Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến

Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến, góp phần cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong lĩnh vực viễn thông.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Minh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Hải
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Nâng Cao Chất Lượng Định Hướng Nguồn Bức Xạ Vô Tuyến
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết
• 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PM CẢI TIẾN
• 2.1. Giới thiệu chương
• 2.2. Thuật toán PM cải tiến
• 2.2.1. Đề xuất giải pháp sử dụng thuật toán PM cải tiến trong định hướng 2D các nguồn bức xạ không tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA
• 2.2.2. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp
• 2.2.3. Mô phỏng đánh giá kết quả
• 2.2.4. Đề xuất giải pháp sử dụng thuật toán PM cải tiến trong định hướng nhanh 1D các nguồn bức xạ tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA
• 2.2.5. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp
• 2.2.6. Mô phỏng đánh giá kết quả
• 2.3. Kết luận chương
• 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG 2D TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄU MÀU, BẤT ĐỊNH THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM SỐ LƢỢNG NGUỒN BỨC XẠ VÀ GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN KẾT QUẢ ĐỊNH HƢỚNG
• 3.1. Giới thiệu chương
• 3.2. Đề xuất giải pháp định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu Toeplitz đối xứng
• 3.3. Nhiễu màu Toeplitz đối xứng
• 3.4. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp
• 3.5. Mô phỏng đánh giá kết quả
• 3.6. Đề xuất giải pháp định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong điều kiện bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ
• 3.7. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp
• 3.8. Mô phỏng đánh giá kết quả
• 3.9. Đề xuất mô hình định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình
• 3.10. Mô phỏng đánh giá kết quả
• 3.11. Đề xuất giải pháp định vị sử dụng mô hình địa hình 3D
• 3.12. Đánh giá sự ảnh hưởng của các sai số đến kết quả định vị
• 3.13. Kết luận chương
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về định hướng nguồn bức xạ vô tuyến

Định hướng nguồn bức xạ vô tuyến là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu khoa học và công nghệ, đặc biệt trong các ứng dụng liên quan đến an ninh quốc phòng và thông tin liên lạc. Chất lượng bức xạ vô tuyến không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của các hệ thống mà còn quyết định đến khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu. Việc nâng cao chất lượng bức xạ là một thách thức lớn, đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu hiện đại và công nghệ tiên tiến. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các thuật toán như MUSIC, ESPRIT và PM có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc định hướng nguồn bức xạ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt là trong điều kiện nhiễu và bất định thông tin. Những thách thức này mở ra cơ hội cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm phát triển các giải pháp hiệu quả hơn.

II. Tổng quan tình hình nghiên cứu

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện chất lượng bức xạ vô tuyến. Các phương pháp như cải thiện bức xạ và kỹ thuật vô tuyến đã được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn gặp phải một số hạn chế, như độ chính xác chưa cao trong điều kiện thực tế. Các yếu tố như tín hiệu vô tuyến, nhiễu tạp và tương quan tín hiệu đều ảnh hưởng đến kết quả định hướng. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các thuật toán mới, nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý tín hiệu và nâng cao độ chính xác của các hệ thống định hướng. Việc áp dụng các mô hình dàn ăng ten hiện đại cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất bức xạ.

III. Đề xuất giải pháp định hướng sử dụng thuật toán PM cải tiến

Thuật toán PM cải tiến được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng bức xạ trong định hướng nguồn bức xạ vô tuyến. Giải pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu độ phức tạp tính toán. Việc áp dụng thuật toán này trong các dàn ăng ten như ULA và UCA đã cho thấy kết quả khả quan. Các mô phỏng cho thấy rằng, với tín hiệu vô tuyến có SNR thấp, thuật toán PM cải tiến vẫn duy trì được hiệu suất cao. Điều này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo, nhằm phát triển các giải pháp định hướng hiệu quả hơn trong môi trường thực tế. Các kết quả thu được từ mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc định hướng các nguồn bức xạ không tương quan.

IV. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiễu màu

Nhiễu màu là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bức xạ vô tuyến. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự ảnh hưởng của nhiễu màu đến quá trình định hướng. Các mô hình tín hiệu được xây dựng để đánh giá tác động của nhiễu màu đến độ chính xác của các thuật toán định hướng. Kết quả cho thấy rằng, việc áp dụng các phương pháp lọc và xử lý tín hiệu có thể giảm thiểu tác động của nhiễu màu, từ đó nâng cao hiệu suất bức xạ. Điều này chứng tỏ rằng, việc cải thiện chất lượng bức xạ không chỉ phụ thuộc vào thuật toán mà còn cần sự kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu hiện đại.

V. Đề xuất mô hình định vị dựa trên kết quả định hướng

Mô hình định vị dựa trên kết quả định hướng là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Việc kết hợp giữa định hướng và định vị giúp tối ưu hóa quá trình thu nhận tín hiệu và nâng cao chất lượng bức xạ. Các mô hình địa hình 3D được xây dựng để đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến kết quả định vị. Kết quả cho thấy rằng, việc áp dụng các mô hình này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định vị trí nguồn bức xạ. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống giám sát và an ninh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 trính bày các vấn đề nghiên cứu và phương pháp đánh giá kết quả cho các chương tiếp theo. luan an 5 Chương 2: Đề xuất giải pháp định hướng sử dụng thuật toán PM cải tiến Chương 2 đề xuất sử dụng thuật toán PM cải tiến áp dụng với hai kiểu dàn ăng ten nhằm giải bài toán định hướng nhanh: - Đề xuất giải pháp định hướng 2D các nguồn bức xạ vô tuyến không tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA. - Đề xuất giải pháp định hướng 1D các nguồn bức xạ vô tuyến tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA. Các giải pháp đề xuất được so sánh, đánh giá với một số thuật toán khác thông qua mô phỏng.

Kết quả đạt được cho thấy giải pháp đề xuất đã giảm đáng kể độ phức tạp tính toán, có khả năng định hướng với độ chính xác cao trong điều kiện SNR nhỏ. Đề xuất này có thể triển khai trong các hệ thống định hướng hiện đại thời gian thực và có kìch thước nhỏ gọn. Chương 3: Đề xuất giải pháp định hướng 2D trong điều kiện nhiễu màu, bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ và giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng Chương 3 đề xuất hai giải pháp định hướng 2D các nguồn bức xạ vô tuyến tương quan trong điều kiện bị ảnh hưởng bởi nhiễu màu: - Đề xuất giải pháp định hướng sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu Toepltitz đối xứng. - Đề xuất giải pháp định hướng sử dụng dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong điều kiện nhiễu màu và bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ vô tuyến.

Các kết quả mô phỏng đã chứng minh các giải pháp đề xuất có độ chính xác và độ phân giải khá cao. Phần cuối của chương 3, luận án đề xuất giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình. Phần kết luận Kết luận của luận án trình bày các kết quả nghiên cứu đã đạt được, những đóng góp mới và đề xuất một số hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo. luan an 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH HƢỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN 1.

Giới thiệu về định hƣớng nguồn bức xạ vô tuyến Bài toán định hướng nguồn bức xạ vô tuyến (gọi tắt là nguồn bức xạ) đã được các nhà khoa học nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu nhằm xác định hướng sóng tới của các nguồn bức xạ lan truyền trong không gian. Trên cơ sở thông tin về hướng sóng tới, ta có thể tìm kiếm được các nguồn vô tuyến gây nhiễu, định vị các nguồn phát xạ trái phép cũng như ứng dụng trong dẫn đường vô tuyến. Có nhiều cách để phân loại các hệ thống định hướng nguồn bức xạ nhưng phổ biến nhất thường dựa vào cấu trúc hệ thống và phương thức xử lý tín hiệu.  Dựa vào cấu trúc hệ thống: - Hệ thống định hướng đơn kênh: Hệ thống này sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong đó mỗi phần tử được kết nối chung với một máy thu thông qua chuyển mạch cao tần.

Tín hiệu thu được từ các phần tử ăng ten được xử lý để xác định hướng sóng tới. - Hệ thống định hướng đa kênh: Hệ thống này sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong đó mỗi phần tử ăng ten được kết nối với một máy thu. Mỗi máy thu có vai trò như một bộ tiền xử lý tín hiệu. Tín hiệu đầu ra các máy thu được đưa tới một khối xử lý tín hiệu để xác định hướng sóng tới.

Hệ thống định hướng đơn kênh mặc dù có kiến trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọn nhưng có độ chính xác trung bình, thuật toán xử lý phức tạp, bộ chuyển mạch cao tần cần có tốc độ cao. Một số kỹ thuật thường sử dụng đối với kiểu hệ thống này gồm có: Wattson – Watt, Doppler và giả Doppler, PLL. Hệ thống định hướng đa kênh có kiến trúc cồng kềnh, thuật toán xử lý phức tạp hơn nhưng có ưu điểm là độ chình xác và độ phân giải cao, có khả năng xác định được đồng thời nhiều hướng sóng tới dàn ăng ten. Một số thuật toán thường sử dụng đối với kiểu hệ thống này gồm có: MUSIC, ESPRIT, PM, véc tơ tương quan, Barlet, Capon, dự đoán tuyến tính, Entropy cực đại.

luan an 7 Ngày nay, hệ thống định hướng đa kênh được quan tâm và sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng thực tế. Sự phát triển của kỹ thuật máy tình cũng như công nghệ vi điện tử (ví dụ như máy thu định nghĩa bằng phần mềm SDR) đã cho phép giảm kìch thước hệ thống, có thể cấu trúc linh hoạt trên phần mềm, tốc độ xử lý nhanh hơn và tiêu thụ công suất ìt hơn.  Dựa vào phƣơng thức xử lý tín hiệu: - Hệ thống dùng phương pháp so sánh pha: Theo phương pháp này, nhiều ăng ten máy thu được sắp xếp nhằm đảm bảo pha tương đối của điện áp cảm ứng trên các ăng ten là duy nhất cho mỗi hướng sóng tới. Hướng sóng tới này được tính toán dựa trên pha tương đối của tín hiệu trên mỗi phần tử ăng ten.

- Hệ thống dùng phương pháp so sánh biên độ: Theo phương pháp này, hai hoặc nhiều dàn ăng ten định hướng được bố trì sao cho biên độ tương đối của điện áp trên dàn ăng ten là duy nhất cho mỗi hướng sóng tới. Góc tới được tình toán trên cơ sở biên độ tương đối của tín hiệu trên các phần tử ăng ten. - Hệ thống định hướng dùng phương pháp biên độ - pha: Đây là hệ thống xác định hướng sóng tới dựa theo cả biên độ và pha của các tín hiệu thu được bởi các phần tử ăng ten. Việc đánh giá ưu - nhược điểm của mỗi thuật toán định hướng thông thường được dựa trên các tiêu chì cơ bản như sau: 1.

Độ chính xác: Là sai số giữa góc tới xác định được so với góc thực của sóng tới. Việc đánh giá độ chính xác thường được dựa trên sai số tuyệt đối và sai số căn quân phương (RMSE). Độ phân giải: Là khả năng định hướng các nguồn bức xạ gần nhau. Tốc độ hoạt động: Được đánh giá thông qua độ phức tạp tính toán và số mẫu sử dụng.

Khả năng định hướng trong môi trường đa đường: Là khả năng định hướng các nguồn bức xạ tương quan. Độ nhạy: Là khả năng định hướng các nguồn bức xạ ở xa (SNR nhỏ). Độ loại trừ nhiễu tạp: Là khả năng hoạt động dưới tác động của các loại nhiễu luan an 8 tạp. Các loại nhiễu thường sử dụng trong đánh giá chất lượng của thuật toán định hướng bao gồm: Nhiễu trắng, nhiễu phi tuyến và nhiễu màu.

Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của các thuật toán định hướng bao gồm [1]: - Số lượng phần tử ăng ten: Số phần tử ăng ten phải lớn hơn số nguồn bức xạ. Đối với các dàn ăng ten cơ bản, số phần tử ăng ten có thể ảnh hưởng đến thuật toán có độ phân giải siêu cao. Nhìn chung, với cùng các tham số như nhau, dàn ăng ten nào có nhiều phần tử hơn sẽ có chất lượng tốt hơn. - Số lượng mẫu tín hiệu: Số mẫu càng lớn thí độ chính xác và độ phân giải càng cao nhưng cần nhiều thời gian hơn để tính toán.

- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giá trị SNR ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng định hướng của các thuật toán có độ phân giải siêu cao. Tại SNR nhỏ, độ chình xác định hướng có thể bị suy giảm đột ngột. - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten (d): Thông thường khoảng cách d nhỏ hơn một nửa bước sóng (λ) của tín hiệu thu để tránh hiện tượng phát sinh búp sóng phụ của các phần tử ăng ten. Tỷ số d/λ thay đổi dù rất nhỏ nhưng kết quả có sự thay đổi lớn.

Thông thường, khoảng cách này thường được lựa chọn bằng 0,5λ. - Sự tương quan giữa các nguồn bức xạ: Đây là nhân tố ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thuật toán không gian con tín hiệu. Khi có một nguồn bức xạ tương quan với một trong số các nguồn bức xạ còn lại, ma trận hiệp phương sai tìn hiệu không còn là ma trận bất biến nữa. Trong trường hợp này, các thuật toán truyền thống sẽ không thể giải quyết được vấn đề này.

Ngoài các yếu tố trên còn có nhiều nhân tố khác như: Tình không đồng nhất của biên độ và pha trên các phần tử ăng ten, sự ghép nối và sự sai lệch vị trí của các phần tử ăng ten. Để đáp ứng mục tiêu nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ có thể phân chia thành ba hướng nghiên cứu cơ bản như sau: 1. Nghiên cứu xây dựng mô hình cấu trúc dàn ăng ten: Khả năng định hướng bị ảnh hưởng khá nhiều bởi cấu trúc dàn ăng ten như: Vật liệu chế tạo, dạng hình luan an 9 học. Các nghiên cứu về mô hình cấu trúc dàn ăng ten cơ bản đã khá hoàn thiện với nhiều cấu trúc khác nhau như: 1D, 2D hoặc 3D.

Hai loại cấu trúc dàn ăng ten được sử dụng phổ biến nhất là 1D và 2D, trong đó: - Cấu trúc 1D gồm có: Dàn ăng ten ULA [76] và NLA [7]. - Cấu trúc 2D gồm có: Dàn ăng ten UCA [39], URA [99], ULA-UCA [9], chữ L [88], ULA-ULA đối xứng và bất đối xứng [76]. Nghiên cứu đề xuất, cải tiến và áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu: Việc nghiên cứu đề xuất một thuật toán mới hiện vẫn đang là một thử thách lớn đối với các nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến các thuật toán nhằm tối ưu một chỉ tiêu chất lượng nào đó theo từng mục đìch sử dụng như: Độ chính xác, thời gian xử lý, SNR, giảm kìch thước dàn ăng ten.

Các thuật toán cải tiến điển hính như: Root –Music [61], Modified PM [40], Modified UCA-ESPRIT [39], Modified UCA-ROOT-MUSIC [39], Novel 2D ESPRIT [45], TLS [76], Unitary ESPRIT [101]. Nghiên cứu kết hợp giữa xây dựng mô hình cấu trúc dàn ăng ten và thuật toán xử lý tín hiệu: Đây là hướng nghiên cứu đang dành được nhiều sự quan tâm bởi vì việc kết hợp này vẫn còn tồn tại những hạn chế, ví dụ như: - Các thuật toán có độ phức tạp tình toán cao thường có độ chình xác và độ phân giải cao như: AR, MA, ARMA [52], [100]. - Các thuật toán có độ phức tạp tính toán vừa phải nhưng có độ phân giải cao như: MUSIC, ESPRIT lại không thể định hướng được các nguồn bức xạ tương quan và cần sử dụng nhiều mẫu tín hiệu [63], [64].