................................................................................................... 36
2.4.3. Hình phản xạ bởi các bề mặt ...................................................................................................... 37
2.5. MƠ HÌNH LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ HÌNH HỌC ........................................................................ 37
2.6. MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH TÂM TÁN XẠ .......................................................................................... 38
CHƯƠNG 3: .............................................................................................................................................. 40
LÝ THUYẾT WAVELETS ..................................................................................................................... 42
3.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................................................... 42
3.2. BIẾN ĐỔI FOURIER THỜI GIAN NGẮN (STFT) ....................................................................... 42
3.2.1. Biến đổi fourier thời gian ngắn .................................................................................................. 42
3.2.2. Sự cân bằng cục bộ hoá.............................................................................................................. 44
3.3. BIẾN ĐỔI WAVELET LIÊN TỤC (CWT) VÀ CÁC TÍNH CHẤT .............................................. 45

3.3.1. Biến đổi wavelet liên tục (CWT) ................................................................................................. 45
3.3.2. Các tính chất của biến đổi wavelet liên tục ................................................................................ 47
3.4. CÁC HÀM BÁN TRỰC GIAO VÀ KHÔNG TRỰC GIAO .......................................................... 50
3.4.1. Các hàm wavelet Spline bán trực giao ....................................................................................... 51
3.4.2.Các hàm wavelet không trực giao ............................................................................................... 52
CHƯƠNG 4: .............................................................................................................................................. 54
VẬT THỂ TÀNG HÌNH VÀ CÁC KỸ THUẬT CHỐNG .................................................................... 56
4.1. ỨNG DỤNG CÁC KỸ THUẬT TRONG VẬT THỂ TÀNG HÌNH .............................................. 56
4.2. VẬT LIỆU, CẤU TRÚC HẤP THỤ RADAR (RAM & RAS) ...................................................... 61
4.3. HỆ THỐNG XĨA BỎ (TÍN HIỆU) THỤ ĐỘNG VÀ CHỦ ĐỘNG .............................................. 64
4.3.1. Hệ thống xố bỏ (tín hiệu) thụ động ........................................................................................... 64
4.3.2. Hệ thống xố bỏ (tín hiệu) chủ động .......................................................................................... 65
4.4. KỸ THUẬT TÀNG HÌNH SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ PLASMA .................................................. 67

MỤC LỤC

2

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

4.4.1. Plasma và đặc tính ..................................................................................................................... 67
4.4.2. Hấp thụ bức xạ EM .................................................................................................................... 67
4.5. TÀNG HÌNH HỒNG NGOẠI ........................................................................................................ 68
4. 6. CÔNG NGHỆ CHỐNG MÁY BAY TÀNG HÌNH ....................................................................... 72
4.6.1. Hệ thống LIDAR ........................................................................................................................ 72

4.6.2. Radar 3D đa băng tần ................................................................................................................ 73
4.6.3. Radar MIMO ............................................................................................................................. 74
4.6.4. Các biện pháp chống thụ động ................................................................................................... 74
4.6.5. Cellphone Radar (CELLDAR) .................................................................................................... 75
PHẦN II : ................................................................................................................................................... 91
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ............................................................................................... 91
5. LƢU ĐỒ VÀ GIẢI THUẬT MÔ PHỎNG NHẬ DẠNG MỤC TIÊU .............................................. 91
5.1. MƠ HÌNH HỐ VẬT THỂ HIỆN HỮU:..................................................................................... 93
5.2. MƠ HÌNH HĨA VẬT THỂ TÀNG HÌNH: ................................................................................ 108
6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: ............................................................... 122
6.1.
6.2. H

T LU N:..................................................................................................................................... 123
NG PH T TRI N C

Đ T I: ........................................................................................... 124

7. TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 126

MỤC LỤC

3

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

H NH CHƯƠNG 1
Hình 1.1 Principle of the Radar ................................................................................................................ 14
Hình 1.2 Sự phát xạ lại đẳng hƣớng của sóng tới trên bề mặt cầu ........................................................... 15
Hình 1.3 : Hệ thống thu có bộ lọc thích nghi [11] ...................................................................................... 23
Hình 1.4 Độ phân giải với xung và phổ hình chữ nhật [11] ....................................................................... 24
Hình 1.5 Đáp ứng [RF] tổng của 2 mục tiêu có phân cách gần [11] .......................................................... 25
Hình 1.6: Độ phân giải Doppler với các mức khơng đổi [11] .................................................................... 26
Hình 1.7 Độ phân giải theo góc ................................................................................................................ 27
Hình 1.8. Generation of short pulses with a ringing filter [11]................................................................... 28
Hình 1.9. Đƣờng bao dạng sóng truyền Chirp- pulse, tần số tức thời và dạng sóng [11] .......................... 29
Hình 1.10. Hệ thống nén xung và đáp ứng của một xung nén ................................................................. 29
Hình 1.11. Đặc tuyến hệ thống nén xung và xung đƣợc nén [11] .............................................................. 30
Hình 1.12. Step frequency waveform burst[10] ......................................................................................... 31
H NH CHƯƠNG 2
Hình 2.1 Nhiễu xạ bởi cạnh thẳng ............................................................................................................ 36
Hình 2.2 Nhiễu xạ góc.............................................................................................................................. 37
Hình 2.3 Phản xạ các bề mặt: Cầu-Trụ-Phẳng ......................................................................................... 37
H NH CHƯƠNG 3
H n 3.1 (a). Morlet Wavelet (α=0.5; ɷ0=2) và Chirp Wavelet; .............................................................. 53
H n 3.2 (a). Mexican-Hat Wavelet và Cubic-Spline Wavelet. ............................................................... 54
H NH CHƯƠNG 4
Hình 4.1: Hình dạng phức tạp của một chiếc AirBus-320 cho thấy nhiều bề mặt có thể phản xạ các tín
hiệu [36] ...................................................................................................................................................... 56
Hình 4.2: Bộ cân bằng theo chiều thẳng đứng trên thiết kế của Su-T50 [37] ............................................ 57
Hình 4.3: Các động cơ, bộ phận của B-2 đƣợc che giấu khi nhìn từ phía dƣới [38] .................................. 57
Hình 4.4: Buồng lái dạng mái vịm trên F-22A [39] .................................................................................. 58
Hình 4.5: Tín hiệu bị tán xạ theo nhiều hƣớng trên các bề mặt xiêng khác nhau [40] ............................... 59
Hình 4.6: F-117 đƣợc thiết kế với nhiều bề mặt có độ xiêng khác nhau [41] ............................................ 59
Hình 4.7: Sử dụng hình dạng răng cƣa trên bề mặt của máy bay sẽ giúp giảm giá trị diện tích phản xạ

hiệu dụng [42, 43].......................................................................................................................................... 59
Hình 4.8: Sự phản xạ sóng trong ống hút gió hình chữ S và ống thẳng [40] .............................................. 60
Hình 4.9: Sử dụng một hình ống hút gió hai bên “double-S” trên ........................................................... 60
Hình 4.10: Sự cải tiến với bề mặt có đƣợc độ cong liên tục thay đổi [40] ................................................. 61
Hình 4.11: Sự suy giảm sóng Radar với vật liệu hấp thụ [42] ................................................................... 62
Hình 4.12: Một số vật liệu hấp thụ sóng Radar [40] .................................................................................. 62
Hình 4.13: Vật liệu cấu trúc tổ ong [42] và hấp thụ dần dần ...................................................................... 64
Hình 4.14: Cộng hƣởng hấp thụ ............................................................................................................... 64
Hình 4.15: Màn Salisbury [57] ................................................................................................................... 65
Hình 4.16: Phƣơng pháp tải chủ động trên máy bay tàng hình [42] ........................................................... 66
Hình 4.17: Hệ thống đầu dị và theo dõi tín hiệu hồng ngoại IRST ......................................................... 69
Hình 4.18: Vị trí gắn IRST trên máy bay [71]............................................................................................ 69
Hình 4.19: Hệ thống EO trên F-35 Lightning II Electro-Optical (EOTS) [72] .......................................... 70
Hình 4.20: Vị trí đặt EOTS trên F-35 [73] ................................................................................................ 70
Hình 4.21: Thân của F-117 đƣợc thiết kế để mặt nạ hồng ngoại phát xạ từ động cơ [75] ......................... 71
DANH MỤC CÁC HÌNH

4

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

Hình 4.22: Các vịi phun động cơ của B-2 đƣợc giấu khi nhìn từ phía dƣới [76] ...................................... 71
Hình 4.23: Động cơ F-22 Raptor có răng cƣa, rộng và vịi phun hình phẳng để giảm tín hiệu Radar và
hồng ngoại [77] ........................................................................................................................................... 71
Hình 4.24: Hệ thống LiDAR [83] .............................................................................................................. 73

Hình 4.25: Hệ thống NEBO-M [85] .......................................................................................................... 73
Hình 4.26: Radar MIMO [87] .................................................................................................................... 74
Hình 4.27: Hệ thống Kolchuga và Vera [89].............................................................................................. 74
Hình 4.28: Ý tƣởng về Hệ thống Celldar [90] ............................................................................................ 75
Hình 4.29: Sơ đồ các thơng số của trƣờng tán xạ ngƣợc tại Radar thu .................................................... 76
Hình 4.30: Mơ hình thu-phát sóng Radar trên mặt phẳng ........................................................................ 76
Hình 4.31: Sự phản xạ trên bề mặt phẳng lý tƣởng.................................................................................. 77
Hình 4.32: Sự phản xạ trên bề mặt phẳng với lớp điện mơi có độ dày d ................................................. 77
Hình 4.33: Mơ hình đo hệ số phản xạ dựa trên CST MICROWAVE STUDIO [93] ................................. 79
Hình 4.34: Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào tần số [93]....................................................................... 79
Hình 4.35: Các lớp điện môi đƣợc xếp chồng lên nhau [95] ...................................................................... 80
Hình 4.36: Màn điện trở giữa hai lớp điện mơi........................................................................................ 80
Hình 4.37: (a). Hệ số phản xạ thơng thƣờng (sóng tới thẳng góc với mặt phẳng) ................................... 82
Hình 4.38: Tia nhiễu xạ tại cạnh hình nêm .............................................................................................. 83
0

Hình 4.39: So sánh sự khác nhau về hệ số nhiễu xạ với góc hình nêm là 90 và
0

 '  450

Hình 4.40: So sánh sự khác nhau về hệ số nhiễu xạ với góc hình nêm là 150 và

[95]

.............. 85

 '  1450 với sóng

phân cực TM và TE [95] ............................................................................................................................. 85

Hình 4.41: Các lớp khác nhau của FSS (Frequency Selective Surfaces) cho các ứng dụng EM [95]........ 86
Hình 4.42: Các dạng hình học của vật thể ............................................................................................... 86
Hình 4.43: Sử dụng các cấu trúc trên phi cơ [95] ....................................................................................... 86
Hình 4.44: Mơ hình 5 lớp điện mơi phẳng [95] .......................................................................................... 87
Hình 4.45: (a). Độ lớn hệ số phản xạ với tần số thay đổi (sóng tới thẳng góc với bề mặt); (b). Phản xạ đa
0

0

lớp với góc tới xiêng một góc 60 (mode TE); (c). Phản xạ đa lớp với góc tới xiêng một góc 60 (mode
TM) ........................................................................................................................................................... 88
Hình 4.46: Một số cấu trúc RAS .............................................................................................................. 89
Hình 4.47: Đáp ứng của sự phản xạ với sự thay đổi tần số và phƣơng tới của sóng Radar với các cấu trúc
hấp thụ RAS khác nhau............................................................................................................................. 90
H NH M
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn

PHỎNG

1: Mô phỏng nhận dạng các vật thể hiện hữu-tàng hình ................................................................. 91
2: Xác định các góc để cho sai số nhỏ nhất ..................................................................................... 92
3: Tách cạnh và xác định toạ độ các tâm tán xạ .............................................................................. 93
4: Bức ảnh màu một máy bay hiện hữu .......................................................................................... 94
5: Ảnh đƣợc chuyển sang dạng trắng đen ....................................................................................... 94
6: Ảnh sau khi tách cạnh Sobel còn xấu ......................................................................................... 95
7: Ảnh đã loại bỏ các cạnh không mong muốn ............................................................................... 95
8: Ảnh đen nền trắng ....................................................................................................................... 96
9: Ảnh trích tâm tán xạ theo các toạ độ ........................................................................................... 96
1 :Giao diện mô phỏng ................................................................................................................... 97
11:Giao diện nhập các thơng số mơ phỏng ..................................................................................... 97
12:Tín hiệu phản hồi về radar dựa vào GTD (SNR=20dB) ............................................................ 98

DANH MỤC CÁC HÌNH

5

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn

Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn
Hn

Hn
Hn

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

13:Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly tại góc ban đầu ............................................................. 99
14: Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT, angle 0 ......................................... 99
15:Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly lệch đi angle1 ............................................................. 100
16:Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle1 ................................... 101
17:Trình bày multi-resolution của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle1 ..................................... 101
18:Range profile đa phân giải của dữ liệu trong hình 12 .............................................................. 102
19:Tách điểm cực đại địa phƣơng của multi-resolution range profile .......................................... 102
2 :Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly lệch đi angle2 ............................................................. 103
21:Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle2 ................................... 103
22:Trình bày multi-resolution của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle2 ..................................... 104
23:Multi-resolution range profile của dữ liệu trong hình 12 ......................................................... 104
24:Tách điểm local maxima của multi-resolution range profile.................................................... 105
25: Range profile dựa vào CWT và local maxima góc aspect 0 .................................................. 105
26: Range profile dựa vào CWT và local maxima góc aspect 1 .................................................. 106
27: Range profile dựa vào CWT và local maxima tại góc aspect 2 ............................................. 106
28: Kết quả phân bố tâm tán xạ lên không gian 3-D ..................................................................... 107
29: Tách cạnh Sobel và xác định toạ độ tâm tán xạ ...................................................................... 109
3 :Ảnh vật thể tàng hình .............................................................................................................. 109
31 :Ảnh vật thể tàng hình dạng trắng đen ..................................................................................... 110
32 :Ảnh vật thể tàng hình đƣợc tách cạnh theo Sobel ................................................................... 110
33 :Ảnh vật thể tàng hình đƣợc làm sạch ...................................................................................... 111
34 :Ảnh đƣợc đổi sang nền trắng................................................................................................... 111
35 :Trình bày các tâm đƣợc trích .................................................................................................. 112
36:Tín hiệu phản hồi về radar dựa vào GTD (SNR=20dB) .......................................................... 113
37:Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly tại góc ban đầu ........................................................... 113

38:Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT, angle 0 ........................................ 114
39:Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly lệch đi angle1 ............................................................. 114
4 :Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle1 ................................... 115
41:Trình bày multi-resolution của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle1 ..................................... 115
42: Range profile đa phân giải của dữ liệu trong hình 12 ............................................................. 116
43:Tách điểm local maxima của multi-resolution range profile.................................................... 116
44:Tín hiệu đƣợc chuyển sang miền cự ly lệch đi angle2 ............................................................. 117
45:Biễu diễn range profile 3-D của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle2 ................................... 118
46:Trình bày đa phân giải của dữ liệu đã biến đổi CWT lệch angle2 ........................................... 118
47:Range profile đa phân giải của dữ liệu trong hình 12 .............................................................. 119
48:Tách điểm cực đại địa phƣơng trùng khớp của range profile đa phân giải .............................. 119
49: Range profile dựa vào CWT và local maxima góc aspect 0 .................................................. 120
5 : Range profile dựa vào CWT và local maxima góc aspect 1 .................................................. 120
51: Range profile dựa vào CWT và local maxima góc aspect 2 .................................................. 121
52: Kết quả phân bố tâm tán xạ lên không gian 3-D ..................................................................... 121

DANH MỤC CÁC HÌNH

6

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: RCS của một số dạng hình học lý tƣởng[11] .......................................................17

Bảng 2: Dạng hình học ứng với các tâm tán xạ[4] ............................................................38
Bảng 3: Các thơng số của mơ hình [93] .............................................................................79
Bảng 4: Các thơng số của mơ hình đo hệ số nhiễu xạ [95] ................................................84
Bảng 5: Liệt kê các giá trị của thông số nhập vào ...........................................................98
Bảng 6: Đánh giá sai số các tâm tán xạ .........................................................................107
Bảng 7: Trình bày các giá trị cần nhập vào mô phỏng ..................................................112
Bảng 8: Đánh giá sai số các tâm tán xạ..........................................................................122
Bảng 9:So sánh một số loại máy bay tàng hình .............................................................125

DANH MỤC CÁC BẢNG

7

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

TĨM TẮT CƠNG VIỆC THỰC HIỆN L.VĂN TỐT NGHIỆP

*****
Nội dung của luận văn này là xử lý tín hiệu radar phân giải cao dựa trên lý
thuyết nhiễu xạ hình học GTD[4, 7] để nhận dạng các vật thể hiện hữu trong dân
dụng và vật thể tàng hình trong quốc phịng, mơ hình GTD-Based là một mơ hình
khá hay và liên quan chặt chẽ với vật lý tán xạ trƣờng điện từ, tác giả sử dụng mơ
hình GTD-Based cho dữ liệu mơ phỏng, áp dụng mơ hình khơng thơng số cho vật
thể hiện hữu và tàng hình và cụ thể dùng cơng cụ wavelets để xử lý tín hiệu tán xạ
ngƣợc về hệ thống thu radar. Luận văn này thực hiện cơng việc phân tích một số

vật thể hiện hữu- tàng hình trong radar phân giải cao[11]. Viết chƣơng trình mơ
phỏng tín hiệu radar phân giải cao cho việc nhận dạng cả hai loại vật thể hiện hữu
và tàng hình, sau đó đúc kết đánh giá kết quả đạt đƣợc, kết luận và hƣớng phát
triển của đề tài.

ABSTRACT
*****
The content of this thesis is to proccess high-resolution radar signals based on
geometrical theory of diffraction GTD[4,7] to identify visible objects in civil and
stealth objects in national defense, GTD-based model is a model quite well and
closely related with the scattering physics of the electromagnetic field, the author
uses GTD-based model for data simulation and using an efficient backscatter
signal processing wavelets tool

that particularly is a non-parametric model

applied to both visible objects and stealth objects. The thesis is conducted with
simulations to model high resolution radar signals for both visible and invisible
objects, then summarize evaluated results, conclusion and future development of
the thesis.

T M TẮT CÔNG VIỆC THỰC HIỆN LUẬN V N

8

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

1.GIỚI THIỆU
1.1. Mục ti u của đề tài
1.2. Hướng giải quyết của đề tài

Radar là một phƣơng tiện dùng để thám sát sự di chuyển của vật thể từ xa. Kể từ
lúc radar đƣợc khám phá ở thập niên 30, radar đóng một vai trị quan trọng trong
ngành hàng không và hàng hải, trong dân sự lẫn quốc phịng. Radar là một thiết bị thu
phát sóng có phổ sóng điện từ có tần số của sóng vơ tuyến trải dài đến sóng viba và
sóng milimet. Để định vị trí của một vật thể ở khoảng cách hằng trăm hoặc hằng ngàn
kilomet, ta dùng thiết bị radar phát sóng điện từ ở các tần số khác nhau, từ megahertz
đến gigahertz, tùy theo nhu cầu nhƣ giám sát, theo dõi, định vị, hay truy lùng mục tiêu.
Khi sóng đƣợc phát ra từ nguồn phát chạm vào một vật thể thì sóng bật lại do sự phản
xạ. Làn sóng phản xạ đƣợc ghi nhận bởi một đài thu sóng và từ đó ta có thể định vị và
nhận dạng mục tiêu. Trên màn hình radar ở trạm thu sóng, sóng phản xạ cho biết độ
lớn hay "tiết diện radar" (radar cross section) của mục tiêu. Nếu mục tiêu là một vật thể
làm từ vật liệu giống nhau thì đƣơng nhiên độ lớn của vật thể càng to thì tiết diện radar
càng lớn.
Trong các ứng dụng dân sự, tiết diện radar to là điều kiện cần thiết để theo dõi và
giám sát máy bay hành khách hay tàu thuyền trên biển khơi. Ngƣợc lại, trong ứng
dụng quân sự để tránh sóng radar truy lùng của đối phƣơng, chiến đấu cơ và các chiến
hạm phải có tiết diện radar càng nhỏ càng thuận lợi. Từ nhu cầu lẩn tránh con mắt thần
radar của phe địch, ngày khai sinh của radar hơn 60 năm trƣớc cũng là ngày khai sinh
của kỹ thuật tàng hình nhƣ một chiêu thức hóa giải radar. Kỹ thuật này bao gồm nhiều
nghiên cứu lý thuyết về tác động của sóng điện từ lên trên bề mặt vật chất nhằm tối ƣu
hoá các vật liệu hấp thụ radar cũng nhƣ việc thiết kế bề mặt để vật thể có một tiết diện
ngang radar cực nhỏ. Khi diện tích hiệu dụng tiến đến zero, thì vật thể sẽ tàng hình trên
màn hình radar của đối phƣơng.
1.1. MỤC TI U CỦA ĐỀ TÀI

Ở các nƣớc phát triển, việc phát triển radar hiện đại để có thể nhận dạng tốt các
chiến đấu cơ tàng hình nhƣ: Tiêm kích đa năng thế hệ 4++ sukhoi su-35 Nga, tiêm
kích tàng hình J.20 của Trung Quốc, ATD-X của Nhật, hay tiêm kích đa năng
F.15SG của Mỹ, và một số chiến hạm nhƣ Gepark 3.9 415 hay 650 Admiral
Chabanenko của Nga,…Theo nguồn Internet trên trang báo điện tử kienthuc.net.vn,
trích dẫn từ các bài báo trong và ngồi nƣớc. Do mang tính chất thời sự, nên đề tài
đƣợc chọn để nâng cấp từ cơng trình trƣớc đây chỉ liên quan đến vật thể hiện hữu,
GIỚI THIỆU

9

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

tuy nhiên trong tình hình phát triển của công nghệ cao từ vài thập niên qua cho đến
nay, vấn đề tàng hình là một bài tốn hay cần đƣợc nhiều nhà nghiên cứu lao vào để
giải quyết và đó cũng là mục tiêu của tác giả.
Mục tiêu chính của đề tài là giải quyết vấn đề nhận dạng các vật thể hiện hữu và
tàng hình trong mơi trƣờng radar phân giải cao dựa trên cơ sở lý thuyết tán xạ hình
học GTD [4, 7], và vật liệu hấp thụ sóng trƣờng điện từ. Có một số đề tài đi trƣớc
liên quan nhƣ “nhận dạng vật thể có tâm tán xạ ba chiều ứng dụng trong xử lý tín
hiệu radar phân giải cao dùng wavelets” của tác giả Đào Trung Thành [3], đã thực
hiện đƣợc việc nhận dạng vật thể hiện hữu trong dân dụng. Tuy nhiên, vấn đề hiện
nay đang có xu thế hƣớng đến các kỹ thuật tàng hình, một kỹ thuật mà rất nhiều nhà
nghiên cứu lĩnh vực radar nhất là trong lĩnh vực quân sự rất muốn lao vào để tìm tịi
và nghiên cứu, đó cũng là hƣớng mới và hấp dẫn đã cuốn hút tác giả nghiên cứu và

học hỏi. Do vậy, đề tài đƣa ra nhằm giải quyết hai vấn đề trọng tâm là: thứ nhất là
dựa trên mơ hình lý thuyết tán xạ hình học GTD nhƣ tạo ra các góc, cạnh, hay đỉnh
để làm giảm bớt số các tâm tán xạ, thứ hai nghiên cứu cách dùng thêm các vật liệu
hấp thụ sóng điện từ, phủ lên các hình học của vật thể nhƣ phủ lên các cạnh, góc, hay
các bề mặt, nhằm làm thay đổi hệ số hình học nhằm làm sai dạng hình vật thể.
Đối với vật thể hiện hữu trong dân sự nhƣ các máy bay “Aircrafts”, hay các tàu
thuyền “Ships”, thì thƣờng có diện tích hiệu dụng radar RCS lớn, và thƣờng chế tạo
theo dạng tròn và sơn những lớp sơn khơng hấp thụ sóng radar, và sóng radar chạm
vào vật thể hiện hữu thì thƣờng sóng phản dội từ vật thể ngƣợc lại hệ thống thu radar
là lớn, các đặc tính tán xạ trƣờng điện từ của một mục tiêu radar đƣợc xem nhƣ là
một sự tổng hợp nhất quán của các nguồn tán xạ trƣờng điện từ trong một vài vị trí
cục bộ. Các nguồn tán xạ trƣờng điện từ này chính là các tâm tán xạ, phần chính
đƣợc tạo ra quanh các phần rời rạc của mục tiêu nhƣ: Các cạnh, các góc, các đỉnh, và
các đoạn cong. Các tâm tán xạ nhận dạng các vị trí vật lý và các thơng tin tán xạ liên
quan khác của mục tiêu radar nhƣ loại các nguồn tán xạ, và cƣờng độ phản xạ của
các nguồn tán xạ. Đặc biệt hơn là, việc trích lấy các thông số tâm tán xạ để nâng cao
khả năng phát hiện, và nhận dạng mục tiêu radar.
Đối với vật thể tàng hình nhƣ chiến đấu cơ “Aircraft fighter”, hay các chiến hạm
“Warships” thì ngƣợc lại, thƣờng giảm diện tích hiệu dụng radar càng nhỏ càng tốt,
tạo ra những hình dạng góc, cạnh để phân tán sóng radar theo hƣớng khác hƣớng đài
thu radar, và sơn phủ lên bề mặt những chất hấp thụ sóng radar ngăn chặn sự phản
hồi để máy thu khơng nhận đƣợc hoặc nhận rất ít những luồng sóng radar. Trên màn
hình radar của ta sẽ khơng cịn nhìn thấy vật thể hoặc chỉ thấy vật thể bị thu nhỏ rất
khó phân biệt, vật thể đã bị tàng hình. Kỹ thuật thiết kế bề mặt hay tạo hình dạng cho
mục tiêu để sóng bị tán xạ không quay về nguồn quan sát. Gần đây khái niệm “Siêu
vật liệu” với hiệu ứng tàng hình là một đề tài nghiên cứu hấp dẫn và khơng ít sự quan
tâm chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự nói riêng và an ninh quốc
gia nói chung.
GIỚI THIỆU

10

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

1.2. HƢỚNG GIẢI QUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Để giải quyết bài toán nhận dạng các vật thể hiện hữu trong dân sự nhƣ các máy
bay, hay các con tàu, và các vật thể tàng hình trong quân sự nhƣ các chiến đấu cơ,
hay các chiến hạm. Tác giả dựa vào mơ hình lý thuyết tán xạ hình học GTD để thực
hiện mơ hình hố các vật thể hiện hữu lẫn vật thể tàng hình. Dùng mơ GTD để giải
quyết vật thể hiện hữu, còn đối với vật thể tàng hình thì dùng mơ hình GTD kết hợp
thêm một số vật liệu hấp thụ phủ vào các cạnh, các góc, hay các bề mặt vật thể để
giải quyết bài tốn giảm kích thƣớc hình học, hay giảm diện tích hiệu dụng radar tới
mức càng gần zero càng tốt. Sau khi đã thực hiện mơ hình hố các vật thể trên GTD,
ta có đƣợc một biểu thức tín hiệu echoes thu về từ sự tán xạ ngƣợc của các vật thể,
dùng công cụ wavelets để biến đổi hay khuếch đại những chổ tín hiệu bị suy yếu
mạnh lên, để dễ dàng nhận dạng các tâm tán xạ từ các vật thể hiện hữu lẫn tàng hình.
Tác giả chọn đề tài này nhằm giải quyết bài tốn xử lý tín hiệu phản dội từ các mục
tiêu hiện hữu của radar phân giải cao dựa trên mơ hình GTD của đề tài đi trƣớc có
liên quan: “Nhận dạng vật thể có tâm tán xạ ba chiều ứng dụng trong xử lý tín hiệu
radar có độ phân giải cao dùng wavelets” của tác giả Đào trung Thành [3], và kết
hợp mơ hình lý thuyết tán xạ GTD với một số vật liệu hấp thụ sóng radar để giải
quyết bài tốn về vật thể tàng hình, tức giải quyết thêm vấn đề kết hợp các vật liệu
hấp thụ hay phủ các siêu vật liệu vào các cạnh, các góc, hay bề mặt vật thể nhằm
giảm các tâm tán xạ, và biên độ của tín hiệu echoes quay về hệ thống thu radar. Để
giảm diện tích hiệu dụng tâm tán xạ theo lý thuyết nhiễu xạ hình học GTD nhƣ góc,

cạnh, hay các bề mặt của vật thể, kết hợp thêm một số vật liệu hấp thụ điện từ vào để
làm thay đổi các hệ số hình học  của mục tiêu, bên cạnh cịn đƣa ra một số kỹ thuật
nhận dạng mục tiêu tàng hình. Đó là những lĩnh vực đã cuốn hút tác giả chọn đề tài
“Ứng dụng lý thuyết nhiễu xạ hình học GTD xử l tín hiệu radar phân giải cao”. Đối
với vật thể hiện hữu, để xử lý tín hiệu echoes thu về tại hệ thống thu radar sau khi tán
xạ vào các mục tiêu dân dụng, tác giả đƣa ra một số các mơ hình trích lấy các tâm tán
xạ đƣợc thành lập. Các mơ hình tâm tán xạ thơng dụng là mơ hình mũ
(damped/undumped), và mơ hình lý thuyết nhiễu xạ hình học (GTD). Thƣờng thì mơ
hình mũ (damped/undamped) đạt tốt hơn về việc mô tả nhất quán cho các mục tiêu
truyền thống chủ yếu đƣợc tạo thành từ các nguồn tán xạ gƣơng (tán xạ ngƣợc lại hệ
thống thu).Tuy nhiên khi phát triển cơng nghệ tàng hình, thì tán xạ gƣơng của các
mục tiêu tàng hình đã bị triệt tiêu một cách mạnh mẽ (nghĩa là các vật thể tàng hình
thiết kế các hình dạng, và phủ vật liệu lên các góc, cạnh, hay bề mặt nhằm triệt sóng
radar quay về hệ thống thu, nhằm che mờ con mắt thần radar phân giải cao). Hơn
nữa, các tâm phản xạ chính của các mục tiêu tàng hình này là kết quả của việc nhiễu
xạ cạnh. Khác với mô hình damped, là mơ hình GTD mơ tả đƣợc trƣờng điện từ của
các mục tiêu tàng hình tần số cao nhƣ: Nhiễu xạ cạnh, nhiễu xạ góc, tán xạ điểm, và
phản xạ bề mặt cong. Do ứng dụng lý thuyết nhiễu xạ hình học GTD hƣớng mơ hình
khơng thơng số (Non-parametric model), để giải quyết tiếp theo bài toán, tác giả đã
dùng một công cụ rất mạnh và hữu hiệu trong việc xử lý tín hiệu radar phân giải cao
GIỚI THIỆU

11

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

đó là Wavelets. Wavelets là một cơng cụ rất mạnh trong việc phân tích timefrequency, tất cả các cơng cụ trong phân tích time-frequency, cơ bản nhất là biến đổi
Fourier dùng để phân tích tần số trong tồn miền thời gian, nhƣng nó lại khơng bắt
đƣợc sự thay đổi đáp ứng tần số tƣơng ứng với thời gian. Nên biến đổi Fourier thời
gian ngắn (STFT) dùng hàm cửa sổ để bắt các thành phần tần số trong một khoảng
thời gian, STFT dùng để quan sát thay đổi trong đáp ứng tần số với thời gian tƣơng
ứng, nhƣng vẫn còn gặp vấn đề độ rộng của hàm cửa sổ cố định, độ phân giải cũng
cố định theo, nên để khắc phục vấn đề này. Theo nguyên lý bất định thì tích của độ
phân giải trong miền thời gian với độ phân giải trong miền tần số là không đổi, nên ta
chỉ có độ phân giải thời gian cao khi quan sát thành phần tần số thấp, hoặc độ phân
giải tần số cao khi quan sát thành phần tín hiệu tần số thấp. Nên biến đổi wavelets
dùng để giải quyết vấn đề đó, nghĩa là thay đổi location và scaling của mother
wavelets (hàm cửa sổ trong wavelets), có thể dùng khái niệm multi-resolution với độ
rộng cửa sổ thay đổi, biến đổi wavelets có thể chụp cả khoảng thời gian ngắn, tần số
cao, và khoảng thời gian dài, thông tin tần số thấp cùng một lúc. Nó rất mềm dẻo hơn
so với biến đổi Fourier thời gian ngắn (STFT), và rất hữu hiệu để phân tích các tín
hiệu quá độ (transients), các tín hiệu khơng tuần hồn (aperiodicity), và các tín hiệu
khơng dừng (non-stationary). Luận văn đƣợc tổ chức thành hai phần: phần đầu trình
bày các lý thuyết cơ sở liên quan đến đề tài, và phần thứ hai trình bày các kết quả mơ
phỏng và giải thích cho các kết quả mô phỏng, và đánh giá kết quả đạt đƣợc và
hƣớng phát triển đề tài.
PHẦN I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ
CHƢƠNG 1: Trình bày lý thuyết radar phân giải cao
CHƢƠNG 2: Trình bày lý thuyết nhiễu xạ hình học GTD
CHƢƠNG 3: Trình bày lý thuyết wavelets
CHƢƠNG 4: Kỹ thuật tàng hình và cách phịng chống. Trong chƣơng này Tác
giả trình bày và phân tích lý thuyết về vật thể tàng hình trên cơ sở giảm diện tích
hiệu dụng tâm tán xạ theo mơ hình lý thuyết tán xạ hình học, tức làm giảm biên độ
các tâm tán xạ của vật thể, kết hợp với một số vật liệu hấp thụ sóng điện từ đắp vào
các cạnh, hay góc,... làm giảm hệ số hình học để hay sai lệch hình dạng thu đƣợc,

và đƣa ra các kỹ thuật chống tàng hình trong radar.
PHẦN II: M

PHỎNG

CHƢƠNG 5: Viết chƣơng trình mơ phỏng nhận dạng các vật thể hiện hữu, và vật
thể tàng hình.
CHƢƠNG 6: Đánh giá đúc kết các kết quả đạt đƣợc và đƣa ra hƣớng phát triển
của luận văn.
GIỚI THIỆU

12

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

PHẦN I
LÝ THUYẾT CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

1.1.Giới thiệu
1.2. Ứng dụng phư ng tr nh radar cho radar phân giải cao
1.3÷1.7. Ý nghĩa của các th ng số trong phư ng tr nh radar
1.8. Độ phân giải radar

1.9. Dạng sóng radar phân giải cao

1.1. GIỚI THIỆU
Radar (Radar detection and ranging) là một kỹ thuật dị tìm, và đo khoảng cách
mục tiêu mà năng lƣợng điện từ đƣợc phát ra từ anten rồi chạm vào mục tiêu và
quay lại hệ thống thu radar

[8, 9].

Christian Hulsmeyer đã minh hoạ trƣớc tiên kỹ

thuật này trong thực tiễn vào năm 1903 bởi sự dị tìm các phản xạ vơ tuyến từ các
con tàu [6]. Các sóng điện từ tới chạm vào mục tiêu đƣợc tán xạ và quay về anten
thu một phần. Các cơ chế vật lý của hiện tƣợng này đƣợc mô tả nhƣ sau: “Các điện
trƣờng tới sinh ra các dòng điện trong một thể tích đƣợc bao bởi một vật thể để sinh
ra các trƣờng tán xạ, vấn đề bị giới hạn bởi các điều kiện biên. Các tính chất tán xạ
của mục tiêu đƣợc tạo ra bởi sự mô phỏng các trƣờng đƣợc trích lấy từ các tín hiệu
tán xạ ngƣợc về bộ thu radar [5].
Từ khi phát minh radar đã nâng cao tính tinh tế cả kỹ thuật lẫn lý thuyết. Sự
phát triển nhanh chóng của radar cho u cầu phịng khơng cấp bách vào thế chiến
thứ hai. Nhiều lợi thế trong kỹ thuật radar trong một khoảng thời gian tƣơng đối
LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

13

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

ngắn. Trong kỹ thuật radar, việc phát triển một số nguồn tần số vô tuyến dựa vào
một loạt các cấu hình cho các hệ thống radar đƣợc minh hoạ nhƣ các đèn klystrons,
và đèn magnetrons công suất cao, độ lợi lớn, và băng thông rộng. Klytrons đƣợc
đƣợc phát minh và báo cáo vào năm 1937 và 1939 do hai anh em trai Varian.
Magnetrons đƣợc pat minh vào năm 1939 do Boot và Randall

[10]

. Các nguồn này

đƣợc dùng trong các hệ thống radar suốt thế chiến thứ hai, tuy nhiên khoảng tần số
radar bị hạn chế tần số viba trong băng X gần 10GHz.
Để cải tiến độ phân giải radar, nhiều nổ lực tăng các tần số radar sang băng K
để đạt đƣợc độ phân giải tốt hơn.
1.2. ỨNG DỤNG PHƯƠNG TR NH RADAR CHO RADAR PHÂN GIẢI CAO
1.2.1.Nguy n l hoạt động: Radar bức xạ một burst tần số chạm vào mục tiêu sẽ
phản xạ lại hệ thống thu radar một phần theo cự ly R đƣợc xác định theo phƣơng
trình cơ bản radar (1.1).

Object

Radar Station
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của radar
1.2.2.Phư ng tr nh cự ly tối đa:[11]
Rmax 

4

Pt .G 2 . 2 .
S
3
 4  .k.Ts . n   .L
 N in

(1.1)

Trong đó:
Cơng suất phát (Pt); Độ lợi anten phát (G); Cự ly từ radar đến mục tiêu (R); LTổng tổn hao của toàn hệ thống;  S N in  là tỷ số cơng suất tín hiệu trên cơng
suất nhiễu tại ngõ vào hệ thống thu,  n băng thông của hệ thống, Ts nhiệt độ nhiễu
hệ thống, Diện tích hiệu dụng Radar ().
LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

14

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

1.3. DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG RADAR (RCS)
1.3.1 Định nghĩa
Mặt cầu
R

Cơng suất pat xạ đẳng hƣớng

Radar Station
Hình 1.2 Sự phát xạ lại đẳng hƣớng của sóng tới trên bề mặt cầu
Diện tích hiệu dụng radar (RCS) dùng trong phƣơng trình radar dựa vào phần
diện tích dội hiệu dụng của mục tiêu (hình 1.1). RCS của mục tiêu là một vùng
tiết diện ngang trên bề mặt cầu đƣợc bức xạ trở lại đẳng hƣớng tất cả cơng suất
sóng tới với cùng cƣờng độ bức xạ (công suất trên đơn vị góc khối) khi mục tiêu
bức xạ về hƣớng thu của radar.
RCS của mục tiêu thƣờng đƣợc đo liên quan đến mặt cầu dẫn điện. Một vật
dẫn có dạng cầu, có chu vi lớn sẽ bức xạ ngƣợc trở lại radar với một cƣờng độ
bức xạ tƣơng đƣơng với sự tán xạ đẳng hƣớng của tất cả công suất đƣợc chặn bởi
phần tiết diện ngang của nó.
Một hình cầu với bán kính a   (  -bƣớc sóng) sẽ có RCS bằng với tiết
diện ngang của nó là  a 2 .
Diện tích phản xạ hiệu dụng [σ] đƣợc định nghĩa:[11]


4  Pr Piso  scatter

Pi
Pi

(1.2)

Trong đó: Pr là công suất phản dội từ mục tiêu, Pi là mật độ cơng suất tới, σ là
diện tích phản xạ hiệu dụng, Piso-scatter là công suất tán xạ đẳng hƣớng.[11]
  4 .R .
2

ES
EI

2
2

(1.3)

Với cƣờng độ tán xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng: 4 pU
.  4 p.R 2 .Se
Trong đó: Cƣờng độ bức xạ nhìn thấy tại anten (U); Mật độ công suất dội tại
radar (Se); Mật độ công suất tới (SI); Cƣờng độ trƣờng sóng tới (EI); Cƣờng độ
trƣờng sóng dội (ES); Định nghĩa RCS đối với mục tiêu ở trƣờng xa:[11]

LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

15

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

2

ES 
2

  lim  4 .R
2

R  
E I 


(1.4)

Trƣờng tán xạ Es suy hao tỉ lệ nghịch với cự ly, nên  độc lập với cự ly R.
Tiết diện ngang radar (RCS) phải dựa vào thành phần phân cực đã xác định của
năng lƣợng tán xạ. Thông thƣờng một radar phát tại một vài sự phân cực đặc biệt
chẳng hạn phân cực ngang hay phân cực đứng và việc thu phải cùng sự phân cực
này. RCS của một mục tiêu trong điều kiện này dựa vào thành phần phân cực
ngang, phân cực đứng của năng lƣợng đƣợc tán xạ trong hƣớng anten thu của
Radar. Tổng quát hơn, tiết diện ngang tán xạ, dựa vào sự tán xạ lại các hƣớng
phân cực. Hầu hết năng lƣợng tán xạ đối với mục tiêu Radar điển hình là sự phân
cực sóng tới để RCS và tiết diện ngang tán xạ không khác nhau nhiều.
Khi anten phát và thu của hệ thống Radar đƣợc lắp đặt chung với nhau thì tiết
diện ngang dựa vào sự tán xạ theo hƣớng về phía nguồn radar gọi là tiết diện
ngang đơn tĩnh (monostatic cross section). Trong radar nhị tĩnh (bistatic), nguồn
phát và thu đƣợc tách biệt bởi góc nhị tĩnh đến mục tiêu, thì tiết diện ngang dựa
vào sự tán xạ theo hƣớng đến bộ thu.
1.3.2. Các Nguồn Tán Xạ Ngược về Hệ Thống Thu Radar
Khi tăng độ phân giải thì mục tiêu đƣợc theo dõi làm cho định nghĩa RCS
thay đổi đáng kể, điều này xảy ra do mục tiêu của radar và tạp dội. Các điểm phản
xạ đƣợc gọi là các bộ tán xạ, các nguồn tán xạ ngƣợc hoặc các tâm tán xạ. Tại
một hƣớng cho trƣớc, mỗi điểm sẽ phản xạ năng lƣợng với biên độ và pha liên
quan với những điểm phản xạ khác.
Hầu hết các nguồn tán xạ ngƣợc chủ yếu của mục tiêu tại bất kỳ hƣớng nào là
những bề mặt phẳng và những góc. Những nguồn phản xạ khác cũng tồn tại. Sự
phản xạ sóng trƣờng (creeping-wave) xảy ra khi năng lƣợng tới truyền dọc theo
bề mặt của mục tiêu hoặc một vài bộ phận của mục tiêu. Các ảnh hƣởng cộng

hƣởng khác nhau cũng tạo nên sự phản xạ.
Pha tức thời của từng điểm phản xạ riêng biệt của mục tiêu đƣợc xác định bởi
cự ly tức thời của nó đối với radar. Do đó, trong khi biên độ phản xạ khơng thay
đổi trong sự thay đổi nhỏ của hƣớng thì pha thay đổi một cách nhanh chóng tại
tần số viba. Tốc độ thay đổi của pha theo hƣớng sẽ tăng theo tần số radar.
1.3.3. Diện Tích Hiệu Dụng (RCS) Của Radar Phân Giải Thấp
Các nguồn tán xạ ngƣợc đơn lẻ không phân giải với các radar phân giải thấp.
Xét một dạng sóng radar gồm một chuỗi các xung đơn, thời gian một xung là Tl =
1 µs, thì cự ly r phải thỏa: r  c.

Tl
106
 3.108.
 150 (m)
2
2

Đối với dạng sóng băng hẹp, năng lƣợng tán xạ ngƣợc từ nhiều tâm tán xạ của
một mục tiêu phức tạp đƣợc sắp xếp lại để tạo ra tín hiệu dội. Biên độ và pha của
LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

16

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

tín hiệu đạt đƣợc rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của khoảng cách giữa các tâm tán
xạ.
Các khoảng cách này sẽ thay đổi đáng kể đối với sự thay đổi hƣớng mục tiêu
nhỏ hoặc đối với sự dịch tần số radar nhỏ.
Biểu thức của RCS không có thành phần pha. Để khơi phục lại khái niệm về
pha, ta định nghĩa hàm truyền dội của mục tiêu là quan hệ giữa tán xạ ngƣợc và
cƣờng độ trƣờng điện sóng tới tại một tần số cho trƣớc.
 /A
a  4

Dạng hình học

Kích thƣớc

RCS(A)

RCSmin(  )

Hình cầu

Bán kính a

π.a2

π.a2

1

1

Hình trụ

1*bán kính a

2.1.a

2πa2l/λ

πa/λ

4.π

Đĩa phẳng
Góc nhị diện

a.a
a,a,a

a2
a2. 2

4πa4/λ2
8πa4/λ2

Tam diện

a,a,a

3a2/2

12. .a 4 /  2

4πa4/λ2
8πa2/λ2.

64.π
128.π/

8. .a 4 /  2

128.π

Bảng 1: RCS của một số dạng hình học lý tƣởng[11]
Hàm truyền Echo của mục tiêu liên quan cƣờng độ điện trƣờng tới tại một tần
số đã cho theo:[11]
ES
EI

(1.5)


4 .R

(1.6)

h

Biên độ của hàm truyền: h 

Kích thƣớc của mục tiêu thƣờng đủ nhỏ so với cự ly radar, cự ly thay đổi

trong không gian giám sát thƣờng đủ ngắn để biên độ echo có thể xem độc lập
với cự ly.
h

Do đó:


.e j
4 .R

(1.7)

Với : Pha tín hiệu echo; , : Là số thực thay đổi theo góc và tần số
Tƣơng tự mỗi tâm tán xạ của một mục tiêu phức tạp đƣợc quan sát tại các
hƣớng mục tiêu và tần số radar, hàm truyền echo của từng tâm tán xạ cho bởi
k
hk 
.e j , với  k là RCS của tâm tán xạ thứ k:[11]
4 .R
k

  lim 4 .R
R 

LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

n

2


k 1

4 d
j.
k
.e 
4 .R

17

2
k



n


k 1

k e

j  4 d k  

2

(1.8)

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

dk là khoảng cách từ một điểm nào đó bên trong mục tiêu đến tâm tán xạ thứ
k. Sự thay đổi của tần số radar một ít cũng làm thay đổi pha giữa các tâm tán xạ
ngƣợc. Do đó tạo ra sự thay đổi biên độ trong băng hẹp.
1.3.4. Diện Tích Hiệu Dụng (RCS) Của radar Phân Giải Cao
Radar phân giải cao phân giải từng tâm tán xạ của mục tiêu. Độ rộng của các
xung đơn phải cực ngắn. Để độ phân giải theo cự ly giữa các tâm tán xạ là 1m thì
độ rộng xung cực đại là:[11]
Tmax 

2rs
2l
2 1(m)


 6.7 (ns)
8
c
3 10 (m / s) 3 108 (m / s)

(1.9)
Điều này cần radar có băng thông phát khoảng t  1/ Tmax  150MHz , các
radar đƣợc thiết kế để đo đạc và phân giải về biên độ, cự ly, hƣớng (Bearing), và
tốc độ (hay Doppler). Các kỹ thuật SAR và ISAR phân giải cao, phân giải các
tâm tán xạ trên mục tiêu riêng lẻ theo cự ly (slant-range) và theo góc (crossrange).

Dựa vào (1.8) nếu  k   e với mọi k, thì RCS băng hẹp trung bình là:
  m. e

(1.10)

Trong đó:
m: là số thành phần tán xạ ngƣợc;

 e : diện tích hiệu dụng của mỗi yếu tố.
Ta có cơng thức nhƣ sau:[11]

 e  r 




;  e  D 
;  e rD 
mr
mD
mrD

(1.11)

Với  e r : Là tiết diện ngang của các yếu tố phân giải theo cự ly; mr : Là số
yếu tố cự ly đƣợc phân giải.

 e D : Là tiết diện ngang của các yếu tố phân giải theo hiệu ứng Doppler; mD
: Là các yếu tố Doppler đƣợc phân giải

 e rD : Là tiết diện ngang của các yếu tố phân giải theo cự ly và Doppler; mrD
là số các yếu tố cự ly và Dopper đƣợc phân giải.
Các phƣơng trình trên cho thấy gần đúng với các kết quả trong thí nghiệm và
hữu dụng trong việc dự đốn cự ly cho các radar xác định ảnh mục tiêu. Nó đƣợc
thiết lập bởi tổng của RCS của các yếu tố phân giải cao theo cự ly và Doppler của
một mục tiêu. Nó bằng với RCS băng hẹp của mục tiêu đƣợc lấy trung bình trên

LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

18

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

cùng góc phƣơng vị, dữ liệu đƣợc xử lý để phát ảnh cự ly – Doppler (range –
Doppler image).
1.4. TỔN HAO TOÀN HỆ THỐNG
Bao gồm các tổn hao về đƣờng dây, lan truyền, hệ thống thu, và xử lý tín hiệu
trƣớc khi phát hiện hoặc hiển thị. Trong các hệ thống radar phân giải cao suy hao
tăng không đáng kể bởi sự mất phối hợp thay đổi trên băng thông rộng.
Ngoại trừ băng thông vô hạn hoặc hoạt động gần các đỉnh hấp thụ khí quyển, ta
có thể thấy rằng tổn hao lan truyền là một hằng số chính yếu trên băng thơng radar.
Tổn hao hệ thống radar, khơng tính tổn hao lan truyền, trong khoảng từ 6 ÷ 10 dB
đối với một hệ thống radar băng rộng đƣợc thiết kế tốt.
1.5. SỰ SUY GIẢM THEO CỰ LY
Cơng suất tín hiệu echo thu đƣợc chứa 1/R4. nói lên công suất dội thu đƣợc suy

giảm theo hàm bậc 4 của cự ly. Công suất thu đƣợc trong điều kiện hoạt động gần
bề mặt đất, trở nên phức tạp hơn với sự nhiễu xạ và sự khúc xạ do sự cong của trái
đất, đa đƣờng và sự tán xạ ở tầng đối lƣu. Công suất Pt đƣợc phát từ một Anten có
độ lợi Gt đến Anten thu khẩu độ A và độ lợi Gr:[11]
Pt .Gt
Gt .Gr . 2
S
. A  Pt .
2
4 .R 2
 4 R 

(1.12)

S
2

Pt  4 R 2

(1.13)

Khi G t  G r  1

Hàm g(R) là hàm suy hao theo cự ly trong trƣờng hợp tổng quát có thể đƣợc
định nghĩa:
g  R   S / Pt    / 4 R 

Từ phƣơng trình S 

Pt  G 2   2  

 4 

3

 R4  L

2

(1.14)

kết hợp với hai phƣơng trình trên,

Nếu G = Gr = Gt ta có:
P .G 2   
S t
.

L  4 R 

2

   4
.
 . 2 .
 4 R  
2

(1.15)

Công suất dội (cơng suất thu) đƣợc tính:

LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

19

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN


ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT GTD XỬ LÝ TÍN HIỆU HRR

S

PGS. TS LÊ TIẾN THƢỜNG

2 4
Pt .G 2
.  g  R   . 2 .
L


(1.16)

1.6. ĐỘ NHẠY MÁY THU
Các tín hiệu dội thu đƣợc sẽ cạnh tranh với nhiễu của hệ thống thu, các tín hiệu
tạo nhiễu (jamming), và các tín hiệu khơng mong muốn dội từ biển, đất liền và
mƣa. Độ nhạy hệ thống thu:[11]
Sr  N .  S / N in

(1.17)

Với N là công suất nhiễu của hệ thống thu.  S / N in là tỉ số cơng suất tín hiệu
trên cơng suất nhiễu nhỏ nhất tại đầu vào máy thu. Công suất nhiễu tại ngõ vào của
một hệ thống radar có cơng thức nhƣ sau:
N  k.Ts .n

(1.18)

Với k  1.38x1023  J / K 

 n : Băng thông nhiễu (công suất nhiễu đƣợc đo trên băng thông này)
Ts: Nhiệt độ nhiễu của hệ thống thu, tính đến tất cả các nguồn nhiễu của hệ
thống radar, bao gồm cả nhiễu anten. Nhiễu anten là nhiễu bên ngoài thuộc về tự
nhiên, chẳng hạn nhƣ nhiễu vũ trụ thu bởi anten của radar và nhiễu nhiệt bởi tổn
hao điện trở của anten, nó thƣờng đƣợc bỏ qua.
Độ nhạy máy thu đƣợc viết lại nhƣ sau:[11]
Sr  k.Ts .n  S / N in

Định nghĩa hệ số nhiễu hệ thống (system noise figure): F 

(1.19)
Ts
, với To = 290 K
T0

nhiệt độ nhiễu tiêu chuẩn. Suy ra
Sr  k.F .To .n .  S / N in

(1.20)

Băng thơng nhiễu dùng để tính cơng suất nhiễu đạt đƣợc từ các đặc tính băng
thơng của hệ thống thu. Băng thông nhiễu trong các công thức trên đƣợc xác định
nhƣ băng thơng tƣơng đƣơng của hàm độ lợi có dạng hình chữ nhật. Đáp ứng độ lợi
hình chữ nhật là độ lợi không đổi G  f  từ  n / 2 đến   n / 2 và bằng 0 ở nơi khác,
f là tần số trung tâm của hệ thống thu. Sự tƣơng đƣơng của công suất nhiễu ngõ ra

đối với những đáp ứng xung chữ nhật so với đáp ứng thực mô tả nhƣ sau

 



N .G f . n  N  G  f  .df

(1.21)

0

Với G  f  là hàm độ lợi thực của hệ thống thu. Băng thông nhiễu:

LÝ THUYẾT RADAR PHÂN GIẢI CAO

20

HVTH:ĐÀO NGOC ẨN