Định hướng nguồn tín hiệu bằng phương pháp đo pha với đường cơ sở dài ứng dụng trong lĩnh vực trinh sát điện tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất phương pháp xác định hướng đến của nguồn tín hiệu vô tuyến có thể ứng dụng cho các thiết bị trinh sát điện tử. Thuật toán đề xuất sử dụng biện pháp xoay, chuẩn hóa, làm tròn giá trị đo độ lệch pha giữa các anten để tìm giá trị dịch pha đúng, và từ đó xác định được góc đến đơn trị của nguồn phát xạ tín hiệu vô tuyến

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Định hướng nguồn tín hiệu bằng phương pháp đo pha với đường cơ sở dài ứng dụng trong lĩnh vực trinh sát điện tử

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Định Hướng Nguồn Tín Hiệu Bằng Phương Pháp Đo Pha Với Đường Cơ Sở Dài Ứng Dụng Trong Lĩnh Vực Trinh Sát Điện Tử Đoàn Văn Sáng, Nguyễn Như Ý và Trần Công Tráng Khoa Thông tin Ra đa, Học Viện Hải quân Email: doansang.g1@gmail.com, trancongtrang@gmail.com, và boyfantis@gmail.com Abstract— Bài báo đề xuất phương pháp xác định hướng được nhiều nguồn tín hiệu đến đều có nhược điểm đến của nguồn tín hiệu vô tuyến có thể ứng dụng cho các thuật toán phức tạp, phải biết trước số lượng nguồn tới thiết bị trinh sát điện tử. Thuật toán đề xuất sử dụng và phải xử lý dưới dạng chuỗi dữ liệu. biện pháp xoay, chuẩn hóa, làm tròn giá trị đo độ lệch Như đã biết, chỉ cần đo độ lệch pha của tín hiệu pha giữa các anten để tìm giá trị dịch pha đúng, và từ đó xác định được góc đến đơn trị của nguồn phát xạ tín hiệu được thu bởi hai chấn tử anten đặt cách nhau một đoạn vô tuyến. Mô hình thuật toán đề xuất được đánh giá d ≤ /2 ( là bước sóng của tín hiệu) là có thể xác định bằng mô phỏng và so sánh với hai mô hình khác. Kết quả được góc đơn trị trong phạm vi từ -90o đến 90o so với mô phỏng cho thấy, thuật toán đề xuất đạt độ chính xác góc tham chiếu. Giá trị góc đến của tín hiệu được xác ước lượng góc đến với sai số quân phương nhỏ hơn 0.1o định theo công thức sau: khi SNR (Signal to Noise Ratio) lớn hơn 0 dB và hiệu  năng vượt trội hơn hai phương pháp khác (SODA:  = arcsin( ), (1) Second Order Difference Array và CI: Correlative 2 d Interferometer). Có thể thấy rằng, thuật toán đề xuất có trong đó,  là độ lệch pha của tín hiệu thu được bởi tiềm năng ứng dụng rất tốt trong lĩnh vực trinh sát và hai chấn tử anten. Từ phương trình (1) chúng ta dễ giám sát nguồn phát xạ vô tuyến. dàng xác định được sai số của góc  theo công thức: Keywords- Xác định góc đến, tín hiệu vô tuyến, trinh     =   = (2) sát điện tử, đo độ lệch pha. 2 d cos  SNR 2 d cos  I. GIỚI THIỆU Công thức (2) cho thấy sai số của góc  phụ thuộc Trinh sát điện tử là một bộ phận của tác chiến điện vào tỉ số tín / tạp (SNR: Signal to Noise Ratio), hướng tử hiện đại. Trong đó, ước lượng góc tới của nguồn đến  của tín hiệu và tỉ số /d. Giá trị SNR phụ thuộc phát tín hiệu là một khâu rất quan trọng trong toàn bộ vào chất lượng thiết bị phần cứng, công nghệ sản xuất chuỗi thông tin cần trinh sát. Biết được thông tin về góc và môi trường hoạt động, đây là những yếu tố độc lập. tới của tín hiệu sẽ là cơ sở để xác định được vị trí của Hướng đến  cũng là tham số độc lập không thể can nguồn phát đó. Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu về thiệp. Như vậy, chúng ta có thể cải thiện độ chính xác các giải pháp, thuật toán tối ưu nhằm nâng cao hiệu đo góc bằng việc gia tăng tỉ số /d. Giả định rằng, thiết quả, độ chính xác ước lượng góc tới trong rađa thụ bị trinh sát được thiết kế cho một dải tần nhất định có động, thiết bị trinh sát điện tử đồng thời tiết kiệm chi bước sóng , lúc này để cải thiện độ chính xác đo góc phí sản xuất. Để đạt được những mục đích đó cần phải đến  cần phải tăng khoảng cách giữa hai chấn tử cấu hình hệ thống anten một cách hợp lý, đưa vào bộ anten. Nhưng điều này lại làm nảy sinh vấn đề đa trị xử lý những thuật toán tối ưu. Các nghiên cứu tiêu biểu khi d > /2. Thật vậy, theo công thức (2) nếu tăng về ước lượng góc tới nguồn phát tín hiệu sử dụng giải khoảng cách giữa các phẩn tử anten lên N lần thì độ pháp so sánh pha có thể kể đến như: giải pháp SODA chính xác đo góc cũng tăng N lần. Tuy nhiên, quan sát (Second Order Difference Array) [1]; giải pháp cấu trên Hình 1 có thể thấy, khi d = 5/2 thì một giá trị đo hình anten theo hình sao [2]; và một số nghiên cứu lệch pha  có thể xác định được 5 giá trị của  trong khác. Ngoài ra, còn có các phương pháp có khả năng giới hạn từ -90o đến +90o, vì độ lệch pha  trong thực phát hiện và ước lượng góc tới của nhiều nguồn tín tế chỉ nằm trong giới hạn từ - đến +. hiệu có độ chính xác cao. Những phương pháp này có Để khắc phục được hiện tượng đa trị vừa nêu trên thể kể đến như: Spectral MUSIC [3], Root-MUSIC [4], ESPIRIT [5], .... hay những phương pháp cải tiến như mà vẫn đảm bảo xác định góc đến của tín hiệu với độ chính xác cao thì cần phải thiết kế thêm chấn tử anten Spatial smoothing MUSIC [6], Temporal smoothing và sử dụng một thuật toán phù hợp. Vì vậy, trong bài MUSIC [7],.... Phần lớn các phương pháp ước lượng ISBN 978-604-80-5958-3 6
Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) báo này nhóm tác giả đề xuất một phương pháp xác trong đó, n(t) là nhiễu tạp trắng theo phân bố Gauss, định hướng đến của tín hiệu dựa trên dữ liệu đo pha a() là vector chỉ hướng phụ thuộc vào bước sóng tín đường cơ sở dài sử dụng mặt phẳng pha tham chiếu hiệu  và góc . nhằm nâng cao độ chính xác đo góc và loại bỏ yếu tố Độ lệch pha tín hiệu từ các anten được đo bằng các đa trị. bộ so sánh pha. Theo đó, độ lệch pha giữa các tín hiệu tạo bởi các cặp anten A2-A1, A3-A1 lần lượt được xác định như sau: 2 d1 sin  1 = mod ( , 2 ) (4)  và 2 d 2 sin  2 = mod ( , 2 ) (5)  ở đây, mod(∙) là phép tính lấy phần dư. Tuy nhiên, độ dịch pha thực tế phải là: 2 d1 sin  1 = = 1 + n1 2 (6)  Hình 1. Mối liên hệ giữa góc đến tín hiệu với giá trị đo và lệch pha khi d = 5/2 2 d 2 sin   2 = = 2 + n2 2 (7) Những nội dung tiếp theo của bài báo được tổ chức  như sau: phần II miêu tả phương pháp đề xuất. Trong trong đó, n1 và n2 là các số nguyên, gọi là hệ số đơn trị. phần III, nhóm tác giả thực hiện mô phỏng đánh giá Nếu sử dụng trực tiếp giá trị đo lệch pha 1 hoặc 2 thuật toán đề xuất và so sánh nó với hai phương pháp trong biểu thức (4) và (5) để tính góc  thì sẽ không khác (SODA và CI: Correlative Interferometer). Cuối chính xác. Vì vậy, cần phải xác định được 1 hoặc cùng, kết luận bài báo được trình bày trong phần IV. 2 trong biểu thức (6) và (7) thì mới có thể xác định được góc  đơn trị. Có nghĩa là phải tìm được các tham II. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT số đơn trị n1 hoặc n2 trong biểu thức (6) và (7). Biến đổi biểu thức (6) và (7) có thể nhận được phương trình Mô hình mạng 3 chấn tử anten trinh sát điện tử sau: dùng để xác định hướng đến của tín hiệu dựa vào đo độ lệch pha được minh họa như trong Hình 2. d d n −d n 2 = 2 1 + 2 1 1 2 2 (8) d1 d1 Nếu chọn tỉ lệ d2/d1 = N/M, với M < N và M, N là số tự nhiên, thì phương trình (8) trở thành: N Nn − Mn2 2 = 1 + 1 2 (9) M M Dễ dàng nhận thấy biểu thức (9) là một hàm bậc nhất biến số 1 và hàm số 2 với các tham số N/M và 2(Nn1-Mn2)/M. Trong đó, tham số N/M là cố định thể hiện độ dốc, trong khi đó 2(Nn1-Mn2)/M là tham số Hình 2. Mô hình đo góc sử dụng phương pháp đo pha thay đổi tạo ra các đường thẳng song song với đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Đường thẳng trong công thức (9) đi qua gốc tọa độ khi Nn1 - Mn2 = 0. Khi góc  thay Giả thiết rằng nguồn phát xạ ở một cự ly xa truyền đổi từ -90o đến +90o thì chúng ta có thể vẽ được một tín hiệu vô tuyến với bước sóng  đến mạng anten ở tập hợp các đường thẳng song song với nhau bị giới góc , tín hiệu thu được bởi mạng anten sẽ là: hạn bởi các giá trị biên - và  (hay -180o và 180o).  1  Tập hợp các đường thẳng song song này gọi là mặt  x1 (t )   2 d1 sin    n1 (t )  phẳng pha, như biển diễn trong Hình 3 khi mạng anten  x (t )  =  e − j     được cấu hình với d1 = 5/2 và d2 = 8/2. Các điểm  2     s (t ) +  n2 (t )  (3) nằm trên đường thẳng pha (màu xanh) là những giá trị  x3 (t )   − j 2 d 2 sin    n3 (t )  lý tưởng (không có tác động của nhiễu). Tuy nhiên, e     trong thực tế do có tác động của nhiễu mà điểm pha sẽ  x(t ) = a( )  s(t ) + n(t ) bị lệch khỏi đường thẳng pha một giá trị nào đó như được minh họa bằng điểm chấm màu da cam trong Hình 3. Bằng cách tìm đường thẳng pha gần nhất với ISBN 978-604-80-5958-3 7
Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) điểm đo pha thì sẽ xác định được hệ số pha đơn trị. Mặt hóa theo phương ngang thành các tọa độ số nguyên phẳng pha của một mạng anten cụ thể sẽ có những tính (Hình 4c). Phép chuẩn hóa theo phương ngang được chất như sau. Các đường thẳng pha cách đều nhau một thực hiện bằng công thức sau:  ˆ1n   1n  khoảng: V= 360  = V  (14)  2 n     (10) ˆ M 2 + N2  2 n  Góc tạo bởi đường thẳng pha với trục đứng là: - Bước 3: Điểm pha đo thực tế lúc này sẽ không phải là M số nguyên vì ảnh hưởng của nhiễu. Để tìm được đường  = arctan( ) (11) N thẳng gần nhất với điểm pha đo thực tế, cần thực hiện phép toán làm tròn số nguyên đối với tọa độ ngang ˆ1n của điểm pha đo thực tế. Sau khi làm tròn, điểm pha đo thực thế sẽ nằm trên đường thẳng gần nó nhất. Phép toán làm tròn thành số nguyên được xác định như sau:  = nint ˆ 1nr ( 1n ) (15) - Bước 4: Xác định được nhãn của đường thẳng, cần tìm thứ tự của nhãn đó trong vector C như sau:   M + N −1  nˆ2 = C  1nr +   + 1 (16)   2   trong đó, 1nr là tọa độ ngang của điểm pha đo thực tế sau khi làm tròn ở bước 3. Cuối cùng, góc tới của tín hiệu được xác định như Hình 3. Mô hình đo góc sử dụng phương pháp đo pha và mặt sau: phẳng pha của mạng anten có cấu hình (2 + nˆ2 2 ) d1 = 5/2 và d2 = 8/2  = arcsin( ) (17) 2 d 2 Khi góc  chạy từ 0o đến +90o, đường thẳng pha sẽ Sai số quân phương xác định góc giảm đi N lần so bắt đầu từ gốc tọa độ O(0, 0) và tăng dần cho đến khi với công thức (2): một trong hai giá trị 2 đạt +180o. Đường thẳng này  1 tương ứng với n2 = 0, do đó nó sẽ được gán nhãn 0. Sau  = = (18) 2 d 2 cos  SNR  N cos  SNR đó, đường thẳng pha sẽ bắt đầu một đường mới với nhãn n2 = 1. Cứ tiếp tục như vậy cho đến hết đường thẳng có nhãn n2 = 4. Ở chiều ngược lại, khi  chạy từ III. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH VỚI 0o đến -90o, các đường thẳng tương ứng được gán nhãn PHƯƠNG PHÁP SODA VÀ CI theo chiều âm sẽ được hình thành. Như vậy, toàn bộ các đường thẳng pha được gán nhãn tương ứng với các A. KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG PHÁP SODA VÀ CI giá trị của hệ số n2. Các nhãn này tạo thành một vector đại diện cho một cấu hình mạng anten tuyến tính cụ 1) Phương pháp SODA thể: SODA (Second Order Difference Array) [1] là C = [2, −1, −4,1, −2,3, 0, −3, 2, −1, 4,1, −2] (12) phương pháp sử dụng hiệu pha thứ cấp tương ứng với Dễ dàng nhận thấy đây là một vector đối xứng hiệu khoảng cách chấn tử để xác định góc tới của tín nghịch qua phần tử chính giữa của nó. hiệu đơn trị. Bản chất của phương pháp này như sau. Để tìm được nhãn của đường thẳng pha gần nhất Xét một mạng anten gồm hai đường cơ sở d1 và d2 với với điểm pha đo thực tế, cần thực hiện các bước như điều kiện d2 > d1. Khi đó, hiệu độ dài của hai đường cơ sau: sở là d = d2 – d1. Hiệu pha tương ứng với hiệu đường - Bước 1: Xoay các đường thẳng pha một góc  sao cơ sở là: cho chúng trở thành các đường thẳng đứng (Hình 4b). 2 sin  2 d  sin  Sau khi xoay các đường thẳng thẳng đứng vẫn cách  =  2 − 1 = (d 2 − d1 ) = ,(19) 2 2 đều nhau một khoảng V. Phép toán xoay mặt phẳng pha trong đó, 1 và 2 lần lượt là hiệu pha đo được của hai được thực hiện theo công thức sau: đường cơ sở d1 và d2. Từ công thức (19), có thể xác  1n  cos  − sin    1  định góc  như sau:    =    (13)  2 n   sin  cos    2      - Bước 2: Bằng cách chia các giá trị lệch pha theo tọa  = arcsin   (20) độ ngang 1n cho V, thì mặt phẳng pha sẽ được chuẩn  2 d   ISBN 978-604-80-5958-3 8
Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Hình 4. Các bước tìm nhãn của đường thẳng pha gần nhất với điểm pha đo thực tế Góc  sẽ đơn trị nếu thỏa mãn điều khiện d ≤ /2. lớn của mạng anten vừa không chịu ảnh hưởng của việc chia độ phân giải góc của LUT. 2) Phương pháp CI CI (Correlative interferometer) [2] là phương pháp tìm góc tới đơn trị bằng cách tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa điểm pha đo được so với các điểm pha tham chiếu trong bảng tìm kiếm (LUT). Phương pháp này yêu cầu nhiều bộ so sánh pha để đo các độ lệch pha giữa các anten với nhau. 3) Kết quả so sánh và đánh giá Kết quả so sánh giữa phương pháp mặt phẳng pha đề xuất với phương SODA và CI được hiển thị trong Hình 5. Có thể thấy rằng, phương pháp đề xuất của nhóm nghiên cứu cho độ chính xác cao hơn hai phương pháp SODA và CI. Phương pháp SODA do sử dụng đường cơ sở thứ cấp d và độ lệch pha thứ cấp làm tăng giá trị nhiễu nên dẫn đến độ chính xác thấp. Phương pháp CI cho kết quả tương đương phương pháp đề xuất Hình 5. So sánh độ chính xác của các phương pháp ước khi SNR < -5 dB, tuy nhiên sai số xác định góc lại lượng hướng đến của tín hiệu không giảm khi SNR > 0 dB. Đây là nhược điểm của phương pháp CI khi phải sử dụng LUT với độ phân IV. KẾT LUẬN giải thấp. Nếu muốn tăng độ chính xác của phương Như vậy, bài báo đã đề xuất thuật toán sử dụng các pháp CI thì phải tăng độ phân giải của LUT, tuy nhiên phép toán xoay, chuẩn hóa và làm tròn để xác định hệ đổi lại thời gian xử lý thuật toán lại chậm hơn. Phương số độ lệch pha đơn trị, từ đó xác định được góc đúng pháp đề xuất trong bài báo vừa tận dụng được khẩu độ ISBN 978-604-80-5958-3 9
Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) của tín hiệu đến. Thuật toán đề xuất đã được phân tích geometries,” in AEU - International Journal of Electronics and lý thuyết, đánh giá và so sánh với với hai thuật toán Communications, vol. 75, pp. 35-45, May 2017. khác bằng mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy, [3] R. Schmidt, "Multiple emitter location and signal parameter estimation," in IEEE Transactions on Antennas and thuật toán mà chúng tôi đề xuất cho độ chính xác ước Propagation, vol. 34, no. 3, pp. 276-280, March 1986. lượng góc đến của tín hiệu tương đôi cao [4] M. Wagner, Y. Park and P. Gerstoft, "Gridless DOA (RMSE < 0.1o khi SNR ≥ 0 dB) và có hiệu năng vượt Estimation and Root-MUSIC for Non-Uniform Arrays," in trội hơn hai thuật toán SODA và CI. Tuy nhiên, giải IEEE Transactions on Signal Processing, doi: pháp mà nhóm tác giả đưa ra mới chỉ giải quyết trường 10.1109/TSP.2021.3068353. hợp một nguồn tín hiệu đến mà chưa xem xét đến [5] R. Roy, A. Paulraj and T. Kailath, "Direction-of-arrival trường hợp nhiều nguồn cùng đến một lúc. Vì vậy, estimation by subspace rotation methods - ESPRIT," in ICASSP '86. IEEE International Conference on Acoustics, trong tương lai nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục xem xét Speech, and Signal Processing, Tokyo, Japan, 1986, pp. 2495- giải quyết vấn đề nhiều tín hiệu đến khi sử dụng thuật 2498. toán đề xuất này, đồng thời tiến hành đo thực nghiệm [6] K. Maheswara Reddy and V. U. Reddy, "Analysis of spatial để kiểm chứng tính hiệu quả và khả thi của nó khi áp smoothing with uniform circular arrays," in IEEE Transactions dụng vào thực tiễn. on Signal Processing, vol. 47, no. 6, pp. 1726-1730, June 1999. [7] A. E. Ertan and M. Ali, "Spatial and Temporal Smoothing for TÀI LIỆU THAM KHẢO Covariance Estimation in Super-Resolution Angle Estimation [1] S. Searle, "An Examination of Bias in SODA Interferometry," in Automotive Radars," in ICASSP 2020 - 2020 IEEE in IEEE Signal Processing Letters, vol. 24, no. 4, pp. 470-474, International Conference on Acoustics, Speech and Signal April 2017. Processing (ICASSP), Barcelona, Spain, 2020, pp. 8629-8633. [2] S. P. Mohammad, F. Farzaneh, “Precision of direction of arrival (DOA) estimation using novel three-dimensional array ISBN 978-604-80-5958-3 10