đặt vấn đề nhƣ trên, luận án đƣợc trình bày chia thành 3 chƣơng. Chƣơng 1 trình bày về cơ sở kỹ thuật của rađa hiện đại, trong đó cũng có trình bày về các khối cơ bản của hệ thống rađa truyền thống. Nhƣng tập trung đi vào khai thác các kỹ thuật hiện đại nhƣ các kỹ thuật cao tần mới, các kỹ thuật xử lý tín hiệu số, việc dùng các linh kiện điện tử mới làm gọn nhẹ và tăng cƣờng chức năng cho hệ thống. Chƣơng 2 trình bày vào một nội dung chính của luận án, đó là phần gia công 15 z và xử lý tín hiệu số.
Chìa khóa của sự nghiên cứu thành công nằm ở chỗ biết cách triển khai cũng vẫn các công nghệ nền tảng nhƣng là trên các thiết kế hiện đại. Các bài toán xử lý tín hiệu đƣợc mô phỏng sử dụng Matlab, VHDL, ADS, và thiết kế chế tạo phần cứng sử dụng các linh kiện, vật liệu điện tử hiện đại có độ tích hợp cao. Các tính năng, độ linh hoạt của hệ thống trở nên vƣợt trội hơn so với các thế hệ rađa truyền thống. Chƣơng 3 trình bày về nội dung chính còn lại của đề tài, là phần chế tạo tuyến thu phát siêu cao tần.
Trong phần này, kỹ thuật tổ hợp tần số kết hợp với vi điều khiển để tạo ra khối dao động nội cao tần. Từ đó phát triển nên máy thu UHF có độ nhạy cao với những thông số kỹ thuật có thể so sánh và vƣợt trội so với các máy thu hiện có trên thị trƣờng. Phần tuyến phát sử dụng kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuật cao tần khác đã tạo ra các khối khuếch đại công suất cao tần. Những khối này là những thành phần mấu chốt cần xây dựng trong hệ thống rađa.
Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên những đóng góp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngoài nƣớc. Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo rađa trong điều kiện sử dụng của Việt nam. Tính đóng góp ứng dụng thực tiễn của luận án là nội dung nghiên cứu nằm trong Dự án của Bộ Quốc phòng do Quân chủng Phòng không Không quân chủ trì năm 2003-2006: “Cải tiến số hóa rađa bắt thấp P15”, triển khai tại Viện Phòng không Không quân. Với nội dung phần thu thập, xử lý tự động, cải tiến hệ thống thu, hệ thống chống nhiễu, tự động phát hiện mục tiêu rađa, nhận và truyền số liệu do TS.
Bạch Gia Dƣơng chủ trì. Mục tiêu tƣơng lai của luận án là sau khi nghiên cứu, thiết kế, sử dụng thành công trong môi trƣờng phòng thí nghiệm, sẽ giới thiệu đƣa vào các đơn vị để kiểm tra và khai thác hoạt động. Từ đó những phản hồi thực tế sẽ giúp cho hệ thống xử lý tín hiệu số này đƣợc hoàn thiện hơn, tiến dần đến việc đóng gói và thƣơng phẩm. CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI Cơ sở kỹ thuật của một hệ thống rađa hiện đại nhìn chung cũng phải dựa chủ yếu vào các chức năng cơ bản của các rađa truyền thống.
Nhƣng cốt lõi của sự thay đổi là với những khối chức năng đó, chúng ta không sử dụng các kỹ thuật điện tử trƣớc đây mà cố gắng dùng các loại linh kiện điện tử mới thông minh hơn, đa năng hơn để xây dựng. Khi đó, rađa hiện đại theo quan điểm mới này là một hệ xử lý tín hiệu trong đó có hai phần chính: - Phần cao tần (thu, phát, điều chế) gắn vào xử lý tƣơng tự - Phần xử lý tín hiệu, gắn vào xử lý số. Phần trình bày dƣới đây chủ yếu nhấn mạnh vào loại rađa xung (pulsed rađa - PR) hơn là rađa liên tục (continuous wave - CW), mặc dù các ý tƣởng đều có thể áp dụng cho cả hai. Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại [57,82,85] Chức năng cơ bản nhất trong rađa là sự phát hiện có hay không có mục tiêu hay các hiện tƣợng vật lý.
Điều đó yêu cầu việc quyết định xem là tại lối vào khối thu tại các thời điểm nhất định có hay không có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hay chỉ đơn thuần là nhiễu. Quyết định này thƣờng đƣợc rút ra khi so sánh biên độ của tín hiệu phản xạ A(t) với một thế ngƣỡng V(t) đã đƣợc thiết lập trƣớc trong hệ thống. Thời gian cần thiết cho một xung truyền đi một khoảng cách R và nếu có trở về là t = 2R/c (c là vận tốc ánh sáng). Khi đó, có thể xác nhận là có mục tiêu nằm tại phạm vi: ct R (1.1) 2 Tiếp sau khi mục tiêu đã đƣợc phát hiện, ta cần xác định vị trí và vận tốc của mục tiêu.
Để xác định vị trí, chúng ta thƣờng sử dụng hệ tọa độ cầu. Ngoài thông số R vừa đo đƣợc, góc phƣơng vị (azimuth angle) và góc ngẩng (elevation angle) đƣợc xác định theo hƣớng của ăng-ten hệ thống, vì rằng mục tiêu thƣờng xác định 17 z nhờ bởi búp sóng chính của ăng-ten. Vận tốc v của mục tiêu đƣợc khai thác từ việc đo độ dịch tần Doppler fd cho các mục tiêu chuyển động lại gần hay ra xa mục tiêu.2) Trong đó, là bƣớc sóng của bức xạ từ ăng-ten. Trong các hệ rađa truyền thống, nhất là trong lĩnh vực quân sự, chúng ta thƣờng quen thuộc với việc quan sát và phân tích các đốm sáng trên màn hình (blip) để phát hiện và theo dõi mục tiêu.
Ngày nay, không chỉ có vậy, các hệ thống rađa hiện đại (imaging rađa) có khả năng tái tạo đƣợc ảnh hai chiều (two-dimensional image) của đối tƣợng. Đây là một trong những phát triển quan trọng, đƣợc khai thác trong rất nhiều các ứng dụng, ví dụ nhƣ phân tích chủng loại mục tiêu quân sự, vẽ bản đồ, phân tích trạng thái băng bao phủ, trạng thái rừng bị phá, theo dõi sự biến đổi của địa hình mặt đất… Các ảnh chụp bởi rađa này không có độ phân giải cao hơn các ảnh chụp quang học, nhƣng với việc suy giảm rất ít sóng điện từ khi đi qua các đám mây, sƣơng mù, lại cho rađa một tầm nhìn tuyệt vời hơn nhiều. Chính vì thế, với một hệ thống rađa hiện đại, việc nghiên cứu và xây dựng các hệ thống xử lý ảnh số (digital image processing) là một phần cực kì quan trọng không thể thiếu. Chất lƣợng của rađa đƣợc đo bằng các hệ số phẩm chất.
Với mỗi yêu cầu khác nhau, sẽ có một số thông số trong các hệ số trên cần đƣợc ƣu tiên hơn so với các thông số khác. Ví dụ trong yêu cầu phát hiện mục tiêu, thông số cơ bản là xác suất phát hiện PD (probability of detection), xác suất phát hiện lầm Pfa (probability of false alarm). Với một hệ thống, PD càng lớn càng tốt, Pfa càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên, thƣờng không đạt đƣợc cùng một chiều hƣớng nhƣ vậy.
Để dung hòa, ngƣời ta sử dụng tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa SIR (signal-to-interference ratio). Khi có nhiều mục tiêu cùng trong tầm nhìn của rađa, rất quan trọng cần xem xét thêm về độ phân giải (resolution) và ảnh hƣởng của các búp sóng phụ của ăng- ten (side lobes) vì nếu không, có thể dẫn đến một kết luận sai lầm là chỉ phát hiện đƣợc một mục tiêu trong khi có hai mục tiêu gần nhau. Theo nhiều lý thuyết cho thấy, độ phân giải phụ thuộc chính vào dạng sóng đƣợc phát đi, và khâu xử lí tín 18 z hiệu phản xạ trở về. Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu rađa, có nhiều khái niệm và kĩ thuật tƣơng đồng với các lĩnh vực xử lý tín hiệu thông tin khác.
Ví dụ nhƣ các khối lọc tuyến tính (linear filtering) hay lý thuyết phát hiện thống kê (statistical detection theory) là một trong các khối trung tâm trong xử lý tín hiệu rađa. Các phép biến đổi Fourier, đƣợc hiện đại hóa bởi phép biến đổi Fourier nhanh FFT (fast Fourier transform), là các thuật toán chính đƣợc dùng trong các bộ lọc phối hợp (matched filter), trong các ƣớc tính về hiệu ứng Doppler hay trong các phép xử lý ảnh. Trong phần trình bày dƣới đây, chúng ta có thể thấy vai trò quan trọng của các bộ lọc. Với kỹ thuật xử lý số, các bộ lọc này sẽ đều là các bộ lọc số, với các thuật toán và cấu trúc bộ lọc rất phong phú và đa dạng.
Các bộ biến đổi A/D, D/A là ranh giới biên của thế giới tín hiệu tƣơng tự với thế giới tín hiệu số, sẽ cần đƣợc triển khai và khai thác để có thể thực hiện đƣợc nhiệm vụ xử lý số cho tín hiệu rađa. Bên cạnh những điểm giống nhau trên, xử lý tín hiệu rađa cũng có một số kỹ thuật khác biệt hẳn so với các lĩnh vực khác. Các rađa hiện nay thƣờng là dạng tƣơng can (coherent), có nghĩa là tín hiệu nhận đƣợc về, sau khi giải điều chế về băng tần cơ sở, sẽ là một giá trị phức chứ không phải giá trị thực (thành phần I và Q). Về biên độ, tín hiệu thu rađa có một dải động rất lớn, có thể lên đến vài chục, hoặc thậm chí 100 dB.
Vì vậy, trong khối thu, cần có phƣơng án tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (gain control) để tránh tình trạng tín hiệu yếu bị che bởi các tín hiệu mạnh hơn. Theo đó, SIR sẽ đƣợc điều chỉnh thích hợp. Đặc biệt quan trọng, so với các ứng dụng DSP khác, băng thông của tín hiệu rađa rất lớn. Băng thông tức thời cho một xung đơn thƣờng cỡ vài MHz, trong các rađa độ phân giải cao, có thể lên tới vài trăm MHz, thậm chí 1 GHz.
Điều này là một trở ngại lớn cho các khâu xử lý DSP. Đây cũng xem là một trong những trở ngại luôn cần cân nhắc khi ngƣời thiết kế muốn lựa chọn các linh kiện thích hợp. Một xu hƣớng khác hiện nay, là khả năng xử lý thời gian thực (real-time processing) so với xử lý từng mảng dữ liệu nhƣ trƣớc đây (block processing), kỹ thuật có đƣợc khi thiết kế A/D, D/A trên tƣơng can với các bo DSP tốc độ cao. Đây 19 z cũng là một ƣu việt của các rađa hiện đại xử lí số.
Trong nghiên cứu của luận án đã đƣa ra giải pháp thiết kế và chế tạo khối A/D, D/A tốc độ cao này. Sơ đồ khối rađa xung [8, 38,57,82, 64] Hình 1.1 là một trong các loại sơ đồ khối của một rađa xung đơn giản. Khối tạo dạng sóng (waveform generator) sẽ thiết kế để đƣa ra dạng xung theo yêu cầu. Khối phát (transmitter) điều chế dạng sóng này lên tần số sóng mang và khuếch đại lên đến mức công suất cần thiết.