Ước lượng và tạo hướng mục tiêu trong kỹ thuật radar

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ HOÀNG SƠN

ƯỚC LƯNG VÀ TẠO HƯỚNG MỤC TIÊU
TRONG KỸ THUẬT RADAR
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử
Mã số ngành : 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2006


Luận văn cao học

-1-

LỜI MỞ ĐẦU
[Ỉ\
Kỹ thuật radar được sử dụng rộng rãi trong quân sự như phát hiện máy bay địch
và hướng dẫn tên lửa hay trong dân sự như dẩn đường máy bay và tàu thủy trong
hàng hải . Do tầm họat động của radar rất xa nên radar họat động với công suất
cao và hệ thống anten rất lớn .
Ngày nay hệ thống radar đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng
ngày như các hệ thống tránh va đập trong xe hơi hay hệ thống kiểm tra tốc độ
xe… Trong các hệ thống radar cũ , để phát hiện được mục tiêu, anten phải xoay
tròn và dùng hệ thống cơ khí để quay. Điều này gặp rất nhiều khó khăn do hệ
thống cơ dễ bị hỏng, hay bị quá tải do gió lớn và cồng kềng, bất lợi.

Để giải quyết vấn đề này, ta có thể cho anten đứng yên nhưng tạo ra các búp
sóng có thể tự dịch chuyển hướng trong không gian để tìm hướng và phát hiện
các mục tiêu.
Trong phạm vi đề tài này chỉ nghiên cứu các hệ thống radar sử dụng mảng anten
tuyến tính và không chuyển động nhưng có thể xác định được mục tiêu bằng
cách tìm các giải thuật ước lượng hướng đến của mục tiêu, sau đó tạo hướng đến
mục tiêu beamforming và xác định khoảng cách mục tiêu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình , người thân và cơ quan đã hổ trợ và tạo
cho tôi những điều kiện thuận lợi nhất để được học hành nghiên cứu. Tôi cũng
xin chân thành cảm ơn Tiến só Phan hồng Phương , người đã hướng dẫn , định
hướng nghiên cứu cho tôi . Cô đã cho tôi những nhận xét , đánh giá cần thiết để
đề tài được hoàn thành trong một chừng mực nhất định .

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

-2-

ABSTRACT
[Ỉ\
Radar technique is used widely in the military such as detecting enemy plane or
guiding the missile . In civil, it is used to survey air plane or ship. Because the
range of its operation is large, radar has to operate with high power and its
antenna is very big in dimension.
Nowadays radar system is used widwspeadly in our lives such as car anticollision system or speed measurement system… In the old radar system, to
detect the target, antenna has to rotate around and use mechanical system to do.
This thing has much trouble because mechanical system is easy to break down,
or to be overloaded and to be worn out when locating near the beach.

To solve this problem, we can make antenna frozen but its beams can move in
the air to detect the target.
In this thesis, we just study the algorithms in finding direction of arrival, the
algorithms in forming antenna beam and locating the target’s position.
I wish to express my sincere gratitude to my family, my relative and my
company who gave me a good condition to study. I am also thankful to Dr. Phan
Hồng Phương who guided me to finish this thesis. She gave me the necessary
comments to carry out this thesis
Thaønh phố Hồ Chí minh ngày 18 tháng 06 năm 2006

Lê Hoàng Sơn

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

-3-

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1.
2.
3.
4.

Mô tả chung về radar
Các đặc trưng cơ bản của mục tiêu radar
Phân loại các đài radar :
Cự ly hoạt động của đài radar

5.
6.

Phương trình cự ly hoạt động của đài radar trong không gian tự do
Sơ đồ khối hệ thống radar:

CHƯƠNG 2: ANTENNA MẢNG TUYẾN TÍNH THÍCH NGHI
1.
2.
3.

Mảng anten tuyến tính
Adaptive Array ( mảng tự thích nghi)
Mô hình toán học của anten mảng thích nghi tuyến tính

CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯNG HƯỚNG ĐẾN CỦA MỤC TIÊU
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Giới thiệu
Giải thuật delay and sum
Giải thuật sai phương cực tiểu (Capon’s Minimum Variance)
Giải thuật dự đoán tuyến tính( Linear Prediction )

Giải thuật phân lớp nhiều tín hiệu music (Multiple Signal
Classification)
Giải thuật music làm phẳng không gian con
Giải thuật Root Music
Giải thuật ước lượng các tham số tín hiệu thông qua kỹ thuật bất biến
xoay Esprit(Estimation Of Signal Parameters Via Rotational
Invariance Techniques)

CHƯƠNG 4 : CÁC GIẢI THUẬT TẠO BEAMFORMING
1.
2.
3.
4.

Giới thiệu
Giải thuật Conventional
Giải thuật tương đồng cực đại tối ưu
Giải thuật bussgang

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

5.
6.
7.

-4-

Giải thuật bình phương trung bình tối thiểu (least mean square)
Giải thuật bình phương tối thiểu đệ quy (recursive least square)
Giải thuật sai số bình phương trung bình cực tiểu Minimum Mean
Square Error Mmse

CHƯƠNG 5 : XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU
1.
2.
3.
4.

Giải thuật T-Conventional
Giải thuật T-Capon
Giải thuật dự đoán tuyến tính
Giải Thuật T-MUSIC .

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

-5-

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1 - MÔ TẢ CHUNG VỀ RADAR :
Radar, viết tắt của RAdio Detection And Ranging, có ý nghóa là sự phát hiện
mục tiêu nhờ sóng điện từ. Radar họat động bằng cách phát xạ vào không gian
năng lượng điện từ trường và thu về tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Những vật cần
phát hiện như : máy bay, tàu biển, tàu ngầm, ô tô … gọi là mục tiêu radar.
Mỗi tín hiệu phản xạ biểu thị một mục tiêu hay vật thể. Từ tín hiệu phản xạ ta

có thể có được thông tin về khoảng cách của mục tiêu, vận tốc và góc lệch của
mục tiêu .
Cự ly hay khoảng cách đến mục tiêu được xác định bằng khoảng thời gian từ khi
bức xạ năng lượng điện từ ra không gian đến khi nhận xung phản xạ từ mục tiêu.
Vị trí góc hay phương vị của mục tiêu được xác định bởi một anten hướng sóng (
có chùm tia hẹp ) để nhận biết góc của tín hiệu dội về so với phương bắc. Nếu
mục tiêu đang di chuyển thì radar có thể biết được quỹ đạo và dự đóan được vị
trí tương lai của mục tiêu.
Phạm vi sử dụng: radar được áp dụng rất rộng rãi trong quân sự cũng như trong
nền kinh tế quốc dân. Có nhiều loại radar khác nhau và làm nhiều nhiệm vụ
khác nhau như cảnh giới, dẫn đường, điều khiển hoả lực, đánh cá, thăm dò
khoáng sản, khí tượng. . . .
Qu¸ trình nhận tin tức radar trong các trờng hợp có thể chia thành các bớc sau:
Phát hiện mục tiêu
Đo toạ độ và các tham số chuyển động.
Phân biệt.
Nhận biết.
Phát hiện là quyết đoán có mục tiêu hay không trong một vùng không gian
với xác suất quyết đoán sai số nào đó cho phép.

Chửụng 1: Toồng quan về hệ thống radar


Luaọn vaờn cao hoùc

-6-

ã Đo lờng là đánh giá toạ độ và các tham số chuyển động của mục tiêu với sai
số cho phép nào đó khi sử dụng hệ thống toạ độ cầu, ngời ta thờng đo cự li
đến mục tiêu, góc phơng vị , góc tà .

Mục tiêu
Hớng phơng bắc




Đài radar

Tọa độ mục tiêu trong hệ toạ độ cầu
ữ Phaõn bieọt : Các tham số chuyển động mục tiêu có thể là đạo hàm các tọa độ
hay các tham số khác của quỹ đạo mục tiêu , khi đến gần mục tiêu này còn có
các mục tiêu khác. Thờng có những phân biệt mục tiêu theo cự ly, tọa độ góc,
theo tốc độ....Khả năng phân biệt theo các toạ độ đợc đặc trng bởi thể tích
phân biệt. Kích thớc phân biệt theo cự ly, trong mặt phẳng phơng vị, mặt
phẳng tà.
Nhận biết và phân biệt đợc mục tiêu loại nào thờng cần nhận biết mục tiêu
của ta hay của địch nhờ máy hỏi đáp.
Các thiết bị radar cần có khả năng chống nhiễu cao đối với nhiễu thiên nhiên và
nhiễu nhân tạo. Nhiễu làm che lấp các tín hiệu có ích hay làm ta lầm tởng là mục
tiêu.
Khả năng chống nhiễu là khả năng của đài radar đảm bảo đợc các chỉ tiêu chất
lợng phát hiện, đo l−êng, hay nhËn biÕt ë mét møc ®é ®· cho khi có nhiễu cũng
nh khả năng sử dụng nguồn nhiễu lµm tin tøc radar.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

-7-

2- CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MỤC TIÊU RADAR
2.1 Mục tiêu radar:
Mơc tiªu radar cã thĨ là: Loại khí động lực (máy bay, tên lửa ..), loại trên mặt đất(xe
tăng...), trên mặt nớc (tàu, thuyền), mục tiªu cã ngn gèc thiªn nhiªn, vËt chn
tù nhiªn....
Để radar hoạt động đảm bảo độ tin cậy, cần xác định chính xác các đặc trưng cơ
bản của mục tiêu radar. Mục tiêu radar gồm có các đặc trưng cơ bản sau :
z Gía trị trung bình bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu.
z Mật độ phân bố xác suất hay mật độ phân bố biên độ tín hiệu phản xa.
z Phổ năng lượng thăng giáng tín hiệu phản xạ.
z Tốc độ chuyển động của mục tiêu Vmt và các thành phần hướng tâm Vr
và tiếp tuyến Vt của nó.
z Kích thước thẳng của mục tiêu.
z Phân bố tiên nghiệm của mục tiêu trong không gian.
Ba đặc trưng đầu tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào phương trình radar sẽ
khảo sát sau. Giá trị trung bình các mục tiêu nằm trực tiếp trong phương trình
radar, còn mật độ phân bố của mục tiêu và phổ năng lượng thăng giáng tín hiệu
phản xạ từ mục tiêu góp phần quyết định giá trị hệ số phân biệt trong phương
trình radar . Trong một mức độ xác định, ba đặc trưng này lại phụ thuộc kích
thước của mục tiêu.
Giá trị tốc độ hướng tâm tham gia vào phương trình xác định cự ly radar, còn
phân bố tiên nghiệm mục tiêu trong không gian sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn
hình dạng và kích thước vùng phát hiện của đài radar.
2.2 Hiện tượng bức xạ thứ cấp:
Bøc x¹ th− cÊp xt hiƯn khi sóng điện từ gặp phải chớng ngại vật (bất ®ång nhÊt)
trªn ®−êng trun lan. BÊt ®ång nhÊt cã thĨ về một tham số có thể nào đó, ví dụ: ®é
dÉn ®iƯn, ®é tõ thÈm, h»ng sè ®iƯn m«i. D−íi tác động của sóng điện từ (sóng tới),
trên bề mặt vật chớng ngại xuất hiện dao động của các điện tích và bức xạ sóng
điện từ ra xung quanh. Phần năng lợng sóng bức xạ thứ cấp của chớng ngại bøc x¹

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luaọn vaờn cao hoùc

-8-

về phía máy thu radar đợc gọi là sóng phản xạ (sóng về). Khi nghiên cứu hiện
tợng bức xạ thứ cấp thờng nghiên cứu hai vấn đề:
X Nghiên cứu các đặc tính bức xạ thứ cấp của các vật bức xạ cụ thể có các kích
thớc tơng đối so với bớc sóng khác nhau, có hình dáng khác nhau và làm
bằng các vật liệu khác nhau với sự phân cực sóng khác nhau.
Y Nghiên cứu các đặc trng thống kê của trờng bức xạ thứ cấp với sự xếp đặt
ngẫu nhiên của một hay một tập hợp các vật bức xạ thứ cấp có tính đến đặc
tính chuyển động của chúng, nghĩa là nghiên cứu theo các mẫu thống kê của
mục tiêu.
Phân bố trờng bức xạ thứ cấp ở vùng xa không phụ thuộc vào công suất bức xạ sơ
cấp và đợc xác định nhờ khái niệm diện tích phản xạ hiệu dụng của vật bức xạ
thứ cấp.
Diện tích phản xạ hiệu dụng ( ) của một vật bức xạ thứ cấp là diện tích của một vật
bức xạ tơng đơng với mục tiêu thực tế đặt vuông góc với hớng truyền sóng, tán
xạ đều tất cả năng lợng sóng tới nó theo mọi hớng và tạo nên mật độ thông lợng
năng lợng trờng có phân cực đà cho giống nh mục tiêu thực tế.
Gọi SM là mật độ thông lợng năng lợng sóng tới mục tiêu M thì công suất tới là Ptới
= SM. Gọi St là mật độ thông lợng năng lợng bức xạ thứ cấp từ mục tiêu tán xạ
tại máy thu và tán xạ đều trên mặt cầu bán kính r thì toàn bộ công suất tán xạ là:
Ptán xạ= 4r2 St = Ptíi = σ SM.

(1.1)

do ®ã σ = 4πr2 St / SM = 4πr2 Et2 / EM2.
TrÞ sè cđa σ phụ thuộc vào hớng của mục tiêu so với hớng của máy phát và máy
thu: = (1, 2)
(1.2)
Khi máy thu và máy phát tại cùng một vị trí: 1= 2 = thì:

= ()

Đồ thị sự phụ thuộc cờng độ sóng phản xạ từ mục tiêu vào góc đợc gọi là giản
đồ bức xạ thứ cấp của mơc tiªu.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

-9-

3- PHÂN LOẠI CÁC ĐÀI RADAR :
Mơc đích của việc phân loại là nhằm chia tập hợp các đài radar thành từng nhóm có
những dấu hiệu chung không phụ thuộc vào tính đa dạng của các giải pháp kỹ thuật
và kết cấu của từng đài riêng lẻ để tiện cho việc phân tích các đặc điểm cấu trúc đài
radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống.
Do vậy thờng phân các đài radar theo hai loại dấu hiệu: Các dấu hiệu chiến thuật và
các dấu hiệu kỹ thuật
Phaõn loại các đài radar:
X Theo dấu hiệu chiến thuật:
z Theo công dụng : cảnh giới , dẩn đường, phát hiện mục tiêu bay thấp .
z Theo số lượng toạ độ đo được: 3 toạ độ, 2 toạ độ, 1 toạ độ

z Theo độ cơ động: cố định , di động , chuyên chở được.
Y Theo dấu hiệu kỹ thuật:
z Giãi sóng: m, dm, cm.
z Phương pháp radar: sơ cấp, thứ cấp
z Phương pháp đo cự ly: xung , liên tục.
zSố kênh radar độc lập: 1 kênh, nhiều kênh.
Khi căn cứ vào đặc điểm sử dụng năng lượng sóng điện từ, ta có thể chia như
sau:
z Radar chủ động.
z Radar chủ động có trả lời.
z Radar nửa chủ động.
z Radar thụ động.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

- 10 -

Tần số họat động của đài Radar:
Băng
Tần
HF
VHF

Phạm vi tần số

Phạm vi tần số cho radar

3M – 30M
30 –300M

UHF

300 – 1G

L
S

1 – 2G
2 –4G

C
X
KU

4 – 8G
8 – 12G
12 – 18G

K
Ka
V
W

18 – 27G
27 – 40G
40 –70G
75 –110G

Mm

110 –300G

138 –144M
216 – 225M
420 –450M
890 – 942M
1215 –1400M
2300 –2500M
2700 –3700M
5250 – 5925M
8500 – 10680M
13,4G –14G
15,7 – 17,7G
24,05 – 24,25G
33,4 –36G
59 – 70G
76 – 81G
92 – 100G
126 – 142G
144 – 149G
231 – 235G
238 – 248G

4 - CỰ LY HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÀI RADAR
4.1 Khái niệm về cự ly hoạt động của ủaứi radar:
Cự ly hoạt động của đài radar là một trong những tham số chiến thuật chủ yếu của
đài radar. Do yêu cầu ciến thuật khác nhau nên cự ly hoạt động của đài radar cũng

khác nhau. Cự ly hoạt động của đài radar quá lớn hoặc quá nhỏ đều không thích
hợp. Cự ly hoạt động của đài radar quá nhỏ thì không đáp ứng đợc yêu cầu chiên
thuật, quá lớn thì đài sẽ phức tạp nặng nề.
Cự ly hoạt ®éng cđa ®µi radar lµ cù ly lín nhÊt mµ ở đó đài có thể phát hiện đợc
mục tiêu với xác suất phát hiện đúng và xác suất báo động lầm không kém hơn giá
trị cho trớc.

Chửụng 1: Toồng quan về hệ thống radar


Luaọn vaờn cao hoùc

- 11 -

Cự ly hoạt động của đài radar không những chỉ phụ thuộc vào các tham số của bản
thân đài radar mà còn phụ thuộc vào điều kiện lan truyên sóng và tính chất của mục
tiêu.Trong qua trình lan truyền sóng, sự phản xạ của mặt đất, sự hấp thụ năng lợng
của khí quyển, mặt đất... đều ảnh hởng đến cự ly hoạt động của đài radar.
4.2 Cự ly nhìn thẳng cực đại(tầm nhìn thẳng)[4]:
Gi¶ sư không tính đến hiện tợng khúc xạ thì sóng điện từ truyền lan theo đờng
thẳng, khi đó tầm nhìn thẳng đợc tính theo công thức
Rnt
HA

R

Hmt

R NT = ( R + H A ) 2 − R 2 + ( R + H mt ) 2 − R 2

(1.3)

Víi HA,H, Hmt << R= 6368 Km
⇒ Rnt ≈ 2 RH A ÷ 2 RH mt

=

2R

[

H A( m ) + H mt

[

(m)

],

R NT ( Km ) = 3,57 H A( m ) + H mt

(m)

]

(1.4)

Khi tính đến ảnh hởng khúc xạ của khí quyển, đờng truyền sóng bị bẻ cong nên
công thức trên đợc tính theo công thức sau:

[

R NT ( Km ) = 4,12 H A( m ) + H mt

(m)

]

(1.5)
Tầm nhìn thẳng của radar ở mặt đất đối với các máy bay bay ở độ cao cực đại Hmax
40 ữ 60 Km là RNT 600 ữ 800 Km. Vì vậy cự ly liên lạc cực đại của vùng phát
hiện cũng chỉ nên chọn trong phạm vi tầm nhìn thẳng cđa radar.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

- 12 -

5- PHƯƠNG TRÌNH CỰ LY HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÀI RADAR TRONG
KHÔNG GIAN TỰ DO [4]

Kh«ng gian tự do là không gian đơn giản nhất và là một không gian lý tởng. Trong
không gian này:
z Chỉ có đài radar và mục tiêu. Không có bất kỳ vật thể nào ảnh hởng đến sự
lan truyền sóng.
z Chất điện môi đồng nhất. Sóng truyền theo đờng thẳng. Không có tiêu hao
năng lợng trong quá trình truyền sóng.
Những giải thuyết trên có thể chấp nhận đợc với những radar có cánh sóng hẹp

hoạt động ở góc tà cao (không bị ảnh hởng của mặt đất), cự ly hoạt động nhỏ trong
điều kiện khí tợng tốt(tiêu hao ít).Trong môi trờng nh vậy cự ly hoạt động của
đài radar liên hệ với các yếu tố sau:
-

-

Với cùng một mục tiêu, nếu năng lợng hoặc công suất phát xạ P0 lớn, năng
lợng tín hiệu phản xạ lớn, cự ly phát tiêu hao tăng hơn.
Với đài có công suất tạp của đầu ra máy thu Ptạp nhỏ tức hệ số tạp âm nhỏ,
mục tiêu ở xa tín hiệu nhỏ vẫn có thể phát hiện đợc.
Nếu anten của đài có hệ số khuyếch đại G lớn, khi cách sóng nhằm đúng
hớng mục tiêu mật độ năng lợng sé tăng. Do đó sử dụng Anten có G lớn sẽ
tăng cự ly hoạt động của đài radar.
Nếu mục tiêu lớn là diện tích phản xạ hiệu dụng tăng, năng lợng phản xạ
tăng dẫn đến cự ly hoạt động của đài radar.

Các tham số của đài, điều kiện lan truyên sóng và diện tích phản xạ hiệu hụng liên
quan tới bớc sóng, nêu cự ly hoạt động của đài phụ thuộc vào bớc sóng .
Vì vậy cự ly hoạt động của đài radar là một hàm nhiÒu biÕn:

R = F ( PPhat , PTap , δ , G , λ ...)

Chương 1: Tổng quan về hệ thoáng radar

(1.6)


Luaọn vaờn cao hoùc

- 13 -

Nếu An ten phát không định hớng, mật độ công suất ở cự ly R có thể tính theo
công thức:
Pph á t
( Watts / m 2 )
S1 =
2
4 R
(1.7)
Trong thực tế anten phát có định hớng với hệ số khuyếch đại G , khi đó ở cụ ly R
thuộc búp sóng chính mật độ công suất tăng G lần:
P ph á t G

S1 =

4 R

(Watts / m 2 )

2

(1.8)

Diện tích pản xạ hiệu dụng của mục tiêu là do đó công suất phát xạ thø cÊp
P1 ' = S 1 . G ë vÞ trí anten đài radar mật độ công suất sóng phản xạ là:
P G
P1
= ph á t 2 (Watts / m 2 )
2

4 πR
4 πR

S2 =

(1.9)

NÕu diƯn tÝch hiƯu dơng cđa Anten thu là A, công suất đài thu đợc là:
P

=

a

S

2

(1.10)

.A

Mặt khác quan hệ giữa hệ số khuyếch đại anten và diện tích phản xạ hiệu dụng theo
công thức:
G

=

4 A
2

(1.11)

Thay thế S2 và A vào công thức PA ta có:

P

A

= S

2

A =

P

ph á t

G

p

( 4 )

G
3

T

R



2

4

(1.12)
Thông thờng Anten thu và phát trên cùng một Anten nên GP = GT trong thực tế tín
hiệu phát và thu đều phải qua hệ thống fider nên công suất bị tổn hao do đố công
suất tại đầu vào của máy thu sẽ là:
P mt =

P ph ¸ t G p G T δλ 2ηη '
( 4 )

3

R

4

(1.13)

trong đó:
- Hiệu suất truyền năng lợng từ máy phát đến Anten (thông thờng lấy
bằng 0,7 - 0,8)
' - Hiệu suất truyền năng lợng từ Anten đến máy thu (thông thờng lấy
bằng 0,8 - 0,9)

Nếu mục tiêu ở càng xa, tín hiệu phản xạ về càng yếu. ®Õn khi r = Rmax th×
PThu = PThu min .

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

- 14 -

6- SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG RADAR:

Chuyển mạch
Cao tần

Máy phát hỏi
Máy thu

Chuyển mạch

Máy phát hỏi
Máy thu

Khối tách tín hiệu
Trả lời

Khối tách tín hiệu
Trả lời

Khối xử lý

Khối xử lý

Quỹ đạo

Quỹ đạo

† Máy phát hỏi và thu:
Hệ thống phát hỏi tạo ra các xung cao tần có tần số mang, công suất,
độ rộng và giãn cách giữa các xung thỏa mãn các mode hỏi và cự ly
nhận biết cần thiết của đài radar thứ cấp.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

- 15 -

Hệ thống thu: hệ thống bao gồm tất cả các mạch điện máy thu dùng
cho 3 kênh có nhiệm vụ thu, khuếch đại biến đổi các tín hiệu cao tần
thành tín hiệu video dạng analog hoặc digital.
† Khối tách tín hiệu trả lời: Khối này dùng để tách các tín hiệu trả lời và biến
đổi các mã trả lời thành dạng dữ liệu thông báo( messages ) gửi tới bộ xử lý để
tổ hợp các thông báo này thành dạng dữ liệu điểm dấu mục tiêu đưa sang khối
xử lý quỹ đạo.
† Khối xử lý quỹ đạo: Khối này là một máy tính dùng để hình thành các đường
bay của máy bay dựa vào việc xử lý các dữ liệu trả lời lấy từ khối tách tín hiệu
trả lời.
† Tín hiệu phát hỏi và trả lời trong radar thứ cấp đơn xung:

Tín hiệu phát hỏi: Tần số sóng mang :1030MHz. Trong mỗi chu kỳ phát
xạ, tín hiệu hỏi gồm một cặp xung khung ký hiệu là các xung P1 và P3.
Khoảng cách giữa hai xung xác định mode hỏi.

Tín hiệu trả lời thu về từ máy bay: Tần số sóng mang 1090MHz. Mỗi tổ
hợp mã trả lời bao gồm hai xung khung F1, F2 và các xung mang thông tin
nằm giữa chúng.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống radar


Luận văn cao học

16

CHƯƠNG 2: ANTENNA MẢNG TUYẾN TÍNH THÍCH NGHI

Hình 2.1 : anten mảng tuyến tính
1- MẢNG ANTEN TUYẾN TÍNH
1.1 Giới thiệu:
Trong thực tế, ta cần độ định hướng cao để thực hiện liên lạc ở khoảng cách lớn.
Ta chỉ có thể đạt được điều đó bằng cách tăng kích thước trường điện của anten.
Tăng kích thước của từng phần tử riêng lẻ thì thường tạo nên những đặc tuyến
định hướng mới do đó không thuận tiện. Vì vậy, trong thực tế người ta thường
tăng điện trường của anten bằng cách phối hợp nhiều anten với nhau gọi là
mảng anten (antennas array).
Một mảng gồm có các đặc điểm sau:
z Cấu trúc hình học của mảng (tuyến tính, mặt phẳng, vòng… )
z Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng.
z Biên độ kích thích ban đầu của các phần tử.

z Pha ban đầu của những phần tử
z Mô hình quan hệ giữa các phần tử.
Trong chương này ta chỉ khảo sát mảng anten tuyến tính vì nó sử dụng rộng rãi
và nhất là trong radar.

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi


Luận văn cao học

17

1.2 Mảûng anten tuyến tính N phần tử [2]:
Xét mảng anten tuyến tính gồm N phần tử đặt dọc theo trục z. Mỗi phần tử là 1
nguồn đẳng hướng có biên độ đồng nhất và độ lệch pha lũy tiến β (tức là phần tử
thứ i lệch pha so với (i+1) 1 góc β).

Một mảng anten gồm những phần tử đồng nhất, có biên độ đồng nhất và độ lệch
pha lũy tiến thì được xem là mảng anten đều.
Hệ số mảng AF :Mỗi mảng có hệ số mảng anten riêng của nó. Hệ số mảng
anten là một hàm có biến là số phần tử anten, sự sắp xếp về mặt hình học giữa
các phần tử, biên độ và pha ban đầu của các phần tử.
Khi sử dụng nguồn điểm đẳng hướng ta có:
E = 1 x (AF) n = ( AF ) n

(2.1)

Trong ứng dụng thực tế, muốn tính trường của mảng anten nào thì ta lấy hệ số
mảng AF của nó nhân với trường của phần tử anten mà ta đang cần khảo sát.
Hệ số mảng anten có thể tính được bằng cách xem mỗi phần tử là nguồn điểm.

Trong thực tế nếu phần tử không phải là nguồn điểm đẳng hướng thì trường tổng
được tính bằng cách nhân AF của nguồn đẳng hướng với trường của 1 phần tử
riêng lẻ. Đây là mô hình nhân và nó chỉ áp dụng cho mảng anten gồm những
phần tử đồng nhất.
Hệ số mảng anten được tính như sau:
+ j ( kd cosθ +β )
+ j 2( kd cosθ +β )
AF = 1 + e

+e

+ ... + e

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi

+ j ( N −1)( kd cosθ +β )


Luận văn cao học

18

AF =

N
+ j ⎛⎜⎝ N − 1 ⎞⎟⎠ ( kd cos θ + β )
∑ e
n = 1

AF

=

N + j ⎛⎜ N − 1 ⎞⎟ψ
⎠
⎝
∑ e
n = 1

(2.2)

với ψ = kd cos θ + β

(2.3)

Theo giản đồ pha minh họa ở hình trên ta thấy bằng cách thay đổi ψ ta có thể
điều khiển được hệ số mảng(AF). Đối với mảng anten không đều, biên độ cũng
như pha đều có thể thay đổi để điều khiển sự hình thành AF.
Hệ số mảng anten có thể được biểu diễn theo cách khác chặt chẽ và dễ hiểu
hơn. Nhân 2 vế (2.3) với ejψ :
( AF ) e j ψ = e j ψ + e j 2 ψ + e j 3 ψ + ... + e jN ψ
(2.4)
jψ
jN ψ
( AF )( e − 1) = ( − 1 + e
)
(2.5)
⇒ ( AF ) =

( e jN ψ − 1 )

= e
( e jψ − 1 )

=e

j [( n −1) / 2 ]ψ

j [( n − 1 ) / 2 ]ψ

⎡ e j [ N / 2 ]ψ − e −
⎢
j [1 / 2 ]ψ
− e−
⎣ e

j [ N / 2 ]ψ
j [1 / 2 ]ψ

⎤
⎥
⎦

N ⎤
⎡
⎢ sin( 2 ψ ) ⎥
⎥
⎢
1
⎢ sin( ψ ) ⎥
2

⎦
⎣

Nếu điểm tham chiếu là điểm đối xứng về mặt vật lý của mảng thì biểu thức
(2.5) trên giản lược còn:
N
⎡
⎤
⎢ sin( 2 ψ ) ⎥
=⎢
⎥
⎢ sin( 1 ψ ) ⎥
2
⎣⎢
⎦⎥

( 2.6)

Với giá trị ψ nhỏ ta có:
AF

N
⎡
⎤
⎢ sin( 2 ψ ) ⎥
= ⎢
⎥
ψ
⎢
⎥

⎢⎣
⎥⎦
2

.

(2.7)

Giá trị cực đại của (AF) theo(2.6) và (2.7) là N. Để chuẩn hóa hệ số mảng anten
nhằm dễ dàng so sánh chất lượng của các dàn anten khác nhau, ta có công thức
chuẩn hóa:
N ⎤ ⎡
N ⎤
⎡
sin( ψ ) ⎥ ⎢ sin( ψ ) ⎥
1 ⎢
2
2
( AF ) n = ⎢
⎥
⎥ ≈⎢
1
ψ
N⎢
⎥
sin( ψ ) ⎥ ⎢
2
⎣⎢
⎦⎥ ⎣⎢
2

⎦⎥

Để tìm những điểm không của array, (AF)n được đặt bằng 0.

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi

(2.8)


Luận văn cao học

19

2n ⎤
⎡ λ
π )⎥
⇒ θ n = arccos ⎢
(− β ±
N
⎦
⎣ 2π d

n=1,2,3…

(2.9)

Với n=N, 2N, 3N … (AF)n ở biểu thức (2.8)đạt cực đại vì ở dạng sin(0)/0. Giá trị
cực đại của (AF)n đạt được khi:
ψ

1
(kd cos θ + β ) θ =θ m = ± mπ
2 2
⎡ λ
⎤
θ m = arccos ⎢
(− β ± 2mπ ) ⎥, m = 0,1,2...
⎣ 2πd
⎦
=

Theo (2.10) thì giá trị cực đại chỉ đạt được ở m=0, khi đó:
λβ
θ m = arccos(
)
2πd
Điểm 3dB của hệ số dàn anten của (AF)n đạt được khi:
Nψ
N
=
( kd cos θ + β ) θ =θ h = ± 1,391
2
2
2.782 ⎤
⎡ λ
(− β ±
θ h = arccos ⎢
N ⎥⎦
⎣ 2πd
2.782 ⎤

π
⎡ λ
⇔ θ h = − arcsin ⎢
(− β ±
N ⎥⎦
2
⎣ 2πd
Khi d>> λ

2.782 ⎤
λ
⎡π
(− β ±
⇔θh ≈ ⎢ −
N ⎥⎦
⎣ 2 2πd

Độ rộng nửa công suất (HPBW) θh có thể tìm được theo công thức :
θ h = 2θ m −θ h

1.3 Mảng anten tuyến tính có pha thay đổi (Phased Array)[2]

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi

(2.10)

(2.11)

(2.12)
(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)


Luận văn cao học

20

Anten mảng có pha được điều khiển là anten được cấu hình bởi nhiều phần tử
anten vô hướng . nếu các phần tử anten được kích thích thích hợp (dịch pha hay
thiết bị trì hoãn thời gian ), năng lượng phát xạ của anten có thể được tập trung
và chuyển hướng chỉ trong vòng vài micro giây .
Bằng cách số hoá từng phần tử anten, lấy mẫu tín hiệu theo không gian và thời
gian có thể được đo và xử lý.
Anten mảng với việc xử lý không gian –thời gian sẽ cải thiện hoạt động đáng kể
so với anten theo tiêu chuẩn qui ước.
Trong phần này chúng ta khảo sát cách điều khiển bức xạ chính hướng theo 1
hướng tùy ý gọi là anten quét hướng (scanning array).
Gọi θ0 là hướng bức xạ cực đại mà ta mong muốn đạt được () 0 ≤ θ 0 ≤ 180 0 ) và β
là góc lệch pha giữa các phần tử, ta có:
ψ = kd cos θ + β θ =θ = kd cos θ 0 + β = 0
0

β = −kd cos θ 0

(2.17)

Như vậy, bằng cách thay đổi β ta có thể điều khiển θ0 tức là điều khiển hướng
bức xạ cực đại, đây cũng chính là nguyên lý hoạt động của mảng anten tuyến
tính quét hướng. Trong thực tế, để điều khiển pha ta có nhiều cách khác nhau,
trong đó thông dụng nhất là dùng điôt dịch pha.
Độ rộng nữa công suất (HPBW) của mảng anten quét được suy ra từ biểu thức
(2.16) với β = −kd cos θ 0
Ta được:

2,782 ⎤
2,782 ⎤
⎡ λ
⎡ λ
( kd cos θ 0 −
) ⎥ − arccos ⎢
( kd cos θ 0 +
)
N ⎦
N ⎥⎦
⎣ 2πd
⎣ 2πd
2,782
2,782
(2.18)
) − arccos(cos θ 0 +
)
= arccos(cos θ 0 −
Nkd
Nkd
L+d
Với N = (

) . (L: chiều dài mảng), (2.17) trở thành:
d
⎡
⎤
⎡
⎤
λ
λ
)⎥ − arccos⎢cos θ 0 + 0,443
)⎥ (2.19)
θ h = arccos 0⎢cos θ 0 − 0,443
(L + d ) ⎦
(L + d ) ⎦
⎣
⎣

θ h = arccos ⎢

2- ADAPTIVE ARRAY( MẢNG ANTEN TỰ THÍCH NGHI)

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi


Luận văn cao học

21

2.1 Giới thiệu:
Anten mảng tự thích nghi được định nghóa là một nhóm các anten thành phần
được phân bố theo không gian tại những điểm cố định biết trước. Ngõ ra của

anten mảng là sự kết hợp chính xác ngõ ra của từng anten thành phần này.
Anten mảng này có khả năng rút ra được tín hiệu cần thiết từ tất cả những tín
hiệu nhận được, cho dù các tín hiệu này cùng chiếm một băng tần. Bằng cách
thay đổi pha và biên độ của búp chính hoặc dòng kích thích trong mỗi nguyên tố
anten, anten dãy có thể quét một cách nhanh chóng búp chính hoặc bố trí búp
trống-null ở bất cứ hướng nào.
Các nguyên tố anten có các khẩu độ trong không gian, qua đó chúng theo dõi
các tín hiệu không gian-thời gian. Hệ thống anten mảng có khả năng thích ứng
một cách tích cực dựa trên sự kết hợp các tín hiệu có tại anten để cải thiện chất
lượng hệ thống.
Bất cứ sự kết hợp nào của các nguyên tố cũng có thể hình thành một mảng
anten. Tuy nhiên ta thường sử dụng những phần tử anten giống nhau để dễ tính
toán và cách đều nhau. Các mảng có thể là một, hai hay ba hướng tùy thuộc vào
chiều của không gian muốn đạt tới.
Kiểu nguyên tố, vị trí của chúng và dòng kích thích tạo ra đồ thị bức xạ tổng.
Các nguyên tố anten có thể sắp xếp theo các dạng hình học khác nhau, như
tuyến tính, vòng hoặc phẳng. Trong trường hợp mảng tuyến tính, các phần tử
của mảng được xếp thẳng hàng theo một đường thẳng. Nếu khoảng không gian
giữa các nguyên tố bằng nhau, người ta gọi là mảng tuyến tính đồng nhất không
gian (uniformly spaced linear array). Một mảng vòng có tâm của các nguyên tố
nằm trên vòng tròn. Trong trường hợp mảng phẳng, tâm của các nguyên tố nằm
trên một mặt phẳng đơn. Cả mảng tuyến tính và mảng vòng đều là trường hợp
đặt biệt của mảng phẳng.
Đồ thị bức xạ của từng nguyên tố, hướng của chúng và vị trí tương đối trong
không gian, biên độ và pha của dòng nuôi sẽ xác định đồ thị bức xạ của mảng.
Nếu mỗi nguyên tố của mảng là một nguồn điểm đẳng hướng, khi đó đồ thị bức
xạ của mảng chỉ phụ thuộc vào dạng hình học và dòng nuôi của mảng. Đồ thị
bức xạ đạt được như vậy gọi là hệ số mảng. Nếu mỗi nguyên tố của mảng tương
tự nhau nhưng không đẳng hướng, theo nguyên lí nhân đồ thị (pattern

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi


Luận văn cao học

22

multiplication), đồ thị bức xạ tổng có thể xem là tích của hệ số mảng và đồ thị
bức xạ của từng nguyên tố.
Số lượng đồ thị bức xạ không xác định, dạng đồ thị bức xạ cũng tùy thuộc vào
trạng thái môi trường truyền sóng.
Do sự di chuyển của mục tiêu radar thay đổi theo thời gian so với trạm radar, các
thông số của tín hiệu cũng thay đổi theo thời gian. Với một beamformer trọng số
hằng, búp sóng sẽ không bắt kịp những thay đổi này. Một mảng tuyến tính thích
nghi có thể thay đổi các búp sóng một cách tự động để đáp ứng với môi trường.
Đây là hệ thống anten có thể thay đổi búp sóng hoặc các thông số khác bằng
cách điều khiển hồi tiếp trong khi hệ thống anten đang hoạt động.
Các mảng tuyến tính thích nghi còn gọi là các beamformer thích nghi hoặc anten
thích nghi. Trong một mảng anten tuyến tính thích nghi, các vector trọng số wk,i
được điều chỉnh để làm cực đại chất lượng của tín hiệu. di biễu diễn một ước
đoán của tín hiệu mong muốn của người dùng thứ i tại ngõ ra của mảng.
Phương pháp mà bộ xử lí dùng để thay đổi các trọng số gọi là thuật toán thích
nghi. Hầu hết các thuật toán thích nghi được tìm bằng cách :
Đưa ra một số tiêu chuẩn chất lượng.
Tạo ra một tập các phương trình đệ quy để thích nghi các trọng số để đạt
được các tiêu chuẩn đã đề ra.
Một số tiêu chuẩn thường dùng là MMSE (Minimum Mean Square
Error),MSINR (Maximum Signal-to-Interference-and-Noise Ratio), ML
(MaximumLikelihood), Minimum Noise Variance, Minimum Output Power,
Maximum Gain.

Việc lựa chọn các tiêu chuẩn chất lượng và thuật toán tùy thuộc vào các yếu tố
khác nhau như tốc độ hội tụ, bám theo, độ mạnh (robustness) và các yêu cầu tính
toán.

2.2 Mô tả tín hiệu ngõ vào mảng tuyến tính

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi


Luận văn cao học

23

Hình trên đây trình bày mảng tuyến tính M phần tử . K tín hiệu ngẩu nhiên đến
mảng với góc tới qk .
Tín hiệu ngẫu nhiên giả sử là sóng thẳng . Mỗi phần tử anten của mảng sẽ nhận
từng tín hiệu sk nhưng tín hiệu này sẽ trễ pha lẩn nhau . Giả sử chọn phần tử số 1
của mảng anten làm chuẩn . Khoảng cách từ phần tử m1 đến phần tử mi là di .
Khoảng cách tín hiệu truyền từ mỗi nguồn sk đến mỗi phần tử mi sẽ nhiều hơn
phần tử m1 là di cosθ k . Thời gian truyền đến các phần tử mi sẽ bị trể đi
d i cos θ k
τi =
(2.20)
v
trong đó v là vận tốc ánh sáng . Ngõ vào xi tại mỗi phần tử anten sẽ là
x i (t ) = s k (t − τ i )
(2.21)
Tín hiệu này có thể được mô tả như là dịch pha của tín hiệu đến:

xi (t ) = s

k

(t )e

− jω

0

τ

i

hay

x i (t ) = s k (t )e −
với λ=v/f0

xi (t ) = s k (t )e −

j 2 π f 0 d i cos θ

j 2 π d i cos θ

k

k

/v

/λ

(2.22)
(2.23)

Lý do mô tả tín hiệu như trên là để dễ tính toán hơn .
Giả sử có K nguồn và nhiễu đến mỗi phần tử anten . Tổng tín hiệu thu được tại
mỗi phần tử sẽ là sự kết hợp của nhiễu và K tín hiệu đến :
xi (t ) =

K

∑s
k =1

k

( t ) e − j 2 π d i cos θ k / λ + n i ( t )

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi

(2.24)


Luận văn cao học

24

2.3 Mô tả tín hiệu ngõ ra mảng
Ngõ ra của mạng được viết như sau :

y (t ) =

M

∑

w

i = 1

i

x

i

(t − τ

i

(2.25)

)

Trọng số wi và thời gian trì hoãn τ i được chọn để cải thiện dạng búp sóng và
giảm các cánh sóng phụ . Ta dùng giá trị trọng số trung bình để ngõ ra gần với
giá trị ngõ vào . Ngõ ra sẽ có daïng :

1
y (t ) =

M

M

∑e

j 2 π d i cos θ / λ

i =1

(2.26)

xi (t )

2.4 Ma trận phương sai ngõ ra:
Tất cả kỹ thuật beamforming cổ điển dùng ma trận phương sai ngõ ra để ước
lượng hướng đến của mục tiêu . Một thuộc tính hữu ích khác của ma trận phương
sai là ta có thể biết được công suất ngõ ra tại mỗi phần tử anten và ma trận
phương sai có thể được thay đổi để tạo ra các độ lợi khác nhau tại các phần tử
anten .
Giả sử có 4 phần tử anten ta có ma trận phương sai như sau :
R = E

[x ( t ) x

H

trong đó rij được tính như sau :

[

r ij = E x i , n x

*
j ,n

(t )

]

]

1
=
N

⎡
⎢
= ⎢
⎢
⎢
⎣

r 11
r 21
r 31

r 12
r 22
r 32

r 13
r 23
r 33

r 14
r 24
r 34

r 41

r 42

r 43

r 44

⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦

N

∑

n =1

x i , n x *j , n

1200

Chương 2: Anten Mảng Tuyến Tính Thích Nghi

(2.27)