Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG 1. Tổng quan hệ thống radar 1. Phân loại radar và các thành phần cơ bản của radar Radar là tên viết tắt của RAdio Detection And Ranging (sự phát hiện và đo đạc bằng sóng vô tuyến). Các hệ thống radar sử dụng dạng sóng điều chế và anten định hướng phát năng lượng điện từ vào trong không gian để tìm kiếm mục tiêu.
Mục tiêu sẽ phản xạ một phần năng lượng này trở lại đài radar. Các tín hiệu phản xạ này được radar thu và xử lý để lấy ra thông tin về mục tiêu được phát hiện như cự ly, vận tốc, tọa độ góc và các đặc điểm nhận dạng khác của mục tiêu. Radar có thể phân loại theo chức năng và nhiệm vụ gồm: Radar khí tượng, radar cảnh giới, radar bám mục tiêu, radar điều khiển hoả lực, radar tránh địa vật … và cũng có thể phân loại theo vị trí: Radar mặt đất, radar trên máy bay, radar vệ tinh hoặc các hệ thống radar trên tàu biển. Radar cảnh giới AN/TPS-75 Radar điều khiển vũ khí AN/TPQ-53 Radar giám sát sân bay ASR-9 Radar khí tượng WSR-88D Hình 1.
Một số loại Radar trên mặt đất 3 Radar cũng có thể được phân loại theo những đặc trưng riêng của radar, như dải tần số, kiểu loại anten và dạng sóng sử dụng, phương pháp phát hiện mục tiêu. Phân loại radar theo các phương pháp phát hiện mục tiêu Hình 3. Phân loại các mục tiêu radar Hình 4 đưa ra sơ đồ khối của một radar xung đơn giản. Thành phần của radar xung bao gồm: - Khối đồng bộ: Tạo tín hiệu đồng bộ, tín hiệu kích phát đồng bộ bảo đảm liên tục cho hệ thống.
- Khối phát: Bộ tạo dạng sóng điều chế, bộ khuếch đại công suất cao đảm bảo tạo tín hiệu công suất lớn theo yêu cầu. - Khối chuyển mạch anten: đảm bảo cho phép một anten sử dụng đồng thời 2 chế độ phát và thu. Khi phát nó dẫn năng lượng điện từ của radar hướng vào anten, khi thu nó đưa tín hiệu về của radar vào máy thu. - Khối thu: gồm các bộ khuếch đại máy thu, các bộ lọc đảm bảo hệ số khuếch đại, hệ số chọn lọc theo yêu cầu.
4 - Khối xử lý, hiển thị: xử lý các tín hiệu phản hồi và tách hiệu mục tiêu trên nền nhiễu, hiển thị các thông tin tín hiệu video, và các thông số mục tiêu (cự ly, phương vị, vận tốc…) trên màn hình. Sơ đồ khối radar xung đơn giản Các thông số đo đạc cơ bản của radar bao gồm: thông tin về góc mục tiêu (góc phương vị, góc tà), thông tin về cự ly, thông tin về vận tốc hướng tâm (tần số doppler), thông tin về khả năng phân biệt (theo góc, theo cự ly và theo vận tốc hướng tâm). Trong đề án này, chỉ tập trung vào các thông số đo đạc về cự ly phát hiện, độ phân biệt theo cự ly và tần số doppler. Cự ly phát hiện (R) Thông thường một radar phát và thu 1 dãy xung được minh họa như hình 5.
Chu kỳ xung là T và độ rộng xung là τ. Chu kỳ xung thường gọi là chu kỳ lặp xung (Tl). Nghịch đảo của chu kỳ lặp là tần số lặp, kí hiệu là Fl: 1 1 = Fl = PRI T (1. Dãy xung phát và thu radar Trong mỗi chu kỳ lặp radar chỉ phát năng lượng ở τ giây và chờ tín hiệu trở về từ mục tiêu trong thời gian còn lại của chu kỳ lặp.
Hệ số công suất phát trong một τ chu kỳ là dp được xác định bởi tỷ số dp = T. Công suất phát trung bình của radar là: Ptb = Pddp (1.2) Trong đó: Pd ký hiệu là công suất đỉnh Pτ Năng lượng xung là Ex = d = PtbT = Ptb/ Fl.3) cΔt Sóng về 1 từ mục tiêu ở cự ly R 1 = 2 lấy theo xung 1. Sóng về 2 lấy theo cΔt xung 2 từ mục tiêu ở cự ly R 2 = 2 , hoặc cũng có thể lấy từ sự trở về từ mục tiêu xa hơn ở cự ly R2 theo xung 1. Trong trường hợp này: cΔt c (T + Δt ) R2 = 2 hoặc R2 = 2 (1.4) Rõ ràng tính đa trị cự ly xảy ra ở tín hiệu phản xạ 2.
Vì vậy đầu tiên một xung được phát đi radar phải chờ một khoảng thời gian đủ lớn để tín hiệu trở về từ mục tiêu xa nhất trước khi xung tiếp theo được phát đi. Do đó cự ly đơn trị lớn nhất phải ứng với 1 chu kỳ lặp. Độ phân biệt cự ly (DR) Xét 2 mục tiêu ở cự ly R1 và R2 lần lượt ứng với thời gian giữ chậm t1 và t2. Kí hiệu hiệu khoảng cách giữa 2 cự ly là DR: t −t δt c 2 1 =c DR = R2 - R1 = 2 2 (1.
τ Giả sử 2 mục tiêu cách nhau 4 , t là độ rộng xung. Trong trường hợp này, khi sườn sau của xung chạm mục tiêu 2 sườn trước sẽ di chuyển trễ một khoảng ct và xung trở về tạo thành từ sự trở về của 2 mục tiêu được đưa ra trên hình 6-a. Tuy cτ nhiên nếu 2 mục tiêu cách nhau ít nhất một lượng 2 thì sườn sau của xung chạm vào mục tiêu thứ nhất, sườn trước sẽ bắt đầu trở về từ mục tiêu thứ 2 và 2 xung phân biệt đã được tạo ra như minh hoạ ở hình 6-b. (a) Không phân biệt được mục tiêu (b) Phân biệt được mục tiêu Do đó độ phân biệt theo cự ly được xác định như sau: 7 cτ c DR= 2 = 2 B (1.7) Với B là băng thông tín hiệu, theo công thức trên để đạt được độ phân biệt cự ly tốt nhất thì độ rộng xung phải nhỏ nhất.
Tuy nhiên điều này dẫn tới làm giảm công suất phát trung bình và tăng dải thông hoạt động. Để phân biệt cự ly tốt nhất mà vẫn duy trì đủ công suất phát trung bình có thể đạt được nhờ kỹ thuật nén xung. Tần số doppler Radar sử dụng tần số doppler để trích xuất vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, cũng như để phân biệt giữa các mục tiêu hoặc vật thể chuyển động và đứng yên như nhiễu. Hiệu ứng doppler mô tả sự dịch chuyển tần số trung tâm của dạng sóng tới do chuyển động của mục tiêu so với nguồn bức xạ.
Minh họa tác động mục tiêu chuyển động lên các xung Xét một xung phát độ rộng τ , mục tiêu di chuyển hướng vào đài với vận tốc v, xung trả về có độ rộng τ ’, tần số lặp Fl’ ta có các liên hệ như sau: cv ' cv (1.9) 8 Tuy nhiên khi số chu kỳ không đổi thì tần số của tín hiệu phản xạ sẽ tăng lên ' với hệ số như nhau. Ký hiệu tần số mới là f 0 : cv f 0' f0 cv (1.10) ở đây: f0 là tần số mang của tín hiệu phát. Tần số doppler f d được định nghĩa là ' hiệu của f 0 -f0.11) Khi v nhỏ hơn c rất nhiều thì: 2v 2v fd f0 c (1.12) chỉ ra rằng độ dịch tần Doppler tỷ lệ với vận tốc mục tiêu. Phổ của tín hiệu thu 1.
Đặc trưng cơ bản của tín hiệu dải rộng Để đặc trưng cho tính chất “đơn giản” hay “phức tạp” của tín hiệu thường dùng giá trị Trong đó: fth là độ rộng phổ của tín hiệu; x là độ rộng xung; B là hệ số nén xung hay đáy của tín hiệu. Tín hiệu đơn giản gọi là tín hiệu dải hẹp được định nghĩa là tín hiệu có đáy 9 xấp xỉ đơn vị Tín hiệu dải rộng được định nghĩa là tín hiệu có đáy rất lớn hơn đơn vị. Như vậy tín hiệu dải rộng là tín hiệu có độ rộng phổ rất lớn hơn đại lượng. Các tín hiệu dải rộng có đặc điểm nổi bật là khả năng nén chúng về độ rộng xung trong các máy thu tối ưu, các máy thu tối ưu đều cho ở đầu ra nó điện áp hàm tự tương quan của tín hiệu vào.
Mà hàm tự tương quan của tín hiệu thường có dạng xung, có độ rộng gần bằng thời gian tương quan. Theo lý thuyết của quá trình ngẫu nhiên thì =. Như vậy độ rộng tín hiệu ở đầu ra máy thu tối ưu tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ của nó. Điều này chỉ ra cách thức điều chế tín hiệu trong độ rộng xung sao cho đáp ứng được yêu cầu đề ra.
Do hiệu ứng nén xung, các tín hiệu dải rộng trùng lên nhau một phần cũng có thể được tách ra ở đầu ra của máy thu tối ưu. Các dạng tín hiệu dải rộng sử dụng trong radar xung. Khi đánh giá các đặc trưng tín hiệu radar ta xem xét các yếu tố sau: - Phương trình biểu diễn toán học tín hiệu. - Hàm tương quan (Đáp ứng nén tín hiệu sau bộ lọc phối hợp).
- Hàm bất định và vật thể bất định của tín hiệu. - Luật điều chế trong xung. Ta xem xét tín hiệu đơn giản (tín hiệu xung đơn) và tín hiệu dải rộng (tín hiệu điều tần tuyến tính và tín hiệu điều pha) để đánh giá hiệu quả nén xung giữa tín hiệu dải rộng và tín hiệu đơn giản và giữa 2 loại điều chế tín hiệu trong tín hiệu dải rộng. Tín hiệu xung đơn Phương trình tín hiệu: { τ τ f ( t )= A∗Rect () t τ = A− <t< 2 0 t cònlại 2 (1.13) 10 Với A là biên độ tín hiệu, τ là độ rộng xung phát, Rect ( tτ ) biểu diễn xung hình chữ nhật có độ rộng τ.
Tín hiệu xung đơn Phổ tín hiệu: ∞ F(ω ) =∫ f ( t )∗e j ωt dω (1.15) Hàm tương quan: ∞ R f (τ ) = ∫ f ¿ ( t )∗f ( τ +t ) d t (1.16) −∞ Hàm bất định: | | ∞ 2 χ ( τ , f d ) = ∫ f ( t )∗f ( t−τ )∗e −jfd τ dt (1. Vật thể bất định 3D của xung đơn có độ rộng τ’ = 2s Hình 11. Hàm bất định xung đơn theo lát cắt ngang Hình 12. Hàm bất định xung đơn lát cắt theo trục tần số doppler (zero delay) 12 Hình 13.
Hàm bất định xung đơn lát cắt theo trục thời gian (zero dopper) ' Theo lát cắt trục tần số doppler có giá trị điểm không đầu tiên tại f d = 1/τ , do ¿ đó độ phân giải tần số là 1/τ’. Với τ’ = 2, thì độ phân giải tần số bằng 0,5 Hz. ' Theo lát cắt trục thời gian có giá trị điểm không đầu tiên tại τ= τ , do đó độ phân giải theo thời gian giữ chậm là τ’.