56
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP TÍCH LŨY TƯƠNG QUAN VÀ LỌC SỐ ĐỂ TÁCH MỤC TIÊU RAĐA DI ĐỘNG
THE COMBINATION METHOD OF CORRELATION ACCUMULATION AND DIGITAL FILTERING FOR DETECTING MOVING
RADAR TARGETS
Trần Văn Nghĩa (1), Đặng Trung Hiếu (2), Trương Hữu Đông Hà (3), Nguyễn Văn Linh (3)
(1)
Học viện Phòng không-Không quân,
(2)
Trường Đại học Điện lực,
(3)
Viện Kỹ thuật Phòng không-Không quân
Ngàynhậnbài:24/06/2024,Ngàychấpnhậnđăng:25/07/2024,Phảnbiện:TS.LưuĐứcThọ
Tóm tắt:Trong bài báo này, trước tiên các tác giả nghiên cứu các phương pháp tách mục tiêu rađa di động truyền thống, sau đó, các tác giả đề xuất phương pháp kết hợp tích lũy tương quan và lọc số cho tín hiệu rađa có điều tần tuyến tính (Linear Frequency Modulation - LFM). Các kết quả thực hiện bằng công cụ System Generator và thử nghiệm trên FPGA cho thấy khả năng triển khai thực tế phương pháp đề xuất.Từ khóa: Hệ thống rađa điều chế tần số tuyến tính, tích lũy tương quan, bộ lọc số, bộ phát hiện mục tiêu rađa dịch chuyển.Abstract:In this paper, the authors rst investigate traditional methods for detecting moving radar targets, and then propose a approach which combines correlation accumulation and digital ltering for radar signals with linear frequency modulation (LFM). The implementation results via the System Generator tool and FPGA testing demonstrate the practical feasibility of the proposed method.Keywords: Linear frequency modulation radar system, correlation accumulation, digital lter, moving radar target detector.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, các thiết bay không người lái UAV
(UnmannedAerialVehicle)vàcácthiếtbịbaycỡ
nhỏnhưFlyCamđượcứngdụngvàsửdụngrộng
rãitrênnhiềulĩnhvựcđờisốngxãhội,gópphần
tíchcựcvàosựpháttriểnxãhội.Tuynhiên,chúng
cũngđemđến nhiềumặttráikhi bị lợidụngđể
tiếnhànhmộtsốhoạtđộnggâynguyhạitớiquốc
phònganninh,antoànhàngkhôngvàtrậttựxã
hội.Dođó,việcpháthiệnUAV,FlyCamvàcác
vấnđềxửlýtínhiệuứngphóvớihoạtđộngcủa
chúnglàchủđềmangtínhcấpthiết.
Trongnhữngnămgầnđây,việcnghiêncứuvàthử
nghiệmcácthuậttoánxửlýtínhiệurađađiềutần
tuyếntínhLFMđangđượcquantâmmạnhmẽnhờ
vào khảnăngpháthiệnmụctiêuở cựlyxa hơn
đồngthờicũngcókhảnăngphânbiệtcaohơntheo
cựly[1]-[5].Trongsốđócónhiềuthuậttoánhiệu
quảđượctriểnkhaiứngdụngthựctiễntrongcácđài
rađahiệnđại.Đặcbiệt,nhờvàogiảiphápđềxuất
trong[5,6],máythurađacóthểphânbiệtđượccác
đốitượngbayđến2–3m(xemHình1),phùhợpcho
việcpháthiệncácthiếtbịbaykhôngngườiláiUAV
cỡnhỏvàFlyCam.
57
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Hình 1. Tín hiệu thu rađa LFM phản xạ từ 3 mục tiêu sau nén xung [5]
Tuynhiên,cácUAVcỡnhỏvàFlyCamchủyếu
bayởđộcaothấp,dẫnđếntínhiệuthurađabao
gồmkhôngchỉtínhiệuphảnxạtừcácmụctiêu
cầnquantâm,màcòncáctínhiệutừđịavậtcố
địnhnhưmặtđất,câycối,đồinúihaycáccông
trình xây dựng, ...) và từ các đối tượng chuyển
độngchậm(vídụ,đámmâychuyểnđộngvớitốc
độgió,chimtrời,luồngkhíthảitừcácnhàmáy,
...).Tínhiệuphảnxạtrênđượcgọichunglànhiễu
tiêucựchaynhiễuđịavậtvàđôikhichúngche
lấpmụctiêuhiểnthịtrêncácmànhìnhhiệnsóng
chuyêndụnggâykhókhănchoviệcquansát,xửlý
tínhiệuvàđưaraquyếtđịnhcầnthiết.Chínhvìthế
yêucầuđặtralàcầnphảitáchđượcthôngtincủa
mụctiêuquantâmtừcácloạinhiễunày.
Cácmụctiêukhichuyểnđộngsẽtạoratrongtín
hiệuthumộtlượngtầnsốthayđổibởihiệuứng
Doppler[6,7].Địavậtcóchuyểnđộngtươngđối
bịgiớihạnsovớirađanêntồntạisựkhácbiệtvề
lượngtầnsốDopplergiữamụctiêuquantâmvới
địavậtkhôngmongmuốn.Cụthểlà,mậtđộphổ
côngsuấtcủatínhiệuthusẽtậptrungxungquanh
tầnsốDCf=0.Tuynhiên,đốivớicácrađacó
LFM,tínhiệuphátvàokhônggiancótầnsốthay
đổi,điềunàytươngđươngvớiviệctạorasựdịch
chuyểntươngđốigiữađàirađavàđịavật,đođó
gâykhókhănchoviệctáchtínhiệucủacácmục
tiêudiđộngtừđịavậtvớicácphươngpháptruyền
thống[6,7].
Bàibáotrìnhbàycácphươngphápsốtáchmục
tiêu rađa di động (TMTDĐ) và đề xuất phương
pháphiệuquảTMTDĐchorađasửdụngtínhiệu
bức xạcậnliên tục cóđiềutầntuyến tính, triển
khaithửnghiệmphươngphápđềxuấttrênFPGA.
Phươngphápđềxuấtcókhảnăngápdụngchocác
hệthốngrađaLFMhiệnđạingàynay,xửlýđược
vớitínhiệuphảnxạtừUAV,FlyCamkhicócác
phươngphápnénxungthíchhợp.
Cấutrúccácphầntiếptheocủabàibáobaogồm:
phần2phântíchmộtsốphươngphápsốtáchmục
tiêu rađa di động liên quan và đề xuất phương
pháptíchlũytươngquankếthợplọcsố,phần3
thửnghiệmphươngphápđềxuấttrênphầncứng
FPGAvàphần4đưarakếtluậncủabàibáo.
2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SỐ TÁCH MỤC TIÊU RAĐA DI ĐỘNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍCH LŨY TƯƠNG QUAN2.1. Các phương pháp số tách mục tiêu di động truyền thống
Các phương pháp số tách mục tiêu di động
(TMTDĐ)truyềnthốngcóthểchungquylạivề
mộthệthốngsốchunghoặcdướidạngbộlọcsố
đượcmôtảbằngphươngtrìnhhiệusố:
( )
0 1
( ) ( ) ( ) ( )
L M
i i
y n a i x n i b i y n i
= =
= − − −
∑ ∑
(1)
trongđóx(n)làtínhiệuđầuvàoởthờiđiểmthứn,
y(n)làtínhiệuđầuraởthờiđiểmthứn,a(i),b(i)
làcáchệsốtrọngsố,Llàbậccủabộlọc.
Khimộttrongcáchệsốb(i)≠0thì(1)sẽmôtảbộ
lọchồiquy(IIR),trongđó,tínhiệuđầurakhông
nhữngchỉphụthuộcvàotínhiệuđầuvàoởthời
điểmhiệntạivàcácthờiđiểmtrướcđómàcòn
58
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
phụthuộcvàocảtínhiệuđầuraởcácthờiđiểm
trước.Khitấtcảcáchệsố b(i) =0thì(1)trởthành:
( )
0
( ) ( )
L
i
y n a i x n i
=
= −
∑
(2)
bộlọcnàygọilàbộlọckhônghồiquy(FIR),tín
hiệurachỉphụthuộcvàotínhiệuđầuvào.
Thựchiệnbộlọchồiquycầnsốkhâulọcíthơnso
vớithựchiệnbộlọckhônghồiquycóđặctuyến
tươngđươngvớinó.Tuynhiên,bộlọckhônghồi
quyluônổnđịnh,trongkhiđóbộlọchồiquysử
dụngphảnhồidễmấtổnđịnhvàsaisốtíchluỹ[1].
Cơsởđểtáchmụctiêudiđộnglàdựavàosựdịch
chuyểntầnsốDopplertrongtínhiệuthuđượcso
vớitầnsốsóngmang.DịchchuyểntầnsốDoppler
đượcxácđịnhbằngbiềuthức:
0
2 2
d
f f
c
ν ν
λ
= ± = ±
(3)
Trongđó,clàvậntốcánhsáng,vlàvậntốcmục
tiêu,f
0
vàλlàtầnsốvàbướcsóngtínhiệu.
Hình 2. Quá trình lọc theo phương pháp trừ qua chu kỳ. (a) Phổ tín hiệu phản xạ; (b) Đặc tính biên độ tần số bộ lọc; (c) Phổ tín hiệu đầu ra bộ lọc
Cácloạinhiễucótầnsốthấp,quanhvùngtầnsố0
nêncácbộlọcđểTMTDĐcóđặctínhthôngdải
[1].MộtdạngcụthểbộlọcdùngđểTMTDĐcó
thểtìmthấytrongcácđàirađahiệnnaylàcácbộ
lọcsố/tươngtựtheophươngpháptrừquachukỳ
(Hình2)[8].
Cácbộlọcsốcũngcóthểthựchiệnhiệuquảbằng
biếnđổiFourierrờirạc(DFT)[1],[2].DFTthực
hiện biến đổi chuỗi N giá trị rời rạc x(n) trong
miềnthờigianthànhchuỗiX(k)trongmiềntầnsố.
1
2 /
0
( ) ( )
N
jnk N
n
X k x n e
π
−
−
=
=
∑
(4)
BảnchấtphépbiếnđổiDFTchínhlàthựchiệnN
bănglọcsốmắcsongsongkhônghồiquy(Hình
3).Bộlọcmụctiêudiđộngtheophươngpháplọc
sốbằngbiếnđổiFourierđượcchỉraởHình4cho
phépđiềuchỉnhđặctínhbiênđộtầnsốcủabộlọc
theoyêucầunhờhàmcửasổ.
2.2. Phương pháp tích lũy tương quan đề xuất cho tách mục tiêu di động
PhươngpháplọcsốdùngDFTcóưuđiểmthựchiện
đượcbộlọccóđặctuyếnbấtkỳ.Tuynhiên,nhược
điểmcủanólàsửdụngcặpDFT/IDFT làmtăng
đángkểđộphứctạptínhtoánvàtrễ.
Dựa trên tính đơn giản của phương pháp bù qua
chukỳ,bàibáođềxuấtphươngpháptíchlũytương
quankếthợpFFT.Quátrìnhtíchlũygồm64chukỳ
vàmỗichukỳlấymẫu512điểmđượcmôtảởHình
5vớicácbướcsau:
-Trongmỗimộtchukỳquétkhônggianrađa,các
mẫutínhiệuđượcghivàobộnhớtheochiềudọc;
-Trongcácchukỳquétkhônggianrađa,tínhiệu
đượcghivàobộnhớtheohàng;
-Quátrìnhđọcrađượcthựchiệntuầntựtheohàng
rồiđưasanglọcsốbằngcặpFFT/IFFT.
Nhưvậysauquátrìnhtíchlũytínhiệumụctiêu
sẽ có dạng dao động theo tần số Doppler còn
59
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
nhiễu có giá trị gần như không đổi trong một
khung,vìthếkhithựchiệnphântíchphổbằng
phépbiếnđổiFFTthìphổcủamụctiêusẽbịlệch
khỏivạchphổtrungtâmmộtlượngbằngtầnsố
Dopplercònnhiễusẽcóphổtrùngvớivạchphổ
trungtâm.
Đểkiểmtrathuậttoáncủabộtíchlũy,giảthiếttín
hiệuphảnxạvềtừmụctiêubayraxađàivàtín
hiệuđịavật.Tínhiệuphảnxạvềtừmụctiêucó
phađượcxácđịnhnhưbiểuthức(5)(ápdụngcho
loạitínhiệubứcxạrađaphứctạpnhưtínhiệucận
liên tục, tín hiệucó điều tầntuyến tính,...nhưng
cũngphùhợpvớicảloạitínhiệurađađơnxung),
vớiR1làcựlybanđầucủamụctiêu,
/
B
µ τ
=
là
hệsốLFM,Blàđộditần,τlàđộrộngxung.Khi
đótầnsốtứcthờicủatínhiệuphảnxạđượcxác
địnhnhưbiểuthức(6).
Tínhiệuđịavậtcóthểđượctạoragiốngnhưđối
vớitrườnghợpmụctiêuđứngyên.Tổnghợptín
hiệuphảnxạtừmụctiêuvàcácdạngnhiễusau
nénxung(thườngnénxungbằngbộlọcphốihợp)
đượcđưavàobộtínhlũytươngquan.
t
t
0*64+0
1*64+0
2*64+0
...
511*64+0
0*64+1
1*64+1
2*64+
1
...
511*64+1
0*64+2
1*64+2
2*64+2
...
511*64+2
...
...
...
...
...
0*64+63
1*64+63
2*64+63
...
511*64+63
Quátrìnhghigiữacácchukỳ
BộnhớRAM
Quátrìnhđọc
Quátrìnhghitrongchukỳ
Hình 5. Quá trình ghi và đọc của bộ tích lũy tương quan
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16
Hình 3. Đặc tuyến biên độ tần số các băng lọc (số 0 phía trên, số 1 phía dưới) của DFT
Hình 4. Bộ lọc số dùng FFT và đặc tuyến biên độ tần số hàm cửa sổ Hamming
60
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
2
1 1
0
2 22 2
( ) 2 , 0
2
R R
t f t t t t
c c c c
= − + + − +
(5)
( ) ( )
1
0
1 1
0
21 2
2
2 22
i
d
Rd
f t t f t
dt c c
R RB
f t f t
c c c

= = − + −
− + − = − + −
(6)
3. THỬ NGHIỆM TRÊN PHẦN CỨNG FPGA
Đểđánhgiáthiếtkếtrênphầncứng,trongcácthử
nghiệmđãsửdụng3bomạchpháttriển:Xilinx
Kintex-7 FPGA KC705 EvaluationKit, Analog-
to-Digital Converter (ADC) board TSW1400
và Digital to Analog Converter (DAC) board
DAC34SH84EVM(Hình6).
Tínhiệuđầuvàobộtích lũy gồm tín hiệuphản
xạtừmụctiêuvàđịavậtsaunénxungbằnglọc
phối hợp được phát từ FPGA qua DAC rồi đưa
vàoADC. Các thamsốđược thiếtlậptrong thử
nghiệm:TầnsốDopplerf
d
=1/8f
L
,vớif
L
làtầnsố
lặplạicủatínhiệu.Thờigiangiữchậmphảnxạ
1
muctieu
s
τ µ
=
,
3 .
diavat
s
τ µ
=
Hình 6. Thiết lập phần cứng thử nghiệm
ThựchiệnmôphỏngtrênMatlab,tínhiệutạogiả
mụctiêudiđộngvàđịavậtsaukhiquabộlọcphối
hợpthểhiệnnhưHình7.Ta thấy rằng,tín hiệu
phảnxạtừmụctiêusauquabộlọcphối hợplà
xungnénxuấthiệntrướcđịavật(nghĩalàmụctiêu
nằmgầnđàirađahơn)vàcóbiênđộthayđổivới
lượngtầnsốDoppler,còntínhiệuphảnxạtừđịa
vậtcóbiênđộgầnnhưkhôngđổi.
Hình 7. Tín hiệu mục tiêu và địa vật sau khi lọc bằng bộ lọc phối hợp
Tínhiệusaunénxungbằnglọcphốihợpsẽđược
tíchlũytươngquanvàphântíchphổ.Kếtquảkiểm
tra trên System Generator trên Hình 8 cho thấy
tín hiệutrướctích lũy tươngứng vớimô phỏng
MatlabtrênHình7,trongđó,tínhiệuphảnxạvề
baogồmtínhiệucủamụctiêucógiátrịthayđổi
vàcủađịavậtítthayđổi.Sautíchlũy,tínhiệucủa
mụctiêuvàcủanhiễuđịavậtđượctáchbiệttại
cácvịtríthờigiantươngứngvớicựlycủachúng.
Hình9làđoạntínhiệumởrộngởhaivịtrítương
ứngvớimụctiêuvànhiễuđịavật.TừHình9có
thểthấy,tínhiệucủamụctiêutạicáckhungtích
lũy 64 điểmdao động theo tần số Doppler(bên
trái)còntínhiệuđịavậtgầnnhưkhôngđổi(bên
phải),điềuđóchothấysauquátrìnhtíchlũytương
quanthìtínhiệuphảnxạtừmụctiêudiđộngvà
từđịavậtkhácnhaurõrệthơntạocơsởtănghiệu
quảcholọcsốTMTDĐ.
Hình10biểudiễnphổcủatínhiệuphảnxạđược
mở rộng tại hai thời điểm tương ứng thu được