Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển nhằm tách tâm tác xạ của mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.24 MB, 163 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGUYỄN THIÊN TÂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
NHẰM TÁCH TÂM TÁN XẠ CỦA MỤC TIÊU
TRONG HỆ THỐNG RADAR PHÂN GIẢI CAO
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
PGS.TS. Lê Tiến Thường.
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày
tháng 12 năm 2009.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
______________
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
_________________
Tp.HCM, ngày
tháng
năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên
:
NGUYỄN THIÊN TÂN
Ngày tháng năm sinh :
27/08/1982
Chuyên ngành
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
:
Phái : Nam
Nơi sinh : Khánh Hòa
Mã số HV : 01407357
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN NHẰM TÁCH TÂM TÁN XẠ CỦA
MỤC TIÊU TRONG HỆ THỐNG RADAR PHÂN GIẢI CAO
II. NHIỆM VỤ:
-
Nghiên cứu tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao bằng
phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil.
-
Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển LM3S2965 nhằm tách tâm tán xạ mục tiêu
trong hệ thống radar phân giải cao, theo hai phương pháp nêu trên.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 02 tháng 02 năm 2009
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 30 tháng 11 năm 2009
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS-TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn này, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu
sắc đến PGS.TS Lê Tiến Thường. Thầy đã gợi mở, quan tâm, giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn ThS Nguyễn Xuân Tý, tuy anh rất bận rộn với công
việc nhưng vẫn dành nhiều thời gian nhận xét góp ý và cung cấp cho tôi một
số tài liệu cần thiết.
Tôi xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã dạy giỗ tôi nên người. Xin
cảm ơn các bạn học ln sẵn lịng trao đổi, bàn luận với tôi hướng giải quyết
khi gặp những bài tốn khó
Cuối cùng con xin gửi lời tri ân đến ba mẹ và gia đình đã ni dạy con
khôn lớn và luôn sát cánh bên con, động viên con những lúc con gặp khó khăn
Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 12 năm 2009
Học viên
Nguyễn Thiên Tân
ABSTRACT
Radar, as the name suggests, were traditionally used for radio detection
and ranging. Nevertheless, advancement in technology, especially in high
resolution radar, has made it possible for using them as a sensor to identify or
recognize target.
The thesis “A research on applying microcontroller for recognizing
target scattering center in high resolution radar system” help post graduated
student having knowledge about:
+ Recognizing target scattering center in high resolution system. This is
a basis technology for me to continue researching about high resolution radar
system in future.
+ Microcontroller and its programming method, one of the areas getting
more attention nowadays.
Because of the time limit, the thesis still has some mistakes. So, I very
please to receive more comment on it.
Nguyen Thien Tan
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Radar, theo tên gọi của nó, là hệ thống cơ bản dùng song radio để phát
hiện và đo khoảng cách mục tiêu. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển về công
nghệ, đặc biệt là công nghệ radar phân giải cao, radar còn được sử dụng như
là thiết bị cảm biến phát hiện và nhận dạng mục tiêu.
Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng Vi điều khiển nhằm tách tâm tán xạ
của mục tiêu trong hệ thống Radar phân giải cao” giúp học viên cao học nắm
rõ các kiến thức :
+ Kỹ thuật tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao. Đây là kỹ
thuật nền tảng, tạo cơ sở để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về hệ thống Radar
phân giải cao.
+ Kiến thức về vi điều khiển và cách thức lập trình vi điều khiển, một
trong những lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong thời điểm
hiện nay.
Nội dung luận văn bao gồm 11 chương, chia làm 3 phần:
+ Phần I: Giới thiệu, lý thuyết cơ bản về Radar, bao gồm:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan.
- Chương 2: Lý thuyết Radar.
- Chương 3: Xử lý tín hiệu và dữ liệu trong Radar.
- Chương 4: Phát hiện mục tiêu và hiển thị.
- Chương 5: Mặt cắt ngang Radar (RCS).
+ Phần II: Phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu, bao gồm;
- Chương 6: Lý thuyết toán học phục vụ tách tâm tán xạ.
- Chương 7: Phương pháp Prony.
- Chương 8: Phương pháp Matrix Pencil.
+ Phần III: Mô phỏng, kết luận, bao gồm:
- Chương 9: Kit vi điều khiển Stellaris LM3S2965
- Chương 10: Mô phỏng
- Chương 11: Kết luận
Do thời gian hạn chế nên việc thực hiện đề tài không tránh khỏi các
thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp, đánh giá, nhận xét bổ sung
quý báu của quý thầy cô và các bạn.
Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
MỤC LỤC
PHẦN I: GIỚI THIỆU, LÝ THUYẾT RADAR
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 1
1.3. Lý do thực hiện đề tài......................................................................................... 2
1.5. Mục tiêu đề tài.................................................................................................... 2
1.6. Nhiệm vụ luận văn ............................................................................................. 2
1.7. Tổng quan về luận văn ....................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT RADAR ........................................................................... 4
2.1. Các vấn đề về Radar........................................................................................... 4
2.1.1.Khái niệm Radar ........................................................................................... 4
2.1.2 Tổng quan về tần số Radar............................................................................ 5
2.1.3. Độ lợi antenna.............................................................................................. 6
2.1.4. Phương trình Radar...................................................................................... 7
2.1.5. Độ chính xác và độ phân giải ....................................................................... 8
2.1.6. Thời gian tích hợp và hiệu ứng doppler...................................................... 10
2.1.7. Các kĩ thuật Radar phân giải cao ................................................................ 10
2.2. Radar quan sát.................................................................................................. 13
2.2.1.Radar và sự quan sát ................................................................................... 13
2.2.2.Khảo sát độ rộng chùm tia antenna ............................................................. 13
2.2.3.Tần số lập lại xung – vận tốc và khoảng cách rõ ràng.................................. 14
2.2.4. Độ dài xung và sự lấy mẫu......................................................................... 15
2.2.5. Clutter và nhiễu.......................................................................................... 15
2.3. Radar theo dõi .................................................................................................. 16
2.3.1. Sự theo dõi................................................................................................. 16
2.3.2. Tạo búp liên tiếp ( Sequential lobing) và sự qt hình nón ......................... 17
2.3.3. Radar đơn xung.......................................................................................... 17
2.3.4. Độ chính xác tracking và Agility tần số...................................................... 20
CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ DỮ LIỆU TRONG RADAR ........................... 21
3.1. Sự phân bố của tín hiệu cộng nhiễu .................................................................. 21
3.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ( SNR) ....................................................................... 22
3.3. Phân chia xử lý tín hiệu và xử lý data ............................................................... 23
3.4. Tính chất của clutter ......................................................................................... 23
3.5. Quá trình chỉ báo mục tiêu di động................................................................... 25
3.6. Xử lý quá trình biến đổi Fourier nhanh (FFT ).................................................. 27
3.7. Sự giữ ngưỡng ( thresholding ) ......................................................................... 28
3.8. Sự phân tích Plot (plot extraction) và sự kết hợp Plot − Track .......................... 29
3.8.1. Sự phân tích Plot........................................................................................ 29
3.8.2. Sự liên kết Plot − Track............................................................................... 29
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
CHƯƠNG 4: PHÁT HIỆN MỤC TIÊU VÀ HIỂN THN.......................................... 32
4.1.Tổng quan ......................................................................................................... 32
4.2. Cơ sở cho lý thuyết xác suất dùng trong việc phát hiện mục tiêu ...................... 36
4.3. Ảnh hưởng của phần thu trong phân bố nhiễu................................................... 40
4.4. Phân bố của tín hiệu cộng nhiễu ....................................................................... 44
4.5. Sự phát hiện và xác suất xảy ra báo nhầm......................................................... 45
4.6. Bộ thu tương quan ............................................................................................ 48
4.7. Bộ lọc thích nghi .............................................................................................. 51
4.8. Các thành phần chủ chốt trong việc phát hiện tín hiệu ...................................... 52
4.9. Dị tìm dùng nhiều quan sát .............................................................................. 52
CHƯƠNG 5: MẶT CẮT NGANG RADAR (RCS) .................................................... 55
5.1. Giới thiệu chung............................................................................................... 55
5.2. Khái niệm năng lượng phản hồi........................................................................ 56
5.3. Các kỹ thuật tính RCS ...................................................................................... 59
5.3.1.Các phương pháp chính xác: ....................................................................... 59
5.3.2. Các phương pháp xấp xỉ............................................................................. 62
5.4. Sự phụ thuộc RCS đối với góc hướng và tần số. ............................................... 68
5.5. Sự phụ thuộc phân cực của RCS....................................................................... 70
5.5.1. Phân cực .................................................................................................... 70
5.5.2. Ma trận tán xạ mục tiêu.............................................................................. 72
5.6. RCS của các mục tiêu đơn giản ........................................................................ 73
5.6.1 Quả cầu....................................................................................................... 74
5.6.2 Ellipsoid ..................................................................................................... 75
5.6.3. Mặt phẳng trịn........................................................................................... 76
5.6.4. Hình nón cụt .............................................................................................. 76
5.6.5. Hình trụ ..................................................................................................... 78
PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP TÁCH TÂM TÁN XẠ MỤC TIÊU
CHƯƠNG 6: LÝ THUYẾT TOÁN HỌC PHỤC VỤ TÁCH TÂM TÁN XẠ............. 79
6.1. ChuNn ma trận .................................................................................................. 79
6.2. Trị riêng và vector riêng ................................................................................... 79
6.2.1 Định nghĩa .................................................................................................. 79
6.2.2 Các bước tìm trị riêng và vector riêng ......................................................... 79
6.2.3 Tính chất..................................................................................................... 80
6.3. Phân tích SVD (Singular Values Decomposition)............................................. 80
6.4. Giả nghịch đảo Moore-Penrose ........................................................................ 81
6.5. Bài tốn bình phương tối thiểu tuyến tính ........................................................ 82
6.6. Phương pháp Total Least Squares-Phương trình dự đốn tuyến tính................. 84
CHƯƠNG 7: PHƯƠNG PHÁP PRONY .................................................................... 88
7.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 88
7.2. Phương pháp Prony .......................................................................................... 91
7.3. Phương pháp Prony hiệu chỉnh......................................................................... 96
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
CHƯƠNG 8: PHƯƠNG PHÁP MATRIX PENCIL...................................................100
8.1. Giới thiệu ........................................................................................................100
8.2. Phương pháp Matrix Pencil trong trường hợp khơng nhiễu..............................100
8.3. Phương pháp Matrix Pencil trong trường hợp có nhiễu....................................102
PHẦN III: MÔ PHỎNG, KẾT LUẬN
CHƯƠNG 9: KIT VI ĐIỀU KHIỂN STELLARIS LM3S2965..................................106
9.1. Giới thiệu ........................................................................................................106
9.2. Vi điều khiển LM3S2965 ................................................................................107
9.2.1 Ngắt...........................................................................................................110
9.2.2. Module ngủ đông (Hibernation Module) ...................................................111
9.2.3. Bộ nhớ trong.............................................................................................112
9.2.4. Khối xuất nhập đa dụng (GPIOs) ..............................................................113
9.2.5. Timer đa dụng...........................................................................................113
9.2.6. Chuyển đổi tương tự sang số (ADC) .........................................................114
9.2.7. Truyền nhận bất đồng bộ (UART) ............................................................115
9.2.8. Giao tiếp đồng bộ nối tiếp (SSI)................................................................117
9.2.9. Bộ so sánh tín hiệu tương tự......................................................................117
9.3. Bộ điều khiển tích hợp chức năng giao tiếp qua cổng USB..............................119
9.4. Màn hình OLED hiển thị .................................................................................120
9.5. Phần mềm biên dịch: Red Suite .......................................................................121
9.5.1. Giới thiệu..................................................................................................121
9.5.2. Cách đọc một project sẵn có......................................................................122
9.5.3. Cách tạo mới một Project..........................................................................125
9.5.4. Biên dịch project và nạp chương trình cho kit ...........................................131
CHƯƠNG 10: MƠ PHỎNG ......................................................................................134
10.1. Giới thiệu ......................................................................................................134
10.2. Giả lập dữ liệu...............................................................................................135
10.3. Truyền dữ liệu lên Kit LM3S2965.................................................................137
10.4. Lập trình vi điều khiển tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony...................138
10.5. Lập trình vi điều khiển tách tâm tán xạ theo phương pháp Matrix Pencil .............141
10.6. Nhận xét........................................................................................................142
10.6.1.Phương pháp Prony..................................................................................142
10.6.2.Phương pháp Matrix Pencil......................................................................143
CHƯƠNG 11: KẾT LUẬN .......................................................................................144
11.1. Kết quả đạt được và ý nghĩa ..........................................................................144
11.1.1. Kết quả đạt được.....................................................................................144
11.1.2. Ý nghĩa ...................................................................................................144
11.2. Hướng phát triển ...........................................................................................145
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................146
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc luận văn ..................................................................................... 3
Hình 2.1. Sơ đồ khối một hệ thống radar đơn giản................................................... 4
Hình 2.2. Xác định cự ly tìm kiếm của Radar .......................................................... 8
Hình 2.3. Độ chính xác khoảng cách radar phụ thuộc vào băng thông ..................... 9
Hình 2.4. Sơ đồ khối của một hệ thống Radar đơn xung so sánh biên độ ............... 18
Hình 2.5. Các mơ hình chùm tia Antenna trong tọa độ Đề các............................... 19
Hình 2.6. Phase-comparision Monopulse............................................................... 19
Hình 3.1. PDF của tín hiệu và tín hiệu + nhiễu ...................................................... 21
Hình 3.2. Xử lý data và tín hiệu trong hệ thống radar hiện đại ............................... 23
Hình 3.3. Sơ đồ khối của quá trình MTI ................................................................ 25
Hình 3.4. Hệ thống xóa ba xung và đa xung (tổng quát) ........................................ 26
Hình 3.5. Trung bình và biên được sử dụng trong hệ thống giữ ngưỡng ................ 29
Hình 4.1. Các phần tử hệ thống cơ bản tác dụng đến việc tìm kiếm mục tiêu......... 33
Hình 4.2. Tác dụng của bộ lọc qua băng trong việc phát hiện mục tiêu.................. 35
Hình 4.3. Mức điện áp dung quyết định sự có mặt của mục tiêu ............................ 36
Hình 4.4. Hàm mật độ phân phối xác suất Gaussian PDF ..................................... 39
Hình 4.5. Tác dụng của lọc nhiễu trắng ................................................................. 43
Hình 4.6. Các hàm mật độ phân bố xác suất của nhiễu cộng tín hiệu .................... 45
Hình 4.7. Các diện tích trong các hàm phân bố xác suất PDF của nhiễu ............... 46
Hình 4.8. Vẽ Pd theo SNR với một khỏng các giá trị của Pfa ................................. 47
Hình 4.9. Các hàm mật độ phân bố xác suất PDF ................................................. 53
Hình 5.1. Đối tượng ba chiều................................................................................. 58
Hình 5.2. Phương pháp Moment chia tồn bộ bề mặt thành phần nhỏ hơn............. 61
Hình 5.3. RCS theo thuyết quang hình................................................................... 63
Hình 5.4. Nhiễu xạ ................................................................................................ 64
Hình 5.5. Góc trường tới và trường phản xạ của vật hình nêm ............................... 65
Hình 5.6. RCS của hình nón cụt theo phân cực dọc .............................................. 66
Hình 5.7. RCS của hình nón cực theo phân cực ngang........................................... 66
Hình 5.8. Hai tán xạ trong tầm nhìn thẳng Radar ................................................... 69
Hình 5.9. Sự phụ thuộc của RCS vào góc hướng ................................................... 69
Hình 5.10. Sự phụ thuộc tần số của RCS ............................................................... 70
Hình 5.11. RCS của quả cầu trong các miền .......................................................... 74
Hình 5.12. Ellipsoid có tâm tại vị trí (0,0,0)........................................................... 75
Hình 5.13. Mặt phẳng hình trịn............................................................................. 76
Hình 5.14. Hình nón cụt ........................................................................................ 77
Hình 5.15. Hình trụ................................................................................................ 78
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Hình 7.1. Lưu đồ giải thuật Prony.......................................................................... 95
Hình 7.2. Lưu đồ giải thuật Prony hiệu chỉnh ........................................................ 99
Hình 8.1. Lưu đồ giải thuật Matrix Pencil............................................................ 105
Hình 9.1. Board mạch Stellaris LM3S2965 ......................................................... 106
Hình 9.2. Sơ đồ khối bo mạch Stellaris LM3S2965 ............................................. 106
Hình 9.3. Sơ đồ chân vi điều khiển LM3S2965 ................................................... 107
Hình 9.4. Sơ đồ khối CPU ................................................................................... 108
Hình 9.5. Các khối chức năng trong vi điều khiển họ Stellaris 2000 .................... 109
Hình 9.6. Sơ đồ khối Module ngủ đơng ............................................................... 111
Hình 9.7. Sơ đồ khối bộ nhớ Flash....................................................................... 112
Hình 9.8. Sơ đồ khối GPIO port .......................................................................... 113
Hình 9.9. Sơ đồ khối module GPTM ................................................................... 114
Hình 9.10. Sơ đồ khối ADC................................................................................. 115
Hình 9.11. Thanh ghi điều khiển UART .............................................................. 116
Hình 9.12. Sơ đồ khối module UART.................................................................. 116
Hình 9.13. Cấu trúc Frame UART ....................................................................... 117
Hình 9.14. Sơ đồ khối module SSI....................................................................... 117
Hình 9.15. Sơ đồ khối module so sánh tương tự .................................................. 118
Hình 9.16. Thiết bị FTDI2232 ............................................................................. 120
Hình 9.17. Sơ đồ khối chip FTDI2232................................................................. 120
Hình 9.18. Màn hình OLED ................................................................................ 121
Hình 9.19. Sơ đồ mạch ứng dụng OLED ............................................................. 121
Hình 9.20. Giao diện phần mềm Red_Suite ......................................................... 122
Hình 9.21. Import một Project đã lập trình sẵn .................................................... 123
Hình 9.22. Cửa sổ import .................................................................................... 123
Hình 9.23. Cửa sổ chọn file cần import................................................................ 124
Hình 9.24. Kết quả hiển thị project đã được import ............................................. 124
Hình 9.25. Tạo mới một Project........................................................................... 125
Hình 9.26. Khai báo Project................................................................................. 125
Hình 9.27. Khai báo module và tác giả ................................................................ 126
Hình 9.28. Khai báo bộ vi điều khiển .................................................................. 127
Hình 9.29. Giao diện chỉnh sửa thuộc tính ........................................................... 127
Hình 9.30. Cửa sổ Include path............................................................................ 128
Hình 9.31. Chọn đường dẫn trỏ đến thư mục lưu các file thư viện cần include .... 128
Hình 9.32. Include Workspace............................................................................. 129
Hình 9.33. Kiểm tra đường dẫn ........................................................................... 129
Hình 9.34. Kiểm tra các đường dẫn đã include .................................................... 130
Hình 9.35. Khai báo driver .................................................................................. 130
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Hình 9.36. Lắp đặt phần cứng để cài đặt và giao tiếp dữ liệu ............................... 131
Hình 9.37. Biên dịch Project................................................................................ 131
Hình 9.38. Khởi tạo biên dịch.............................................................................. 132
Hình 9.39. Cửa sổ Run ........................................................................................ 132
Hình 9.40. Giao diện debug trên phần mềm......................................................... 133
Hình 10. 1. Trang giao diện đầu tiên của phần mềm tạo mẫu dữ liệu và nạp kit ... 135
Hình 10. 2. Giao diện tạo tín hiệu giả lập............................................................. 135
Hình 10. 3. Giao diện nhập thơng tin tạo tín hiệu thành phần............................... 136
Hình 10. 4. Tín hiệu giả lập ................................................................................. 137
Hình 10. 5. Giao diện truyền nhận dữ liệu với Kit LM3S2965............................. 137
Hình 10. 6. Kết nối giữa Kit LM3S2965 và máy tính thơng qua cáp USB ........... 138
Hình 10. 7. Giao diện lập trình trên Red_Suite v2.02........................................... 138
Hình 10. 8. Lưu đồ tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony hiệu chỉnh.............. 139
Hình 10. 9. Kết quả tách tâm tán xạ theo phương pháp Prony.............................. 140
Hình 10. 10. Lưu đồ giải thuật Matrix Pencil....................................................... 141
Hình 10. 11. Kết quả tách tâm tán xạ theo phương pháp Matrix Pencil ................ 142
PHẦN I:
GIỚI THIỆU,
LÝ THUYẾT RADAR
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Ngày nay Radar là một lĩnh vực không thể thiếu được trong cuộc sống, được ứng
dụng rộng rãi cả trong dân sự lẫn trong quân sự. Trong dân sự, hệ thống Radar giữ vai
trò quan trọng trong việc điều khiển lưu thông hàng hải, hàng không và tàu vũ trụ, hoặc
được sử dụng để đo độ cao, dự báo thời tiết, theo dõi môi trường từ xa, môi trường
nguy hiểm, hay thăm dị khơng gian, thăm dị lịng đất … Cũng như vậy, trong quân sự,
khi đề cập đến các hệ thống vũ khí tấn cơng và phịng thủ thì hệ thống Radar cũng
chiếm một vị thế hết sức quan trọng.
Ngày nay, với các hệ thống Radar hiện đại – Radar phân giải cao – thì ngồi khả
năng thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như xác định cự ly, góc hướng, vận tốc của mục
tiêu, chúng cịn có khả năng tự động phân loại và nhận dạng mục tiêu. Cơ sở cho việc
phân loại và nhận dạng của các hệ thống radar này là dựa vào các đặc tính về tâm tán xạ
của mục tiêu.
Tách tâm tán xạ của mục tiêu là một kỹ thuật phức tạp, thu hút được nhiều sự
nghiên cứu cũng như nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Đồng thời, kỹ thuật tách
tâm tán xạ của mục tiêu cũng là kỹ thuật nền tảng và hết sức cần thiết cho các sinh viên,
học viên khi nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống radar hiện đại – Radar phân giải cao.
Bên cạnh đó, vi điều khiển cũng là một lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi trong
rất nhiều lĩnh vực và ngày càng khẳng định được vai trị quan trọng của nó trong các
ứng dụng xử lý tính tốn. Với thuận lợi là đã có nhiều thời gian nghiên cứu tìm hiểu về
vi điều khiển trong thời gian thực hiện luận văn đại học, tôi quyết định lựa chọn thực
hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển nhằm tách tâm tán xạ của mục tiêu
trong các hệ thống Radar phân giải cao”, với mục tiêu vừa để nghiên cứu tìm hiểu về
hệ thống Radar phân giải cao, vừa phát triển thêm các kỹ năng về lập trình vi điều khiển
đã nghiên cứu từ trước.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Được tìm hiểu về ngơn ngữ lập trình C/C++ và ngơn ngữ lập trình MATLAB, hai
ngơn ngữ lập trình được ứng dụng rất nhiều trong các công tác nghiên cứu khoa học
cũng như thực tế đời sống.
Được tìm hiểu về kỹ thuật tách tâm tán xạ của mục tiêu trong hệ thống radar
phân giải cao, cụ thể là phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil. Kỹ thuật
tách tâm tán xạ mục tiêu là kỹ thuật cơ bản, đóng vai trị nền tảng để tiếp tục nghiên cứu
các kỹ thuật chuyên sâu hơn trong hệ thống Radar phân giải cao như xác định hướng di
chuyển, đo vận tốc và nhận dạng mục tiêu …
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Trang 1
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Được tìm hiểu về vi điều khiển LM3S2965, là vi điều khiển 32 bit được thiết kế
dựa trên kiến trúc ARM Cortex-M3. Đây là kiến trúc 32 bit được ứng dụng rộng rãi và
sản xuất nhiều nhất trên thế giới, chiếm trên 70% các ứng dụng CPU nhúng 32 bit.
1.3. Lý do thực hiện đề tài
Hiện nay, kỹ thuật Radar đang phát triển hết sức mạnh mẽ. Trong qn sự, hệ
thống Radar khơng chỉ đóng vai trò phát hiện mục tiêu mà còn thực hiện được nhiều
chức năng khác như xác định hướng di chuyển, đo vận tốc di chuyển, nhận dạng mục
tiêu …Cơ sở cho việc thực hiện các giải thuật đo đạc, phân loại, nhận dạng mục tiêu là
dựa trên các đặc tính về tâm tán xạ. Do đó, nghiên cứu về kỹ thuật tách tâm tán xạ và
ứng dụng vi điều khiển để tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống Radar phân giải cao
là một hướng nghiên cứu cần thiết và là lý do chính để tơi thực hiện đề tài này.
Bên cạnh đó, các ứng dụng dựa trên vi điều khiển ngày càng được phát triển và
trở nên phổ biến trong các ứng dụng điện – điện tử – tự động hóa, việc thực hiện luận
văn và nghiên cứu lập trình vi điều khiển là điều kiện thuận lợi để tơi có thể tiếp thu
kiến thức và áp dụng vào các hoạt động thực tế cuộc sống.
1.5. Mục tiêu đề tài
Đề tài được thực hiện với các mục tiêu như sau:
- Nắm được các lý thuyết chung về hệ thống Radar.
- Hiểu rõ và trình bày được lý thuyết về kỹ thuật tách tâm tán xạ trong hệ thống
Radar phân giải cao, đặc biệt là bằng phương pháp Prony và phương pháp Matrix
Pencil.
- Hiểu rõ cách thức lập trình mơ phỏng bằng phần mềm MATLAB, cách thức lập
trình bằng ngơn ngữ C/C++ để lập trình vi điều khiển.
- Lập trình vi điều khiển để tách tâm tán xạ mục tiêu từ mẫu tín hiệu tổng hợp
thu nhận được.
1.6. Nhiệm vụ luận văn
• Nghiên cứu tách tâm tán xạ mục tiêu trong hệ thống radar phân giải cao bằng
phương pháp Prony và phương pháp Matrix Pencil.
•
Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển LM3S2965 nhằm tách tâm tán xạ mục
tiêu trong hệ thống radar phân giải cao, theo hai phương pháp nêu trên.
1.7. Tổng quan về luận văn
Luận văn gồm 11 chương, được chia làm 3 phần chính:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Trang 2
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
+ Phần I: Giới thiệu, lý thuyết cơ bản về radar. Bao gồm Chương 2, Chương 3,
Chương 4 và Chương 5. Phần này trình bày một số nội dung lý thuyết cơ bản về hệ
thống Radar
+ Phần II: Phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu. Bao gồm Chương 6, Chương 7
và Chương 8. Phần này trình bày chi tiết về hai phương pháp tách tâm tán xạ mục tiêu
trong hệ thống Radar phân giải cao thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài này là Phương
pháp Prony và Phương pháp Matrix Pencil.
+ Phần III: Mô phỏng, kết luận. Bao gồm Chương 9, Chương 10 và Chương 11.
Phần này giới thiệu về Kít vi điều khiển Stellaris LM3S2965 và trình bày nội dung, kết
quả mơ phỏng các phương pháp tách tâm tán xạ khi thực hiện trên phần cứng cũng như
các kết luận, đánh giá so sánh kết quả.
Như vậy, cấu trúc luận văn có thể được mơ tả theo sơ đồ sau:
Hình 1.1: Cấu trúc luận văn
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Trang 3
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
CHƯƠNG 2:
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
LÝ THUYẾT RADAR
2.1. Các vấn đề về Radar
2.1.1.Khái niệm Radar
Radar là thiết bị dùng sóng vô tuyến để phát hiện sự tồn tại và vị trí của các vật thể
(mục tiêu). Đây là các loại Radar có độ phân giải thấp. Ngày nay với các radar hiện đại
chúng ta cịn có thể nhận dạng mục tiêu, phân loại, tạo ảnh của vật thể, vẽ bản đồ mặt đất
từ vệ tinh,… các loại radar này cần có độ phân giải cao [6].
Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống radar đơn giản
Nguyên lí làm việc của Radar là có một máy phát sẽ phát đi sóng vơ tuyến, sóng
tới này gặp vật thể và phản xạ trên vật thể và một phần sóng quay trở lại và được một
máy thu thu lấy, rồi được khuếch đại sau đó xử lí để sắp xếp chọn lọc. Một radar đơn
giản có tần số sóng mang là tần số Radio (RF) chính của Radar, nó được thiết lập bởi bộ
tổng hợp tần số. Tín hiệu tạo ra từ bộ tổng hợp tần số đi vào bộ điều chế rồi vào bộ
khuếch đại máy phát rồi đưa ra anten phát qua một bộ công tắc thu phát (công tắc nối
anten với máy thu hay phát vào thời gian hợp lý). Khi xung truyền đi thì đồng hồ Radar
bắt đầu đếm thời gian, xung vô tuyến được truyền đi với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng
được tán xạ từ mục tiêu và quay trở lại radar. Chúng ta có khoảng cách đến mục tiêu [6]
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 4
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
[m]
R = c.τ / 2
Với:
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
(2.1)
R
là khoảng cách từ Radar tới mục tiêu
C
bằng 3.108 [m/s] là vận tốc ánh sáng
τ
là thời gian sóng đi về (một vịng )
Ở máy thu Radar, tín hiệu thu được khuếch đại, kết hợp với tổng hợp tần số, khuếch đại
IF và bộ tổng hợp tần số sẽ cho ở ngõ ra một tín hiệu và tín hiệu này được tách lọc để
xử lý và sau cùng được hiển thị.
2.1.2 Tổng quan về tần số Radar
Sóng vơ tuyến là một bộ phận trong thanh phổ sóng điện từ vì vậy nó có thể
được mơ tả theo thuyết sóng hay thuyết lượng từ. Quan hệ giữa tần số, bước sóng và
vận tốc sóng là
(2.2)
c= fλ
Trong Radar tần số thấp nhất được sử dụng là f = 1MHz. Tần số thấp nhất có thể truyền
đi được xa, tuy nhiên phát sinh 4 vấn đề sau:
• Ở tần số thấp thì kích thước antenna phải lớn, điều này dẫn đến không thực tế
khi xây các cột antenna có độ lợi cao.
• Ở tần số thấp vì tầng điện ly là một vật tán xạ mạnh, và điều này sẽ tạo ra các
tiếng dội không mong muốn, dễ gây nhầm lẫn với các mục tiêu di động. Antenna
có hướng tính cao có thể tránh được điều này nhưng vì lý do kể trên, đó khơng
phải là một giải pháp thực tế.
• Bước sóng dài nghĩa là chỉ một thay đổi nhỏ trong tần số sẽ xảy ra khi tín hiệu
tán xạ từ vật thể di động (hiệu ứng dịch tầng Doppler) mất nhiều thời gian để
phân giải, điều này sẽ dẫn đến Radar có bước sóng dài trở nên vô hiệu trong việc
phát hiện các mục tiêu di động.
• Ở tần số thấp có nhiều vấn đề về “ thủ tục hành chánh” như khó xin phép phát
sóng, khó tìm kênh truyền, mức nhiễu nền thường cao và chỉ sẵn cho các Radar
băng thông hẹp, điều này sẽ dẫn đến giới hạn độ phân giải của hệ thống .
Dù vậy các Radar hoạt động ở tần số thấp, đặc biệt là băng HF (từ 3 MHz đến 30
MHz) nó phù hợp cho các phát hiện những mục tiêu cự ly xa ngang (long rang Over–
the–horizone).
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 5
HV: Nguyễn Thiên Tân
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
Các hệ thống Radar thường sử dụng tần số ở tần số cao; ở đây hầu hết các vấn đề
liên quan và phức tạp cần phải khắc phục, đó là sự hấp thụ của bầu khí quyển và giới
hạn về mặt kĩ thuật. Các Radar làm việc ở tần số rất cao như các hệ thống lazer nó cịn
được gọi là Lidar (light detection and ranging) nó có thể đo khoảng cách một cách
chính xác, thường được dùng để nghiên cứu bầu khí quyển và trong quốc phòng.
2.1.3. Độ lợi antenna
Antenna là một thiết bị bức xạ và thu năng lượng sóng điện từ, có 3 chức năng chính
[2]:
• Tạo chùm tia cơng suất theo hướng định trước để tăng độ nhạy cho Radar theo
hướng đã định.
• Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng.
• Cho phép đo đạc thơng tin về góc để có thể xác định hướng của mục tiêu.
Ta có hai loại Antenna đó là Antenna vơ hướng và antenna có hướng :
Antenna vơ hướng nó bức xạ công suất một cách đồng nhất trong một góc khối
4π
[steradian].
Antenna có hướng nó tập trung cơng suất theo một hướng nhất định vì vậy nó
phụ thuộc vào hệ số hướng tính D (θ , φ ) và độ lợi G (θ , φ ) . D (θ , φ ) mô tả kiểu bức xạ,
G (θ , φ ) cho ta biết sự tổn hao (nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ sidelobe).
G (θ ,φ ) = 4π / θ . φ
(2.3)
θ là độ rộng chùm tia theo hướng góc phương vị
φ là độ rộng chùm tia theo hướng góc ngẫng.
Nếu tính theo góc khối từ biểu thức (2.3) ta có
G (θ , φ ) = 4π / Ω
(2.4)
Với Ω là góc khối của chùm tia.
Độ lợi cực đại của antenna cũng được tính theo kích thước của nó
G = 4π . Ae / λ 2
(2.5)
Với Ae là diện tích hiệu dụng của antenna
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 6
HV: Nguyễn Thiên Tân
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
Ae = ε . A
(2.6)
Với A là diện tích thực của antenna
ε là hệ số hiệu suất của antenna; đối với antenna đĩa parabol ε có giá trị từ 0.4 đến
0.9
Biểu thức (2.5) được suy ra khi ta xem, mặt bức xạ là hình chữ nhật có A= d1.d2
θ ≅ λ / d 2 và φ ≅ λ / d1 [rad]
(2.7)
2.1.4. Phương trình Radar
Khả năng phát hiện sự có mặt của mục tiêu của Radar được mơ tả trong phương
trìng Radar. Giả định ban đầu chúng ta có một máy phát có cơng suất Pt [W]. Nếu công
suất này được bức xạ đẳng hướng bởi antenna, thì mật độ cơng suất ở khoảng cách R
[m] là [2]
Pr = Pt / 4π .R 2
[W.m-2]
(2.8)
Nếu công suất bức xạ có hướng tính thì
Pr = Pt .Gt / 4π .R 2
[ W.m-2]
(2.9)
Khi mục tiêu nhận được một phần công suất tới này và bức xạ trở lại. Chúng ta
gọi số đo của phần công suất mà mục tiêu nhận và phản xạ lại cho Radar là mặt cắt
ngang Radar được viết tắt là RCS (Radar Cross – Section) và được kí hiệu là σ . Vậy
cơng suất bức xạ phản hồi từ mục tiêu là [2]
Pr = Pt .Gt .σ / 4π .R 2
[W]
(2.10)
Vậy mật độ công suất bức xạ phản hồi là :
Prr = Pt .Gt .σ /(4π .R 2 ) 2
[W.m-2]
(2.11)
Công suất phản hồi về được antenna thu lấy, nó được xác định bởi diện tích hiệu
dụng Ae, vậy cho nên cơng suất trung bình nhận được là:
Pr = Pt .Gt .σ . Ae /(4π .R 2 )2
[W]
(2.12)
Từ biểu thức (2.5) với G r = 4π . Ae / λ 2 là độ lợi antenna thu, và nếu kể đến hệ số tổn hao
Ls, vậy chúng ta có
Pr = Pt .Gt .σ .λ 2 .Ls /((4π )3 .R 4 )
[W]
(2.13)
Vậy tỉ số S/N ( Singal – to – Noise Ratio) theo định nghĩa viết tắt là SNR, vậy ta có
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 7
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
SNR = Pr / N = Pt .Gt .Gr .σ .λ 2 .Ls /((4π )3 .R 4 )
(2.14)
Với N là cơng suất nhiễu trung bình. Tỉ số SNR cho ta biết công suất nhận được lớn
hơn hoặc nhỏ hơn cơng suất nhiễu trung bình bao nhiêu lần.
Từ biểu thức 2.13 dùng để tính cơng suất một cách tổng qt, chúng ta khi cần tính một
thơng số nào đó, thí dụ chúng ta cần tìm khoảng cách cực đại từ Radar đến mục tiêu; từ
biểu thức (2.13) chúng ta có :
Rmax = [ Pt .Gt .Gr .σ .λ 2 .Ls /((4π )3 .N .SNR)]1/ 4
(2.15)
2.1.5. Độ chính xác và độ phân giải
Trong thực tế, chúng ta mong muốn làm thế nào để đo khoảng cách Rmax từ
Radar đến mục tiêu một cách nhanh chóng và chính xác.
Độ chính xác khoảng cách chỉ ra sự ảnh hưởng của sai số trong phép đo khoảng
cách tuyệt đối của vật thể. Còn độ phân giải khoảng cách cho chúng ta biết hai mục tiêu
phải cách nhau như thế nào để Radar nhận biết chính xác đó là hai mục tiêu chứ không
phải là một mục tiêu.
Độ phân giải khoảng cách của một hệ thống Radar được xác định như sau.
+ Nếu thời gian trễ giữa các tiếng dội từ hai vật thể lớn hơn chu kỳ xung T thì
hai tiếng dội được coi là riêng biệt.
+ Nếu thời gian trễ giữa các tiếng dội từ hai vật thể nhỏ hơn chu kì xung T thì
các tiếng dội sẽ lẫn vào nhau.
Độ phân giải khoảng cách được tính bằng biểu thức dưới đây.
(2.16)
R = c.T / 2
Hình 2.2: Xác định cự ly tìm kiếm của Radar
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 8
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
(a) Dễ dàng thấy hai mục tiêu vì thời gian trễ giữa tín hiệu phản hồi lớn hơn độ rộng
xung T
(b) Khó xác định khi chúng bị chồng lên nhau
(c) Khi tín hiệu phản hồi có thời gian trễ đúng bằng độ rộng xung T
Hình 2.3. Độ chính xác khoảng cách radar phụ thuộc vào băng thông
Thông thường các hệ thống thu Radar lấy mẫu ngõ ra máy thu mỗi T giây và mỗi
mẫu biểu thị một khoảng cách R được gọi là cửa cự ly (range gate hay range bin). Độ
chính xác của việc đo khoảng cách phụ thuộc vào độ sắc cạnh của dạng xung và vì thế
cần có một hệ số tới hạn (crucial) xác định độ chính xác khoảng cách là băng thông bị
chiếm bởi Radar.
Trong thực tế, dạng xung và băng thơng có mối quan hệ trong các Radar xung
đơn giản. Các xung ngắn chiếm nhiều băng thông của phổ vô tuyến hơn các xung dài.
Với xung có chù kì T chúng ta có
(2.17)
B ∼ 1/ T
Tổng qt, bất kì sự đo đạc nào được thể hiện với độ phân giải cơ bản M sẽ có sai số
hiệu dụng ( RMS error ) δ M là
(2.18)
δ M = M / 2.SNR
Với bước khoảng cách R , thì sai số khoảng cách là
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 9
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
(2.19)
δ R = C / 2 B 2.SNR
2.1.6. Thời gian tích hợp và hiệu ứng doppler
Độ dài của thời gian cần thiết để thực hiện một quan sát với một hệ thống radar
được gọi là thời gian tích hợp (integration time), bởi vì tất cả data trên mục tiêu được
tích hợp hay cộng vào cho đến khi phép đo đủ chính xác .
Có hai phương pháp để đo tốc độ một vật thể bằng radar. Phương pháp đơn giản
nhất là ước lượng sự thay đổi vị trí theo thời gian. Phương pháp chính xác hơn là lợi
dụng hiệu ứng doppler. Hiệu ứng này làm thay đổi tần số tín hiệu radio do sự chuyển
động của mục tiêu. Nếu mục tiêu đứng yên, mỗi tín hiệu radio được phát đi từ Radar sẽ
trở lại cùng pha. Nếu mục tiêu dang tiến về phía Radar, tín hiệu radio phải chuyển động
một khoảng cách ngắn hơn và pha của tiếng dội sẽ thay đổi liên tục theo thời gian. Gọi
Vr là thành phần xuyên tâm của vận tốc mục tiêu về phía Radar, độ dịch tần số doppler
tương ứng là :
(2.20)
f d = 2.Vr / λ
Thực ra (2.20) chỉ là gần đúng, tuy nhiên thực tế có thể chấp nhận được vì Vr <
f được
tính như sau :
(2.21)
t ∼ 1/ f d
Từ đó theo (2.18)
(2.22)
δ f d = 1/ t 2.SNR
Kết hợp với (2.21)
(2.23)
δ Vr = λ / 2.t 2.SNR
2.1.7. Các kĩ thuật Radar phân giải cao
Radar hiện đại đã tiến xa hơn ‘radio detection and ranging’ để hợp nhất sự phân loại
mục tiêu và các giải thuật nhận dạng. Các phương pháp này đòi hỏi sự cải thiện về độ
phân giải để xác nhận các đặc điểm phân biệt trên các mục tiêu. Chúng ta đã thấy rằng
độ phân giải phụ thuộc như thế nào vào các thông số của hệ thống nhưng chúng ta chưa
kể ra sự đóng góp mà có thể thực hiện bằng cách phát triển phần cứng, xử lí tín hiệu và
phần mềm xử lí data.
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 10
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Có nhiều phương pháp để tăng độ phân giải của các hệ thống Radar. Thường thì các
kĩ thuật này được phát triển trong các lĩnh vực nghiên cứu khác và phù hợp cho sự xử
dụng với radar. Một vài trong các điều đạt được đây liên quan tới sự thay đổi phần cứng
hay chiến lược thu nhập data và được đề cập tới đây.
Các hệ thống băng thông rộng ( wideband radar systems)
Độ phân giải cao đôi khi được sử dụng để nhận diện các đặc điểm trên mục tiêu, nếu
một băng thơng dù lớn có thể đạt được. Các kĩ thuật băng rộng gồm có radar khơng
sóng mang (carrier – free radar), điều chế tần số xung đến xung (pulse to pulse
frequency modulation), điều chế nhiễu (noise modulation), chirp băng rộng (wideband
chirp),… Bất lợi chính yếu là băng thông nhiễu được tăng lên thường giới hạn kĩ thuật
này chỉ có ở các ứng dụng khoảng cách ngắn (short range applications).
Sự thám sát đa tầng số (multifrequency illumination)
Ngồi việc có một kênh radar đơn có băng thơng rộng, có thể chọn nhiều kênh băng
thơng hẹp hơn và tương quan các output để tìm vài tính chất không gian của mục tiêu.
Chủ đề này được khảo sát rộng rãi bởi Gjessing (xem “ Target Adaptive Matched
Illumination Radar”–IEE Electromagnetic Waves series 22, Peter Peregrinus, Hitchin,
Herts, 1986) và có thể rất có năng lực khi một thơng tin ưu tiên về hình dạng và mục
tiêu là đã sẵn có, mặc dù nó hơi nhạy đối với góc tới .
Các kĩ thuật đa cực tính hố (Multipolaritization techniques)
Một điều đã được nhận ra là nhiều thông tin trên nhiều loại mục tiêu có thể được cải
thiện nếu các kĩ thuật đa cực tính hố được sử dụng. Đó là bởi vì đặc điểm đa cực tính
của mục tiêu về ngun lý có năm bậc tự do (ba biên độ và hai pha tương đối). Sự đánh
giá các đặc tính cực hóa của các mục tiêu là một lĩnh vực tích cực của sự nghiên cứu, và
các radar sử dụng các đặc điểm cực hóa này là kém phát triển.
Các hệ thống Quadpolarized
Sự sử dụng nhiều tần số và các thông tin cực hố là một đặc tính của thế hệ mới nhất
của các radar nhạy điều khiển không lưu từ xa (airborne remote sensing radar). Những
hệ thống quadpolarized này khả năng nhận ra các cơ chế tán xạ khác nhau đóng góp
vàophần tán xạ ngược lại. Điều này có thể được sử dụng trong nhận dạng và phân loại
mục tiêu . Một số trong các tiên bộ nổi bật nhất trong việc tìm hiểu các tính chất tán xạ
của các mục tiêu mở rộng và trong sự ứng dụng của SAR (Synthetic Aperture Radar) là
gần như xuất phát từ sự tiến bộ này
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 11
HV: Nguyễn Thiên Tân
Tách tâm tán xạ trong hệ thống Radar phân giải cao
GVHD: PGS-TS Lê Tiến Thường
Sự giao thoa (Interferomettry )
Một tiến bộ nửa trong việc sử dụng SAR là trong một mode giao thoa. Trong mode
này, sự lệch pha giữa các ảnh SAR thu nhập từ các quĩ đạo nằm gần nhau trong khơng
gian có thể được sử dụng để xây dựng một bản đồ địa hình của vùng được tạo ảnh.
Dưới đây ta sẽ mô tả một vài trong số phần mềm và các kĩ thuật tốn học mà có thề
được sử dụng để làm tăng độ phân giải radar.
ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar)
ISAR được sử dụng để tăng độ phân giải góc theo cách giống như SAR nhưng với
sự khác biệt là radar vẫn giữ tính ổn định và thuận lợi được nhận từ sự di động mục
tiêu.
o Sự phân tích phổ doppler được cải thiện
Có nhiều bộ ước lượng phổ hiện đại như phương pháp Maximum Likelihood,
phương pháp Entropy cực đại, phương pháp vector đặc tính cực tiểu,… Các phương
pháp này có thể được sử dụng để cải thiện độ phân giải doppler và nhận diện các mục
tiêu bằng cách tìm các đặc điểm như sự quay cách turbine, hay bước bánh răng, sự lan
và sự đi chệch hướng của một máy bay hay tàu thuyền. Các bộ ước lượng phổ được cải
thiện cùng được áp dụng cho các mảng pha (phase array) để cải thiện thông tin góc .
o Phân tích sự biến thiên RCS ( Radar Cross – Section Fluctuation Analysis)
Khi một mục tiêu bao gồm một số hữu hạn các điểm tán xạ đơn lẻ mà mơ tả đặc tính
của nó, mục tiêu này có thể được nhận diện bằng các phân tích thống kê hay phân tích
phổ của sự biến thiên biên độ RCS
o Siêu phân giải ( super – resolution)
Ngay cả khi hình dạng của một mục tiêu nhỏ hơn độ phân giải khoảng cách, vài
thơng tin có thể được phục hồi từ tiếng dội (echo) bằng cách thực hiện một quá trình
phân ly (deconvolution) được gọi là siêu phân giải, sao cho hàm trãi điểm (point spread
function) hay đáp ứng xung của hệ thống là đã được biết. Ít nhất nhất băng thông radar
được tăng một cách nhân tạo bằng cách giới hạn khả năng chọn lựa có thể của hình
dạng mục tiêu.
o Tomography
Cấu trúc của một mục tiêu cho trước sắp xếp thành một hình dạng đặc biệt trong sơ
đồ khơng rõ (ambiguitydiagram) hay là sự kết hợp của cấu trúc mục tiêu với dạng xung
Chương 2: Lý thuyết Radar
Trang 12
HV: Nguyễn Thiên Tân
