intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu thiết kế bộ bù tương quan cho hệ thống phát hiện mục tiêu thiết bị bay có điều khiển

Chia sẻ: Nguyễn Tình | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

26
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày nghiên cứu lý thuyết, các phân tích về cấu tạo đầu thu, đặc điểm tín hiệu, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ cấu trúc và mô tả nguyên lý hoạt động của bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện mục tiêu, đưa ra mô hình toán học thực hiện thuật toán này.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu thiết kế bộ bù tương quan cho hệ thống phát hiện mục tiêu thiết bị bay có điều khiển

  1. Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BÙ TƯƠNG QUAN CHO HỆ THỐNG PHÁT HIỆN MỤC TIÊU THIẾT BỊ BAY CÓ ĐIỀU KHIỂN Đỗ Tuấn Cương1, Vũ Anh Hiền1*, Tô Bá Thành2 Tóm tắt: Bài báo là kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu trên nền nhiễu chủ động để phát hiện mục tiêu của một tổ hợp thiết bị phát hiện thụ động. Bài báo trình bày nghiên cứu lý thuyết, các phân tích về cấu tạo đầu thu, đặc điểm tín hiệu, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ cấu trúc và mô tả nguyên lý hoạt động của bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện mục tiêu, đưa ra mô hình toán học thực hiện thuật toán này. Các kết quả mô phỏng, được thực hiện trong môi trường Matlab/Simulink và Proteus làm tường minh các phân tích lý thuyết, là cơ sở thiết kế mạch điện bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện mục tiêu. Từ khóa: Bù tương quan; Thiết bị bay có điều khiển; Matlab/Simulink; Proteus. 1. MỞ ĐẦU Để phóng thành công một thiết bị bay tự dẫn theo mục tiêu, việc phát hiện được mục tiêu trước khi phóng, nhất là trong các trường hợp bị gây nhiễu chủ động, rất quan trọng. Thu tín hiệu mục tiêu (có kèm nhiễu) do cảm biến trên thiết bị bay, xử lý tín hiệu để phát hiện, xác định điều kiện phóng do thiết bị phóng mặt đất đảm nhận. Thiết bị bay khi còn ở trên mặt đất và thiết bị phóng tạo thành một hệ thống thống nhất. Trong hệ thống, tín hiệu mục tiêu được lọc khỏi nhiễu, tích lũy theo thời gian và so sánh với một ngưỡng theo một tiêu chí xác định, khi vượt ngưỡng mục tiêu được phát hiện với một xác suất cho trước. Điều này đảm bảo cho thiết bị bay bám sát tin cậy mục tiêu sau khi phóng. Để thực hiện lọc tín hiệu một trong các thuật toán được sử dụng là bù tương quan [2, 3]. Ở nước ta, ít có các nghiên cứu và ứng dụng về lĩnh vực này. Nhóm tác giả, trên cơ sở nghiên cứu một nguyên mẫu một bộ phát hiện mục tiêu của nước ngoài, tiến hành thiết kế “ngược” để xác định thuật toán xử lý tín hiệu. Từ đó làm chủ thiết kế, chế tạo mẫu tương đương. Bài báo này trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết, phân tích nguyên mẫu, xây dựng mô hình và mô phỏng một bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện mục tiêu và một số kết quả thực tế đã đạt được. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Xác định mô hình tín hiệu 40' Quang trở kênh bù Quang trở kênh chính (a) (b) Hình 1. Phổ bức xạ của mục tiêu và nhiễu chủ động một cách định tính (a); Bố trí của các quang trở kênh “C” và “B” trong các mặt phẳng tiêu cự của hệ quang (b). Mô hình tín hiệu cho thực hiện thuật toán bù tương quan được xây dựng nhờ các biện pháp sau trong hệ thu quang điện tử trên thiết bị bay: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 11
  2. Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay + Sử dụng hai quang trở cho hai kênh chính (C) và bù (B). Vật liệu chế tạo quang trở kênh C và kênh B khác nhau dẫn tới quang trở kênh C nhạy với ánh sáng hồng ngoại bước sóng 3-5μm, quang trở kênh B nhạy với ánh sáng hồng ngoại bước sóng 0.5-1.5μm. Một cách định tính bức xạ mục tiêu và nhiễu được các quang trở kênh C và B thu nhận được thể hiện trên hình 1a. + Hai quang trở được đặt lệch pha với nhau một góc 15-200. Quang trở kênh C đặt chậm pha so với quang trở kênh B, hình 1b. Độ rộng quang trở kênh C bằng 30’, độ rộng quang trở kênh B rộng 40’. Từ các giải pháp chủ động nêu, các tín hiệu thu của các kênh C và B có các đặc điểm riêng và tương quan với nhau một cách xác định. 2.2. Tổng quan về bộ lọc thích nghi với bộ bù tương quan Một bộ lọc thích nghi có bù tương quan thực hiện lựa chọn không gian các tín hiệu thu được từ các kênh thu khác nhau. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc như sau. Uc Σ UR UB X -k X Hình 2. Bộ lọc nhiễu tích cực thích nghi sử dụng bộ bù tương quan. Đầu vào của bộ lọc có tín hiệu kênh C và kênh B. Tín hiệu U C (t ) là nhiễu thu được của kênh chính. Tín hiệu U B (t ) là nhiễu thu được của kênh bù. U R (t )  UC (t )  k.U B (t ) (1) Trong bộ bù X , mô men tương quan U R (t )U B (t ) đặc trưng cho mối quan hệ giữa tín hiệu U R (t ) và tín hiệu nhiễu kênh bù thu được U B (t ) được tính ra. Mô men tương quan là một hàm số phụ thuộc vào U C (t ) và U B (t ) . Bộ phản hồi tương quan tính ra mô men tương quan k với độ chính xác tới một thừa số χ cố định và được sử dụng như là một thừa số điều khiển. k   .U R (t )U B (t ) (2) Từ (1) và (2) xác định được k theo U C (t ) và U B (t ) như sau:  .U C (t )U B (t) k 2 1   U B (t ) Còn tín hiệu U R (t ) như sau:  .U C (t )U B (t) U R (t )  U C (t)  2 .U B (t) (3) 1   U B (t ) Từ hệ thức (3) rút ra rằng: khi χ đủ lớn và tương quan đủ giữa U C (t ) và U B (t ) (ví dụ U B (t )  U C (t ) ) thì xảy ra bù nhiễu hoàn toàn. 12 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế … thiết bị bay có điều khiển.”
  3. Nghiên cứu khoa học công nghệ Nhóm tác giả phân tích nguyên mẫu và xác định rằng, để hiện thực hóa thuật toán phát hiện tín hiệu mục tiêu biết trước [4], nguyên mẫu áp dụng quy tắc phát hiện: Hˆ 1  Z ZN (4) ˆ H0 Trong đó, Z là tích phân tương quan: Z   y(t)s(t)dt . Tại giả thuyết H1: y(t)=s(t)+n(t) tương quan trung bình lớn hơn tại giả thuyết H0, khi đó, y(t)=n(t). Mức ngưỡng ZN phụ thuộc vào tiêu chí phát hiện. Tiêu chí thường được sử dụng là tiêu chí Neiman-Pirson ZN được xác định với mức báo động nhầm cho trước. Khi tín hiệu “MT” cao vượt trên tín hiệu “N” tại đầu ra bộ ngưỡng hình thành tín hiệu thông báo. Tiêu chí đánh giá cụ thể trong cơ cấu phóng trong trường hợp này là đảm bảo tỷ lệ tương quan sao cho sau khi phóng thiết bị bay bắt và bám sát mục tiêu tin cậy ổn định. 2.3. Bộ bù tương quan cơ cấu phóng thiết bị bay có điều khiển Nghiên cứu nguyên mẫu và cơ sở lý thuyết về bù tương quan, các tác giả xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ bù tương quan , trong đó, khối X xác định hệ số -k. Bộ bù tương quan hình thành thừa số bù k sao cho tín hiệu “N” (nhiễu) trong kênh B cân bằng với tín hiệu “N” trong kênh C để tạo điều kiện cho tách tín hiệu “MT” (mục tiêu) khỏi “N”. Giả sử, tại thời điểm ban đầu tại đầu ra bộ tích phân có một điện áp k’ nào đó, điện áp này được lấy trung bình trong mạch lấy giá trị trung bình (average detector). Nhờ có sự làm việc của bộ bù hiệu chỉnh tại đầu ra của bộ nhân (1) có: U1= UB.k’ Trong mỗi khoảng khắc tức thời U1 ngược về pha so với điện áp UC. Như vậy, tại đầu ra bộ tổng Σ điện áp: UR = UC – UB.k’ Điện áp UR được lọc lấy thành phần tần số thấp sau khi qua bộ lọc thông thấp (LF). Để khôi phục tính tương can tín hiệu UΣ với tín hiệu UB bộ giữ chậm τ và bộ nhân (2) được sử dụng. Điện áp UΣ’ được tích phân và được phản hồi tới bộ nhân (1). Quá trình xác lập được thiết lập khi: UR = UC - UB.k’ ≈ 0 và k = k’, k là giá trị xác lập của k’. Khi tương quan UC, UB thay đổi, k biến đổi theo để sao cho UR luôn luôn bám sát mức 0. Như vậy, ở đây ta thấy, giá trị k phụ thuộc vào tương quan UC, UB và là một hàm số: U  k f B   UC  Hàm số này thỏa mãn các điều kiện sau:  U  1 khi  B      UC  k    UB  U  f   khi  B      UC   UC  Như vậy, khi tín hiệu C trội rõ ràng so với B, bộ tích phân bão hòa, bộ bù tương quan bị ngắt. U  Khi  B    điện áp ra của bộ tích phân tiến tới không, UR= UC, suy ra xảy ra việc cân bằng  UC  tín hiệu “N” trong kênh B với tín hiệu “N” trong kênh C; Khi UB=0 thì đầu ra bộ tích phân có thể có giá trị cố định âm hoặc dương cực đại. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 13
  4. Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ BÙ TƯƠNG QUAN VÀ MÔ PHỎNG Trên cơ sở phân tích lý thuyết và khảo sát thực tế, nhóm đề tài đã thực hiện mô hình hóa bộ bù tương quan trên môi trường Matlab/Simulink như sau: Hình 3. Mô hình hóa bộ bù tương quan trên môi trường Matlab/Simulink. Trong mô hình trên, khối máy phát OК-BК mô phỏng các tín hiệu trên kênh chính (C) và kênh bù (B); bộ bù tương quan gồm bộ lọc E7.14, E3.14; bộ tích phân E3.1, các bộ nhân XY1, XY2 và bộ giữ chậm De02. Khi tín hiệu trên kênh C và kênh B ổn định, không thay đổi, mô phỏng bộ bù tương quan sẽ cho kết quả sau: Hình 4. Kết quả mô phỏng khi tín hiệu kênh C và kênh B ổn định. Trên đồ thị tín hiệu “SUM”, ta thấy, tín hiệu từ “N” giữa hai kênh C và B giảm dần về giá trị 0 (trong công thức 1: U R (t )  0 ), tín hiệu từ “MT” gần như không thay đổi. Hình 5. Kết quả mô phỏng đã được giãn cách một phần trục thời gian. 14 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế … thiết bị bay có điều khiển.”
  5. Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên hình 5 thể hiện một phần kết quả mô phỏng sau khi đã được giãn trục thời gian để quan sát rõ hơn quá trình tiến tới 0 của tín hiệu U R (t ) (“SUM”). Khi tín hiệu từ “MT” biến thiên theo tương quan, tín hiệu “SUM” cũng thể hiện theo đúng tương quan giữa kênh C và kênh B. Qua mô phỏng, nhận thấy rằng: + Tín hiệu từ “MT” gần như không bị ảnh hưởng, thuật toán chỉ thực hiện bù tín hiệu từ “N” trên các kênh C và kênh B. + Mô hình toán học của bộ bù tương quan ta xây dựng đã làm việc phản ánh đúng bản chất của thuật toán bù tương quan như đã phân tích tại mục 2.2. Các giản lược được thực hiện không ảnh hưởng tới nguyên lý. Trên cơ sở các kết quả mô phỏng Matlab Simulink làm rõ về nguyên lý, thuật toán, để thiết kế mạch điện, điều chỉnh tham số chi tiết, nhóm tác giả đã xây dựng sơ đồ điện, thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Proteus. Trong khuôn khổ của bài báo các tác giả không trình bày cụ thể. Nội dung này đã được viết trong chuyên đề “Thiết kế tổng hợp, mô phỏng mạch lọc mục tiêu khổi nền nhiễu có tổ chức, mạch bù tương quan” thuộc một đề tài nghiên cứu của các tác giả. 4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Trên cơ sở phân tích và khảo sát bộ bù tương quan thông qua các mô hình Matlab/Simulink và Proteus, các tác giả đã tiến hành thiết kế, chế tạo mạch điện bảng mạch chức năng phát hiện mục tiêu trong thành phần cơ cấu phóng. Trong đó, bộ phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực với bộ bù tương quan là một trong ba thành phần tương đối độc lập của bảng mạch. Bộ bù tương quan cho hệ thống phát hiện mục tiêu thiết bị bay có điều khiển được thiết kế bằng các vi mạch theo thuật toán xử lý đã trình bày ở trên. Các tác giả đã tiến hành thử nghiệm hoạt động chức năng trong điều kiện phòng thí nghiệm, kiểm tra, hiệu chỉnh và đo đạc đánh giá tham số so với chỉ tiêu. Dưới đây là kết quả kiểm tra tham số đạt được như sau: Bảng 1. Bảng kiểm tra tham số bộ bù tương quan trong điều kiện phòng thí nghiệm. Tên tham số kiểm tra Chỉ tiêu Giá trị đo được Ghi chú Tương quan các điện áp UMT.C/UN.C khi UN.B/UN.C=7 mà khi đó xuất hiện Kiểm tra phát các tín hiệu xung tại đầu ra bộ hiện mục tiêu ngưỡng, khi các tín hiệu N.C: khi cố định UN.B/UN.C, thay UN.C = 100 mV: 1,6 ± 0,05 1,57 đổi tín hiệu UN.C = 50 mV: 1,5…1,8 1,6 N.C UN.C = 200 mV: 1,5…1,8 1,62 5. KẾT LUẬN Các tác giả đã nghiên cứu nguyên mẫu, thực hiện quá trình thiết kế “ngược” để giải mã thiết kế, nắm được thuật toán xử lý phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực sử dụng bù tương quan. Trên cơ sở thuật toán đó đã xây dựng các mô hình bộ bù tương quan bằng các công cụ Matlab/Simulink và Proteus, đã tiến hành khảo sát hoạt động của mô hình bộ bù tương quan, xác định sơ bộ các yêu cầu đối với các khâu chức năng, cụ thể hóa trên mô hình Proteus. Từ đó, các tác giả đã thiết kế chế tạo bảng mạch phát hiện mục tiêu của thiết bị phóng trong đó có bộ phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực với bộ bù tương quan. Bảng mạch đã được đo đạc, kiểm tra, đánh giá đạt các chỉ tiêu tham số theo yêu cầu. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 15
  6. Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bernard Widrow, Samuel D Stearns, “Adaptive Signal processing”, Prentice-Hall. Inc 1985, trang 16, 276, 318. [2]. Д.Н. Ивлев, И.Я. Орлов, А.В. Сорокина, Е.С Фитасов, “Адаптивные алгоритм компенсации помех”, Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2014.- 88 с. [3]. В. П. Бердышев, Е. Н. Гарин, А. Н. Фомин [и др.], “Радиолокационные системы” под общ. ред. В. П. Бердышева, г. Красноярск, 2011. – 400 с/Глава 3, Основы статистической теории обнаружения падиолокационных сигналов. [4]. Н. Гряник, С.Н. Павликов, Е.И. Убанкин, “Средства радиоэлектронного наблюдения”, изд. ВГУЭС, г. Владивосток, 2006. ABSTRACT DESIGNING AND IMPLEMENTATING A CORRELATION COMPENSATOR FOR THE TARGET DETECTING SYSTEM IN CONTROLLED FLYING VEHICLE The paper is the result of research in the field of signal processing with active jamming for detecting system in passive detector. The paper presents basic theory, analysis of the receiver structure, signal characteristics, block diagram, structure diagram and operation principle of the correlation compensator in the detecting system. It also describes a mathematical model to implement Correlative compensation algorithm. The simulation results, performed in Matlab/Simulink and Proteus environments, show the consistency between mathematical model and circuit. That is the basis for practical design of correlation compensator for target detecting system. Keywords: Correlative compensation; Flying object with controller; Matlab/Simulink; Proteus. Nhận bài ngày 06 tháng 10 năm 2020 Hoàn thiện ngày 27 tháng 11 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 02 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa/Viện KH-CN quân sự; 2 Phòng QLKHCN/Viện KH-CN quân sự. * Email: vahienbk@gmail.com. 16 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế … thiết bị bay có điều khiển.”
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2