Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ sóng milimet (mmWave) trong dải tần từ 77 GHz đến 81 GHz đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong kỹ thuật viễn thông và radar hiện đại. Theo ước tính, radar FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave) sử dụng sóng mmWave có khả năng tái tạo hình ảnh 2D với độ phân giải lên đến 5 mm ở khoảng cách 50 cm, mở ra nhiều ứng dụng trong y tế, an ninh, kiểm tra cấu trúc và tự động hóa. Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống radar FMCW khẩu độ tổng hợp (SAR) với độ phân giải cao vẫn gặp nhiều thách thức về chi phí phần cứng, độ phức tạp hệ thống và xử lý dữ liệu lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu và triển khai hệ thống radar FMCW sử dụng module IWR1642BOOST và DCA1000EVM của Texas Instruments, kết hợp với robot 2 trục XY để quét vật thể trong môi trường phòng làm việc. Mục tiêu chính là phát triển các giải thuật tính toán khoảng cách, vận tốc, góc đến và tái tạo hình ảnh 2D độ phân giải cao dựa trên kỹ thuật SAR, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm trên MATLAB. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các vật thể kim loại như chìa khóa, ổ khóa, hộp kim loại trong môi trường phòng thí nghiệm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng hình ảnh radar mmWave, góp phần phát triển các ứng dụng công nghiệp và an ninh với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu chi phí và phức tạp của hệ thống radar hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết nền tảng chính:

  1. Radar FMCW: Công nghệ radar sóng liên tục điều chế tần số cho phép đo đồng thời khoảng cách, vận tốc và góc đến của vật thể. Lý thuyết ước lượng khoảng cách dựa trên tần số trung tần IF, vận tốc dựa trên độ lệch pha giữa các chirp liên tiếp, và góc đến dựa trên chênh lệch pha giữa các kênh thu. Các tham số quan trọng như độ phân giải khoảng cách $d_{res} = \frac{c}{2B}$, vận tốc tối đa và độ phân giải vận tốc được xác định dựa trên thời gian chirp và số chirp trong frame.

  2. Khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar): Kỹ thuật sử dụng chuyển động của radar trên mặt phẳng quét để tạo ra khẩu độ ảo lớn, từ đó nâng cao độ phân giải hình ảnh 2D. Hai giải thuật tái tạo ảnh chính được áp dụng là K-Interpolation và Matched Filter, giúp xử lý dữ liệu 3D datacube thu thập được từ radar để tái tạo hình ảnh vật thể.

Các khái niệm chuyên ngành như SISO (Single Input Single Output), SIMO (Single Input Multiple Output), MIMO (Multiple Input Multiple Output) cũng được nghiên cứu để đánh giá hiệu quả các cấu hình ăng-ten trong hệ thống radar.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực thu thập từ module radar IWR1642BOOST và DCA1000EVM trong môi trường phòng thí nghiệm. Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng file .bin, sau đó xử lý và chuẩn hóa trên MATLAB.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình mô phỏng tín hiệu radar dựa trên bộ ba tham số khoảng cách, vận tốc và góc đến. Sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu thu được, xác định các đỉnh tần số tương ứng với các vật thể. Giải thuật phân tích dữ liệu bao gồm xử lý pha ban đầu, tính toán vận tốc và góc đến dựa trên độ lệch pha giữa các chirp và kênh thu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mô phỏng (2021-2022), thực nghiệm thu thập dữ liệu và triển khai giải thuật trên MATLAB (2022), hiện thực hóa hệ thống quét tự động với robot 2 trục XY và đánh giá kết quả (nửa đầu 2022).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giải thuật phân tích dữ liệu: Qua mô phỏng và thực nghiệm, giải thuật phân tích dữ liệu radar FMCW cho phép xác định chính xác khoảng cách với độ phân giải khoảng 0.1 m, vận tốc với độ phân giải vận tốc nhỏ nhất khoảng 0.1 m/s, và góc đến với độ phân giải góc nhỏ hơn 1 độ. Ví dụ, trong thí nghiệm với 3 vật thể cách nhau lần lượt 1 m, 3 m và 5 m, các đỉnh tần số FFT tương ứng được phát hiện rõ ràng tại 100 kHz, 300 kHz và 500 kHz.

  2. Tái tạo hình ảnh 2D bằng SAR: Hai giải thuật K-Interpolation và Matched Filter được triển khai trên dữ liệu 3D datacube cho kết quả tái tạo hình ảnh vật thể rõ nét, với độ phân giải ngang và dọc đạt khoảng 5 mm ở khoảng cách 50 cm. So sánh giữa hai giải thuật cho thấy Matched Filter có khả năng giảm nhiễu tốt hơn, nâng cao chất lượng ảnh tái tạo.

  3. Khả năng hiện thực hóa hệ thống: Hệ thống radar FMCW kết hợp robot 2 trục XY cho phép quét vật thể tự động, thu thập dữ liệu đồng bộ và xử lý trực tiếp trên MATLAB. Thời gian quét và xử lý dữ liệu cho một vật thể kích thước trung bình trong phòng làm việc khoảng 10 phút, phù hợp với các ứng dụng thực tế.

  4. Ảnh hưởng của thông số hệ thống: Độ phân giải và chất lượng ảnh tái tạo phụ thuộc mạnh vào băng thông chirp, số chirp trong frame và khoảng cách dịch chuyển của hệ trục quét. Tăng băng thông chirp từ 3 GHz lên 4 GHz cải thiện độ phân giải khoảng cách từ 0.125 m xuống 0.1 m, đồng thời tăng số chirp giúp nâng cao độ phân giải vận tốc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ việc áp dụng chính xác lý thuyết radar FMCW và kỹ thuật SAR, đồng thời tận dụng hiệu quả phần cứng hiện đại của Texas Instruments. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống sử dụng module IWR1642BOOST và DCA1000EVM cho phép thu thập dữ liệu với tốc độ cao (600 Mbps) và độ chính xác tốt hơn, giúp nâng cao chất lượng tái tạo hình ảnh.

Việc sử dụng giải thuật Matched Filter giúp giảm nhiễu và tăng độ tương phản ảnh so với K-Interpolation, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Tuy nhiên, khối lượng dữ liệu lớn và thời gian xử lý vẫn là thách thức cần cải tiến trong tương lai.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ tần số FFT thể hiện các đỉnh tần số tương ứng vật thể, bảng so sánh độ phân giải và thời gian xử lý giữa các cấu hình radar, cũng như hình ảnh tái tạo 2D minh họa hiệu quả của từng giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa giải thuật xử lý tín hiệu: Áp dụng các kỹ thuật lọc nhiễu nâng cao và thuật toán học máy để cải thiện chất lượng ảnh tái tạo, giảm thời gian xử lý dữ liệu lớn. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu phần mềm, timeline 6-12 tháng.

  2. Nâng cấp phần cứng radar: Sử dụng các module radar với băng thông lớn hơn và số lượng ăng-ten thu phát nhiều hơn (MIMO) để tăng độ phân giải và phạm vi quét. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm kỹ thuật, timeline 12-18 tháng.

  3. Phát triển hệ thống quét tự động đa trục: Mở rộng hệ thống robot quét từ 2 trục lên 3 hoặc 4 trục để quét vật thể phức tạp hơn, nâng cao độ chính xác vị trí điểm quét. Chủ thể thực hiện: nhóm cơ khí và tự động hóa, timeline 12 tháng.

  4. Ứng dụng trong các lĩnh vực thực tế: Triển khai hệ thống trong kiểm tra không phá hủy, an ninh sân bay, y tế để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh phù hợp. Chủ thể thực hiện: các tổ chức nghiên cứu ứng dụng, timeline 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Radar: Nắm bắt kiến thức nền tảng về radar FMCW, kỹ thuật SAR và các giải thuật xử lý tín hiệu hiện đại, phục vụ nghiên cứu và phát triển.

  2. Kỹ sư phát triển hệ thống radar và cảm biến: Áp dụng các giải thuật và mô hình mô phỏng để thiết kế, tối ưu hệ thống radar mmWave với độ phân giải cao.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực kiểm tra không phá hủy và an ninh: Tham khảo phương pháp tái tạo hình ảnh 2D bằng radar mmWave để phát triển các giải pháp kiểm tra vật thể ẩn, nâng cao hiệu quả giám sát.

  4. Nhà phát triển phần mềm xử lý tín hiệu và trí tuệ nhân tạo: Khai thác dữ liệu radar và giải thuật phân tích để phát triển các thuật toán nâng cao, tích hợp AI trong xử lý tín hiệu radar.

Câu hỏi thường gặp

  1. Radar FMCW hoạt động như thế nào để đo khoảng cách?
    Radar FMCW phát tín hiệu chirp có tần số thay đổi theo thời gian. Khi tín hiệu phản xạ từ vật thể trở về, sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu phát và thu (tần số trung tần IF) tỷ lệ thuận với khoảng cách vật thể. Ví dụ, tần số IF càng cao thì vật thể càng xa.

  2. Độ phân giải khoảng cách của radar phụ thuộc vào yếu tố nào?
    Độ phân giải khoảng cách $d_{res}$ tỷ lệ nghịch với băng thông chirp $B$, theo công thức $d_{res} = \frac{c}{2B}$. Băng thông càng lớn, độ phân giải càng cao. Ví dụ, băng thông 4 GHz cho độ phân giải khoảng 0.0375 m.

  3. Làm thế nào để xác định vận tốc vật thể bằng radar FMCW?
    Vận tốc được xác định dựa trên độ lệch pha giữa các chirp liên tiếp. Sự thay đổi pha này tương ứng với sự dịch chuyển vị trí vật thể trong thời gian giữa các chirp, từ đó tính ra vận tốc.

  4. Khác biệt giữa giải thuật K-Interpolation và Matched Filter trong tái tạo ảnh là gì?
    K-Interpolation sử dụng nội suy dữ liệu trong miền tần số để tái tạo ảnh, đơn giản và nhanh. Matched Filter áp dụng lọc phù hợp để tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu, cho ảnh chất lượng cao hơn nhưng phức tạp hơn.

  5. Hệ thống radar FMCW khẩu độ tổng hợp có thể ứng dụng ở đâu?
    Hệ thống phù hợp cho kiểm tra không phá hủy, giám sát an ninh, chẩn đoán y tế, và các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp, nơi cần hình ảnh 2D hoặc 3D độ phân giải cao của vật thể.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thống radar FMCW khẩu độ tổng hợp sử dụng sóng mmWave với độ phân giải khoảng cách 0.1 m và tái tạo ảnh 2D chất lượng cao.
  • Giải thuật phân tích dữ liệu và tái tạo ảnh trên MATLAB được xây dựng và đánh giá hiệu quả qua dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm.
  • Hệ thống quét tự động với robot 2 trục XY đã được hiện thực hóa, cho phép thu thập dữ liệu đồng bộ và xử lý nhanh chóng.
  • Các giải pháp nâng cấp phần cứng và tối ưu giải thuật được đề xuất nhằm cải thiện độ phân giải và giảm thời gian xử lý.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng radar mmWave trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và an ninh, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về radar và xử lý tín hiệu.

Để tiếp tục phát triển, nhóm nghiên cứu khuyến nghị tập trung vào tối ưu hóa thuật toán xử lý tín hiệu, mở rộng hệ thống quét đa trục và ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực chuyên sâu. Độc giả và chuyên gia quan tâm có thể liên hệ để trao đổi và hợp tác nghiên cứu sâu hơn.