Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG<br />
KHỐNG CHẾ DẢI ĐỘNG ĐẦU VÀO MÁY THU<br />
ĐÀI RADAR ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC THẾ HỆ MỚI<br />
Vũ Hỏa Tiễn1, Trần Ngọc Quý2, Lê Văn Sâm3*<br />
Tóm tắt: Trong bài báo đã công bố [1], các tác giả đã đề xuất nghiên cứu một<br />
hệ tự động điều khiển thu - phát khép kín có tác dụng khống chế dải động đầu vào<br />
máy thu quan sát. Bài báo này trình bày các kết quả khảo sát, đánh giá hiệu quả<br />
của việc khống chế dải động tín hiệu vào máy thu quan sát (MTQS) đài radar điều<br />
khiển hỏa lực (ĐKHL) thế hệ mới khi thay đổi cấu trúc tín hiệu và công suất máy<br />
phát. Trên cơ sở phân tích các kết quả nhận được, các tác giả sẽ đề xuất lựa chọn<br />
những tham số và đặc trưng cơ bản cần tác động, để tự động khống chế dải động<br />
máy thu trong điều kiện mục tiêu thay đổi cự ly bay trong dải rộng. Từ những lựa<br />
chọn đó xác định bài toán xây dựng luật điều khiển cấu trúc tín hiệu và công suất<br />
máy phát. Kết quả công bố trong bài báo có ý nghĩa quan trọng trong quá trình<br />
hình thành hệ thống tự động điều khiển hệ thu-phát khép kín như đã đề xuất ở [1].<br />
Từ khóa: Radar điều khiển hỏa lực; Bộ điều khiển máy phát; Dải động máy thu; Công suất phát; Cấu trúc<br />
tín hiệu.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Trong công trình [1] tác giả đã đề xuất mô hình tự động thu - phát khép kín như hình 1<br />
(trong đó: ABT- Tự động phát hiện; KĐCT- Khuếch đại cao tần; KĐTT- Khuếch đại trung<br />
tần; R- Cự ly; V- Tốc độ; SGTH- Suy giảm tín hiệu).<br />
<br />
Máy Đồng bộ Bộ F(R;S/N) S/N ABT Lọc số<br />
phát Tín ĐK Luật<br />
hiệu ĐK ĐK<br />
R Hiện APY<br />
Mục tiêu fns1<br />
hình<br />
KĐCT Trộn KĐTT Trộn KĐTT Lọc Trộn KĐTT<br />
1 1 2 2 R -V 3 3<br />
8dB fns2 PPY<br />
Bộ fns3<br />
SGTH 18dB Xung chọn R<br />
24dB<br />
Hình 1. Cấu trúc hệ tự động điều khiển thu – phát quan sát mục tiêu.<br />
<br />
Căn cứ vào những kết quả đã khảo sát trong [1] đối với các đặc trưng dải động D(Rmt), đặc<br />
trưng khuếch đại K(Rmt), biểu thức xác định công suất (Ppx) tín hiệu phản xạ từ mục tiêu theo<br />
cự ly mục tiêu, giá trị cho trước của tỷ số S/N (hay biên độ Sra), ta có cơ sở để khống chế dải<br />
động máy thu đến mức, khi trong hệ thống chỉ cần duy trì duy nhất các mạch APY (tự động<br />
điều chỉnh khuếch đại).<br />
Vấn đề đặt ra trong bài báo này là để khống chế dải động D(Rmt) đầu vào máy thu, ta cần<br />
tác động vào đâu và điều khiển những tham số nào trong hệ thống máy phát, để có được hiệu<br />
quả tốt nhất. Những tham số có thể sẽ cho ta hiệu ứng thu hẹp dải động D(Rmt) khi cự ly mục<br />
tiêu Rmt giảm dần chỉ có thể là tham số quyết định tới cấu trúc tín hiệu như: độ rộng xung x;<br />
chu kỳ lặp lại T0; số lượng xung trong chùm np, và công suất đỉnh xung Ppx.<br />
Phương pháp đánh giá theo tham số, để lựa chọn cho mục đích điều khiển là phương<br />
pháp mô hình hóa toán học theo cách xác định tỉ số tín/tạp (S/N) ở đầu ra máy thu quan sát<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 9<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
(MTQS) [3]:<br />
Ppx G 2 2<br />
x GMTQS nP<br />
S (4 )3 R 4 L (1)<br />
<br />
N ra KTFn GMTQS<br />
<br />
Trong đó: Ppx - Công suất đỉnh xung dò đầu ra máy phát; G – Hệ số khuếch đại anten<br />
phát/thu; - Bước sóng; - Diện tích PXHD của mục tiêu; x – Độ rộng xung phát; GMTQS<br />
– Tổng hệ số khuếch đại MTQS; K – Hằng số Bozman; T - Nhiệt độ tạp âm; Fn – Hệ số<br />
tạp âm MTQS; R - Quy luật thay đổi cự ly của mục tiêu; nP - Số xung được tích lũy, sao<br />
cho đảm bảo tỉ số S/N đạt và vượt ngưỡng cho trước.<br />
Mức độ ổn định dải động D(Rmt) được đánh giá dựa trên nguyên lý thay đổi cự ly mục<br />
tiêu và các tham số trong biểu thức (1) liên quan tới cấu trúc và năng lượng tín hiệu phát ra<br />
không gian sao cho Sra của tín hiệu đầu ra MTQS, kết quả (1), hầu như không đổi, tức là<br />
bằng một giá trị cho trước. Nếu coi mức tạp âm trung bình N là không đổi, ta có:<br />
PpxG2 2<br />
Sra xGMTQS nP (2)<br />
(4 )3 R4 L<br />
Ta cần tìm quy luật điều khiển tham số cấu trúc và công suất tín hiệu hình thành trong<br />
máy phát bảo đảm cho công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chỉ thay đổi trong dải mà<br />
APY của máy thu có thể điều chỉnh, trong khi cự ly mục tiêu thay đổi trong toàn dải cự ly<br />
phát hiện theo tính năng của radar. Để thực hiện nghiên cứu giải pháp được đề xuất, bài<br />
báo này tiến hành các khảo sát trên cơ sở đài radar ĐKHL 30H6E.<br />
2. KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI DẢI ĐỘNG ĐẦU VÀO MÁY THU<br />
THEO CÁC THAM SỐ CƠ BẢN<br />
Theo nguyên lý radar, ta có biểu thức tính dải động (3) và năng lượng tín hiệu đầu vào<br />
MTQS Svào (4) như sau [3, 4, 5]:<br />
S max <br />
D 20log vaomin <br />
(3)<br />
Svao <br />
P G 2 2<br />
Svao p 3 4 x nP (4)<br />
(4 ) R L<br />
Các tham số lựa chọn cho việc khảo sát được lấy từ bộ tham số chiến – kỹ thuật của đài<br />
radar ĐKHL 30Н6Е với: R=(3005)Km; PP=75KW; =3cm; G=42dB; =1.4m2; x=1.49s;<br />
L=10dB; Tần số lặp lại xung phát: FL=100KHz; Thời gian tích lũy chùm xung phản xạ:<br />
Tt/l=2.7ms; Số xung tích lũy cho một thăm dò: np=FL x Tt/l.<br />
Tiến hành mô hình hóa toán học các khối hệ thu-phát radar trên cơ sở (4) và bộ tham<br />
số trên, thực hiện mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK theo sơ đồ hình 2, cho mục tiêu<br />
chuyển động từ cự ly 300km đến 5km, đo mức năng lượng đầu vào máy thu (Svào), ta có<br />
kết quả thể hiện ở hình 3.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống thu - phát radar.<br />
<br />
<br />
10 V. H. Tiễn, T. N. Quý, L. V. Sâm, “Nghiên cứu đề xuất giải pháp… hỏa lực thế hệ mới.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Dải động đầu vào MTQS, theo (3) là: D=71.1dB, với Svào/max=-121.14dB; Svào/min=-192.3dB.<br />
Mức Svào/min=-192.3dB xác định tỷ số S/N ở đầu ra máy thu bằng danh định (1dB) đối với mục<br />
tiêu có =1.4m2, ở cự ly 300Km khi GMTQS = GMTQSmax. Lúc này, APY có hệ số khuếch đại<br />
(HSKĐ) lớn nhất (ngưỡng dưới APY- đường chấm gạch trên hình 3). Tín hiệu đầu vào nếu dưới<br />
ngưỡng này sẽ không quan sát được mục tiêu.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS thay đổi theo cự ly mục tiêu.<br />
Như vậy, giá trị -192.3dB là ngưỡng xác định độ nhạy máy thu. Tương ứng với giá trị này,<br />
ở đầu ra MTQS có tỷ số Sra/N đạt ngưỡng phát hiện.<br />
Từ kết quả thu được ta thấy, khi cự ly mục tiêu giảm dần từ 300Km, thì tín hiệu đầu vào<br />
tăng dần. Để ổn định tín hiệu đầu ra máy thu, APY sẽ tự động giảm HSKĐ tương ứng [1]. Đến<br />
cự ly 154.7Km, tín hiệu vào tăng lên 11.5dB so với ở cự ly 300Km và APY không còn tác<br />
dụng, tức là HSKĐ đã giảm hết cỡ (điểm 1 trên hình 3). Điểm này đánh dấu ngưỡng trên của<br />
APY (đường đứt nét trên hình 3).<br />
Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn ngưỡng này, nếu không có bộ suy giảm tín hiệu (SGTH) đầu<br />
vào hay điều chỉnh khuếch đại bằng tay (PPY) máy thu sẽ quá tải, thông tin trong tín hiệu thu<br />
bị méo, thậm chí mất.<br />
Trong [1] đã đề cập, đài radar ĐKHL 30H6E hiện tại xử lý quá tải máy thu bằng cách<br />
sử dụng PPY và bộ SGTH. Vấn đề đặt ra là tìm giải pháp can thiệp vào hệ thống máy phát<br />
để có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình ổn định dải động D(Rmt) của tín hiệu đầu vào<br />
máy thu, sao cho công suất tín hiệu Svào≤SAPYmax trong toàn dải cự ly thay đổi (3005)Km.<br />
Một trong những giải pháp mang lại hiệu quả và ít tác động vào phần cứng của hệ<br />
thống thu-phát là tự động điều chỉnh cấu trúc tín hiệu và công suất phát theo cự ly mục<br />
tiêu. Từ (4) ta thấy, để ổn định Svào ta có thể điều chỉnh các tham số x, nP, Ppx theo sự<br />
giảm dần của cự ly mục tiêu.<br />
Để có cơ sở đánh giá khả năng tự động điều chỉnh các tham số này, ta cần tiến hành mô<br />
phỏng và khảo sát dải thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (Svào) trong dải làm việc<br />
của APY khi cự ly mục tiêu và tham số tín hiệu thay đổi. Sau đây là những khảo sát cụ thể đối<br />
với những tham số tín hiệu đã chọn trên mô hình mô phỏng hình 2.<br />
3. KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI DẢI ĐỘNG TÍN HIỆU ĐẦU VÀO MÁY THU KHI<br />
THAY ĐỔI CẤU TRÚC TÍN HIỆU VÀ CÔNG SUẤT PHÁT<br />
3.1. Thay đổi độ rộng xung dò<br />
Theo (4), về lý thuyết khi giảm độ rộng xung, giữ nguyên chu kỳ lặp lại thì năng lượng tín<br />
hiệu phản xạ đầu vào máy thu sẽ giảm. Giá trị thay đổi độ rộng xung không phải là vô hạn mà<br />
phụ thuộc vào khả năng máy phát.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 11<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
Nghiên cứu radar ĐKHL thế hệ mới [2, tập 1,2,3] cho thấy, các tham số về độ rộng, chu<br />
chu kỳ, tần số của xung phát xạ đều được thiết lập từ chương trình điều khiển được lưu trữ<br />
trong máy tính chuyên dụng. Do vậy, khả năng thay đổi cấu trúc, trong đó có độ rộng xung<br />
của hệ thống là hoàn toàn có thể và thực hiện bằng phần mềm máy tính.<br />
Theo [2, tập 1, 2, 3,], máy phát có khả năng tạo ra xung phát có các độ rộng khác<br />
nhau, trong đó, độ rộng tối thiểu là 0.66s, tối đa là 1,49s. Do vậy, ta có thể sử dụng<br />
chương trình để điều khiển độ rộng xung trong bộ tạo xung máy phát, tạo ra các xung có<br />
độ rộng thích hợp, làm giảm công suất tín hiệu phản xạ đầu vào máy thu khi cự ly mục<br />
tiêu giảm dần từ mốc 154.74km.<br />
Trên cơ sở bộ dữ liệu đã chọn, cố định các tham số khác, cho mục tiêu chuyển động từ cự<br />
ly 300km - 5km, thực hiện thay đổi độ rộng xung phát từ giá trị x = 1.49s xuống x = 0.66s<br />
bắt đầu từ cự ly 154.74Km. Kết quả khảo sát theo (4) và mô hình mô phỏng ở hình 2 thu được<br />
giá trị Sra thể hiện trên hình 4.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm x=0.66s từ cự ly 154.74Km.<br />
<br />
Từ hình 4, khi độ rộng xung là x=0.66s, tín hiệu vào Svào lúc này giảm từ -180.76dB<br />
xuống -184.3dB (điểm 1-hình 4). Công suất tín hiệu đầu vào giảm 3.5dB nằm dưới ngưỡng<br />
hạn chế của APY. Với kết quả này, khi mục tiêu vào tới cự ly 126Km thì công suất tín hiệu<br />
vào chạm ngưỡng hạn chế của APY (điểm 2-hình 4).<br />
Như vậy, khi giảm độ rộng xung dò, công suất tín hiệu phản xạ giảm, cho phép duy trì việc<br />
phát hiện mục tiêu khi cự ly thay đổi từ 154.74Km xuống 126.2Km.<br />
3.2. Thay đổi tần số lặp lại xung phát<br />
Đài radar ĐKHL sử dụng chùm xung cao tần tương can cận liên tục để quan sát mục tiêu.<br />
Để tăng tỉ số S/N nhằm phát hiện các mục tiêu ở xa, diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ, nó thực<br />
hiện việc tích lũy xung tương can. Số xung tích lũy phụ thuộc vào tần số lặp lại xung dò và<br />
thời gian tích lũy, nghĩa là: nP =Tt/l x FL. Về lý thuyết, theo (4) ta có thể thay đổi tần số lặp lại<br />
xung phát để làm thay đổi số xung tích lũy trong một thăm dò và sẽ làm thay đổi năng lượng<br />
tích lũy chùm xung.<br />
Nghiên cứu [2,tập 1,2,3] cho thấy, tham số tần số lặp của xung phát xạ được thiết lập từ<br />
chương trình điều khiển được lưu trữ trong máy tính chuyên dụng nên hoàn toàn có khả<br />
năng thay đổi chúng. Thực tế, đài radar ĐKHL [2,tập 1,2,3] có một bộ 19 tần số lặp khác<br />
nhau phụ thuộc vào hệ số chia tần số đồng bộ trung tâm f0, trong đó tần số lặp thấp nhất là<br />
82KHz. Như vậy, hoàn toàn có thể giảm tần số lặp từ giá trị 100KHz xuống 82KHz ở chế độ<br />
quan sát mục tiêu.<br />
Tiến hành tiếp theo như khảo sát ở mục 3.1, nhưng thay đổi tần số lặp lại xung phát FL từ<br />
100kHz xuống 82kHz bắt đầu từ cự ly 126.23Km và đo Svào tại đầu vào MTQS ta có kết quả<br />
thay đổi Svào như hình 5.<br />
<br />
<br />
12 V. H. Tiễn, T. N. Quý, L. V. Sâm, “Nghiên cứu đề xuất giải pháp… hỏa lực thế hệ mới.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Kết quả cho thấy, khi tần số lặp lại của xung phát giảm xuống FL=82KHz ở cự ly 126.23Km,<br />
tương ứng với số xung tích lũy là 216 xung, Svào giảm từ -180.7dB xuống -181.7dB. Nghĩa là<br />
dải công suất tín hiệu đầu vào giảm 1dB dưới ngưỡng hạn chế trên của APY. Dải cự ly phát<br />
hiện được duy trì từ 126,63Km tới 119.4Km, tương ứng với điểm 2 tới 3 trên hình 5.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi FL=82KHz ở cự ly 126Km.<br />
<br />
Như vậy, khi thay đổi tần số lặp lại xung dò, hiệu ứng ổn định dải động đầu vào máy<br />
thu trong dải điều chỉnh của các mạch APY chỉ có tác dụng trong dải cự ly nhỏ khoảng<br />
gần 7km.<br />
3.3. Thay đổi công suất xung phát<br />
Để tiếp tục giảm công suất của Svào khi cự ly mục tiêu tiếp tục giảm trong dải<br />
(119.45)Km, theo (4) ta có thể giảm công suất đỉnh của xung dò theo cự ly. Thay đổi<br />
công suất xung dò phụ thuộc vào khả năng của máy phát.<br />
Việc giảm công suất máy phát theo cự ly mục tiêu, theo thuyết minh kỹ thuật của đài radar<br />
ĐKHL, hầu như không có ảnh hưởng tới các chức năng khác của đài. Bởi vì đài РПН làm việc<br />
theo nguyên tắc phân kênh theo thời gian. Chế độ quan sát mục tiêu làm việc độc lập theo thời<br />
gian so với các chức năng khác mà đài đảm nhận.<br />
Về khả năng của máy phát, theo [2,tập 1,2,3] cho thấy, máy phát có thể làm việc ở chế<br />
độ công suất thấp với mức giảm là 20dB so với công suất toàn bộ. Theo [2 tập 1,2,3], công<br />
suất xung cực đại của máy phát là 75kW, do vậy ta tính được công suất thấp nhất có thể<br />
giảm của máy phát là:<br />
20dB=10log(Pmax/Pmin). Mà Pmax=75KW nên Pmin=750W.<br />
Để đảm bảo dải động tín hiệu vào luôn nằm trong dải làm việc của APY, cần thiết phải<br />
chia làm 2 lần giảm công suất phát.<br />
a) Giảm công suất xung phát lần 1<br />
Nếu chạy mô phỏng ở mục 3.2 và tiến hành giảm Pp=7000W bắt đầu từ cự ly 119.4<br />
(điểm 3) trên hình 5, ta nhận được kết quả như trên hình 6:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm PP=7000W ở cự ly 119.4Km.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 13<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
Như vậy, ở đây khi giảm công suất xung dò xuống PP=7000W ở cự ly 119.4Km (điểm 3-<br />
hình 6), thì công suất tín hiệu phản xạ Svào giảm từ -180.76dB xuống -191.1dB. Nghĩa là dải<br />
công suất tín hiệu vào thay đổi (giảm) 10.3dB và nằm trong dải làm việc của APY. Dải thay<br />
đổi công suất tín hiệu phản xạ mục tiêu này tương ứng với dải thay đổi cự ly mục tiêu từ<br />
119,4Km (điểm 3-hình 6) xuống cự ly 66Km (điểm 4-hình 6) thì chạm ngưỡng trên của APY.<br />
b) Giảm công suất xung phát lần 2<br />
Tiếp tục chạy mô phỏng của điểm a) mục 3.3 nhưng tại cự ly 66Km (điểm 4 - hình 6), nếu ta<br />
giảm công suất xung dò lần thứ 2 từ 7000W xuống còn 750W, thì sẽ nhận được kết quả khảo sát<br />
như trên hình 7.<br />
Khi PP=750W bắt đầu từ cự ly 66Km (điểm 4 - hình 7), Svào giảm từ -180.76dB xuống<br />
-190.46dB. Nghĩa là dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS giảm xuống gần 10dB và nằm<br />
trong dải làm việc của APY. Duy trì công suất này ta thấy khi mục tiêu vào tới cự ly<br />
37.7Km (điểm 5 - hình 7) thì Svào chạm ngưỡng trên APY, MTQS bắt đầu quá tải. Như<br />
vậy, khi thay đổi công suất phát lần 2 cự ly mục tiêu làm MTQS quá tải thay đổi từ 66Km<br />
xuống 37.7Km.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm PP=750W ở cự ly 65.9Km.<br />
3.4. Sử dụng suy giảm số 8dB đầu vào máy thu<br />
Những kết quả khảo sát ở các mục (3.1)-(3.3) cho thấy, bằng những biện pháp điều<br />
chỉnh cấu trúc tín hiệu dò và công suất máy phát, dải công suất tín hiệu phản xạ từ mục<br />
tiêu ở đầu vào máy thu đã được khống chế trong dải tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại<br />
(APY) tương ứng với dải thay đổi cự ly mục tiêu từ 300km đến 37,7km. Qua phân tích<br />
kết quả, ta nhận thấy là dải động đầu vào máy thu còn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích<br />
phản xạ hiệu dụng (PXHD) của mục tiêu. Trong tất cả những khảo sát đã thực hiện, ta cố<br />
định diện tích PXHD mục tiêu là =1.4m2. Như vậy, trong những trường hợp, nếu diện<br />
tích này nhỏ (