Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong Ra đa biển

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> VỀ THUẬT TOÁN CHẾ ÁP NHIỄU TÍCH CỰC<br /> TRONG RA ĐA BIỂN<br /> Lê Ngọc Uyên*, Trần Văn Hùng, Nguyễn Văn Hạnh, Trần Thị Trâm<br /> Tóm tắt: Ngày nay có nhiều phương pháp bảo vệ chống lại sự can thiệp của<br /> nhiễu vào hệ thống ra đa. Trong bài bài báo này, chúng tôi trình bày thuật toán<br /> chống nhiễu tích cực trong các đài ra đa, được bố trí trên các đảo ở biển, có thể<br /> đưa vào ứng dụng trong thực tế. Thuật toán này dựa trên cơ sở đánh giá các tham<br /> số nhiễu tích cực và lựa chọn phương pháp thích hợp nhất để bảo vệ đài ra đa trong<br /> một tình huống cụ thể. Nó đã được đề cập đến cả hai vấn đề đặc tính lý thuyết và<br /> đặc biệt là việc thực hiện thực tế của thuật toán này. Công cụ quan trọng để hiệu<br /> chỉnh thuật toán là sơ đồ của giá thử chương trình phần mềm – phần cứng, cũng<br /> như kết quả của thuật toán chống nhiễu nhận được từ đó.<br /> Từ khóa: Nhiễu thụ động, Nhiễu tích cực, Thuật toán chống nhiễu, Đài ra đa.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Các ra đa trên bờ biển hoặc trên đảo cần được xem xét ảnh hưởng tác động của<br /> các nhiễu thụ động và nhiễu tích cực, đồng thời với ảnh hưởng của tạp. Các nhiễu<br /> thụ động được thiết lập bởi các phản xạ tự nhiên, các bề mặt phía dưới (mặt nước<br /> biển) và các đối tượng của đường bờ biển. Các nhiễu tích cực được tạo ra bởi các<br /> thiết bị vô tuyến, các đài ra đa. Các đài, trạm gây nhiễu có thể thu được các tín hiệu<br /> phát xạ (TPX) tấn công ra đa và tạo ra nhiễu trên cơ sở các tham số của tín hiệu<br /> phát xạ: phát xạ theo hướng tấn công ra đa được sao bản bởi TPX, điều chế biên<br /> độ, pha, tần số, thời gian trễ, .v.v..[1].<br /> Do thực tế, các loại nhiễu làm giảm đáng kể hiệu quả của các ra đa, do đó cần<br /> phải trang bị phương tiện để chống lại sự can thiệp của nhiễu vô tuyến. Các<br /> phương pháp bảo vệ chống nhiễu tích cực bằng cách này hay cách khác dựa trên<br /> thực tế càng nhiều càng tốt "mang đến" các tham số làm việc của đài ra đa và<br /> nhiễu: theo tần số làm việc, phân cực, thời gian, không gian. Trong trường hợp này<br /> trước tiên cần phải phát hiện sự hiện diện của nhiễu tích cực.<br /> Trong khuôn khổ cấu trúc điển hình của bộ xử lý dữ liệu trong đài ra đa [2],<br /> được thực hiện trong các bước xử lý sơ cấp và thứ cấp (xử lý tín hiệu và dữ liệu) từ<br /> việc bảo vệ sự can thiệp của nhiễu tích cực chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến cả hai<br /> bước xử lý trên. Ngoài ra, các bộ xử lý dữ liệu (xử lý thứ cấp) phải thực hiện hợp<br /> lý chuyển các phương án khác nhau cho việc bảo vệ chống sự can thiệp của nhiễu,<br /> trong trường hợp không đưa ra một kết quả tích cực. Điều này dẫn đến việc sử<br /> dụng các thuật toán tổng hợp thực hiện các nhiệm vụ sau đây:<br /> 1. Phát hiện sự tác động của nhiễu tích cực;<br /> 2. Xác định các tham số của nhiễu, nếu có;<br /> 3. Lựa chọn phương pháp bảo vệ.<br /> Sau đây sẽ trình bày một cách có hệ thống về thực tế của phương pháp chống<br /> nhiễu tích cực, cũng như cấu trúc của thuật toán, dựa trên các phương pháp này.<br /> <br /> <br /> <br /> 148 L.N. Uyên, T.V. Hùng, …, “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG NHIỄU TÍCH CỰC<br /> 2.1. Sử dụng các anten bù trừ<br /> Phương pháp này cho phép bảo vệ từ sự can thiệp của nhiễu tích cực, các hướng<br /> mà không trùng với hướng của mục tiêu, đó là, tạo bởi bức xạ đến giản đồ hướng<br /> của mạng anten thu (búp sóng bên) liền kề với búp sóng chính. Trong mạng anten<br /> thu được sử dụng cùng với mô hình bức xạ anten bù trừ, giản đồ hướng được “phủ<br /> lên” giản đồ cơ bản trong vùng ngoài búp sóng chính. Ý tưởng của phương pháp<br /> này là do sự tương quan hệ số r giữa các kênh chính và kênh bù trừ thực hiện trừ<br /> tín hiệu của kênh bù trừ từ các tín hiệu kênh chính.<br /> Hệ số tương quan tại mỗi thời điểm được định nghĩa:<br /> =<br /> (1)<br /> Khi đó:<br /> = [( − [ ]) ( − [ ])];<br /> = [( − [ ]) ]; (2)<br /> = { , }.<br /> Ở đây: – tín hiệu nhận ở kênh chính; – tín hiệu nhận ở kênh bù<br /> Tín hiệu sau khi xử lý bù tại mỗi thời điểm:<br /> = − . (3)<br /> Trong quá trình xử lý thứ cấp theo độ dài thực hiện L trong giả thiết ergodic của<br /> tín hiệu và nhiễu (nếu khoảng thời gian trung bình là đủ ngắn) đầu ra tín hiệu ⌈ ⌉<br /> tại thời điểm n được tính theo công thức tương tự, trong đó thay thế các giá trị thực<br /> sự của tính chất xác suất các tín hiệu và nhiễu, vì thế giá trị chọn chúng sẽ là:<br /> ∗ ( [ ]− )( [ ] − );<br /> = ∑<br /> ∗<br /> ∗<br /> = ∗ ∗ ;<br /> = ∑ ⌈ ⌉; (4)<br /> ( ∗) ∑ ( [ ] − );<br /> =<br /> = { , };<br /> [ ] = [ ] − ∗ . [ ].<br /> <br /> Hiệu quả triệt nhiễu tích cực tốt nhất sẽ quan sát được khi đưa búp sóng bên đầu<br /> tiên nhất có giá trị lớn nhất vào đúng vị trí của nhiễu tích cực.<br /> Phương pháp bù được thể hiện ở hình 1 [3].<br /> 2.2. Sử dụng "số không" của giản đồ hướng<br /> Cách tiếp cận này có nghĩa là vị trí góc của nhiễu tích cực đã biết và hầu như<br /> không thay đổi trong một thời gian ngắn. Đối với việc xác định vị trí góc có thể<br /> được định kỳ dừng lại để thăm dò, chỉ lấy tín hiệu nhiễu. Sau khi xác định vị trí<br /> góc cần thiết phải "xoay" mạng anten thu theo cách như vậy mà một trong những<br /> "số không" của giản đồ anten đến hướng của nhiễu tích cực. Với phương pháp này,<br /> các tín hiệu từ mục tiêu không nhất thiết phải luôn luôn rơi vào búp sóng chính lớn<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 149<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> nhất của giản đồ hướng mạng anten thu, nhưng nhiễu tích cực sẽ bị chế áp rõ rệt.<br /> Khi mục tiêu rơi vào đỉnh của búp sóng chính thì hiệu quả của chế áp nhiễu tích<br /> cực là tối đa. Kết quả của phương pháp này thể hiện trong hình 2 [4].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Xuất hiện sự bù khi Hình 2. Sử dụng số không của<br /> sử dụng anten bù. giản đồ hướng.<br /> 2.3. Phương pháp phân cực<br /> Còn một phương pháp chống nhiễu tích cực dựa trên việc sử dụng phân cực đối<br /> với sự chiếu xạ mục tiêu. Hệ thống này phải được xem xét trên hai kênh phát xạ và<br /> thu - với phân cực ngang và phân cực đứng. Đơn cử, cho tín hiệu nhiễu tích cực là<br /> phân cực tròn, còn mục tiêu được chiếu xạ bằng tín hiệu với phân cực đứng. Khi đó,<br /> tín hiệu nhiễu sẽ đi vào hai kênh thu, còn tín hiệu từ mục tiêu chỉ vào kênh duy nhất<br /> với phân cực đứng. Trong trường hợp này, các kênh với phân cực đứng có thể được<br /> sử dụng như là bù và khi đó quy trình triệt nhiễu tương tự như đã trình bày ở trên.<br /> 3. THUẬT TOÁN CHỐNG NHIỄU TÍCH CỰC<br /> 3.1. Cấu trúc của hệ thống ra đa trên biển<br /> Sau đây ta xem xét ứng dụng cụ thể của việc chống nhiễu tích cực trong ra đa<br /> chủ động với mạng anten mạng pha thụ động. Cấu trúc chung của khối xử lý dữ<br /> liệu được hiển thị trong hình 3.<br /> Cấu trúc này là điển hình của ra đa trên biển. Các bộ xử lý tín hiệu có thể thực<br /> hiện quét điện tử bằng cách thay đổi các hệ số pha khi xử lý một tín hiệu phát xạ. Tại<br /> đầu vào của bộ xử lý thứ cấp (xử lý cấp 2) có các thông tin nhận dạng về cự ly và vị<br /> trí góc của mục tiêu trong không gian, cũng như các dữ liệu xử lý thông tin ra đa.<br /> Phần mềm thiết bị xử lý thứ cấp có chức năng chế áp nhiễu tích cực. Thường thì<br /> phần mềm đó được thực hiện như một bộ mô đun trong khuôn khổ thực hiện các<br /> dòng tính toán song song (được thể hiện ở hình 3). Các dữ liệu ban đầu để thực<br /> hiện thuật toán chế áp nhiễu là việc thực hiện xử lý dữ liệu sơ bộ từ đầu ra của bộ<br /> xử lý tín hiệu. Điều quan tâm chính trong trường hợp này là dạng mục tiêu, cũng<br /> như các thông tin liên quan đến chúng về độ lớn của mô đun tín hiệu và nhiễu<br /> trong kênh chính và kênh bù.<br /> <br /> <br /> 150 L.N. Uyên, T.V. Hùng, …, “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của đài ra đa biển.<br /> 3.2. Thuật toán ở dạng máy tự động hữu hạn<br /> Thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong bối cảnh các ứng dụng của nó ở hệ thống<br /> đã trình bày ở trên có thể được biểu diễn ở dạng máy tự động hữu hạn (hình 4).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Thuật toán chống nhiễu tích cực.<br /> Thời gian lưu trú tối thiểu trong mỗi trạng thái ∆ được xác định bởi chu kỳ<br /> chạy thuật toán trong xử lý thứ cấp thiết bị phần mềm. Điều kiện chuyển đổi từ<br /> một trạng thái sang trang thái ghi nhận dưới dạng mũi tên. Trạng thái máy tự<br /> động hữu hạn được xem xét dưới đây.<br /> Kiểm tra nhiễu - Trong trạng thái hiện tại tạo ra sự so sánh mô đun các tín hiệu<br /> nhận được (không bao gồm các mục tiêu đáp ứng) với ngưỡng mà phụ thuộc vào<br /> tạp nội tại của mạng thu và quyết định về việc có hay không có nhiễu tích cực<br /> trong vùng quan sát của đài ra đa.<br /> Hiệu chỉnh tần số - Trong trạng thái hiện tại sẽ thực hiện hiệu chỉnh tần số cho<br /> đến khi không có nhiễu tích cực hoặc sẽ chạy ra khỏi các tần số điều hành cho<br /> phép. Tần số được thay đổi theo một "lộ trình" định trước.<br /> Phương pháp bù - Một số phương pháp dựa trên cơ sở xác định vị trí góc của<br /> nhiễu tích cực. Đây là phương pháp bù với sự thay đổi hướng búp sóng chính của<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 151<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> giản đồ định hướng đến vị trí bù nhiễu tích cực tốt nhất, hoặc phương pháp phân<br /> cực hoạt động tốt nhất.<br /> 3.3. Phát hiện nhiễu tích cực và đánh giá các vị trí góc của nó<br /> Các bước kiểm tra nhiễu bao gồm:<br /> 1. Thực hiện bằng cách quét điện tử trong không gian, nơi có thể có nhiễu tích<br /> cực, bằng cách đặt ra các tia ở dạng "hình quạt" (cùng một lúc hoặc một vài tia bức<br /> xạ) với từng bước nhỏ dọc theo góc thẳng đứng và nằm ngang ( 1º). Xác định<br /> hướng với mô đun tối đa nhiễu tích cực Mcm (Mcm, Mkm- Mô đun tín hiệu và nhiễu<br /> tích cực tương ứng trong các kênh bù và kênh chính). Quan trọng hơn, nhiễu có thể<br /> có hoặc không có trong một hướng nhất định.<br /> 2. Trong hướng được xác định bởi giai đoạn trước, thực hiện một quy trình phát<br /> hiện nhiễu tích cực. Nó bao gồm việc so sánh các tính toán trong bộ xử lý tín hiệu<br /> của hệ số ∗ với 0, cũng như kiểm tra các điều kiện Mcm > Mkm. Nếu ∗ là khác 0<br /> và điều kiện được đáp ứng, sự hiện diện của nhiễu tích cực được xác nhận, nếu<br /> không có thể kết luận rằng nó ở hình quạt.<br /> 3. Sau khi xác nhận sự hiện diện của nhiễu tích cực, ta hiệu chỉnh chính xác vị<br /> trí góc của nó bằng cách di chuyển con trượt trung bình.<br /> 4. GIÁ THỬ NGHIỆM<br /> Để giải quyết thuật toán chế áp nhiễu tích cực, ta chuẩn bị bộ thử nghiệm được<br /> lắp ráp như hình 5.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Cấu trúc giá thử nghiệm.<br /> Trong đó, bao gồm các vị trí anten, mạng anten thu, anten phát, nguồn tín hiệu,<br /> mục tiêu giả, máy phát tín hiệu nhiễu tích cực, bộ xử lý tín hiệu và điều khiển máy<br /> tính với các chương trình công nghệ. Các giá thử nghiệm tương tự được sử dụng<br /> rộng rãi khi hiệu chỉnh các hệ thống ra đa hiện đại nhờ các ưu điểm sau:<br /> 1. Có khả năng hiệu chỉnh của các thiết bị riêng độc lập và phần mềm của chúng;<br /> 2. Có khả năng làm việc với sự thay thế một số mô đun của mô phỏng phần mềm<br /> hệ thống.<br /> <br /> <br /> 152 L.N. Uyên, T.V. Hùng, …, “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Giá thử này đã được thử nghiệm có độ tin cậy cao đối với các thuật toán bù và<br /> phân cực để chế áp nhiễu tích cực [5].<br /> Trong mạng anten thu ngoài kênh chính còn có kênh bù. Bộ xử lý tín hiệu sử<br /> dụng các thuật toán được mô tả trong phần 2.1. Các kết quả xử lý tín hiệu nhận<br /> được khi khóa và mở các thuật toán bù chế áp nhiễu tích cực (xử lý sơ cấp) thể<br /> hiện trên hình 6. Mục tiêu nằm ở phần tử thứ 53 của cự ly.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả sử dụng phương pháp bù.<br /> Có thể dùng biện pháp sau để chế áp nhiễu - Sử dụng các dạng khác nhau của<br /> phân cực. Trong thí nghiệm, tín hiệu nhiễu có phân cực đứng, còn mục tiêu được<br /> chiếu xạ với tín hiệu phân cực ngang. Các kết quả xử lý tín hiệu nhận được khi<br /> khóa và mở thuật toán phân cực chế áp nhiễu tích cực (xử lý sơ cấp) thể hiện trên<br /> hình 7.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Kết quả ứng dụng thuật toán phân cực chế áp nhiễu tích cực.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 153<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Bài báo này trình bày một cách nhìn tổng quan về các phương pháp chế áp<br /> nhiễu tích cực được sử dụng trong thực tế và chỉ ra sự cần thiết ứng dụng một thuật<br /> toán tích hợp để thực hiện việc áp dụng các phương pháp, tùy thuộc vào bản chất<br /> của đối tượng gây nhiễu ra đa.<br /> Các mô tả của thuật toán được phát triển để chế áp nhiễu cho ra đa trên biển, trong<br /> đó hiện đã được thực hiện trong phần mềm của hệ thống thực và đã được thử nghiệm.<br /> Trong thiết kế và hiệu chỉnh thuật toán được sử dụng giá thử nghiệm, đơn giản<br /> hóa đáng kể quá trình. Bài báo này cung cấp một sơ đồ của giá thử nghiệm và kết<br /> quả việc sử dụng các giai đoạn khác nhau của thuật toán tích hợp chế áp nhiễu.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Ширман Я. Д. “Теоретические основы радиолокации”. – М.:Советское<br /> радио, 1970, - 560 с.<br /> [2]. Фарина А., Студер Ф. “Цифровая обработка радиолокационной<br /> информации”. Сопро-вождение целей. – М.: Радио и связь, 1993, – 320с.<br /> [3]. Канащенков А.И., Меркулов В.И. “Защита радиолокационных систем<br /> от помех”. – М.: Радиотехника, 2003, – 414с.<br /> [4]. Ратынский М.В. “Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках”.<br /> – М.: Радио и связь, 2003, – 200 с.<br /> [5].Смит С. “Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для<br /> инженеров и научных работников”. – М.: Додэка-ХХI, 2012, – 720с.<br /> ABSTRACT<br /> PROTECTION ALGORITHM FROM ACTIVE INTERFERENCE<br /> IN THE MARINE RADAR<br /> Today there are many methods of protection against interference in radar<br /> technology. The article focuses on the protection against jamming in the radar<br /> on a movable base (namely, a sea-based). A complex algorithm of protection<br /> against jamming, implemented in practice is presented. This algorithm is<br /> based on an assessment of the active noise parameters and choosing the most<br /> appropriate method of protection in a particular situation. It affects both<br /> theoretical issues and particularly the practical implementation of this<br /> algorithm. As an important tool for debugging algorithm is a diagram of<br /> hardware and software of the stand, as well as the results of the algorithm for<br /> noise protection.<br /> Keywords: Passive noise, Positive noise, Anti-jamming algorithm, Radar.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Ra đa/ Viện Khoa học và Công Nghệ Quân sự/ Bộ Quốc phòng.<br /> *<br /> Email của tác giả liên hệ: uyenvrd2006@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> 154 L.N. Uyên, T.V. Hùng, …, “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.”<br />