Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến

Chia sẻ: Gaocaolon6 Gaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm đề xuất các giải pháp định hướng nhằm giải quyết các hạn chế về độ chính xác, độ phân giải, độ phức tạp tính toán cũng như sự ảnh hưởng của nhiễu màu và bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ vô tuyến.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------- NGUYỄN TUẤN MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2020
CÔNG TRÌNH NÀY ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Lê Thanh Hải 2. TS. Nguyễn Trọng Lưu Phản biện 1: GS. TS Bạch Gia Dương Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Huy Hoàng Phản biện 3: PGS. TS Bùi Ngọc Mỹ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi ...... giờ, ngày ..... tháng .....năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết: Định hướng các nguồn bức xạ vô tuyến có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống xã hội và đặc biệt đối với An ninh – Quốc phòng [1], [2], [5], [6], được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như: Ra đa, giám sát vô tuyến, quản lý tần số, cứu hộ cứu nạn, hàng không vũ trụ, tối ưu hóa trong thông tin liên lạc, trinh sát, tác chiến điện tử và nhiều lĩnh vực khác. Mặc dù đã có nhiều giải pháp đề xuất nhằm nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế cần giải quyết như: Độ chính xác, độ phân giải, độ phức tạp tính toán, tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, ảnh hưởng bởi nhiễu tạp... Chính vì vậy, việc nâng cao chất lượng định hướng các nguồn bức xạ vô tuyến còn có những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu và phát triển. Đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cấp thiết nhằm phục vụ các lĩnh vực thuộc Kinh tế - Xã hội cũng như An ninh - Quốc phòng. Do đó, luận án lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến”. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu đề xuất các giải pháp định hướng nhằm giải quyết các hạn chế về độ chính xác, độ phân giải, độ phức tạp tính toán cũng như sự ảnh hưởng của nhiễu màu và bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ vô tuyến. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu thuật toán PM cải tiến, mô hình tín hiệu áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA và ULA trong giải bài toán định hướng nhanh; nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiễu màu, mô hình tín hiệu áp dụng cho dàn ăng ten chữ L và ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong giải bài toán định hướng 2D nguồn bức xạ vô tuyến tương quan. Đối tƣợng nghiên cứu: Các cấu trúc dàn ăng ten, các thuật toán xử lý tín hiệu, giải pháp kết hợp giữa xây dựng cấu trúc dàn ăng ten và các thuật toán xử lý tín hiệu. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, các mô hình tín hiệu, áp dụng các công cụ toán học, tính toán mô phỏng và đánh giá trên máy tính. Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đóng góp thêm một số giải pháp định hướng nguồn bức xạ vô tuyến có chất lượng cao. Các nội dung trình bày trong luận án có thể là tài liệu tham khảo bổ ích phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy trong các Học viện, Nhà trường và các cơ sở nghiên cứu khoa học. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã đề xuất một số giải pháp định hướng
2 nguồn bức xạ vô tuyến phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện nay trên thế giới. Các đề xuất này có thể nghiên cứu ứng dụng phục vụ công tác thiết kế, chế thử các hệ thống định hướng và định vị nguồn bức xạ vô tuyến phục vụ Quốc phòng, Anh ninh và kinh tế Quốc dân nhằm phát hiện sớm, theo dõi và định vị chính xác các mục tiêu có tính thời gian thực. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN 1.1. Giới thiệu về định hƣớng nguồn bức xạ vô tuyến Có nhiều cách để phân loại các hệ thống định hướng nguồn bức xạ vô tuyến (gọi tắt là nguồn bức xạ) nhưng phổ biến nhất thường dựa vào cấu trúc hệ thống và phương thức xử lý tín hiệu [1]. Việc đánh giá ưu - nhược điểm của mỗi thuật toán định hướng thông thường được dựa trên các tiêu chí cơ bản như sau: Độ chính xác, độ phân giải, tốc độ hoạt động, khả năng định hướng trong môi trường đa đường, độ nhạy và độ loại trừ nhiễu tạp. Chất lượng của mỗi thuật toán định hướng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố cơ bản như sau [1]: Số lượng phần tử ăng ten, số lượng mẫu tín hiệu, SNR, khoảng cách giữa các phần tử ăng ten (d), sự tương quan giữa các tín hiệu và các nhân tố khác (tính không đồng nhất của biên độ và pha trên các phần tử ăng ten, sự ghép nối và sự sai lệch vị trí của các phần tử ăng ten). Để đáp ứng mục tiêu nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ có thể phân chia thành ba hướng nghiên cứu cơ bản như sau: - Nghiên cứu xây dựng mô hình cấu trúc dàn ăng ten. - Nghiên cứu đề xuất, cải tiến và áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu. - Nghiên cứu kết hợp giữa xây dựng mô hình cấu trúc dàn ăng ten và thuật toán xử lý tín hiệu. Đây cũng chính là hướng nghiên cứu của luận án. 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào giải quyết các hạn chế còn tồn tại theo một số vấn đề sau: - Vấn đề về độ chính xác, độ phân giải và độ phức tạp tính toán. - Vấn đề về sự ảnh hưởng của nhiễu phi tuyến, nhiễu màu và bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ. - Vấn đề sử dụng kết quả định hướng trong định vị nguồn bức xạ. Theo đó, luận án sẽ tập trung giải quyết các nhiệm vụ cụ thể như sau: - Nghiên cứu đề xuất giải pháp định hướng có độ chính xác cao, độ phức tạp tính toán thấp, có khả năng hoạt động trong điều kiện SNR nhỏ. - Nghiên cứu đề xuất giải pháp định hướng trong điều kiện bị ảnh
3 hưởng bởi một số dạng nhiễu màu và giải bài toán định hướng 2D khi bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ. - Nghiên cứu đề xuất giải pháp định vị có tính ứng dụng thực tiễn cao dựa trên kết quả định hướng. 1.3. Bài toán định hƣớng tổng quát 1.4. Một số thuật toán định hƣớng nguồn bức xạ điển hình 1.5. Một số phƣơng pháp định vị dựa trên kết quả định hƣớng 1.6. Đặt vấn đề nghiên cứu 1.7. Kết luận chƣơng Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tổng quan về định hướng nguồn bức xạ vô tuyến, chương 1 đặt ra các vấn đề cần nghiên cứu và phương pháp đánh giá kết quả cho các chương tiếp theo của luận án. CHƢƠNG 2: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PM CẢI TIẾN 2.1. Giới thiệu chƣơng 2.2. Thuật toán PM cải tiến Giả thiết số nguồn bức xạ (p) là đã biết và số phần tử ăng ten (M) thỏa mãn M ≥ 2p + 2, thì véc tơ chỉ phương A có thể được phân tích thành dạng như sau [12]: (2.2) Ở đây: Ma trận và có kích thước p x p, ma trận có kích thước (M – 2p) x p. Xây dựng các ma trận tương quan chéo từng phần có dạng như sau [12]: ( )( ) ( ) ( ) (2.3) ( )( ) ( ) ( ) (2.4) ( )( ) ( ) ( ) (2.5) Trong đó: ( )( ) là thực hiện lấy hàng thứ i đến hàng thứ j của ma trận ( ), ( ) ( ) là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu. Vì các nguồn bức xạ là độc lập nên R, và là các ma trận khả nghịch, do đó: cả R và , là các ma trận khả nghịch nên: ( ) (2.6) Biến đổi tương tự thu được: ( ) (2.7) Cộng hai vế phương trình (2.6) và (2.7) thu được: (2.8) Phương trình (2.8) có dạng tương đương như sau:
4 [ ( )] (2.9) Trong đó: ( ) là ma trận đơn vị có kích thước M – 2p. Đặt [ ( ) ], khi đó phương trình (2.9) được viết lại như sau: (2.10) Khi p tín hiệu được gán tương ứng với hướng sóng tới θi thì: ( ) (2.11) Trong đó: ( ) là véc tơ chỉ phương tương ứng với . Tương tự như thuật toán MUSIC, từ phương trình (2.11) thu được phổ công suất tín hiệu ( ) có dạng như sau: ( ) ( ) ( ) (2.12) Từ (2.9), (2.10) cho thấy việc xác định không cần đến bất kì phép khai triển giá trị riêng nào nên có thể giảm đáng kể độ phức tạp tính toán. Ngoài ra, phụ thuộc vào thông tin về dạng ma trận hiệp phương sai của nhiễu nên có thể sử dụng trong trường hợp nhiễu phi tuyến. Đây là cơ sở để luận án đề xuất các giải pháp định hướng có độ phức tạp tính toán thấp và phù hợp với các ứng dụng có SNR nhỏ. 2.3. Đề xuất giải pháp định hƣớng 2D các nguồn bức xạ không tƣơng quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA 2.3.1. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp Hình 2.1: Mô hình dàn ăng ten ULA-UCA Mô hình dàn ăng ten ULA-UCA như biểu diễn trên hình 2.1 là sự kết hợp giữa dàn ăng ten ULA và UCA, trong đó dàn ăng ten ULA được đặt thẳng đứng tại tâm dàn ăng ten UCA. Giá trị đầu ra của bộ định hướng ULA tại thời điểm t được biểu diễn như sau [9]: ( ) (2.13) Trong đó: là ma trận chuyển vị của mảng trọng số, ( ) là véc
5 tơ tín hiệu thu được. Giả thiết có p nguồn bức xạ [s1(t) s2(t) … sp(t)] không tương quan tác động đồng thời lên dàn ăng ten với các góc ngẩng tương ứng là (θ1, θ2, …, θp). Véc tơ tín hiệu ( ) được biểu diễn như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) (2.14) Véc tơ chỉ phương tại hướng θi (i = 1, …, p) được biểu diễn như sau: ( ) [ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ] (2.15) Đối với bộ định hướng UCA, tín hiệu đầu ra tại thời điểm t có dạng [9]: ( ) (2.18) Trong đó: là ma trân chuyển vị của mảng trọng số, ( ) là véc tơ tín hiệu thu được. ( ) (̂ ) ( ) ( ) (2.19) Ở đây: ̂ là góc ngẩng đã xác định được và (̂ ) [ (̂ ) (̂ ) (̂ )] (2.20) ̂ ̂ ̂ (̂ ) * ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + (2.21) Áp dụng thuật toán PM cải tiến thu được phổ công suất tín hiệu như sau: - Đối với dàn ăng ten ULA: ( ) ( ) ( ) (2.24) - Đối với dàn ăng ten UCA, phổ công suất tín hiệu của nguồn bức xạ thứ i (i = 1, …, p) là: (̂ ) (2.25) (̂ ) (̂ ) Theo phương trình (2.25), việc xác định góc phương vị được tính toán riêng rẽ với từng phổ công suất tín hiệu tương ứng với góc ngẩng tìm được. Việc làm này là cần thiết để tránh nhầm lẫn trong việc ghép cặp góc ngẩng, góc phương vị và được áp dụng trong các giải pháp định hướng 2D tiếp theo của luận án. 2.3.2. Mô phỏng đánh giá kết quả Nhằm đánh giá khả năng hoạt động của giải pháp đề xuất, luận án thực hiện các mô phỏng theo lưu đồ thuật toán với một số điều kiện mô phỏng được lựa chọn như sau: 1. Dàn ăng ten UCA: - Các phần tử ăng ten được sắp xếp cách đều nhau trên một đường tròn. - Số phần tử ăng ten: 10. - Loại phần tử ăng ten: Đẳng hướng. - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten: λ/2.
6 2. Dàn ăng ten ULA: - Các phần tử ăng ten được sắp xếp cách đều nhau trên một đường thẳng. - Số phần tử ăng ten: 10. - Loại phần tử ăng ten: Đẳng hướng. - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten: λ/2. 3. Nguồn bức xạ: - Số nguồn bức xạ: 2. - Tỷ số tín trên tạp SNR của mỗi nguồn bức xạ: -5dB. - Góc tới (góc ngẩng, góc phương vị): [(25o, 70o), (80o, 310o)] và [(25o, 70o), (25o, 310o)]. - Số mẫu tín hiệu tại mỗi phần tử ăng ten: L =1000. 4. Nhiễu tạp: Nhiễu trắng Gaussian và nhiễu phi tuyến. Mô phỏng đầu tiên nhằm đánh giá độ chính xác, độ phân giải của giải pháp đề xuất, thuật toán PM truyền thống và MUSIC với cùng điều kiện mô phỏng trong môi trường nhiễu trắng Gaussian và nhiễu phi tuyến. Hình 2.4: Kết quả định hướng góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian Hình 2.5: Kết quả định hướng góc phương vị hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian Hình 2.4 và 2.5 biểu diễn lần lượt phổ công suất tín hiệu trung bình thu được sau 1000 lần thử Monte Carlo đối với định hướng góc ngẩng và góc phương vị trong điều kiện bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng Gaussian.
7 Xét về độ chính xác, giải pháp đề xuất có sai số định hướng nhỏ tương ứng với hai hướng sóng tới lần lượt là (0,02o; 0,04o) và (0,01o; 0,01o). Trong phạm vi nghiên cứu, luận án giả thiết nhiễu phi tuyến đối với dàn ăng ten ULA-UCA có ma trận hiệp phương sai như sau: (2.26) (2.27) Kết quả được biểu diễn trên hình 2.6 và 2.7 với các sai số lần lượt là (0,07o; 0,06o) và (0,16o; 1,01o). Hình 2.6: Kết quả định hướng góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu phi tuyến Hình 2.7: Kết quả định hướng góc phương vị hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu phi tuyến Độ phân giải Δθ và Δϕ thu được tương ứng với góc ngẩng và góc phương vị tại mỗi SNR được tổng hợp trong bảng 2.1 và 2.2. Bảng 2.1. Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-UCA trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian SNR Độ phân giải (độ) Góc thực (độ) Góc xác định được (độ) Δθ θ1 θ2 θ1 ’ θ2 ’ -5dB 15 25 40 25,28 40,01 0dB 11 25 36 25,52 35,59
8 5dB 8 25 33 25,3 32,91 10dB 6 25 31 25,06 30,97 Δϕ ϕ1 ϕ2 ϕ1’ ϕ2’ -5dB 10 70 80 69,88 79,98 0dB 5 70 75 70,04 75,97 5dB 3 70 73 70 73 10dB 2 70 72 70,01 71,99 Bảng 2.2. Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-UCA trong điều kiện nhiễu phi tuyến SNR Độ phân giải (độ) Góc thực (độ) Góc xác định được (độ) Δθ θ1 θ2 θ1 ’ θ2 ’ -5dB 31 25 56 24,02 56,49 0dB 26 25 51 24,09 51,49 5dB 10 25 35 24,54 35,34 10dB 7 25 32 24,92 32,06 Δϕ ϕ1 ϕ2 ϕ1’ ϕ2’ -5dB 35 70 105 70,06 105 0dB 34 70 104 70,96 103,68 5dB 13 70 83 69,05 83,14 10dB 2 70 72 69,38 72,26 Số liệu trong bảng 2.1 và 2.2 cho thấy, độ phân giải của giải pháp đề xuất phụ thuộc rất lớn vào SNR. Trong điều kiện mô phỏng này, giải pháp đề xuất có độ phân giải là (6o, 2o) và (7o, 2o) tương ứng với điều kiện nhiễu trắng Gaussian và nhiễu phi tuyến tại SNR bằng 10dB. Hình 2.10, 2.11 biểu diễn sự phụ thuộc RMSE tương ứng với góc ngẩng và góc phương vị theo số mẫu tín hiệu. Hình 2.10: Sự phụ thuộc RMSE góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) theo số mẫu tín hiệu
9 Hình 2.11: Sự phụ thuộc RMSE góc phương vị hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) theo số mẫu tín hiệu Hình 2.12, 2.13 biểu diễn sự phụ thuộc sai số định hướng RMSE tương ứng với góc ngẩng và góc phương vị theo SNR. Hình 2.12: Sự phụ thuộc RMSE góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) theo SNR Hình 2.13: Sự phụ thuộc RMSE góc phương vị hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) theo SNR Xét về độ phức tạp tính toán, thuật toán MUSIC gồm có 2[M2L + O(M3)] phép nhân. Trong đó, 2M2L phép nhân để tính ma trận hiệp phương sai và 2O(M3) để thực hiện khai triển các giá trị riêng [9]. Trong khi đó, giải pháp đề xuất chỉ gồm 2[2p(M - p)L + 2O(4p3)] phép nhân. 2.4. Đề xuất giải pháp định hƣớng nhanh 1D các nguồn bức xạ tƣơng quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA
10 2.4.1. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp Xét p nguồn bức xạ s(t) có cùng bước sóng λ: ( ) [ ( ) ( ) ( )] với các góc tới tương ứng là ϕi (i = 1, …, p). Trong trường hợp xét với một mẫu tín hiệu, véc tơ tín hiệu x và y tại thời điểm t được biểu diễn như sau: ( ) ( ) [ ( )] ( ) () ( ) (2.31) ( ) ( ) ( ) [ ( )] ( ) () ( ) (2.32) ( ) Trong đó: ( ) ( ) ( ) ( ) (2.33) ( ) [ ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ] (2.34) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.35) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.36) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) [ ] (2.37) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.38) Ở đây: ( ), ( ) là ma trận chỉ phương có kích thước (M + 1) x p của p nguồn bức xạ; ( ), ( ) có kích thước (M + 1) x 1 là véc tơ nhiễu trắng Gaussian; ( ), ( ) là véc tơ chỉ phương đối với nguồn bức xạ i (i = 1, …, p).Véc tơ tín hiệu ̃( ) được tạo bởi véc tơ tín hiệu y(t) (trong đó bỏ đi hàng cuối cùng) và véc tơ tín hiệu x(t): ( ) ( ) ( ) ̃( ) [ ] ( ) (2.39) ( ) ( ) [ ( ) ] Nhận thấy rằng, véc tơ tín hiệu ̃( ) có kích thước (2M + 1) x 1 nên có thể xây dựng ma trận Toeplitz tương ứng ̃ ( ) có kích thước (M +1) x (M + 1) như sau:
11 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ̃ ( ) [ ] (2.40) ( ) ( ) ( ) Ma trận hiệp phương sai thu được có dạng như sau: ̃ ( )̃ ( ) ( ) ( ) (2.51) Trong đó: ̃( ) ̃( ) là ma trận hiệp phương sai của nguồn bức xạ. Bằng cách ánh xạ véc tơ tín hiệu thành dạng Hermitian Toeplitz nên có thể xác định được tối đa là (M – 1) nguồn bức xạ tương quan vì khi đó các nguồn bức xạ đã trở thành không tương quan [39]. Mặt khác, do phải thỏa mãn điều kiện (1) nên số góc tới có thể xác định được tối đa bằng (M – 2)/2p. Để tách không gian tín hiệu từ không gian nhiễu, sử dụng thuật toán PM cải tiến như đã trình bày ở mục 2.2. Khi đó, phổ công suất tín hiệu được xác định như sau: ( ) ( ) (2.52) 2.4.2. Mô phỏng đánh giá kết quả Điều kiện mô phỏng: 1. Dàn ăng ten ULA: - Các phần tử ăng ten được sắp xếp cách đều nhau trên một đường thẳng. - Số phần tử ăng ten: 8. - Loại phần tử ăng ten: Đẳng hướng. - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten: λ/2. 2. Nguồn bức xạ: - Số nguồn bức xạ: 3. - Tỷ số tín trên tạp SNR của mỗi nguồn bức xạ: 0dB. - Các góc phương vị tới: (100o, 120o, 140o) trong trường hợp các nguồn bức xạ không tương quan và (60o, 75o, 95o) trong trường hợp các nguồn bức xạ tương quan. - Số mẫu tín hiệu tại mỗi phần tử ăng ten: L =1 với giải pháp đề xuất, L =5 với phương pháp TLS và thuật toán ESPRIT trong trường hợp các nguồn bức xạ không tương quan, L = 1 với phương pháp TLS và thuật toán Matrix Pencil trong trường hợp các nguồn bức xạ tương quan. 3. Nhiễu tạp: Nhiễu trắng Gaussian. Đầu tiên, luận án thực hiện đánh giá khả năng hoạt động của giải pháp đề xuất trong trường hợp các nguồn bức xạ không tương quan và tương quan hoàn toàn. Qúa trình mô phỏng được thực hiện với 1000 lần thử Monte Carlo. Hình 2.18 biểu diễn kết quả mô phỏng với ba nguồn
12 bức xạ không tương quan tới dàn ăng ten theo các hướng tương ứng là 100o, 120o và 140o. Xét về độ chính xác, giải pháp này có sai số định hướng rất nhỏ với kết quả tương ứng lần lượt là 0,04o; 0,01o và 0,07o. Hình 2.18: Kết quả định hướng ba nguồn bức xạ không tương quan có các góc tới [100o, 120o, 140o] Hình 2.19 biểu diễn kết quả mô phỏng với ba nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn tới dàn ăng ten theo các hướng tương ứng là 60o, 75o và 95o. Hình 2.19: Kết quả định hướng ba nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn có các góc tới [60o, 75o, 95o] Cũng giống như với trường hợp các nguồn bức xạ không tương quan, giải pháp đề xuất đã xác định thành công cả ba hướng sóng tới với các sai số tương ứng lần lượt là 0,16o; 0,2o và 0,04o. Nhận thấy rằng, mặc dù chỉ sử dụng một mẫu tín hiệu và SNR nhỏ (0dB) nhưng giải pháp đề xuất vẫn có thể xác định thành công các hướng sóng tới đối với các nguồn bức xạ không tương quan và tương quan với độ chính xác khá cao. Độ phân giải Δϕ thu được tại mỗi SNR được tổng hợp trong bảng 2.3 và 2.4. Bảng 2.3. Độ phân giải định hướng các nguồn bức xạ không tương quan của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA SNR Độ phân giải (độ) Góc thực (độ) Góc xác định được (độ) Δϕ ϕ1 ϕ2 ϕ1’ ϕ2’ -5dB 9 100 109 99,54 109,29 0dB 8 100 108 99,84 108,18
13 5dB 6 100 106 102,02 105,83 10dB 5 100 105 99,91 104,93 Bảng 2.4. Độ phân giải định hướng các nguồn bức xạ tương quan của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA SNR Độ phân giải (độ) Góc thực (độ) Góc xác định được (độ) Δϕ ϕ1 ϕ2 ϕ1’ ϕ2’ -5dB 10 65 75 65 75,01 0dB 8 65 73 65,1 72,83 5dB 7 65 72 65,06 71,91 10dB 5 65 70 65,3 69,84 Từ bảng số liệu 2.3 và 2.4 cho thấy, độ phân giải đối với định hướng các nguồn bức xạ không tương quan và tương quan có sự khác nhau không nhiều. Mặc dù với SNR nhỏ (-5dB) nhưng giải pháp vẫn có khả năng phân biệt được hai góc tới cạnh nhau 9o đối với các nguồn bức xạ không tương quan và 10o đối với các nguồn bức xạ tương quan. Với điều kiện mô phỏng này, tại SNR bằng 10dB, độ phân giải của giải pháp đề xuất xác định được là 5o. Để thấy rõ hơn sự cải thiện độ chính xác, trong các mô phỏng tiếp theo, luận án thực hiện đánh giá chất lượng của giải pháp đề xuất so với thuật toán ESPRIT, Matrix Pencil và phương pháp TLS. Các mô phỏng được thực hiện với cùng dàn ăng ten ULA 11 phần tử (bố trí cách đều nhau một khoảng λ/2). Hình 2.26 và 2.27 biểu diễn RMSE tỷ lệ nghịch với SNR trong trường hợp hai nguồn bức xạ không tương quan có các góc tới 55o và 70o. Hình 2.28, 2.29 biểu diễn kết quả mô phỏng RMSE theo SNR ba nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn có các góc tới tương ứng là 45o, 60o và 75o. Hình 2.26: Sự phụ thuộc RMSE theo SNR với L = 1 mẫu tín hiệu của giải pháp đề xuất
14 Hình 2.27: Sự phụ thuộc RMSE theo SNR với L = 10 mẫu tín hiệu của thuật toán ESPRIT và TLS [76] Hình 2.28: Sự phụ thuộc RMSE theo SNR với L = 1 mẫu tín hiệu của giải pháp đề xuất Hình 2.29: Sự phụ thuộc RMSE theo SNR với L = 1 mẫu tín hiệu của thuật toán Matrix Pencil và TLS [76] 2.5. Kết luận chƣơng Chương 2 đã trình bày chi tiết thuật toán PM cải tiến để từ đó đề xuất
15 giải pháp định hướng 1D và 2D có độ phức tạp tính toán thấp và SNR nhỏ. Các kết quả mô phỏng đã chứng minh được khả năng hoạt động tốt của các giải pháp này trong các điều kiện giả định đặt ra. CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG 2D TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄU MÀU, BẤT ĐỊNH THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM SỐ LƢỢNG NGUỒN BỨC XẠ VÀ GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN KẾT QUẢ ĐỊNH HƢỚNG 3.1. Giới thiệu chƣơng 3.2. Đề xuất giải pháp định hƣớng 2D sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu Toeplitz đối xứng 3.2.1. Nhiễu màu Toeplitz đối xứng Hai dạng nhiễu lý tưởng được quan tâm nhiều nhất là nhiễu đẳng hướng hình cầu (trường nhiễu ba chiều) và nhiễu đẳng hướng hình trụ (trường nhiễu hai chiều). Hiện tượng này xảy ra khi trường nhiễu xung quanh dàn ăng ten là một tập các điểm có phân bố đối xứng [54]. Mặc dù hai dạng nhiễu này ít gặp trong thực tế nhưng có thể được giả định gần đúng trong trường hợp các phần tử ăng ten được bố trí trên một mặt phẳng hai chiều [73]. Nhận thấy rằng, hàm tương quan đối với hai kiểu nhiễu này có dạng sin(X)/X và ( ) tương ứng. Do đó, ma trận hiệp phương sai của nhiễu sẽ có dạng Toeplitz đối xứng với hệ số tương quan bằng một trên đường chéo và hệ số tương quan khác có giá trị nhỏ dần khi di chuyển cách xa đường chéo [54]. 3.2.2. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp Xét một dàn ăng ten chữ L gồm hai dàn ăng ten ULA đặt vuông góc nhau tại gốc tọa độ O (phần tử tham chiếu chung) như biểu diễn trên hình 3.3. Mỗi dàn ăng ten gồm M phần tử bố trí cách đều nhau một khoảng (d) bằng nửa bước sóng (λ). Hình 3.3: Mô hình dàn ăng ten chữ L
16 Gọi J là ma trận chuyển đổi có giá trị bằng 1 trên đường chéo và bằng 0 ở các giá trị còn lại. ( ) (3.8) Đặt ̃ . Khi đó, ma trận hiệp phương sai ̃ thu được có dạng: ̃ ̃̃ ( ) ( ) (3.9) Bằng cách lấy Rz trừ ̃ thu được ma trận hiệp phương sai mới . ̃ ( ) ( ) ( ) ( ) (3.10) T H Vì Nz là ma trận Toeplitz đối xứng nên Nz , Nz và JNzJ cũng là ma trận Toeplitz đối xứng và JNzTJ = (JNzJ)T = Nz do đó thu được: Nz = JNzTJ = JNz*J (3.11) Khi đó: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.12) Nhận thấy, ma trận hiệp phương sai của nhiễu Nz trong phương trình (3.12) đã bị loại bỏ hoàn toàn và có bậc đầy đủ khi các nguồn bức xạ tới tương quan theo cặp [75]. Mặt khác, có p giá trị riêng khác không nên số phần tử ăng ten M chỉ cần thỏa mãn điều kiện M > p. Với các nguồn bức xạ tương quan theo cặp, số phần tử chỉ cần thỏa mãn điều kiện M < 2p. Như vậy, số phần tử ăng ten chỉ cần sử dụng là p < M < 2p thay vì phải sử dụng M > 2p như một số phương pháp khác. Áp dụng thuật toán PM đối với để xác định góc tới dựa theo phổ công suất ( ). ( ) ( ) ( ) (3.13) Ở đây: là ma trận nhiễu có kích thước M x (M – p) được xác định theo thuật toán PM. Đối với dàn ăng ten ULA trên trục x, phổ công ( ̂ ) được xác định theo phương trình sau: (̂ ) ̂ (3.18) (̂ ) (̂ ) Giống như , là ma trận nhiễu có kích thước M x (M – p). 3.2.3. Mô phỏng đánh giá kết quả Điều kiện mô phỏng: 1. Dàn ăng ten ULA trên trục x và z: - Các phần tử ăng ten được sắp xếp cách đều nhau trên một đường thẳng. - Số phần tử ăng ten: 9. - Loại phần tử ăng ten: Đẳng hướng.
17 - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten: λ/2. 2. Nguồn bức xạ: - Số nguồn bức xạ: 6. - Tỷ số tín trên tạp SNR của mỗi nguồn bức xạ: -15dB. - Góc tới (góc ngẩng, góc phương vị): [(12o, 10o), (65o, 65o), (20o, 85o), (75o, 30o), (125o, 90o), (95o, 150o)]. - Số mẫu tín hiệu tại mỗi phần tử ăng ten: L =10 với giải pháp đề xuất và L =200 với thuật toán MUSIC. 3. Nhiễu tạp: Ma trận hiệp phương sai của nhiễu có dạng Toeplitz đối xứng. Nhằm đánh giá chất lượng của giải pháp đề xuất, luận án giả thiết nhiễu màu có ma trận hiệp phương sai tương ứng với dàn ăng ten trên trục z và x như trong phương trình (3.19) và (3.20). Giả thiết này không làm mất đi tính tổng quát bởi thành phần nhiễu trong (3.12) và (3.17) đã bị loại bỏ hoàn toàn. Nz = Toeplitz([1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6]) (3.19) Nx = Toeplitz([1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2]) (3.20) Hình 3.5: Kết quả định hướng góc ngẩng sáu nguồn bức xạ có góc tới [(12o, 10o), (65o, 65o), (20o, 85o), (75o, 30o), (125o, 90o), (95o, 150o)] tương quan hoàn toàn theo cặp, sử dụng 10 mẫu tín hiệu của giải pháp đề xuất Hình 3.7: Kết quả định hướng góc phương vị sáu nguồn bức xạ có góc tới [(12o, 10o), (65o, 65o), (20o, 85o), (75o, 30o), (125o, 90o), (95o, 150o)] tương quan hoàn toàn theo cặp, sử dụng 10 mẫu tín hiệu của giải pháp đề xuất
18 Quan sát kết quả trên hình 3.5 và 3.7 cho thấy, mặc dù giải pháp đề xuất chỉ cần L = 10 mẫu nhưng vẫn cho phép xác định thành công cả sáu góc tới với độ chính xác gần như tuyệt đối và độ phân giải cao (0,5o). Với nền nhiễu rất thấp, giải pháp này cũng cho phép hoạt động với các ứng dụng có SNR nhỏ hơn -15dB. 3.3. Đề xuất giải pháp định hƣớng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA- ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng bất định thông tin tiên nghiệm về số lƣợng nguồn bức xạ 3.3.1. Xây dựng mô hình và đề xuất giải pháp z M -M θ ... s(t) 1 y O 1 1 ... ϕ M d x d -M Hình 3.9: Mô hình dàn ăng ten ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng Hình 3.9 biễu diễn một dàn ăng ten hai dàn ăng ten ULA đối xứng có N = 2M + 1 phần tử được bố trí đối xứng nhau qua trục tọa độ trên trục z và x tương ứng. Bước 1: Xác định góc ngẩng θi dựa vào dàn ăng ten ULA trên trục z [92]. Phổ công suất tín hiệu có dạng như sau: ( ) ( )( ) (3.42) ( )( ) ∑ ( { ( ) ( )}) Từ phương trình (3.42) ta xác định được các góc ngẩng ̂ tương ứng với các đỉnh của phổ tín hiệu ( ). Bước 2: Xác định góc phương vị ϕ dựa trên dàn ăng ten ULA đặt trên trục x với các góc ̂ đã tìm được ở bước 1. (̂ ) ( )( ) ̂ ̂ (3.44) ( )( ) ∑ ( { ( ) ( )}) Ma trận hiệp phương sai của nhiễu tại phần tử (k, l) được xác định như sau: | | ( ) ( ) (3.45)