CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ RADAR XUNG TƯƠNG CAN Ở chương này, khái niệm về radar xung tương can sẽ được giới thiệu qua, trong đó sơ đồ cấu trúc, phổ tín hiệu phát và thu của radar sẽ được trình bày một cách khái quát. Hiệu ứng Doppler và ảnh hưởng của nó đối với tín hiệu radar cũng sẽ được đề cập đến. Khái niệm nhiễu tiêu cực là gì, sự khác biệt giữa nhiễu tiêu cực và mục tiêu, các biện pháp chống nhiễu tiêu cực cũng như các đặc tính phổ năng lượng của nhiễu cũng sẽ được trình bày khái quát hóa trong chương này.1 Cấu trúc radar xung tương can Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc radar xung tương can Giải thích sơ đồ: - Chuyển mạch anten: Nối anten với máy phát trong thời gian phát xạ tín hiệu và nối anten với máy thu trong thời gian thu tín hiệu. - Khuếch đại công suất: Khuếch đại tín hiệu từ bộ tạo dạng sóng lên mức công suất cần thiết để đưa tới anten phát xạ vào không gian.
- Bộ tạo dạng sóng: Tạo xung phát xạ RF ở mức công suất thấp. Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 2 - Bộ trộn tần: Tạo tín hiệu RF do anten thu nhận được với tín hiệu của dao động tại chỗ để tạo thành tín hiệu trung tần IF. - Dao động tại chỗ: Tạo dao động tại chỗ ổn định để đổi tần “xuống” cho máy thu và đổi tần “lên” cho máy phát. - Trộn tần kích thích: Trộn tín hiệu của dao động tại chỗ và tín hiệu của dao động kết hợp thành dao động cao tần có pha ổn định và tần số bằng tần số phát xạ.
- Dao động kết hợp: Tạo ra dao động ổn định, được “khóa pha” với tần số trung tần IF và được sử dụng làm tín hiệu pha chuẩn nội tại. - Khối đồng bộ: Tạo xung đồng bộ cho máy phát, màn hiện sóng và các mạch phối hợp khác. - Khối khuếch đại trung tần IF: Khuếch đại tín hiệu trung tần đến mức cần thiết. - Bộ tách sóng pha: Để biến đổi lượng dịch tần Doppler trong tín hiệu phản xạ ở tần số trung tần IF thành các xung thị tần có biên độ thay đổi theo lượng dịch tần đó.
- Bộ giới hạn đầu vào A/D: Để giới hạn tín hiệu đầu vào A/D giúp tránh hiện tượng bão hòa. - Bộ A/D: chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số - Bộ bù khử qua chu kỳ: đóng vài trò là bộ lọc răng lược (chặn phổ của tín hiệu địa vật, cho qua phổ tín hiệu mục tiêu di động). - Bộ D/A: chuyển đổi tín hiệu đầu ra từ dạng số sang dạng tương tự cho việc hiển thị và xử lý tiếp theo. Nguyên lý hoạt động: + Khi phát: Bộ dao động kết hợp tạo ra dao động ổn định và được khóa pha với tần số trung tần IF, sau đó đưa đến bộ trộn tần kích thích, đồng thời bộ dao động tại chỗ cũng tạo ra tín hiệu dao động được đưa đến bộ trộn tần kích thích.
Bộ trộn tần kích thích trộn tín hiệu của dao động tại chỗ và tín hiệu của dao động kết Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 3 hợp thành dao động cao tần có pha ổn định và tần số bằng tần số phát xạ. Tín hiệu này được đưa đến bộ tạo dạng sóng để tạo xung phát RF ở mức công suất thấp, sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ khuếch đại công suất, khuếch đại lên mức công suất cần thiết rồi đưa đến bộ chuyển mạch anten, rồi đưa đến anten phát xạ ra ngoài (xem hình 1.2 Tín hiệu phát của radar xung tương can + Khi thu: Hình 1.3 Tín hiệu thu của radar xung tương can Tín hiệu thu về từ anten (hình 1.3) được đưa đến bộ chuyển mạch anten, sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ trộn, bộ trộn thực hiện kết hợp tín hiệu anten thu nhận được với tín hiệu của dao động tại chỗ để tạo thành tín hiệu trung tần IF. Sau đó tín hiệu trung tần IF được đưa đến bộ khuếch đại trung tần để khuếch đại tín hiệu trung tần ở mức cần thiết và đưa tới bộ tách sóng pha. Bộ tách sóng pha sẽ biến đổi lượng dịch tần Doppler trong tín hiệu phản xạ ở tần số trung tần IF thành các xung thị tần có biên độ thay đổi theo lượng dịch tần đó dựa trên sự khác pha của hai tín hiệu (tín hiệu pha chuẩn với tín hiệu phản xạ ở Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 4 tần số IF từ bộ khuếch đại IF).
Sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ giới hạn đầu vào A/D để tránh hiện tượng bão hòa của A/D khi mà tín hiệu đầu vào vượt quá dải động của A/D. Tín hiệu từ bộ giới hạn đầu vào của A/D được chuyển thành tín hiệu số, và đưa đến bộ bù khử qua chu kỳ. Bộ bù khử qua chu kỳ sẽ cho phổ của tín hiệu mục tiêu di động đi qua, chặn phổ của tín hiệu phản xạ từ địa vật. Tín hiệu ra bộ bù khử được đưa đến bộ D/A để chuyển đổi thành tín hiệu tương tự đơn cực và đưa đến màn hình hiển thị.2 Phổ tín hiệu phát và thu của radar xung tương can a.
phổ tín hiệu phát: Ta có tín hiệu phát xạ của radar xung là một chuỗi xung vuông có độ rộng xung là τ , Tần số lặp lại xung là f r (hay chu kỳ lặp lại xung là T) và sóng mang cao tần với tần số f 0. Dạng ở miền thời gian của tín hiệu phát là: τ 1 t x(t) = cos ( ω0t ) .1) T T T với: • cos ( ω0t ) là sóng mang cao tần ω0 = 2πf 0 (radian/s) ; • Hàm xung vuông đơn vị: • Hàm phân bố lược: 1 t +∞ ||| = ∑ δ (t − nT ) với chu kỳ lặp lại là T T T n= −∞ • ⊗ là dấu tích chập Khi đó miền thời gian của tín hiệu phát xạ: Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 5 Hình 1.4 Tín hiệu phát miền thời gian Qua một số phép biến đổi Fourier ta có phổ của tín hiệu phát xạ như sau: Aτ +∞ nπτ X (ω ) = π ∑ T n=−∞ Sa ( T ).2) Với: • n là thứ tự xung phát nπτ sin( nπτ / T ) • Sa( )= T nπτ / T • δ là hàm Dirac Khi đó phổ của tín hiệu phát (vẽ nửa bên phải trục tọa độ) Hình 1.5 Phổ của tín hiệu phát Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 6 Phổ của tín hiệu phát có đường bao dạng sin(x)/x, và có khoảng cách giữa các đường phổ là tần số lặp lại của xung phát f r [5]. Phổ của tín hiệu thu: Qua nhiều nghiên cứu, người ta đã chứng minh được rằng tín hiệu thu về của radar có tần số bị lệch so với tần số phát f 0 một lượng tần số Doppler (được nói đến trong phần 1.3) nên phổ của tín hiệu thu về như hình 1.6 Phổ của tín hiệu phát và thu Ta thấy phổ tín hiệu thu sẽ vẫn có dạng đường bao sin(x)/x, nhưng tần số bị lệch so với phổ tín hiệu phát một lượng Doppler f d [9]. Thông qua việc phân tích phổ của tín hiệu phát và thu sẽ làm cơ sở để ta phân tích phổ của nhiễu tiêu cực và tín hiệu thực (tín hiệu mục tiêu) từ đó xây dựng bộ lọc cho những chương sau.
Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 7 1.3 Hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu radar 1.1 Khái niệm Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng vật lý, trong đó tần số và bước sóng của sóng âm, sóng điện từ thu được sai khác một lượng ∆ f khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu (khoảng cách 2 đầu thu phát thay đổi).7 Hiệu ứng Doppler ảnh hưởng đến sự thay đổi tần số và bước sóng 1.2 Sự hình thành và công thức toán học của hiệu ứng Doppler Hình 1.8 Sự di chuyển tương đối giữa mục tiêu và radar Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 8 Ta có: - Lần đầu do mục tiêu (máy bay) chuyển động tương đối so với đài với vận tốc xuyên tâm Vr nên tần số mà mục tiêu thu được (tần số tới mục tiêu) f ' sẽ khác r so với tần số mà đài radar phát ra f 0 là: Vr f ' = f (1 ± c ) r 0 (1.1) Mà ta có tần số mà mục tiêu phản xạ lại về phía radar đúng bằng tần số mà nó nhận được.2) r - Lần thứ 2: Tần số nhận được bởi máy thu radar (tần số tín hiệu thu ft , lúc này radar được xem là chuyển động tương đối so với mục tiêu) khác với tần số tín hiệu phản xạ từ mục tiêu f px : Vr f t = f px (1 ± ) (1.4) c c c Thông thường: Vr << 1, chúng ta có biểu thức gần đúng: c V f t = f 0 (1 ± 2 r ) (1.5) c • Dấu + tương ứng với trường hợp mục tiêu và radar dịch lại gần nhau. • Dấu – tương ứng với trường hợp ngược lại. Khi đó lượng dịch tần Doppler được xác định: 2Vr 2V fd = f0 − ft = f0 = r (1.6) c λ suy ra tốc độ xuyên tầm Vr được xác định như sau: fd × c Vr = (1.7) 2 f0 Với Lê Phước Hưng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 9 - Vr : vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (m/s). - f d : lượng dịch tần Doppler (Hz).
- f t : tần số tín hiệu phản xạ từ mục tiêu mà radar thu được (Hz). - f 0 : tấn số tín hiệu mà radar phát ra (Hz). - f px = f r tấn số tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (hay chính là tần số tín hiệu từ ' máy phát đến mục tiêu) (Hz). - λ : bước sóng hoạt động của đài radar (m).
Khi máy bay hợp với phương quan sát của radar một góc θ : Hình 1.6* Phương chuyển động của máy bay hợp với hướng của radar 1 góc θ Khi đó lượng dịch tần Doppler được xác định như sau: 2 vr fd = cos(θ ) (1.8) λ Với: • f d : tần số Doppler (Hz). • Vr : vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (m/s). • λ : bước sóng của tín hiệu phát từ radar (m). • θ : góc hợp giữa hướng của radar (hoặc tín hiệu phản xạ) và hướng của mục tiêu (độ).