intTypePromotion=1
ADSENSE

Tăng khả năng phát hiện mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền bằng giải pháp phân cực - Doppler

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

8
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo đi sâu vào xây dựng hàm đáp ứng Phân cực – Doppler của mục tiêu radar hỗn hợp và thực hiện việc đánh giá so sánh hiệu quả về năng lượng khi sử dụng hàm đáp ứng Phân cực – Doppler so với khi sử dụng phương pháp Doppler thông thường. Từ đó đề xuất giải pháp nâng cao khả năng phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền dựa trên hàm đáp ứng Phân cực – Doppler. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tăng khả năng phát hiện mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền bằng giải pháp phân cực - Doppler

  1. HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc 2015 Gia 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông vàCông Thông và CôngNghệ Nghệ Thông Thông TinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) Tăng Khả Năng Phát Hiện Mục Tiêu Có Kích Thước Nhỏ, Phản Xạ Yếu Chuyển Động Trên Bề Mặt Nền Bằng Giải Pháp Phân Cực-Doppler Phạm Trọng Hùng Khoa Vô tuyến điện tử-Học viện Kỹ thuật quân sự Hà Nội, Việt Nam Email: hungpt1504@gmail.com Abstract - Bài báo đi sâu vào xây dựng hàm đáp ứng Phân phân cực Doppler để thấy sự khác biệt trong hàm phổ năng cực – Doppler của mục tiêu radar hỗn hợp và thực hiện việc lượng của mục tiêu hỗn hợp (bề mặt nền + mục tiêu kích đánh giá so sánh hiệu quả về năng lượng khi sử dụng hàm đáp thước nhỏ) trong trường hợp không có mục tiêu và trường hợp ứng Phân cực – Doppler so với khi sử dụng phương pháp có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền. Cấu trúc bài báo Doppler thông thường. Từ đó đề xuất giải pháp nâng cao khả như sau: Phần II đi vào tính toán xây dựng hàm đáp ứng Phân năng phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ, phản xạ yếu cực-Doppler dựa trên cơ sở phân cực tròn. Phần III là so sánh chuyển động trên bề mặt nền dựa trên hàm đáp ứng Phân cực – hiệu quả về mặt năng lượng khi sử dụng phương pháp xử lý Doppler thông thường và phương pháp xử lý Phân cực- Doppler. Doppler. Phần IV là kết luận. Keywords - Doppler radar, small-target detection on the sea, moving target detection, circular polarization. II. XÂY DỰNG HÀM ĐÁP ỨNG PHÂN CỰC – DOPPLER CỦA MỤC TIÊU RADAR HỖN HỢP TRÊN CƠ SỞ PHÂN I. ĐẶT VẤN ĐỀ CỰC TRÒN Bài toán phát hiện mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền Giả sử mục tiêu radar hỗn hợp bao gồm bề mặt nền dàn (mặt đất, mặt biển…) thường được thực hiện bằng cách xử lý trải và mục tiêu có kích thước nhỏ (mục tiêu điểm). Mỗi mục tính toán vận tốc Doppler. Đó là phương pháp kinh điển trong tiêu đều được đặc trưng bởi một ma trận tán xạ riêng. Trong xử lý tín hiệu radar, phổ biến trong nhiều tài liệu. Tuy nhiên cơ sở phân cực tròn, các ma trận tán xạ (MTTX) này có dạng khi mục tiêu có kích thước nhỏ thì khả năng phát hiện các mục [1,3]: tiêu này sẽ bị hạn chế do công suất tín hiệu phản xạ từ mục   j 1 (t )  2 (t )  tiêu nhỏ chuyển động không đủ lớn để có thể phát hiện. Các 1 1 (t )  2 (t )  S rl (t )  biện pháp xử lý tham số phân cực trong bài toán phát hiện nen 2 j 1 (t )  2 (t )   1 (t )  2 (t )  (1)     mục tiêu trên bề mặt nền (đặc biệt là các mục tiêu nhỏ) cho   j 1  2  nhiều kết quả tốt, tăng được khả năng phát hiện [1,2]. Trong 1 1   2  quá trình tính toán hàm tham số phân cực đối với bề mặt nền S rl (t )  exp  j d t mt 2 j 1  2   1  2  và mục tiêu thăng giáng [3] thấy rằng: tham số phân cực của     mục tiêu không còn là đại lượng bất biến nữa mà cũng thăng giáng thay đổi theo thời gian [4]. Nguyên nhân của sự thăng Trong đó ξ1, ξ2 là trị riêng của mục tiêu điểm chuyển giáng này là do sự xáo động của mục tiêu (bề mặt nền hoặc động, λ1(t), λ2(t) là trị riêng thăng giáng trong MTTX của bề mục tiêu). Do hàm tỷ số phân cực [4,5] trong cơ sở phân cực mặt nền; Ωd là tần số Doppler ứng với vận tốc chuyển động tròn phụ thuộc vào thời gian nên có thể sử dụng phép biến đổi của mục tiêu V. hàm tham số phân cực trên miền thời gian sang miền tần số để Giả sử véc tơ riêng của các mục tiêu này là trùng nhau. khai thác thông tin về độ dịch tần Doppler. Phương pháp xử lý Khi đó MTTX của mục tiêu hỗn hợp trong cơ sở phân cực Doppler sau đó cũng giống như các biện pháp xử lý Doppler tròn có thể viết dưới dạng: thông thường nên có thể tạm gọi là phương pháp Phân cực – Doppler. Giải pháp này có thể tăng được khả năng phát hiện S rl (t )  S rl (t )  S rl (t )   nen mt các mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền. Bài báo sẽ đi theo hướng nghiên cứu này: khai thác triệt để tham số phân 1 1 (t )  2 (t )  (1   2 )exp  jt       j 1 (t )  2 (t )  (1  2 )exp  jt  cực mục tiêu, kết hợp giải pháp xử lý Doppler để tăng khả     2 j 1 (t )  2 (t )  (1  2 )exp  jt  1 (t )  2 (t )  (1  2 )exp  jt năng phát hiện. Cụ thể là nghiên cứu hiệu quả về mặt năng (2) lượng khi thực hiện xử lý bằng phương pháp Phân cực- Doppler so với giải pháp xử lý bằng phương pháp Doppler thông thường. Sau đó thực hiện biến đổi FFT hàm đáp ứng 182 ISBN: 978-604-67-0635-9 182
  2. HộiHội Thảo Thảo QuốcGia Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông và vàCông CôngNghệ NghệThông TinTin Thông (ECIT 2015) (ECIT 2015) Khi sóng phát có phân cực tròn phải 0 [3], thì tín hiệu Prl (t )  j (1  zP  )  nen rl (t )  a (t ).exp  j t Pmtrl (t )   E r (t ) px phản xạ từ mục tiêu hỗn hợp sẽ là: j 1  a (t ).exp  j t  Pnen rl (t )  a (t ).exp  j t Pmtrl (t )  E l (t ) 0       1 j  1 (t )  2 (t )    1   2  exp  j  d t (8)  S rl (t ) .  Từ phương trình này có thể đề xuất phương pháp phát hiện các E r (t ) th  r E (t ) px  2   (t )   (t )       exp  j  t  1 2   1 2 d  mục tiêu có phản xạ yếu trên bề mặt nền. Khai triển biểu thức (3) (8) và lược bỏ các thành phần phụ, kết hợp điều kiện (6) thu Tỷ số phân cực tròn của sóng phản xạ từ mục tiêu hỗn hợp có được hàm đáp ứng Phân cực – Doppler ở dạng một quá trình dạng: ngẫu nhiên dải hẹp rút gọn: (9) E r j (  1 (t )  2 (t )   1  2  exp  j d t) S1 (t )  a (t )   mt   nen (t )  mt   nen (t ). Prl (t )  l   E 1 (t )  2 (t )   1  2  exp  j d t cos t    (t )   a (t )  (4) Với mục tiêu có kích thước nhỏ phản xạ yếu, thì Ta thấy rằng, tỷ số phân cực tròn ở trên là tổng trung bình a  1 (tín hiệu phản xạ từ mục tiêu nhở hơn nhiều so với tín cộng của hai thành phần mục tiêu gồm bề mặt nền và mục tiêu hiệu phản xạ từ bề mặt nền). Các mục tiêu có kích thước nhỏ điểm có kích thước nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt thường có cấu trúc đơn giản nên có thể xem như chúng thuộc nền: lớp mục tiêu đẳng hướng phân cực và độ không đẳng hướng j ( 1 (t )  2 (t )  Pnen rl (t )  1  2  Pmtrl (t )exp  jt) phân cực bằng không (μmt = 0). Khi đó ta có thể rút gọn biểu Prl (t )   thức (9) thành: 1 (t )  2 (t )   1  2  exp  jt S (t )  a (t )  (t ) cos t   (t )   (t )  (10) (5) 1 nen   a  Điều đó thể hiện sự thay đổi mà mục tiêu phản xạ yếu đưa 1  2  vào tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền. Chúng được xác định bởi  (t )  2 (t )  rl Trong đó: Pnen (t )  1 rl , Pnen (t )  là tỷ số độ dịch tần Doppler nằm trong hàm đáp ứng Phân cực –  (t )   (t ) 1 2 1  2  Doppler của mục tiêu hỗn hợp và có dạng của một quá trình phân cực tròn của sóng phản xạ từ bề mặt nền và mục tiêu ngẫu nhiên hẹp. Như vậy với mục tiêu có kích thước nhỏ, tương ứng. Theo [4] các đại lượng này chính bằng hệ số phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền không thể phát hiện không đẳng hướng phân cực phức của mục tiêu: được bằng phương pháp Doppler thông thường, nhưng có thể (6) phát hiện được “vết phân cực” của mục tiêu đó trong hàm đáp P rl (t )   (t ), P rl (t )   nen nen mt mt ứng Phân cực – Doppler. Khi thực hiện phân tích phổ cả hàm năng lượng σ(t) và hàm đáp ứng Phân cực – Doppler S1(t) có 1  2 thể nhìn thấy sự khác biệt trong phổ năng lượng của các hàm Đặt a (t )  - ứng với tỷ số diện tích phản xạ hiệu này. Điều này sẽ làm tăng hiệu quả trong bài toán phát hiện 1 (t )  2 (t ) các mục tiêu có kích thước nhỏ phản xạ yếu, chuyển động trên dụng (RCS) của tiêu điểm có kích thước nhỏ và diện tích phản bề mặt nền so với các giải pháp xử lý Doppler truyền thống. xạ hiệu dụng của bề mặt nền. Ta có thể viết lại biểu thức (5) ở dạng: j ( P rl (t )  a (t ).exp  jt P rl (t )) (7) III. SO SÁNH HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG CỦA GIẢI Prl (t )  nen mt PHÁP PHÂN CỰC – DOPPLER SO VỚI CÁC HỆ THỐNG 1  a (t ).exp  jt XỬ LÝ DOPPLER TRUYỀN THỐNG Ta viết mẫu số của biểu thức (7) ở dạng:  với z   a(t ).exp  jt 1  a (t ).exp  jt  1  z Xét hai tín hiệu: Với điều kiện z  1 , có thể khai triển được: U1 (t )  a1cos(1t  1 ) và U 2 (t )  a2 cos  (1  d )t  2  là các N tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền và mục tiêu radar chuyển động (1  z ) 1   ( 1)zn  n  1 z  z  2  z 3  ...  ( 1) N .z N trên bề mặt nền, với Ωd là tần số Doppler của mục tiêu chuyển n0 động. Có thể tính gần đúng tín hiệu phản xạ tổng theo biểu Ở đây sử dụng giải pháp khai triển giải tích hàm đáp ứng Phân thức: cực-Doppler của mục tiêu hỗn hợp (biểu thức 5) ứng với điều U  (t )  U1 (t )  U 2 (t )  (11) kiện z  1 (tức là trong trường hợp tín hiệu phản xạ từ bề mặt  aa  nền lớn hơn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu điểm có kích thước a12  a22   1  2 1 2 2 cosd t  cos 1t   (t )  nhỏ). Chỉ giữ lại thành phần đầu của biểu thức khai triển ta  a1  a 2  được: với điều kiện a2
  3. HộiHội ThảoThảo Quốc Quốc Gia Gia 2015vềvềĐiện 2015 ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông và và Công CôngNghệ NghệThông ThôngTinTin (ECIT 2015) (ECIT 2015) Tín hiệu (11) đã được điều chế biên độ. Ta có thể viết lại biểu thức ở dạng: U  (t )  U m (1  M cos d t )cos 1t   (t ) , (12) Trong đó hệ số điều chế biên độ M được tính bằng: U  U min aa (13) M  max  21 2 2 U max  U min a1  a2 Công suất trung bình của tín hiệu (12) là: U2 U2M 2 (14) PAM  P1   P1   P1    m  m 2 4 Từ biểu thức này có thể tính được tỷ lệ công suất tương đối của các thành phần tần số bên ( 1  d ) so với công suất ở thành phần tần số chính ω1 là: P1   P1  (15) M2 Ptd   P1 2 Thay biểu thức (13) vào (15) ta được: Hình 1. So sánh hiệu quả về năng lượng của xử lý Doppler 2 (16) M 2 1  a1a2  1 a12 a22 1 K2 thông thường và xử lý Phân cực-Doppler Ptd    2    2 2  a1  a22  2 (a12  a22 ) 2 2 (1  K 2 ) 2 a2 Với K 2  22 là tỷ số diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của a1 mục tiêu chuyển động và RCS của bề mặt nền. Kết hợp biểu thức (10) và biểu thức (12) ta có thể so sánh được tỷ số công suất công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu nhỏ chuyển động so với công suất tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền khi sử dụng phương pháp xử lý Doppler thông thường (12) và phương pháp xử lý Phân cực – Doppler (6). Từ hình 1 thấy rằng, tỷ số tương đối về năng lượng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu so với năng lương tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền đã tăng lên đáng kể khi sử dụng phương pháp xử lý Phân cực-Doppler. Cụ thể khi tỷ số diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu so với nền là 0,1 thì tỷ số công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu so với tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền là 0,005 trong trường hợp xử lý thông thường và bằng 0,01 trong trường hợp xử lý bằng Phân cực-Doppler. Tức là tỷ lệ về năng Hình 2. Hàm phổ năng lượng Doppler thông thường lượng đã tăng lên 2 lần (3dB). Còn nếu tỷ lệ diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu so với nền là 0,15 thì tỷ lệ công suất tương đối của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu so với tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền tăng từ 0,01 lên 0,023, tức là tỷ lệ về năng lượng đã tăng lên 2,3 lần (3,6dB). Trên hình 2 là hàm phổ năng lượng Doppler thông thường, đối với mục tiêu nhỏ chuyển động thì năng lượng phản xạ từ mục tiêu rất nhỏ (a2/a1=0.001 –tức tín hiệu phản xạ từ bề mặt nền so với tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chuyển động bằng 1000 lần), rất khó để phân biệt mục tiêu so với bề mặt nền. Hình 3 là giải pháp xử lý Phân cực-Doppler với a2/a1=0.001, ở đây thấy rằng: hàm phổ tại tần số Doppler của mục tiêu nhỏ thể hiện rõ tại tần số Doppler. Hình 4 là hàm phổ Phân cực-Doppler trong trường hợp không có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền (a2/a1=0) cho ta hình ảnh phổ bằng 0. So sánh giữa hình 3 và hình 4 thấy ngay sự khác biệt khi không có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền và có mục tiêu chuyển động trên bề mặt nền trong hàm phổ Phân cực-Doppler. Điều này là cơ sở để phát hiện mục tiêu Hình 3. Hàm phổ Phân cực-Doppler 184 184
  4. HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc 2015 Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông và Công Thông và CôngNghệ NghệThông ThôngTinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) nhỏ chuyển động trên bề mặt nền khi biện pháp xử lý Doppler (gồm mục tiêu nhỏ phản xạ yếu chuyển động và bề mặt nền) thông thường không hiệu quả. Như vậy với các mục tiêu nhỏ cho phép tăng độ tương phản của mục tiêu nhỏ chuyển động chuyển động trên bề mặt nền sẽ khó phát hiện bằng biện pháp so với bề mặt nền (tăng tỷ lệ công suất so với biện pháp xử lý xử lý Doppler thông thường sẽ có thể được phát hiện bởi Doppler thông thường, cải thiện đáng kể khả năng phát hiện phương pháp xử lý Phân cực-Doppler, thông qua sự thay đổi các mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền (với các mục vết phân cực của mục tiêu trong một diện tích phân biệt radar tiêu mà phương pháp xử lý Doppler thông thường không thể (radar cell). phát hiện được). Ngoài ra kết quả so sánh hàm phổ năng lượng cũng chỉ ra rằng, khi bề mặt nền ổn định (tức tham số phân cực của bề mặt nền là hằng số, bất biến theo thời gian) nếu có mục tiêu nhỏ chuyển động trên bề mặt nền đó sẽ cho kết quả rõ nét trong hàm phổ năng lượng của hàm đáp ứng phân cực – Doppler. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tatarinov S, Ligthart L P, Gaevoy E, “Dynamical Polarization Contrast of Complex Radar Targets, IEEE 1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, vol II, pp 1387- 1389, Hamburg, Germany, 1999 [2]. Козлов А.И.,Татаринов В.Н.,Татаринов С.В.,Кривин Н.Н. “Поляризацион-ный след при рассеянии электромагнитных волн составными объектами” М.: Научный вестник МГТУ ГА, 2013 г., № 189. – С. 66 – 73. [3]. Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П. “Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов // Поляризация плоских ЭМВ и её преобразования”. - Томск: изд-во Томского государственного университета, 2006. –Т. 1. [4]. Tatarinov V, Ligthart L P, Tatarinov S, “An Introduction to the Statistical Theory of Polarization Parameters of Fields Scattered by Complex Radar Hình 4. Hàm phổ Phân cực-Doppler trong trường hợp không Objects”, Proc. MIKON2000, vol 2, ISBN 83-30 906662 - 0-0, pp 351- 354, Wroclaw, Poland 2000. có mục tiêu chuyển động [5]. Tatarinov V.N., Tatarinov S.N., Krivin N.N. “Innovations in radar IV. KẾT LUẬN technologies: Polarization invariant parameter utilization for the problem of radar object detection and mapping”, IICST 2011, pp 62-68, Tomsk, Bài báo đã đề xuất một giải pháp mới trong bài toán nâng Russia, 2011. cao khả năng phát hiện các mục tiêu nhỏ, phản xạ yếu chuyển động trên bề mặt nền. Khi sử dụng phương pháp xử lý Doppler vào hàm đáp ứng phân cực của mục tiêu hỗn hợp 185 185
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2