Khóa luận Xây dựng mã pha ma - Nip trong xung và thực hiện nén xung làm tăng tỷ số tín hiệu Trên Tạp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ CÁC LOẠI HÌNH CỦA NÓ Định vị vô tuyến (radar) là tên gọi của một lĩnh vực vô tuyến , mà lĩnh vực này sử dụng sự phản xạ, sự bức xạ qua lại, hoặc sự bức xạ riêng của sóng điện từ để phát hiện các mục tiêu khác nhau, đồng thời còn còn để đo tọa độ và tham số chuyển động của các mục tiêu đó. Mục tiêu của định vị vô tuyến là mục tiêu vật chất bất kỳ mà nó có thể phát hiện được , có thể đo được vị trí của nó bằng các phương pháp định vị vô tuyến. Tuỳ theo từng phương pháp định vị vô tuyến người ta phân loại chúng thành các loại hình sau: Loại 1: Định vị vô tuyến chủ động bởi việc chiếu sáng mục tiêu bằng năng lượng điện từ , mà năng lượng này được bức xạ bằng anten của trạm phát radar và sự hấp thụ năng lượng phản xạ từ mục tiêu. Loai 2: Định vị vô tuyến chủ động với trả lời chủ động , khác với loại hình thứ nhất ở chỗ là mục tiêu có đặt máy đáp vô tuyến, đây là thiết bị phát nhận, nó nhận và trả lời các tín hiệu của radar. Loại 3: Định vị vô tuyến bán chủ động, khác với loại hình chủ động ở chỗ mục tiêu được chiếu sáng bằng một trạm radar còn sự thu còn sự thu và phát tín hiệu phản xạ từ mục tiêu được thực hiện ở đối tượng khác Loại 4: Định vị vô tuyến thụ động được thực hiện băng cách thu năng lượng được bức xạ bởi mục tiêu. Vấn đề phát hiện mục tiêu xét theo quan điểm kỹ thuật vô tuyến dẫn đến sự phát hiện tín hiệu, mà được bức xạ qua lại bởi mục tiêu này trên nền các loại nhiễu khác nhau. Mục tiêu bất kỳ được radar chiếu sáng trở thành nguồn sáng thứ cấp. Công suất của bức xạ thứ cấp phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như : cường độ từ trường mà được tạo bở máy radar gắn mục tiêu , các tham số của mục tiêu, vị trí của mục tiêu so với radar , sự phân cực của từ trường sơ cấp và độ dài của sóng. Vv ... Định vị vô tuyến thụ động hình thành ở hiện tượng bức xạ năng lượng điện từ bởi các vật thể. Vật thể bất kỳ mà nhiệt độ của nó lớn hơn không độ tuyệt đối đều bức xạ năng lượng điện từ. Tất cả các mục tiêu đều thỏa mãn điều kiện này , vì vậy có sự phát hiện mục tiêu mà không cần chiếu sáng ban đầu . Định vị vô tuyến hình thành ở tính chất sóng vô tuyến lan truyền trong môi trường đồng nhất với vận tốc không đổi, tính chất này cho phép xác định hướng tới mục tiêu và độ dài quỹ đạo truyền sóng của chúng. Người ta chia nhỏ định vị vô tuyến tương ứng thành đo khoảng cách vô tuyến và sự tìm phương bằng vô tuyến. Đo khoảng cách vô tuyến là xác định khoảng cách tới mục tiêu bằng cách đo độ dải quỹ đạo lan truyền của sóng vô tuyến tới mục tiêu và ngược lại. Tìm phương bằng vô tuyến là xác định hướng tới mục tiêu, tức là đo tọa độ góc của mục tiêu bằng cách xác định hướng đến của sóng vô tuyến phản xạ hoặc phát ra từ mục tiêu. PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG XUNG VÔ TUYẾN Khi xác định khoảng cách đến mục tiêu ( D ) , người ta đo thời gian trễ của tín hiệu phản xạ tới xung thăm dò. Xung thăm dò là xung có tần số cao, công suất lớn, xung này được hình thành bởi máy phát và bức xạ vào không gian nhờ anten Thời điểm bức xạ của xung thăm dò được đưa vào bộ đếm thời gian sóng vô tuyến lan truyền. Tín hiệu được phản xạ từ mục tiêu được thu trực tiếp bởi máy thu. Khoảng thời gian giữa thời điểm bức xạ của xung thăm dò và thời điểm thu xung phản xạ gọi là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ Ta có : z= (1.1.3a) Do đó =z (1.1.3b) Trong đó D là khoảng cách giữa máy radar và mục tiêu, c là vận tốc truyền sóng vô tuyến Môi trường thực không phải là môi trường đồng nhất hoàn toàn, bởi thế quỹ đạo truyền sóng không hoàn toàn là một đường thẳng , còn vận tốc truyền sóng không hoàn toàn là không đổi trong tất cả các đường truyền. Tuy nhiên tỷ số dẫn ra ở trên sẽ đúng với môi trường thực nếu c là vận tốc truyền sóng trung bình ở khoảng cách D Tùy theo phương pháp đo khoảng cách thời gian t , người ta chia thành những phương pháp đo khoảng cách vô tuyến sau : xung, tần số , pha và xung tần số. tương ứng người ta chia phương pháp định vị vô tuyến thành xung, tần số, pha và xung tần số. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG XUNG VÔ TUYẾN Máy phát Thiết bị chuyển mạch antenn Máy phát Máy thu Bộ đồng bộ Máy thu Bộ phận hiển thị Bộ đồng bộ Nguyên tắc hoạt động của máy radar xung được chỉ ra ở sơ đồ khối rút gọn sau : Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ định vị vô tuyến bằng phương pháp nén xung. Máy phát của máy đo khoảng cách vô tuyến bức xạ dao động tần số siêu cao ở dạng xung thăm dò lặp lại theo chu kỳ khoảng thời gian giữa các xung thăm dò diễn ra sự thu xung phản xạ. Từ lối ra của máy thu, xung đã thu được đưa vào thiết bị chỉ báo, thiết bị này cho phép đo khoảng thời gian giữa lục bắt đầu bức xạ xung thăm dò và lúc bắt đầu thu xung phản xạ. Vì vậy ta xác định được khoảng cách đến mục tiêu theo công thức (1.1.3b ) Ở bộ phận chỉ báo tỷ lệ của tia quét (l) và khoảng đo được D được liên hệ theo công thức =r .z = r . = Trong đó r l là vận tốc quét không đổi = là tỷ lệ quét tuyến tính Để máy thu của radar làm việc bình thường cần có sự đồng bộ giữa máy phát xung với bộ chỉ báo , nghĩa là thời điểm bức xạ của xung thăm do và lúc bắt đầu quét của bộ chỉ báo cần trùng nhau hoàn toàn PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG SỰ NÉN XUNG Hình 1.2 giản đồ thời gian của việc phát xung radar 1 xung radar gủi xung của sóng vô tuyến trong 1 khoảng thời gian nhỏ là T0 và sau đó ngừng gửi trong khoảng thời gian là T1 như hình ở trên, chu kỳ là T0 + T1 , do đó tần số f = 1/(T0 + T1) .Trong khi bộ truyền hoạt động và gửi tín hiệu trong thời gian T0 thì bộ nhận sẽ ngừng việc nhân tín hiệu, sau khoảng thời gian T0 bộ truyền sẽ ngừng truyền và cho phép bộ nhận cảm nhận tín hiệu phản hồi từ mục tiêu. khoảng thời gian T0 thì nguồn của máy phát phải đảm bảo là tín hiệu được truyền đi, đập vào mục tiêu và quay trỏ lại bộ nhận . vì vậy trong truờng hợp tín hiệu vọng về được phát hiện thì năng lượng cần phải lớn nhất có thể. Điều này có thể thực hiện nhờ tăng nguồn năng lượng phát hoặc tăng thòi gian phát T0. Việc bộ phát sử dụng năng lượng lớn sẽ xuất hiện những vấn đề bởi vì nó phải đòi hỏi một điên thế cỡ KV . điều này gây nguy hiêm, tốn kém.. Việc lựa chọn giải pháp đầu tiên đã không khả thi, giờ ta sẽ lựa chọn cách thứ 2 là tăng khoảng thời gian truyền T0, tăng thời gian T0 thì lại mâu thuẫn với độ phân giải cư ly, độ phân giải cự ly có nghĩa là ở khoảng cách xa nào đó mà 2 tín hiệu phản hồi phải được tách dời vì vậy những tín hiệu dội có thể nhìn giống như 2 xung riêng rẽ. . Do đó chúng ta cần phải tăng T0 để tăng năng lượng truyền và nhận một xung hẹp để cải thiện độ phân giải cự ly. Điều này dẫn đến việc nén xung. Nén xung là việc gửi một xung dài để tăng năng lượng truyền và nén nó đến một xung hẹp ở bộ nhận để tăng cao độ phân giải cự ly. Độ phân giải cự ly = T0/2r , r là dải của mục tiêu, độ phân giải mục tiêu = (1/2r)*(1/BW) trong đó BW = 1/ t0 băng thông của xung truyền . vì vậy nếu tăng băng thông của xung truyền thì độ phân giải cự ly sẽ đuợc cải thiện. Định vị sử dụng phương pháp xung - tần số Sơ đồ khối đơn giản của radar với sự điều biến tần số tuyến tính trong xung được mô tả trong hình 1.1.5 Thiết bị truyền Bộ đồng bộ Thiết bị ra Thiết bị chuyển mạch anten Máy thu Bộ lọc nén Bộ tách sóng Hình 1.3 Sơ đồ khối của máy radar với sự điều biến tần số tuyến tính trong xung Thiết bị truyền phát xung vô tuyến rộng t1. Tần số trong xung thay đổi theo quy luật tuyến tính : f = f0 – at ( 1.1.5 ) Trong đó a là vận tốc thay đổi tần số. Dạng xung vô tuyến và quy luật biến đổi tần số được mô tả trong hình 1.1.5a,b Tín hiệu phản xạ của mục tiêu được thu bởi máy thu của trạm và đi đến bộ lọc nén đặc biệt. trong bộ nén người ta sử dụng đường trễ mà thời gian trễ của nó phụ thuộc tuyến tính vào tần số. ( hình 1.1.5c ) Với bộ lọc này tần số xung cao đến sớm được trễ nhiều hơn, còn tần số thấp đến muộn hơn bi trễ ít hơn. Kết quả tất cả các thành phần tần số của xung bị dịch chuyển trong thời gian trước khi hết xung, nghĩa là xung bị nén trong khoảng thời gian đó Mức đôj nén xung hoàn toàn được xác định theo giới hạn thay đổi tần số trong xung ( theo độ lệch của tần số ) F0 = a. i n Bộ nén xung Hình 1.4: Nguyên lý nén xung : Dạng xung lối vào và lối ra của bộ lọc. Vùng thay đổi tần số của xung. Sự phụ thuộc thời gian trễ của bộ lọc vào tần số. Độ rộng của xung ở lối ra của bộ lọc tic=1/fD ( 1.1.5a1 ) Hệ số nén xung là : k = ti/tic = fD.ti ( 1.1.5b1) Công suất xung ở lối ra của bộ lọc nén tăng lên k lần , nghĩa là : Pi ra=k.Pi vµo ( 1.1.5c1 ) Chảng hạn, để nén xung băng thời gian 500.10^-6 s lên 100 lần, độ lệch tần số của xung fD = 200 KHz , vận tốc thay đổi tần số a = 400MHz/s . Khi công suất xung ở lối vào Pi vao = 10 ^-6 w . thì công suất xung ở lối ra của bộ lọc sẽ là Pi ra = 100 .10^-6 w. Định vị sử dụng điều biến pha ng Bộ khuyếch đại với pha Bộ tạo xung tần só cao Bô khuyếch đại với pha 0 Khối tạo dạng mã Bộ đồng bộ Thiết bị ra Bộ khuyếch đại công suât Bộ chuyển mạch anten Máy thu Bộ lọc nén Bộ lọc thích ứng Bộ tách sóng Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ thống radar sử dụng phương pháp điều biến pha trong xung Thiết bị hình thành xung thăm dò có tần số không đổi và độ rộng là t1. Xung này được phân thành những đoạn bằng nhau, khoảng mã rk. Trong phạm vi của mỗi khoảng mã có pha ban đầu về dao động tần số cao. Uc(t) U2 U3 U4 U5 U6 U1 U7 Lèi ra y y -y y Bô lấy tổng Bộ lọc thích ứng với y -y -y Hình 1.6 Sơ đồ xử lý tối ưu của xung điều biến pha 1 -1 2 +1 3 -1 4 -1 5 +1 6 +1 7 +1 8 9 10 11 12 13 UC(t) Ue(t) Uj(t) t t t a) b) c) Hình 1.7 Sự biến đổi xung điều biến pha Độ rộng của mỗi khoảng mã rk được xác định bởi độ phân giải của máy. Trong các đài rađa hiện nay sử dụng mã barker mà ở đó pha ban đầu của các khoảng mã lân cận bằng 0 hoặc 180 độ còn số khoảng mã ở xung có thể là 3,4,5,7,11,13. Trên hình 1.1.5.2 là sơ đồ đơn giản về sử lý tối ưu pha xung. Trên hình 1.1.5.2a thể hiện tín hiệu mã gồm 7 khoảng mã ( n=7 ) , những khoảng mã có pha ban đầu là 0 ( +1 ) còn khoảng mã có pha ban đầu là 180 độ là (-1) 1.5 ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHẤP TẦN SỐ Định vị vô tuyến sử dụng phương pháp tần số có sơ đồ khối biểu diễn trên hình 1.9. Nguyên tắc hoạt động của nó như sau Bộ tạo sóng âm tần Bộ điều biến tần số Bộ tạo sóng tần số cao Bộ tách sóng Bộ khuyếch đại Thiết bị đo tần số Hình 1.8. Sơ đồ khối của máy rađa tần số U1 a) t UV c) t U2 b) t Ur d) t Hình 1.9 Biểu đồ điện áp giải thích làm việc của radar tần số. Điện áp của tín hiệu trực tiếp Ui được điều biến theo tần số đi từ bộ tạo sóng tần số cao vào bộ tách sóng (hình 1.10.a). Đồng thời tín hiệu phản xạ từ anten thu U2 cũng đi vào bộ tách sóng (hình 1.10.b). Nếu khoảng cách đến mục tiêu phản xạ trong suốt thời gian không thay đổi, thì sự điều chỉnh bổ xung (biên độ và tần số) dao động khi phản xạ không xảy ra .Trong điều kiện này tín hiệu phản xạ chỉ khác tín hiệu trực tiếp bởi biên độ. Có thể xác định thời gian trễ của tín hiệu phản xạ theo công thức (1.1). Khi cộng tín hiệu phản xạ và tín hiệu trực tiếp sẽ xuất hiện hiện tượng phách (hình 1.10.c). Tín hiệu hợp thành là tín hiệu được điều chế cả theo tần số và biên độ. Tần số phách phụ thuộc vào thời gian trễ của tín hiệu phản xạ, nghĩa là phụ thuộc vào cự ly của mục tiêu phản xạ. Bây giờ tách đường bao của tín hiệu hợp thành (hình 1.10.d) và sau khi khuếch đại đưa đến thiết bị đo tần số, thì số chỉ của thiết bị đo tần số sẽ tương ứng với khoảng cách được đo. Tần số phách khi đIều khiển tần số tuyến tính bằng: FP = a.2D/c (1.9) FP t fD f0 f TM tZ t f1 Với a là vận tốc thay đổi tần số. Hình 1.11 Sự phụ thuộc độ lớn hiệu tần số tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ vào thời gian khi điều biến theo quy luật tam giác đối xứng Đối với trường hợp điều khiển theo quy luật đường cong tam giác đối xứng (hình 1.11) thì: FP = |f1-f2| = 4fDfMD/c (1.10) Trong đó : fD là độ lệch tần số. fM là tần số biến điệu. Công thức (1.10) chính xác khi : (f1 – f2) lớn hơn rất nhiều so với fM. Trong trường hợp điều khiển theo quy luật sóng điều hoà thì: FP = |f1 – f2| = |fD.sin() Trong đó tz là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ. Từ biểu thức (1.11) ta nhận thấy khi điều biến theo quy luật sóng điều hoà thì tần số phách thay đổi theo từng chu kỳ. Nhưng số chỉ của thiết bị đo (đo quán tính) tương ứng với tần số phách trung bình và được xác định theo công thức (1.10). Công thức (1.10) đối với trưòng hợp điều khiển theo quy luật đường cong hình tam giác và quy luật sóng điều hoà chỉ là gần đúng .Vì thế khoảng cách được đo sai khác đến D0, còn khi đo khoảng cách nhỏ có thể đến 2D0. Với D0 = c/4fD (1.12) Công thức (1.12) cho phép xác định độ chính xác của phép đo . Nếu khoảng cách giữa máy đo và mục tiêu là thay đổi thì quy luật của tín hiệu phản xạ sẽ khác quy luật thay đổi tần số của tín hiệu phát do hiệu ứng Doppler .Trong trường hợp này tần số phách bằng : FP = |FD -Fd| (1.13) Trong đó : FD là tần số phách do sự trễ của tín hiệu phản xạ và được tính theo công thức (1.10). Fd là tần số Doppler : Fd = fi.2vr/c =2vr/… fi là tần số mang của máy đo vrlà vận tốc hướng tâm của mục tiêu …là bước sóng của máy phát f F1 F2 t F1 F2 t Hình 1.12 ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi điều khiển theo quy luật đường cong tam giác đối xứng Đối với trường hợp điều khiển theo quy luật đường cong tam giác đối xứng (hình 1.12) có thể đo riêng khoảng cách tới mục tiêu và vận tốc dịch chuyển của mục tiêu. Nếu FD lớn hơn Fd thì : FD = ( |F1| + |F2| )/2 (1.15) fd = ( |F1| - |F2| )/2 (1.16) Vì thế khi đo riêng rẽ F1 và F2 có thể tìm ra khoảng cách đến mục tiêu và vận tốc đến mục tiêu. D = c.FD/2a (1.17) vr = c.Fd/2fi (1.18) 1.6 ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHA Sơ đồ khối của máy đo khoảng cách vô tuyến sử dụng phương pháp pha được biểu diễn trên hình (1.13) u1 u2 u Bộ tạo sóng tần số tỉ lệ Bộ tạo sóng tần số cao Máy thu Pha kế Mục tiêu Hình 1.13 Sơ đồ khối máy đo khoảng cách vô tuyến bằng phương pháp pha Nguyên tắc hoạt động của nó như sau :Đi vào pha kế là hai điện áp : -Từ bộ tạo sóng tần số tỷ lệ : u1 = um1.sin(M..t + 0) (1.19) Trong đó : M là tần số tỷ lệ 0 là pha ban đầu -Từ lối ra của máy thu : u2 = um2 .sin[M.(t-tz) + 0-d-px] (1.20) Trong đó : d là sự trễ của pha dao động trong mạch của máy đo khoảng cách vô tuyến. px là góc lệch của pha dao động tỷ lệ ,xuất hiện khi phản xạ từ mục tiêu. tz là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ . Độ lệch pha của điện áp u1 và u2 bằng: (1.21) Sự trễ pha ở mạch của máy đo và độ lệch pha xuất hiện khi phản xạ là không đổi và có thể tính toán được hoặc xác định được bằng thực nghiệm . Khi đó nếu ta đo độ lệch pha giữa điện áp u1 và u2 thì có thể xác định được khoảng cách đến mục tiêu: (1.22) Để đảm bảo việc đo khoảng cách vô tuyến bằng phương pháp pha, cần lựa chọn chính xác tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Để lựa chọn người ta sử dụng hiệu ứng Doppler .Trong trường hợp nay người ta sử dụng 2 máy phát làm việc ở tần số và Bộ lọc dải (I) Bộ lọc dải (II) Máy thu Bộ tạo sóng tần số cao Bộ tạo sóng tần số cao MT Hình 1.14.Sơ đồ khối máy đo khoảng cách sử dụng hiệu ứng Doppler Đi vào máy thu (hình 1.14) là tín hiệu trực tiếp với tần số và và tín hiệu phản xạ từ mục tiêu và , trong đó và là các tần số Doppler : và Điện áp của lối ra máy thu đi vào 2 bộ lọc dải, một trong số bộ lọc đó cho dải tần số từ đến đi qua, còn bộ lọc kia cho dải tần số từ đến đi qua. Tần số và được lựa chọn để các dải trên được thoả mãn. Nếu tần số và khác nhau một chút thì do đó: là độ lệch pha giữa điện áp u1và u2được thu bởi máy thu Như vậy khoảng cách trong trường hợp đang xét được xác định bằng cách đo độ lệch pha dao động của 2 tần số Doppler Máy đo khoảng cách pha đã xét ở phần trên không có khả năng xác định theo khoảng cách, nhưng lại cho phép xác định vận tốc của mục tiêu. Vì vậy nó có thể bảo đảm việc đo khoảng cách cả trong trường hợp trong tầm nhìn của máy rađa có vài mục tiêu. Để làm được điều này, cần phải thay bộ lọc dải trên hình 1.14 bằng bộ lọc dải có tần số cộng hưởng thay đổi. 1.7.PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ LIÊN TỤC VỚI SỰ ĐIỀU BIẾN PHA Thiết bị truyền của rađa tạo dao động liên tục với tần số không thay đổi. Pha ban đầu của dao động thay đổi theo mã đã được xác định. Chu kì lặp lại Ti được lựa chọn ứng với kgoảng cách lựa chọn của trạm.Chu kì này được phân thành các khoảng thời gian (khoảng thời gian được lựa chọn theo khả năng cho phép của máy rađa). t Ti Hình 1.15.Ví dụ về điều biến mã pha của tín hiệu liên tục Số các khoảng đó là: (1.24) Việc điều khiển pha được thực hiện như sau : khoảng chừng một nửa khoảng có pha ban đầu bằng , phần còn lại có pha ban đầu là . Sự xen kẽ pha được lựa chọn theo một mã xác định (hình 1.15 là một ví dụ). Tín hiệu điều khiển mã pha được bức xạ vào không gian, phản xạ từ mục tiêu và được thu bởi máy thu. Trong máy thu tín hiệu nhận được đi vào bộ trộn, được xử lí giống như tín hiệu chuẩn điều khiển mã pha nhưng bị trễ ở đường trễ. Từ thời gian trễ của tín hiệu ta có thể phán đoán được khoảng cách đến mục tiêu. Phương pháp này có hàng loạt ưu điểm so với phương pháp xung: Mức độ công suất cực đại bằng công suất trung bình bởi vậy không đòi hỏi cao về độ bền của ống dẫn sóng, cũng như cách ly điện áp cao. Tính chống nhiễu của phương pháp này rất cao vì cho phép lọc dải hẹp và nhạy với vận tốc của mục tiêu. Cho phép đo 3 loại tọa độ mục tiêu (khoảng cách, góc phương vị, góc tà và vận tốc hướng tâm). 1.8.PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ LIÊN TỤC VỚI SỰ ĐIỀU BIẾN TẠP ÂM: Để xác định khoảng cách khi bức xạ liên tục có thể sử dụng điều biến tạp âm tín hiệu tần số cao. Việc điều biến có thể là biên độ hoặc pha u(t) u(t-) u(t-) R() Bộ tạo sóng âm tần Bộ điều biến Bộ tạo sóng tần số cao Đường trễ Bộ tương quan Máy thu MT Hình 1.16 .Sơ đồ khối rađa với điều biến tạp âm Nguyên lí làm việc của máy rađa với sự điều biến tạp âm theo biên độ được đưa ra trên hình 1.16. Bộ tạo sóng phát ra tín hiệu tạp âm u(t) hình 1.17a. Biên độ dao động của bộ tạo sóng tần số cao được điều chế bởi tín hiệu này. Tín hiệu sau khi phản xạ từ mục tiêu đi đến thiết bị thu.Ở lối ra của bộ tách sóng, tín hiệu tạp âm ban đầu được tách ra khỏi nhưng bị trễ một khoảng thời gian tương ứng với khoảng cách tới mục tiêu (hình1.17b). Tín hiệu từ lối ra của bộ tách sóng đi tới bộ tương quan. Đồng thời đi vào lối thứ hai của bộ này là tín hiệu tạp âm ban đầu u(t) nhưng bị trễ ở đường trễ một khoảng thời gian là (hình 1.17c) . Thời gian trễ trên đường này có thể thay đổi được. Bộ tương quan thực hiện phép toán sau: (1.25) Trong đó: TH là thời gian quan sát. Hàm trong lí thuyết các quá trình ngẫu nhiên được gọi là hàm tự tương quan. Bởi vậy thiết bị này được gọi là bộ tương quan, ở lối ra của bộ tương quan tạo ra điện áp tỉ lệ với hàm tương quan của tạp âm với . Hàm tự tương quan lớn nhất khi Vì vậy thời gian trễ của đường trễ bằng thì ở lối ra của bộ tương quan điện áp sẽ cực đại (hình1.17d). Để kiểm tra tất cả các khoảng trễ trên đường trễ cần phải thay đổi từ 0 cho đến giá trị lớn nhất, giá trị lớn nhất sẽ ứng với khoảng cách tới mục tiêu xa nhất. u(t) (a) t (b) t (c) t t (d) Hình1.17.Nguyên tắc làm việc của bộ tương quan với sự điều biến tạp âm Tính chất cơ bản của máy rađa với sự điều biến tạp âm là : Tín hiệu tạp âm khác với tín hiệu điều chỉnh có chu kì, cho phép xác định một cách đơn trị khoảng cách tới mục tiêu. Sự áp dụng điều biến tạp âm, đặc biệt khi điều chế pha làm tăng công suất trung bình của tín hiệu so với cơ chế xung cũng như ở rađa với sự bức xạ liên tục thuộc các loại khác. Được sử dụng ở những rađa có công suất không lớn, điều này làm đơn giản kết cấu của máy phát và của hệ thống angten Tín hiệu tạp âm của rađa, đặc biệt khi điều chế biên độ tương tự tạp âm ở bên trong của máy thu, điều này cho phép rađa làm việc được bí mật hơn. 1.9.PHÁT HIỆN CÁC TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN: Phát hiện các mục tiêu vô tuyến khi có sự giúp đỡ của các trạm rađa là quá trình nhận lời giải về sự có mặt hoặc vắng mặt mục tiêu trong một vùng không gian bằng phương pháp nhận và xử lí tín hiệu rađa Việc nhận các tín hiệu luôn diễn ra trên nền nhiễu. Trong dải sóng mà vô tuyến định vị sử dụng các dạng cơ bản của nhiễu tự nhiênlà: tạp nhiệt, tạp âm vũ trụ, tạp nội của máy thu. Sự có mặt của nhiễu dẫn đến tín hiệu bị sai lệch và xuất hiện các lỗi trong việc đánh giá xử lí. Việc thu nhận và giải đáp về sự có mặt hay vắng mặt của mục tiêu xảy ra ở 2 điều kiện loại trừ: -Mục tiêu trên thực tế là có -Mục tiêu trên thực tế là không có Khi lựa chọn những lời giải những điều kiện này không được biết trước. Một trong hai điều kiện trên tương ứng với 2 lời giải: - “ có mục tiêu” - “ không có mục tiêu” Như vậy khi phát hiện có 4 khả năng lựa chọn : ở điều kiện mục tiêu trên thực tế là có thì lời giải “có mục tiêu” là phát hiện đúng, còn lời giải “không có mục tiêu ” được gọi là bỏ sót mục tiêu; ở điều kiện mục tiêu trên thực tế là không có, thì lời giải “không có mục tiêu” là sự không phát hiện đúng, còn lời giải “có mục tiêu” được gọi là báo động nhầm. Bỏ sót mục tiêu và báo động nhầm là những sai sót khi phát hiện mục tiêu. Nói chung tín hiệu vô tuyến định vị là những hàm ngẫu nhiên của thời gian, vì vậy việc nhận lời giải này hay lời giải khác đều mang tính chất ngẫu nhiên. Khả năng xuất hiện những tình huống này là đặc trưng xác suất của lời giải đúng và lời giải sai, ta kí hiệu: Xác suất phát hiện đúng là Pno Xác suất không phát hiện đúng là Pnh Xác suất bỏ sót mục tiêu là Pnp Xác suất báo động nhầm là Plt Khi có mặt mục tiêu trong thực tế phát hiện đúng và bỏ sót mục tiêu sẽ tạo thành nhóm đủ các sự kiện độc lập , bởi vậy: Pno + Pnp = 1 (1.26) Báo động nhầm và không phát hiện đúng cũng tạo thành nhóm đầy đủ các sự kiện độc lập khi không có mục tiêu và: Plt + Pnh =1 (1.27) Từ công thức (1.26) và (1.27) ta thấy chỉ có 2 trong số các xác suất kể trên là không phụ thuộc vào nhau. Thông thường dựa vào tính chất này và với đặc tính của các dụng cụ phát hiện người ta sử dụng xác suất phát hiện đúng và xác suất báo động nhầm. Thiết bị xử lí thông tin vô tuyến định vị còn phải thoả mãn các yêu cầu trái ngược nhau. Để tránh bỏ sót mục tiêu, người ta thường dùng lời giải về sự có mặt của nó thậm chí cả trong trường hợp khi tín hiệu từ mục tiêu rất sai lệch bởi nhiễu và không thể khẳng định được chính xác có mục tiêu. Khi đó xác suất báo động nhầm tăng lên. Ngược lại nếu như xác suất báo động nhầm giảm thì cần phải nhận lời giải về sự có mặt của mục tiêu khi tín hiệu vượt rõ trên nhiễu. Khi đó xác suất bỏ sót mục tiêu tăng lên . Bởi vậy chúng ta phải xem xét một cách hợp lí giữa các tiêu chuẩn trái ngược nhau khi lựa chọn phương thức tối ưu về xử lí thông tin. Để nhận định về chất lượng hoạt động của các thiết bị phát hiện cần phải sử dụng tiêu chuẩn nào đó để so sánh giữa thiết bị này với thiết bị khác.Thiết bị tối ưu là thiết bị cho phép nhận giá trị tốt nhất (khi so sánh với thiết bị khác) theo tiêu chuẩn đã lựa chọn ở những điều kiện tương tự khác nhau. Thông thường hay sử dụng nhiều nhất trong vô tuyến định vị là tiêu chuẩn Hengman-Pico. Theo tiêu chuẩn này, thiết bị phát hiện tối ưu cần phải đảm bảo xác suất phát hiện đúng Pno là lớn nhất khi đã cho trước giá trị xác suất của báo động nhầm Plt Trong thiết bị thu tối ưu, phát hiện tín hiệu vô tuyến định vị được thực hiện hoặc là xác định xác suất hậu nghiệm của những thông tin khác nhau (ví dụ thông tin có mục tiêu, thông tin về sự vắng mặt của mục tiêu) và đưa ra lời giải về những thông tin mà xác suất của nó lớn hơn các thông tin còn lại, hoặc là xác định tỉ số chắc chắn về thông tin truyền. Tín hiệu lối ra của máy thu u(t) ở điều kiện mục tiêu trên thực tế là có, là tổng của các quá trình ngẫu nhiên: u(t) = uc(t) + un(t) (1.28) Trong đó: uc(t) là tín hiệu của mục tiêu un(t) là tín hiệu của tạp âm Nếu không có mục tiêu thì: u(t) =un(t) (1.29) Cũng như các quá trình ngẫu nhiên bất kì, tín hiệu u(t) hoàn toàn được mô tả bởi mật độ phân bố xác suất đường bao và pha . Dạng phân bố xác suất đối với trường hợp (1.28) và (1.29) được chỉ ra ở hình (1.18) Pno Pno Pnp Plt u U0 Hình1.18.Mật độ phân bố xác suất đường bao tạp âm và tín hiệu với tạp âm Khi biết mật độ phân bố xác suất và giá trị giới hạn U0 , có thể tính được xác suất lời giải đúng và sai theo biểu thức sau : (1.30) (1.31) (1.32) (1.33) Trong đó: là mật độ phân bố xác suất đường bao tín hiệu và tạp âm là mật độ phân bố xác suất đường bao tạp âm U0 là điện áp ngưỡng , khi vượt qua giá trị này nhận được lời giải về sự có mặt của tín hiệu Tỉ số chắc chắn được xác định theo biểu thức: (1.34) Theo tiêu chuẩn Hengman_Pico lời giải về sự có mặt của mục tiêu nhận được nếu như tỉ số chắc chắn vượt qua giới hạn đã cho, tức là Giá trị được chọn sao cho xác suất báo động nhầm Plt không vượt quá giá trị cho phép lt0 .Thực tế trong các rađa làm việc ở chế độ quan sát không gian thì tín hiệu của mục tiêu là một nhóm xung. Số lượng xung trong nhóm xác định theo công thức : (1.35) Trong đó: Fi là tần lặp lại của xung là độ rộng của biểu đồ định hướng ở mức độ nửa công suất nA là vận tốc quay của anten (vòng/phút) Việc tính toán xác suất phát hiện đúng mục tiêu và báo động nhầm ở dạng tổng quát là rất khó . Tuy nhiên trong trường hợp tín hiệu nhỏ (trường hợp này có ý nghĩa lớn trên thực tế) , các xác suất đã đưa có thể tính theo công thức: (1.36) (1.37) Trong đó: là tích phân xác suất là tỉ số giữa công suất tín hiệu và công suất tạp âm ở lối ra của máy thu là giá trị giới hạn của tỉ số chắc chắn Nc là số xung được xử lí của mục tiêu Xác suất phát hiện đúng khi cho trước xác suất báo động nhầm mà càng lớn thì tỉ số tín/tạp ở lối ra của phần tử tuyến tính của máy thu càng lớn và số xung được xử lí càng lớn. Trên hình (1.19) đưa ra sự phụ thuộc xác suất phát hiện mục tiêu đúng Pno (khi cho trước xác suất báo động nhầm Plt ) vào độ lớn của tỉ số tín/tạp và số xung được xử lí Ni . Đồ thị của sự phụ thuộc này gọi là đặc trưng phát hiện (đặc trưng làm việc của dụng cụ đo) và nó cho ta sự biểu diễn rõ ràng về tín hiệu vô tuyến định vị. Từ đặc tính này có thể tìm được giá trị giới hạn với xác suất Pno và Plt cho trước khi xử lí tối ưu các tín hiệu: (1.38) Trong đó: x(Pno,Plt) là hoành độ điểm trên đặc trưng ứng với xác suất Pno và Plt cho trước Pno Plt= 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x(Pno,Plt) 1 0,9 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Hình 1.19.Đặc trưng phát hiện trong trường hợp tín hiệu yếu với biên độ không đổi Thông thường người ta cho Pno từ 0,5 đến 0,9 và Plt từ 10-10 đến 10-6. Thiết bị thu dùng để phát tín hiệu, cần phải tính toán tỉ số chắc chắn . Nếu tỉ số chắc chắn càng lớn thì khả năng có mặt của tín hiệu càng lớn. Khi tính toán tỉ số chắc chắn đối với tín hiệu với toàn bộ tham số đã biết, người ta đi đến kết luận rằng thiết bị thu phải có cấu tạo tích phân và so sánh nó với một mức nào đó (giới hạn). Khi đó phép toán sẽ tương đương với việc tính toán tỉ số chắc chắn, so sánh nó với giá trị giới hạn. Biểu thức (1.39) sau đây có tên gọi là tích phân tương quan : (1.39) Trong đó: là năng lượng của tạp âm, về trị số bằng mật độ phổ của nó u’(t) là tín hiệu đã biết u(t) là tín hiệu ở lối vào của máy thu TH là thời gian quan sát. Thiết bị thu thực hiện những công việc này với tín hiệu nhận được, được gọi là thiết bị thu tối ưu và có cấu trúc như sau: bộ tương quan là thiết bị thực hiện phép tính nhân tín hiệu lối vào u(t) với tín hiệu chuẩn uon(t), mà nó là bản sao của tín hiệu với toàn bộ tham số được biết u’(t), được kết hợp trong thời gian tín hiệu nhận được và lấy tích phân (phép lấy tổng) theo thời gian. Trong thiết bị giới hạn tích phân tương quan sau khi được tín toán sẽ được so sánh với giới hạn , và nếu nó vượt qua giới hạn này lời giải về sự có mặt của mục tiêu được tiếp nhận. Máy thu loại này được gọi là máy thu tương quan. Bộ tương quan (phép nhân& cộng) Thiết bị giới hạn u(t) Lối ra Hình 1.20.Sơ đồ khối của máy thu tương quan Để xử lí các tín hiệu trong máy thu tối ưu không chỉ sử dụng bộ tương quan, mà còn sử dụng bộ lọc thích ứng với tín hiệu (hay là bộ lọc tối ưu). Bộ lọc tối ưu là bộ lọc mà đặc trưng tần số của nó là liên hợp phức của phổ tín hiệu : (1.40) Nếu phổ của tín hiệu là : (1.41) Thì đặc trưng của bộ lọc là : (1.42) Trong đó: là đặc trưng tần số – biên độ của bộ lọc là đặc trưng tần số – pha của bộ lọc là phổ tần số – biên độ của tín hiệu là phổ tần số – pha của tín hiệu là thời gian trễ của bộ lọc Rõ ràng từ biểu thức (1.42) , đặc trưng tần số biên độ của bộ lọc tối ưu tỉ lệ với phổ tần số – biên độ của tín hiệu , tức là dạng đặc trưng tấn số của bộ lọc trùng với dạng phổ tấn số của tín hiệu. Bộ lọc tối ưu chỉ cho truyền qua những thành phần phổ mà biểu hiện của nó là lớn nhất trong phổ tín hiệu, thành phần yếu của tín hiệu bị khử trong bộ lọc. Cùng với thành phần phổ yếu của tín hiệu, thành phần tạp âm cũng bị khử. Đặc trưng tần số – pha của bộ lọc tối ưu tỉ lệ với đặc trưng pha- tần số của tín hiệu nhưng ngược dấu, tức là: (1.43) Như vậy độ lệch pha của thành phần phổ tín hiệu được bù bởi bộ lọc và tồn tại tại thời điểm t0 (thời gian trễ của bộ lọc), trong lúc đó tất cả các thành phần phổ có trong pha được cộng lại theo đại số, ở lối ra của bộ lọc ở thời điểm này hình thành đỉnh điện áp đối với tín hiệu (hình 1.21), đối với tạp âm điều này không xảy ra . u1 t u2 t u3 t u1+u2+u3 t t=tz+t0 Hình 1.21.Sự chồng chập lớn nhất các thành phần sóng điều hoà của tín hiệu có ích ở lối ra của bộ lọc ở đặc trưng tần số – pha tối ưu Bộ lọc tối ưu cho tỉ số tín/tạp ở lối ra là tốt nhất so với những bộ lọc loại khác: (1.44) Trong đó: là năng lượng của tín hiệu là mật độ phổ tạp âm Tỉ số tín/tạp ở bộ lọc tối ưu được xác định bởi năng lượng của tín hiệu ở lối vào bộ lọc và mật độ phổ tạp âm và nó không phụ thuộc vào dạng của tín hiệu. Dạng tín hiệu chỉ xác định cấu trúc của bộ lọc. Để xử lí các tín hiệu có thể sử dụng các bộ lọc thích ứng với tín hiệu chỉ theo độ rộng của dải thông. Trên hình (1.22) mô tả sự phụ thuộc tỉ số vào tích số Trong đó: là tỉ số tín/tạp ở lối ra của bộ lọc không tối ưu là tỉ số tín/tạp ở lối ra của bộ lọc tối ưu là độ rộng của xung là dải thông của bộ lọc 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Hình 1.22 . Sự phụ thuộc tỉ số tín/tạp vào 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Từ hình (1.22) ta nhận thấy tồn tại một giá trị của tích số khi tỉ số lớn nhất , tức là dải thông tối ưu: khi mà (1.45) Sự hao hụt trong tỉ số tín/tạp ở bộ lọc trên so với bộ lọc tối ưu chỉ khoảng 17% . Bộ lọc tối ưu được chế tạo để xử lí từng chùm xung đơn lẻ hoặc một chùm xung. Bộ lọc đối với xung đơn lẻ thì đơn giản hơn đối với một chùm xung. Khi xử lí tối ưu một chùm xung thì lời giải bài toán phát hiện thường dẫn đến các thao tác sau: Lựa chọn từng xung trong chùm xung Tách sóng biên độ Tích phân đồng bộ tín hiệu thị tần Kiểm nghiệm tín hiệu tổng trên giới hạn. Hai thao tác đầu thường do những thiết bị thu thực hiện, các thao tác còn lại do các thiết bị ra của rađa thực hiện. Thao tác lấy tích phân đồng bộ diễn ra với sự giúp đỡ của thiết bị cộng tín hiệu tương ứng từng khoảng trong các chu kì lặp lại khác nhau. Để thực hiện được thao tác này cần một thiết bị nhớ tín hiệu (ví dụ như đường trễ). Sơ đồ khối của bộ tích phân đồng bộ với chùm gồm 4 xung và đồ thị trên hình (1.23) sẽ giải thích thêm quá trình tích phân đồng bộ u1 u2 Bộ tách sóng biên độ Bộ lọc tối ưu đối với xung đơn lẻ Bộ tích phân đồng bộ Đường trễ u3 u4 u5 u6 u7 u1 u2 u3 u4 u5 t t t t t u6 t u7 t Hình 1.23 . Xử lí tối ưu tín hiệu Từ việc áp dụng xử lí tối ưu tín hiệu sẽ làm giảm được công suất giới hạn.Công suất giới hạn Pnop của tín hiệu rađa là công suất nhỏ nhất của tín hiệu lối vào thiết bị thu , khi mà xác suất của sự phát hiện mục tiêu đúng và báo động giả được đảm bảo. Trị số công suất tới hạn phụ thuộc vào giá trị của xác suất phát hiện mục tiêu đúng và báo động nhầm, tham số của tín hiệu rađa, thời gian quan sát và dạng xử lí tín hiệu rađa. Đối với trường hợp lọc tối ưu xung tần số cao đơn lẻ hình chữ nhật thì: (1.46) Trong đó : N là hệ số tạp âm của máy thu k là hằng số Bonzman T0 là nhiệt độ Kenvin T0=3000K là tỉ số tín/tạp (xác định theo đặc trưng phát hiện biểu diễn trên hình 1.19 theo xác suất cho trước Pno và Plt ) Khi hệ thống thực hiện lọc không tối ưu để đảm bảo xác suất phát hiện mục tiêu đúng và báo động nhầm giống như trong bộ lọc tối ưu thì công suất giới hạn cần được tăng lên. Tỉ số tín/tạp khi lọc không tối ưu nhỏ hơn khi lọc tối ưu () lần, với là tỉ số tín/tạp ở lối ra của bộ lọc tối ưu, và là tỉ số tín/tạp ở lối ra của máy thu khi lọc không tối ưu. Do đó công suất giới hạn khi lọc không tối ưu là: (1.47) Hệ số được gọi là hệ số phân biệt (hệ số phân biệt cho biết công suất của tín hiệu thu nhỏ nhất cần phải lớn hơn công suất tạp nội của máy thu bao nhiêu lần, để phát hiện được tín hiệu từ mục tiêu với xác suất phát hiện đúng và báo động nhầm cho trước) Đối với máy thu mà dải thông của nó là tối ưu thì tỉ số và Công suất giới hạn là độ nhậy thực của máy thu , bởi vậy trong công thức (1.47) khi cho thì Trong đó là độ nhậy giới hạn của máy thu.