MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Radar là một thiết bị sóng điện từ và sự phát hiện sự có mặt, vị trí và các tính chất của các loại mục tiêu nhờ vào các sóng phản xạ. Nhiều loại radar khác nhau với các công năng khác nhau đƣợc áp dụng cho nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội cho nhiều lợi ích lớn lao. Do đó, trong kỹ thuật điện tử viễn thông nói chung và kỹ thuật xử lý tín hiệu nói riêng thì tín hiệu radar luôn nhận đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu nhằm cải thiện tốt hơn nữa đặc tính của radar.
Trong đó, nhiều công cụ xử lý tín hiệu mới nhƣ biến đổi Wavelet và thống kê bậc cao đã đƣợc áp dụng. Cùng trong khuynh hƣớng đó và nhằm đánh dấu sự hoàn thành một quá trình lao động học tập, nên đề tài “Xử lý tín hiệu Radar bằng Wavelet và thống kê bậc cao” đã đƣợc lựa chọn. Đề tài đƣợc lựa chọn nhằm giải quyết một số vấn đề của radar xung, loại radar đƣợc ứng dụng nhiều nhất trong các lĩnh vực nhƣ hàng không, hàng hải, khí tƣợng và một số lĩnh vực khác. Trong đó, radar xung còn có một số nhƣợc điểm về tầm phủ sóng, tốc độ phát hiện mục tiêu cần đƣợc cải thiện để đáp ứng tốt hơn nữa yêu cầu thực tế vì các lý do sau.
Thứ nhất, để mở rộng tầm phủ của radar, máy thu radar phải có khả năng tách đƣợc các tín hiệu yếu trong môi trƣờng nhiễu mạnh, nghĩa là máy thu phải có ngƣỡng SNR rất thấp. Để giải quyết vấn đề này, máy thu radar truyền thống sử dụng cách kết hợp các xung tín hiệu để làm tăng SNR của tín hiệu thu. Tuy nhiên việc kết hợp xung đòi hỏi phải có một số lƣợng xung nhất định, đặc điểm này làm giảm khả năng đáp ứng của radar. Thứ hai, để có thể phát hiện các mục tiêu nhỏ có tốc độ di chuyển nhanh đòi hỏi radar phải đáp ứng nhanh nghĩa là phải phát hiện mục tiêu ngay khi nhận đƣợc một xung phản xạ.
Đặc biệt là trong một số loại radar áp dụng kỹ thuật quét nhanh điều khiển bup sóng quét bằng hệ thống bức xạ anten dãy (phase array radar). Đề tài sẽ đƣa ra giải thuật nhằm giải quyết hai nhƣợc điểm đó của radar xung bằng cách kết hợp hai công cụ xử lý tín hiệu thành công nhất trong vòng 20 năm trở 2 lại đây là biến đổi wavelet và thống kê bậc cao (công cụ chính của phân tích các thành phần độc lập ICA). Giải thuật triệt nhiễu xung radar RF thu đƣợc nằm chìm trong nhiễu có thể đƣợc thực hiện bằng cách dùng bộ lọc thời gian – tần số phi tuyến, dựa trên phép biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc. Tuy nhiên ta biết rằng phép biến đổi wavelet cho tính định vị hay cục bộ hóa trong miền thời gian – tần số tốt hơn so với biến đổi Fourier cửa sổ rời rạc.
Điều đó có nghĩa là việc định vị xung đƣợc phát hiện trong miền thời gian không thể đạt đƣợc bằng phép biến đổi Fourier cửa sổ. Trong đề tài này ta sẽ dùng phép biến đổi Wavelet packet để triệt nhiễu các xung radar RF. Nhiễu đƣợc loại bỏ bằng cách định ngƣỡng cho các hệ số biến đổi Wavelet của các xung radar RF thu đƣợc. Thông thƣờng ngƣỡng đƣợc xác định thông qua việc ƣớc lƣợng giá trị nhiễu.
Việc dùng ngƣỡng kiểu này có thể làm mất xung radar phản xạ có SNR rất thấp. Trong đề tài này việc chọn lựa mức ngƣỡng sẽ tùy thuộc vào phép thông kê bậc cao HOS của các hệ số biến đổi Wavelet. Sử dụng ngƣỡng dựa vào phép thông kê bậc cao sẽ cho ta hiệu quả hơn so với phƣơng pháp ƣớc lƣợng nhiễu đặc biệt là trong các điều kiện khi SNR rất bé. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.
Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu vấn đề phát hiện, triệt nhiễu và định vị xung radar RF thu đƣợc trong nền nhiễu sử dụng biến đổi wavelet và thống kê bâc cao. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vào đối tƣợng là xung radar RF thu đƣợc trong nền nhiễu. Đề tài giới hạn trong phạm vi nghiên cứu là triệt nhiễu và định vị xung radar trên cơ sở biến đổi wavelet và thống kê bậc cao. 3 Phần thực nghiệm đƣợc thực hiện qua việc mô phỏng xử lý tín hiệu bằng phần mềm Matlab phiên bản 7.
Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Đề tài mở ra một hƣớng nghiên cứu ứng dụng ƣu điểm của hai lĩnh vực Wavelet và thống kê bậc cao HOS (công cụ toán trong phép phân tích các thành phần độc lập – ICA) nhằm phát triển một thuật toán cho phép tách và định vị xung radar RF trên nền nhiễu mạnh, nhờ đó giảm công suất phát xạ hay nói cách khác là mở rộng cự ly phát hiện, tăng khả năng phát hiện mục tiêu nhanh của các hệ thống radar, đặc biệt là các hệ thống radar quét nhanh có búp sóng quét bằng điện tử (phase array radar). 4 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ TÁCH TÍN HIỆU RADAR 1. TỔNG QUAN VỀ RADAR 1. Giới thiệu RADAR, viết tắt của RAdio Detection And Ranging, là một thiết bị đƣợc phát minh trong các thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20 dùng để nhận dạng từ xa và xác định cự ly của các vật thể (nhƣ tàu thủy và máy bay) bằng các sóng điện từ.
Nguyên lý bên trong của radar đƣợc thí nghiệm lần đầu tiên bởi Hertz vào cuối thế kỷ 19. Hertz đã kiểm tra lý thuyết về trƣờng điện từ của Maxwell, và chứng tỏ rằng các sóng điện từ phản xạ lại bởi các chất dẫn điện và điện môi. Các phát hiện này chƣa đƣợc ứng dụng cho đến những năm 1900 khi một kỹ sƣ ngƣời Đức sáng chế một thiết bị để nhận dạng tàu và các chƣớng ngại vật bằng sóng điện từ. Tuy nhiên, do cự ly phát hiện nhỏ (cỡ một dặm) nên thiết bị này chƣa đƣợc thành công lắm.
Một vài năm trƣớc khi Thế chiến thứ hai bùng nỗ các hệ thống radar phát sóng liên tục CW đƣợc thử nghiệm ở nhiều quốc gia. Các hệ thống radar này hoạt động chủ yếu ở băng tần HF (high frequency: 3 đến 30MHz) và VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) và đạt cự ly phát hiện lên đến 50 dặm. Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịch chuyển của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không có thêm bất kì thông tin nào về cự li hay vị trí. Trong suốt Thế chiến hai, các hệ thống radar đƣợc sử dụng một cách có hệ thống nhƣ một công cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu chiến quân địch, Trong thời kỳ đó, các radar xung cũng đƣợc phát minh để cung cấp thông tin về cự ly dựa trên việc đo lƣờng thời gian trễ giữa xung phát và xung phản xạ về từ mục tiêu.
Từ đó, các hệ thống radar đƣợc phát hiện và cải tiến liên tục cả vế phần cứng (máy phát, máy thu, anten radar v.) lẫn phần mềm (khi máy tính xuất hiện làm công cụ cho việc phân tích và biểu diễn dữ liệu radar). Hiện nay, 5 radar đã đƣợc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực của đời sống nhƣ điều khiển không lƣu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, các ứng dụng trong đời sống nhƣ radar phát hiện mỏ khoáng sản, mỏ dầu,…, radar kiểm tra các công trình xây dựng, radar đo tốc độ xe lƣu thông và các ứng dụng quân sự nhƣ giám sát, định vị, điều khiển, và dẫn đƣờng cho các loại vũ khí. Phân loại Radar Các hệ thống Radar nói chung sử dụng các dạng sóng điều chế và anten định hƣớng để phát năng lƣợng điện từ vào một thể tích nhất định trong không gian nhằm phát hiện mục tiêu. Các vật thể (mục tiêu) nằm trong không gian tìm kiếm sẽ phản xạ lại một phần năng lƣợng (tín hiệu phản xạ) trở lại đài radar.
Các tín hiệu phản xạ này sẽ đƣợc máy thu của đài radar xử lý để tách các thông tin về mục tiêu nhƣ cự ly, vận tốc, góc phƣơng vị, và một số đặc tính khác. Radar có thể đƣợc phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar nhƣ mặt đất, máy bay, không gian hay tàu thủy. Ngoài ra, hệ thống radar cũng có thể phân ra thành nhiều loại khác nhau dựa vào các đặc tính của radar nhƣ băng tần số, loại anten và dạng sóng phát. Ta cũng có thể phân loại radar theo chức năng nhiệm vụ của đài radar nhƣ radar khí tƣợng, radar cảnh giới, radar dẫn đƣờng… Radar dùng hệ thống bức xạ (Phased array radar) là loại radar sử dụng dãy anten đa chức năng.
Dãy anten đƣợc hình thành từ hai hay nhiều anten tổng hợp nên một búp sóng hẹp có định hƣớng và có thể quét vòng đƣợc bằng cơ khí hay bằng điện. Việc quét vòng bằng điện tử đƣợc điều khiển bởi pha của các tín hiệu đƣa vào các phần tử của dãy anten. Thông thƣờng radar đƣợc phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động. Theo dạng sóng, radar có thể đƣợc phân thành hai loại là phát sóng liên tục (CW) và phát xạ xung.
Radar phát sóng liên tục là loại radar phát năng lƣợng điện từ liên tục và sử dụng hai anten phát và thu riêng biệt. Radar phát xạ xung liên tục không điều chế có thể đo đƣợc chính xác vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (độ dịch Doppler) và góc phân vị. Thông tin về cự ly của mục tiêu chỉ có thể biết đƣợc khi sử dụng điều chế. Ứng dụng cơ bản của dạng radar này là xác định vận tốc mục tiêu trong radar cảnh giới và dẫn đƣờng.
Radar xung sử dụng chuỗi các xung (chủ yếu đƣợc điều chế). 6 Trong kiểu radar này hệ thống đƣợc phân loại dựa theo tần số lặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với các dạng là PRF thấp, PRF trung bình, PRF cao. Các radar PRF thấp đƣợc sử dụng để đo cự ly khi không cần quan tâm đến vận tốc của mục tiêu (độ dịch Doppler). Radar PRF cao chủ yếu đƣợc sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu.
Radar phát sóng liên tục cũng nhƣ radar phát xạ xung đều có thể đo đƣợc cả cự ly và vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế. Phân loại radar dựa trên tần số hoạt động. Ký hiệu dải tần Tần số (GHz) Bƣớc sóng (cm) HF 0,003 0,03 10.