Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp xử lý không gian – thời gian thích nghi nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp xử lý không gian – thời gian thích nghi nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về xử lý không gian-thời gian với mạng anten thích nghi và các vấn đề còn tồn tại trong chống nhiễu không dừng cho ra đa anten mạng; Đề xuất và áp dụng phương pháp chiếu để tổng hợp một hệ thống xử lý chùm xung tương can nhận được trên nền nhiễu tiêu cực và nội tạp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp xử lý không gian – thời gian thích nghi nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRUNG THÀNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN THÍCH NGHI NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG NHIỄU CỦA ĐÀI RA ĐA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRUNG THÀNH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN THÍCH NGHI NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG NHIỄU CỦA ĐÀI RA ĐA Chuyên ngành: Kỹ thuật Ra đa - dẫn đường Mã số: 9 52 02 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Lê Ngọc Uyên 2. TS. Nguyễn Mạnh Cường Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Trung Thành
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/ Bộ Quốc phòng. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Ngọc Uyên, TS Nguyễn Mạnh Cường đã định hướng khoa học, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học, giúp đỡ kiểm tra và đánh giá kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Ra đa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ giúp đỡ tôi ong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong Viện Ra đa/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật quân sự và các nhà khoa học, chuyên gia trong và ngoài quân đội đã cho tôi những lời khuyên, những ý kiến đóng góp quý báu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã cho tôi điểm tựa vững chắc, sự động viên lớn lao giúp tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án
iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................. x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN XỬ LÝ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN CÁC TÍN HIỆU TRONG RA ĐA .................................................................... 5 1.1. Nhiễu và khả năng chống nhiễu của ra đa ................................................................... 5 1.2. Bài toán xử lý không gian – thời gian các tín hiệu mạng anten số ............................ 8 1.3. Mạng anten thích nghi, nguyên tắc xây dựng và hoạt động..................................... 10 1.3.1. Tối ưu hóa xử lý không gian các tín hiệu trong mạng anten thích nghi .......... 13 1.3.2. Thuật toán tạo các hệ số trọng số theo tiêu chuẩn cực tiểu phương sai sai số...... 14 1.3.3. Thuật toán tạo các hệ số trọng số theo tiêu chuẩn cực tiểu phương sai nhiễu ở đầu ra mạng anten................................................................................................ 15 1.4. Tổng quan xử lý không gian thích nghi ..................................................................... 17 1.5. Tổng quan xử lý thời gian trong các hệ thống ra đa tích cực ................................... 23 1.5. Sơ đồ tổng quát của hệ thống ra đa xử lý không gian - thời gian............................. 27 1.7. Kết luận chương 1 ....................................................................................................... 28 CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG LỌC MỤC TIÊU DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU ...................................................................... 30 2.1. Phương pháp chiếu tổng hợp hệ thống lọc mục tiêu di động ................................... 30 2.1.1. Xấp xỉ ma trận tương quan nghịch đảo nhiễu bằng phương pháp chiếu.............. 30 2.1.2. Các đặc tính của phương pháp chiếu áp dụng đối với MTI .............................. 34 2.1.3. So sánh các phương pháp MTI ............................................................................... 42 2.2. Tổng hợp hệ thống lọc mục tiêu di động bằng phương pháp chiếu ........................ 43 2.3. Mô hình toán ước tính tổn hao do hệ thống xử lý sơ cấp trong phát hiện tín hiệu có ích .......................................................................................................................... 49
iv 2.3.1. Các tổn hao liên quan đến lấy mẫu theo tần số Doppler trong các bộ tích lũy tương can và không tương can chùm phương vị .................................................. 50 2.3.2. Tổn hao do đa kênh Δ2............................................................................................. 50 2.3.3 Đánh giá tổn hao do thiết bị ổn định mức báo động lầm trong các sơ đồ xử lý giữa chu kỳ khác nhau............................................................................................ 53 2.3.4. Tổn hao phát hiện do lọc xung đơn......................................................................... 57 2.3.5. Tổn hao và hiệu quả xử lý giữa chu kỳ................................................................... 59 2.4. Kết quả nghiên cứu dựa trên dữ liệu thử nghiệm...................................................... 60 2.4.1. Đánh giá thử nghiệm về hiệu quả việc phát hiện các mục tiêu ra đa chống lại nhiễu tiêu cực có các nguồn gốc khác nhau.......................................................... 60 2.4.2. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả phát hiện mục tiêu radar trên nền phản xạ cường độ cao từ địa vật .......................................................................................... 65 2.5. Kết luận chương hai .................................................................................................... 67 CHƯƠNG 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÙ KHỬ NHIỄU TẠP TÍCH CỰC TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄU KHÔNG DỪNG ........................................ 69 3.1. Ảnh hưởng nhiễu không dừng đối với hệ thống bù khử nhiễu tạp tích cực............ 69 3.2. Sơ đồ hệ thống anten thích nghi với các kênh bù khử .............................................. 72 3.3. Tính toán véc tơ trọng số bộ tự động bù khử nhiễu tạp tích cực .............................. 74 3.4. Phương pháp xác định ma trận nghịch đảo khi MTQN suy biến ........................ 77 3.5. Tổng hợp thuật toán nội suy tuyến tính các hệ số bù tự động nhiễu tạp tích cực ... 79 3.6. Đánh giá kết quả mô phỏng về hiệu quả thuật toán nội suy tuyến tính đối với các trọng số bộ tự động bù khử nhiễu tạp tích cực ................................................. 90 3.7. Kết luận chương ba ..................................................................................................... 91 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................... 95
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KCA Hệ số chế áp KCT Hệ số cải thiện KL Hệ số tổn hao KTC Hệ số truyền tín hiệu có ích E Ma trận đơn vị F Tần số (Hz) Fo(𝜃) Giản đồ hướng kênh chính F1(𝜃), F2(𝜃) Giản đồ hướng kênh bù khử F*(𝜃) Giản đồ hướng tổng MNm Modun nhiễu cực đại MSm Modun tín hiệu cực đại Ng Ngưỡng phát hiện Nm[k] Mẫu đường bao phức của nhiễu 𝐍0 (t) Vector cột các biên độ phức điện áp nội tạp Nγ (t) Biên độ phức điện áp nhiễu nguồn γ Nγ Mật độ công suất phổ nhiễu từ nguồn γ P Ma trận chiếu lên không gian con nhiễu PD Xác suất phát hiện PF Xác suất báo động lầm R Ma trận tương quan 𝐑0 Ma trận chéo MxM mật độ công suất phổ nội tạp các kênh thu R-1 Ma trận tương quan đảo S Vector tín hiệu RM[k] Ma trận tương quan điện áp các kênh mạng anten thích nghi RMX[k] Ma trận tương quan các tín hiệu có ích RMN[k] Ma trận tương quan nhiễu T* Dấu chuyển vị và liên hiệp phức
vi U0 [k] Biên độ phức tín hiệu kênh chính X(t) Đại lượng vô hướng mô tả luật thay đổi theo thời gian biên độ phức các dao động tín hiệu chung số tương quan 𝐗(θ) Vector phân bố biên độ - pha tín hiệu ở mặt mở mạng anten 𝐗(νγ ) Vector cột phân bố biên độ - pha các tín hiệu nhiễu nguồn γtại các phần tử mạng anten Xm [k] Mẫu hình bao phức tín hiệu có ích Ym[k] Mẫu hình bao phức tín hiệu và nhiễu Y∑ (t) Tổng có trọng số xử lý không gian 𝐘[k] Vector đường bao phức các tín hiệu mạng anten ở thời điểm k Z Tổng tích phân có trọng số (tín hiệu ra) khi xử lý không gian - thời gian W, 𝐰(s, θ) Vector các trọng số rM Vector các modul tương quan tín hiệu thu Y[k] và tín hiệu chuẩn X0 [k] б2z [K] Phương sai sai lệch tín hiệu đầu ra mạng anten so với tín hiệu chuẩn ∗ YM [k] Vector cột M chiều biên độ phức tín hiệu các kênh bù khử δ(t) Hàm delta-Dỉrac ε(t) Tín hiệu sai lệch ∆fp Dải thông thiết bị xử lý ∆fγ Độ rộng hiệu dụng phổ năng lượng tín hiệu nhiễu ∆fAA Dải thông mạng anten ∆V Độ rộng dải biến thiên tốc độ ∆ω Mất phối hợp tần số các kênh Δ0 Tổn hao do tích lũy không tương can Δ1 Mất mát do lấy mẫu tần số Doppler Δ2 Tổn hao do đa kênh Δ3 Tổn hao do sơ đồ CFAR ω Tần số góc
vii ρ12 Hệ số tương can giữa 2 tín hiệu 20 Băng thông ở mức 3dB φ Pha ban đầu AA Anten mảng (Antenna Array) AAA Anten mảng thích nghi (Adaptive Antenna Array) APAA Anten mảng pha thích nghi (Adaptive Phased Antenna Array) ADC (Bộ) biến đổi tương tự - số (Analog-Digital Converter) ABF Bộ tạo giản đồ hướng thích nghi (Adaptive BeamFormer) ADF (Bộ) lọc tương tự - rời rạc (Analog-Digital Filter) AFC Đặc tính biên-tần (Amplitude Frequency Characteristic) AK (Hệ thống) tự động bù khử (Auto Compensation) ASLC Tự động chế áp búp bên (Auto Side Lobe Cancelation) ULA Mảng anten đều tuyến tính (Uniform Lenear Array) BSF Bộ lọc chặn (Band-Stop Filter or Band-Rejection Filter) BF Bộ tạo giản đồ hướng (BeamFormer) CA Phương pháp CFAR trung bình cửa sổ trượt (Cell Averaging CFAR (CA-CFAR)) CAGO Phương pháp CFAR chọn cực đại từ hai ước tính "trung bình hai bên cửa sổ trượt" (Cell Averaging Greatest Of CFAR (CAGO-CFAR)) CH Thiết bị chuẩn hóa (Normanlization Device) CFAR (Thiết bị) ổn định mức báo động lầm (Constant False Alarm Rate) CFAR-E (Thiết bị) ổn định mức báo động lầm theo năng lượng CFAR-V (Thiết bị) ổn định mức báo động lầm theo tốc độ COMP Bù khử (Compensation) DMI Nghịch đảo trực tiếp ma trận (Direct Matrix Inversion) FFT Biến đổi Furie nhanh (Fast Fourie Transform)
viii GĐH(A) Giản đồ hướng (anten) (Antenna Radiation Pattern) GH Góc hướng IF Hệ số cải thiện (Improve factor) KC Kênh chính (Main Chanel) KDV Khoảng dịch vụ LFH Bộ lọc phối hợp (Matched Filter) LFM Điều tần tuyến tính (Linear Frequency Modulation) LMS Tiêu chuẩn cực tiểu trung bình bình phương (Least Mean Square) LN (Bộ) lọc nén (Compression Filter) MAA Anten mảng modun (Modular Antenna Array) MOS CFAR thống kê xếp hạng cải biên (Modification Ordering Statistic CFAR (MOS-CFAR)) MTD (Bộ) tách mục tiêu đi động (Moving Target Detection) MTQ Ma trận tương quan (Correlation Matrix) MTQN Ma trận tương quan nhiễu (Clutter Correlation Matrix) MUSIC Phương pháp phân loại đa tín hiệu (Multiple Signal Classification) NG Ngưỡng (Threshold) NN Nguồn nhiễu (Jammers Source) NTC Nhiễu (tạp) tích cực (Active Noise Jammer) OS CFAR thống kê hạng (Ordering Statistic CFAR (OS-CFAR)) PBĐP Phân bố biên độ-pha (Amplitude Phase Distribution) RAM Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory) SCR Tỷ số tín/nhiễu SNR Tỷ số tín/tạp SLB Chặn búp bên (Side Lobe Blanking) SLC Chế áp búp bên (Side Lobe Cancelation) SMI Nghịch đảo ma trận mẫu (Sample Matrix Inversion) SUM (Bộ) tổng
ix TBN Thiết bị ngưỡng (Threshold Gate) TBCH Thiết bị chuẩn hóa TBCN Thiết bị chế áp (chống) nhiễu TĐ Tọa độ (Coordinate) TF Bộ tách pha (Phase Detector) TLKTC Tích lũy không tương can (NonCoherent Integration) TLTC Tích lũy tương can (Coherent Integration) TS Trọng số (Weitgh Coefficient) TSB Tách sóng biên độ (Amplitude Detector) VTS Vectơ trọng số (Weitgh Coefficient Vector) XLKG Xử lý không gian (Space Processing) XLKG-TG Xử lý không gian-thời gian (Space-Time Processing) XLTG Xử lý thời gian (Time processing)
x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Sự phụ thuộc hệ số chế áp và chiều rộng vùng lọc chặn đối với các giá trị kích thước chùm phương vị N khác nhau ..................................................37 Bảng 2.2. So sánh các đáp ứng tần số (đặc tuyến tốc độ) ở N = 256 đối với các chùm phương vị không có và có vùng dịch vụ (Hình 2.7) đối với các dải chế áp nhiễu tiêu cực khác nhau...........................................................................40 Bảng 2.3. So sánh các phương pháp MTI (Bù khử qua chu kỳ (sin x/x)n, n- số lần bù khử [7], Bộ lọc có đặc tuyến biên-tần cho trước [32], Bộ lọc IIR [32] và Bộ lọc chiếu theo độ sâu và độ rộng dải chế áp. .............................................42 Bảng 2.4. Đánh giá tổn hao và hệ số cải thiện SCR các sơ đồ MTI ....................60 Bảng 2.5. Kết quả chế áp nhiễu địa vật bằng các bộ lọc có độ rộng khác nhau với vùng lọc chặn ∆F ...........................................................................................62 Bảng 2.6. Kết quả chế áp nhiễu trong các tình huống khác nhau các bộ lọc có độ rộng khác nhau với vùng lọc chặn ∆F .............................................................63
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc rút gọn xử lý không gian - thời gian tối ưu các tín hiệu ..................................................................................................................10 Hình 1.2. Sơ đồ cẩu trúc của mạng anten thích nghi tuyến tính tạo giản đồ hướng...............................................................................................................11 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc mạng tuyến tính thích nghi với các kênh bù khử .........12 Hình 1.4. Giản đồ hướng tổng hợp ở mạng anten số tuyến tính với 2 kênh bù khử ...................................................................................................................13 Hình 1.5. Cấu trúc bộ xử lý thích nghi số ............................................................16 Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc tổng quát MAA ............................................................19 Hình 1.7. Sơ đồ khối bộ tích lũy tương can chùm phương vị ..............................25 Hình 1.8. Sơ đồ phát hiện với tích lũy không tương can và CFAR .....................26 Hình 1.9. Sơ đồ bộ phát hiện với tích lũy tương can - không tương can chùm phương vị..............................................................................................................27 Hình 1.10. Sơ đồ tổng quát của hệ thống ra đa xử lý không gian thời gian ........28 Hình 2.1. Bộ xử lý giữa các chu kỳ với T1 và T2……………………………….33 Hình 2.2. Đáp ứng tần số một bộ tích lũy tương can ...........................................34 Hình 2.3. Đáp ứng tần số bộ lọc với véc tơ trọng số (2.10) khi kích thước chùm phương vị N = 256 .....................................................................................35 Hình 2.4. Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc khi N>100 .................................35 Hình 2.5. Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc khi N>100 .................................36 Hình 2.6. Đáp ứng tần số một trong các bộ lọc để phát hiện các mục tiêu có vận tốc hướng tâm thấp so với nền địa vật và nhiễu tiêu cực dịch chuyển .........36 Hình 2.7. Cấu trúc chùm phương vị với các vùng dịch vụ ..................................39 Hình 2.8. Đáp ứng tần số bộ lọc chiếu (tích lũy tương can) 65 xung ..................42 Hình 2.9. Sơ đồ khối thiết bị lọc mục tiêu di động ..............................................44 Hình 2.10. Nguyên tắc tách tín hiệu phản xạ từ đối tượng tốc độ cao.................48 Hình 2.11. Sự phụ thuộc tổn hao ∆3 tính theo biểu thức (2.37) vào giá trị M cửa sổ tham chiếu và số xung N được tích lũy không tương can ....................56
xii Hình 2.12. Sơ đồ thiết bị lọc xung đơn ................................................................57 Hình 2.13. Tình huống nhiễu địa vật....................................................................61 Hình 2.14. Tình huống đối tượng bay tốc độ thấp và đám mây mưa ..................61 Hình 2.15. Tình huống địa vật và đối tượng trên không ......................................61 Hình 2.16. Tình huống địa vật, đám mây mưa và đối tượng trên không tốc độ thấp ..................................................................................................................61 Hình 2.17. Quan hệ thực nghiệm giữa ngưỡng phát hiện và chiều rộng vùng lọc chặn ................................................................................................................64 Hình 2.18. Đáp ứng tần số bộ lọc chặn-chiếu với 5 “điểm” 0 .............................64 Hình 2.19. Ra đa phát hiện máy bay chở khách thông thường cất cánh từ sân bay Nội bài ...........................................................................................................65 Hình 2.20. Ra đa phát hiện máy bay chở khách thông thường đến để hạ cánh tại sân bay Nội bài ................................................................................................65 Hình 2.21. Kết quả xử lý sơ cấp hai chiều trong mặt phẳng phương vị × các bộ lọc Doppler trước MTI ....................................................................................66 Hình 2.22. Kết quả xử lý sơ cấp hai chiều trong mặt phẳng phương vị × các bộ lọc Doppler sau MTI với dải chế áp hẹp .........................................................66 Hình 2.23. Sử dụng bộ lọc có đáp ứng tần số với dải rộng cho phép tách chùm phương vị khỏi mục tiêu loại bỏ các đối tượng địa vật........................................67 Hình 3.1. Sơ đồ khối xử lý không gian mạng anten…………………………….73 Hình 3.2. GĐH anten các kênh chính và kênh bù ................................................79 Hình 3.3. Sơ đồ chức năng AK NTC ba kênh bù ................................................80 Hình 3.4. Giản đồ thời gian các chế độ hoạt động hệ thống ra đa .......................81 Hình 3.5. GĐH kênh chính anten khi có nhiễu NTC công suất 60 dB ................81 Hình 3.6. Sự phụ thuộc dao động đầu vào và nhiễu đầu ra tại góc quét 𝛽𝑠𝑐𝑎𝑛 = 00 .........................................................................................................82 Hình 3.7. Sự phụ thuộc dao động nhiễu đầu vào và đầu ra khi góc quét 𝛽𝑠𝑐𝑎𝑛 = 0,20 .......................................................................................................82 Hình 3.8. Sự phụ thuộc dao động nhiễu đầu vào và đầu ra khi βscan = 0,60 ....83 Hình 3.9. Sự phụ thuộc dao động nhiễu đầu vào và đầu ra khi 𝛽𝑠𝑐𝑎𝑛 = 100 ....83
xiii Hình 3.10. Đồ thị sự phụ thuộc công suất nhiễu vào góc quay anten: khi tắt AK (các đường cong trên); khi bật AK (các đường cong dưới) ...............84 Hình 3.11. Sự phụ thuộc hệ số chế áp nhiễu vào góc dịch chuyển nguồn nhiễu...... 84 Hình 3.12. Tính cách thay đổi của các trọng số AK NTC được tính đối với từng chu kỳ làm việc, tùy thuộc vào góc quay anten ...........................................84 Hình 3.13. Sơ đồ chức năng thiết bị AK NTC với phép nội suy tuyến tính các hệ số hiệu chỉnh .............................................................................................86 Hình 3.14. NTC ở đầu ra hệ thống AK khi không nội suy tuyến tính trọng số ...87 Hình 3.15. NTC ở đầu ra hệ thống AK khi không nội suy tuyến tính trọng số ...87 Hình 3.16. NTC ở đầu ra hệ thống AK với phép nội suy tuyến tính trọng số, thực hiện theo cách 1 ............................................................................................87 Hình 3.17. NTC ở đầu ra hệ thống AK với nội suy tuyến tính trọng số theo cách 1....................................................................................................................88 Hình 3.18. NTC ở đầu ra hệ thống AK với nội suy tuyến tính trọng số theo cách 2....................................................................................................................88 Hình 3.19. NTC ở đầu ra hệ thống AK với nội suy tuyến tính trọng số theo cách 2....................................................................................................................88 Hình 3.20. Sự phụ thuộc hệ số chế áp nhiễu tạp tích cực vào độ rộng giữa các khoảng dịch vụ .....................................................................................................89 Hình 3.21. Thể hiện tín hiệu đầu ra trước AK NTTC trên mặt phẳng "Tần số Doppler x góc phương vị......................................................................................90 Hình 3.22. Thể hiện tín hiệu đầu ra sau AK NTTC trên mặt phẳng Tần số Doppler × góc phương vị khi không có nội suy tuyến tính, Kch.ápNTTC ≈ 17 dB ......90 Hình 3.23. Thể hiện tín hiệu đầu ra sau AK NTTC trên mặt phẳng Tần số Doppler × góc phương vị với nội suy tuyến tính, Kch.ápNTTC ≈ 22 dB..................91
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Nâng cao khả năng chống nhiễu là vấn đề quan trọng hàng đầu trong thiết kế, cải tiến các đài ra đa với chức năng khác nhau. Một trong những hướng nghiên cứu chủ đạo để giải quyết vấn đề này là lý thuyết xử lý không gian-thời gian (XLKG-TG) và phát hiện tín hiệu trên nền nhiễu, gồm các phương pháp phân tích và tổng hợp thuật toán xử lý tín hiệu trên nền nhiễu phức tạp, lý thuyết đánh giá tối ưu và phương pháp chiếu, sử dụng các thuật toán phi tham số và hệ thống tự động bù khử nhiễu tạp tích cực trong điều kiện nhiễu dừng, không dừng và không đồng nhất. Ứng dụng kỹ thuật xử lý số tín hiệu ngày càng được mở rộng không ngừng và đã thu được nhiều kết quả khả quan. Xử lý tín hiệu ra đa thực hiện trên cơ sở công nghệ xử lý số hiện đại với nhiều ưu điểm như độ tích hợp, tốc độ và độ chính xác tính toán cao, khả năng thay đổi cấu trúc và tham số linh hoạt, lưu trữ dữ liệu lâu dài, ... đang khích lệ việc phát triển và ứng dụng các lý thuyết và thuật toán xử lý mới, trong đó có XLKG-TG tín hiệu ra đa. Để chống nhiễu tích cực, tiêu cực và nhiễu xung, lọc mục tiêu di động, bù khử nhiễu (AK) và tích lũy tín hiệu là những kỹ thuật cơ bản đã được áp dụng từ lâu nhằm nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu. Các thiết bị lọc mục tiêu di động (MTI) sử dụng khác biệt tần số Doppler của sóng điện từ phản xạ từ mục tiêu và nhiễu để chế áp nhiễu tiêu cực. Mạng anten thích nghi trên cơ sở khác biệt hướng đến của sóng điện từ phản xạ từ mục tiêu và nhiễu tích cực thực hiện lọc không gian tín hiệu mục tiêu. Chế áp nhiễu trong anten mạng pha được thực hiện nhờ việc điều khiển các vị trí không của giản đồ hướng (GĐH) và giảm mức các búp sóng phụ ở hướng nguồn nhiễu hoặc bù khử nhiễu. Tuy nhiên, các biện pháp chống nhiễu tiêu cực và tích cực trong điều kiện môi trường tín hiệu - nhiễu phức tạp và nhiễu không dừng cho đến nay vẫn chưa đạt được hiệu quả cao như mong muốn. Chính vì vậy việc “ Nghiên cứu giải pháp xử lý không gian-thời gian thích nghi
2 nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa” là một yêu cầu cấp thiết, vừa có ý nghĩa khoa học về lý thuyết và ứng dụng thực tế cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết xử lý không gian - thời gian tín hiệu ra đa phát triển và triển khai các phương pháp xử lý kỹ thuật số tín hiệu trong ra đa cỡ nhỏ tầm gần để nâng cao khả năng chống nhiễu, tạo điều kiện phát hiện tin cậy mục tiêu trong môi trường nhiễu phức tạp (dừng và không dừng) thông qua việc sử dụng và tích hợp các phương pháp xử lý gần tối ưu. 3. Đối tượng nghiên cứu Các hệ thống chống nhiễu tích cực, tiêu cực và nhiễu xung trong các đài ra đa cảnh giới, đặc biệt là các đài ra đa cỡ nhỏ tầm gần, ra đa bắt mục tiêu bay thấp. Nghiên cứu các giải pháp xử lý không gian, thời gian thích nghi tín hiệu nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu không dừng cho ra đa cảnh giới tầm gần. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, trong đó có lý thuyết xử lý không gian – thời gian tối ưu và thích nghi, lý thuyết đánh giá tối ưu và phương pháp chiếu. Áp dụng phương pháp chiếu để tổng hợp hệ thống chọn lọc các mục tiêu di động, chế áp nhiễu tiêu cực. Đề xuất và sử dụng phép nội suy các trọng số bộ tự động bù khử nhiễu để tăng khả năng chống nhiễu tạp tích cực của hệ thống bù khử nhiễu ra đa xung trong điều kiện nhiễu không ổn định và Tổng hợp về hiệu quả của hệ thống chọn mục tiêu chuyển động dựa trên phương pháp chiếu của quá trình xử lý gần như tối ưu của một loạt xung kết hợp. Chứng minh hiệu quả các đề xuất bằng mô phỏng trên Matlab. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Trong điều kiện Việt nam hiện nay công tác đảm bảo kỹ thuật nhằm mục đích nâng cao khả năng sẵn sàng chiến đấu, cũng như kéo dài tuổi thọ của vũ khí, khí tài là nhiệm vụ quan trọng. Để khai thác hết tính năng kỹ chiến thuật cũng như cải tiến vũ khí trang bị thì phải hiểu chúng một cách sâu sắc và hoàn chỉnh. Do đó, cần nghiên cứu các thuật toán không gian – thời gian trong bài toán lọc mục tiêu di động nhằm chế áp nhiễu tiêu cực, bài toán bù khử để chế
3 áp nhiễu tạp tích cực, cải thiện xử lý tín hiệu trên nền nhiễu + tạp, nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa, nói chung. Trong tác chiến hiện đại yêu cầu về hệ số chế áp nhiễu, cũng như độ rộng dải chế áp đối với đài ra đa ngày càng cao và thường xuyên thay đổi phụ thuộc tình huống trên không và nhiệm vụ cần giải quyết. Vì vậy, các ứng dụng điều khiển thích nghi tần số lặp xung, tham số các thuật toán xử lý không gian - thời gian tín hiệu ra đa đã trở nên phổ biến. Do đó việc “Nghiên cứu giải pháp xử lý không gian -thời gian thích nghi nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu của đài ra đa” kết hợp lọc mục tiêu di động và mạng anten thích nghi, tích hợp hệ thống xử lý giữa chu kỳ gần tối ưu chùm xung tương can với phát hiện tín hiệu bằng sơ đồ CFAR, lý thuyết đánh giá tối ưu và phương pháp chiếu, hệ thống tự động bù khử nhiễu tạp tích cực trong điều kiện nhiễu không dừng là vấn đề cấp thiết vừa có tính khoa học vừa mang tính ứng dụng thực tiễn. 6. Bố cục của luận án: Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và kết luận. Khối lượng của luận án là 104 trang, bao gồm 95 trang của văn bản chính. Danh sách các nguồn được trích dẫn chứa 100 tài liệu tham khảo và được liệt kê trong 9 trang. Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án. Chương 1: Tổng quan về xử lý không gian-thời gian với mạng anten thích nghi và các vấn đề còn tồn tại trong chống nhiễu không dừng cho ra đa anten mạng. Tổng hợp hệ thống phát hiện mục tiêu ra đa trong điều kiện nhiễu và mục tiêu phức tạp. Trên cơ sở các phân tích tổng quan luận án đề ra các vấn đề khoa học cần giải quyết. Chương 2: Đề xuất và áp dụng phương pháp chiếu để tổng hợp một hệ thống xử lý chùm xung tương can nhận được trên nền nhiễu tiêu cực và nội tạp. Phân tích và chỉ ra lợi thế của phương pháp này trong tính véc tơ trọng số so với thủ tục tối ưu. Xây dựng mô hình toán ước tính tổn hao trong hệ thống xử lý sơ cấp trong ra đa cảnh giới tầm gần. Ước tính tổn hao và hệ số cải thiện trong các hệ thống xử lý sơ cấp.
4 Chương 3: Nghiên cứu hệ thống bù tự động nhiễu tạp tích cực trong môi trường nhiễu không dừng với các kênh bù khử theo phương pháp nghịch đảo trực tiếp ma trận tương quan nhiễu Gaussian. Áp dụng thuật toán phép nội suy tuyến tính các hệ số điều chỉnh hệ thống ba kênh bù khử được đề xuất để hạn chế suy giảm hệ số chế áp nhiễu trong điều kiện nhiễu không dừng. Kết luận Trình bày tóm tắt các kết quả đạt được của luận án và nêu xu hướng phát triển tiếp theo, các nghiên cứu dự kiến sẽ thực hiện trong tương lai. Tài liệu tham khảo
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN XỬ LÝ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN CÁC TÍN HIỆU TRONG RA ĐA Chương 1 trình bày tổng quan về nhiễu trong ra đa, xử lý không gian và xử lý thời gian tín hiệu ra đa và các vấn đề còn tồn tại trong chống nhiễu không dừng đối với ra đa cảnh giới tầm gần. 1.1. Nhiễu và khả năng chống nhiễu của ra đa Nhiễu tích cực (chủ ý) do các máy gây nhiễu của đối phương tạo ra nhằm chế áp tín hiệu hoặc giảm hiệu quả hoạt động của các đài ra đa. Nhiễu tích cực có nhiều dạng, trong đó thường gặp nhất là nhiễu tạp (có phổ rộng hơn dải thông của ra đa). Khi bị nhiễu tích cực tác động, nếu ra đa không có các biện pháp chống lại thì máy thu ra đa bị quá tải, mất khả năng phát hiện mục tiêu hoặc cự ly phát hiện bị giảm sút đáng kể và kết quả là không hoàn thành nhiệm vụ chiến đấu. Để chống nhiễu tạp tích cực (NTC) cần phát hiện hướng nguồn gây nhiễu, xác định tham số nhiễu, lựa chọn và thực hiện phương pháp chống nhiễu. Tuy nhiên, tình huống nhiễu cũng thường biến đổi cho nên ra đa cần lường trước khả năng thay đổi phương pháp, chế độ và tham số của thiết bị chống nhiễu. Nhiệm vụ này được thực hiện bằng tay, tự động hóa hay bằng phương thức thích nghi. Trong quá trình phát hiện, bắt và bám sát các mục tiêu trên không nhiễu chủ ý thường gặp là nhiễu tích cực đa điểm (phân bố không đều trong không gian), có thể là nhiễu ngụy trang, nhiễu giả và tác động cả vào búp sóng chính lẫn các búp sóng bên giản đồ hướng anten (GĐHA) [1], [5], [76]. Nhiễu ngụy trang gây khó khăn hoặc chế áp hoàn toàn ra đa, nhiễu giả làm quá tải hệ thống máy tính của ra đa. Chẳng hạn, tác động của nhiễu mang thông tin cao cấu trúc phức tạp dẫn đến các điểm dấu trong máy thu ra đa, tạo thành các quỹ đạo giả hay nhiễu điều chế nghịch đảo công suất xuất hiện trong quá trình quan sát vào những thời điểm mà các nguồn gây nhiễu đó trong không gian không trùng với búp sóng chính GĐHA ra đa làm cho không thể tách được tín hiệu mục tiêu có ích. Vì vậy, trong các đài ra đa hiện tại sử dụng các biện pháp chống nhiễu đa điểm, còn gọi là nhiễu cục bộ,