Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao bằng radar FMCW ở bước sóng milimet

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

ABSTRACT

LỜI CAM ĐOAN

Mục lục

Danh sách hình vẽ

Danh sách bảng

Từ viết tắt

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu

1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

1.2.1. Mục tiêu luận văn

1.2.2. Nhiệm vụ luận văn

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1. Đối tượng nghiên cứu

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Bố cục của luận văn

1.6. Các bài báo đã hoàn thành trong luận văn

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1. Hệ thống tái tạo hình ảnh 2D bằng SAR mm-Wave Radar

2.1.1. Các yếu tố cần quan tâm khi xây dựng một hệ thống tái tạo ảnh độ phân giải cao

2.1.2. Tính chính xác và ổn định của hệ thống dịch chuyển vị trí radar

2.1.3. Mức độ phức tạp của hệ thống

2.1.4. Khối lượng dữ liệu cần thu thập và xử lý

2.2. Công nghệ Radar điều chế tần số sóng liên tục FMCW (Frequency-Modulated Continuous- Wave)

2.2.1. Tổng quan công nghệ Radar FMCW

2.2.2. Cấu tạo và cơ chế hệ thống Radar FMCW

2.2.2.1. Bộ phát sóng

2.2.2.2. Bộ thu sóng

2.2.2.3. Bộ xử lý và lưu trữ tín hiệu

2.2.3. Lý thuyết nền tảng Radar FMCW

2.2.3.1. Lý thuyết ước lượng khoảng cách

2.2.3.2. Lý thuyết ước lượng vận tốc

2.2.3.3. Lý thuyết ước lượng góc đến

2.2.4. Hệ thống SISO/SIMO/MISO/MIMO-SAR Radar

2.2.4.1. Hệ thống SISO - SIMO - MISO - MIMO Radar

2.2.4.2. Kĩ thuật khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar)

2.3. Kết luận chương

3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG DỮ LIỆU MÔ PHỎNG VÀ GIẢI THUẬT PHÂN TÍCH KHOẢNG CÁCH, VẬN TỐC, GÓC ĐẾN CỦA VẬT THỂ TRÊN MATLAB

3.1. Tổng quan module IWR1642BOOST và DCA1000

3.1.1. Tổng quan module IWR1642BOOST

3.1.2. Tổng quan module DCA1000

3.2. Định dạng dữ liệu radar

3.2.1. Định dạng dữ liệu radar gửi từ DCA1000EVM đến máy tính

3.2.2. Định dạng dữ liệu radar để phân tích

3.3. Phương pháp xây dựng dữ liệu mô phỏng đầu cuối của hệ thống Radar FMCW

3.3.1. Tính toán tham số của tín hiệu

3.3.2. Xây dựng mô hình tín hiệu

3.3.3. Lưu đồ giải thuật dữ liệu mô phỏng

3.3.4. Triển khai giải thuật trên MATLAB

3.4. Phương pháp phân tích dữ liệu mô phỏng

3.4.1. Quá trình tính khoảng cách thông qua tần số

3.4.2. Xử lý pha ban đầu và tính toán vận tốc, góc đến

3.4.2.1. Tính toán vận tốc

3.4.2.2. Tính toán góc đến

3.4.3. Lưu đồ giải thuật phương pháp phân tích dữ liệu mô phỏng

3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

3.5.1. Một vật trước radar chuyển động dọc theo phương của vật và radar

3.5.2. Nhiều vật trước radar có những vận tốc khác nhau, cùng góc đến

3.5.3. Vật thực trước radar có vị trí trực diện và đứng yên

3.6. Kết luận chương

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÁI TẠO ẢNH VÀ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT GIẢ LẬP TÍN HIỆU SAU BỘ TRỘN TẦN CỦA HỆ THỐNG RADAR

4.1. Giải thuật tái tạo hình ảnh 2D sử dụng SAR mm-Wave Radar

4.1.1. Tín hiệu một cặp ăng-ten thu-phát (monostatic transceiver - SISO)

4.1.2. Giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng K-Interpolation với dữ liệu SAR

4.1.3. Giải thuật tái tạo hình ảnh sử dụng Matched Filter với dữ liệu SAR

4.1.4. Độ phân giải hình ảnh

4.2. Giải thuật giả lập tín hiệu sau bộ trộn tần

4.3. Thực nghiệm và đánh giá

4.4. Kết luận chương

5. CHƯƠNG 5: HIỆN THỰC HÓA HỆ THỐNG RADAR TÁI TẠO HÌNH ẢNH SAR SỬ DỤNG HAI PHƯƠNG PHÁP K-INTERPOLATION VÀ MATCHED FILTER

5.1. Tổng quan mô hình toàn hệ thống tái tạo hình ảnh vật

5.1.1. Mô hình phần cứng

5.1.2. Mô hình phần mềm tích hợp vào hệ thống

5.2. Triển khai xây dựng hệ thống thực quét vật và tái tạo ảnh

5.2.1. Xây dựng và chuẩn hóa bộ dữ liệu thu thập

5.2.2. Thực hiện quét vật thật trực diện

5.2.3. Phân tích và đánh giá các kết quả đã thực hiện

5.3. Kết luận chương

6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KẾ TIẾP

6.1. Kết luận chung

6.1.1. Các công việc đã thực hiện được

6.1.2. Những hạn chế của luận văn

6.2. Hướng phát triển

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

Tài liệu tham khảo

Phụ lục 1: Code Matlab xử lý và chuyển đổi dữ liệu thô thành dữ liệu 3-D datacube

Phụ lục 2: Code Matlab khởi tạo tín hiệu mô phỏng ngay sau bộ trộn tần

Phụ lục 3: Code Matlab giải thuật dùng K-Interpolation và Matched Filter cho tái tạo ảnh từ dữ liệu 3-D datacube

Phụ lục 4: Code MATLAB tạo dữ liệu mô phỏng và phân tích khoảng cách, vận tốc, góc đến của vật

Phụ lục 5: Hình ảnh các thí nghiệm đo đạc với board IWR1642BOOST và DCA1000EVM môi trường thật

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Giới thiệu về radar FMCW

Radar FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) là một công nghệ radar tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như đo đạc khoảng cách, tốc độ và hình ảnh. Radar FMCW hoạt động bằng cách phát ra sóng liên tục với tần số thay đổi theo thời gian, cho phép đo lường khoảng cách và tốc độ của các vật thể bằng cách phân tích tín hiệu phản xạ. Hệ thống này có khả năng cung cấp hình ảnh độ phân giải cao, đặc biệt khi kết hợp với kỹ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR). Việc tái tạo hình ảnh độ phân giải cao bằng radar FMCW ở bước sóng milimet không chỉ giúp nâng cao chất lượng hình ảnh mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ radar trong các lĩnh vực như an ninh, giám sát và kiểm tra cấu trúc. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, việc áp dụng radar FMCW có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định vị trí và nhận diện các vật thể trong môi trường phức tạp.

1.1. Nguyên lý hoạt động của radar FMCW

Radar FMCW hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng và thu nhận tín hiệu phản xạ từ các vật thể. Tín hiệu phát ra có tần số thay đổi liên tục, cho phép xác định khoảng cách và tốc độ của vật thể bằng cách đo độ trễ giữa tín hiệu phát và tín hiệu phản xạ. Một trong những ưu điểm nổi bật của radar FMCW là khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện ánh sáng yếu và môi trường có nhiều nhiễu. Điều này làm cho radar FMCW trở thành một công cụ lý tưởng cho các ứng dụng như giám sát giao thông, phát hiện vật thể và điều hướng tự động.

II. Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao

Tái tạo hình ảnh độ phân giải cao bằng radar FMCW là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, nhằm cải thiện khả năng nhận diện và phân tích các vật thể trong không gian ba chiều. Kỹ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR) được sử dụng để thu thập dữ liệu từ nhiều góc nhìn khác nhau, từ đó tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc áp dụng radar sóng milimet trong tái tạo hình ảnh cho phép thu thập thông tin chi tiết về cấu trúc và hình dạng của vật thể, điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng như khảo sát địa hình và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc kết hợp radar FMCW với các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến có thể nâng cao đáng kể chất lượng hình ảnh, giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí của các vật thể.

2.1. Kỹ thuật khẩu độ tổng hợp SAR

Kỹ thuật khẩu độ tổng hợp (SAR) cho phép thu thập dữ liệu hình ảnh từ nhiều vị trí khác nhau, tạo ra một bức tranh tổng thể với độ phân giải cao. Nguyên lý hoạt động của SAR là sử dụng chuyển động của radar để thu thập tín hiệu phản xạ từ các vật thể, sau đó xử lý tín hiệu để tạo ra hình ảnh. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện độ phân giải hình ảnh mà còn cho phép phát hiện các vật thể nhỏ trong môi trường phức tạp. Việc áp dụng SAR trong radar FMCW ở bước sóng milimet mở ra nhiều khả năng mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh, giám sát và khảo sát địa hình.

III. Ứng dụng của radar FMCW trong thực tiễn

Radar FMCW đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ giám sát giao thông đến điều hướng tự động. Việc sử dụng radar FMCW cho phép thu thập thông tin chính xác về khoảng cách và tốc độ của các phương tiện, giúp cải thiện an toàn giao thông. Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng trong các hệ thống phát hiện vật thể, giúp nhận diện và theo dõi các đối tượng trong không gian ba chiều. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, radar FMCW có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, điều này làm tăng tính ứng dụng của công nghệ này trong các lĩnh vực như an ninh quốc phòng và khảo sát địa chất.

3.1. Khả năng phát hiện vật thể

Radar FMCW có khả năng phát hiện và theo dõi các vật thể trong không gian ba chiều với độ chính xác cao. Các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh và giám sát cho thấy radar FMCW có thể nhận diện các đối tượng nhỏ trong môi trường phức tạp, điều này là rất quan trọng trong việc bảo vệ an ninh và chống khủng bố. Việc kết hợp radar FMCW với các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến giúp nâng cao khả năng phát hiện và theo dõi các vật thể, từ đó cải thiện hiệu quả của các hệ thống an ninh.

Luận Văn Thạc Sĩ: Tái Tạo Hình Ảnh Độ Phân Giải Cao Sử Dụng Radar FMCW