Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài rada sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính 271405
- 73 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Vũ Thị Hân
NGHÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG
ĐÀI RA ĐA SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH
Chuyên ngành: Điện tử viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Điện tử viễn thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Phạm Thành Công
Hà Nội – Năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Nghiên cứu,
thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến
tính’’ được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của TS.Phạm Thành Công.
Mọi thông tin và số liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng
đúng luật bản quyền quy định.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2012
Học viên
Vũ Thị Hân
1
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 8
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................. 10
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 10
2. Lịch sử nghiên cứu .................................................................................. 10
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ...... 11
4. Tóm tắt nội dung luận văn ...................................................................... 11
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ
THUẬT ĐỐI VỚI ĐÀI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG ................. 13
1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không ......... 13
1.2 Phân loại các đài ra đa........................................................................... 16
1.2.1 Phân loại theo công dụng ............................................................... 16
1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật ................................................................... 17
1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới .................................. 19
1.4 Các yêu cầu chiến – kỹ thuật cơ bản đối với đài ra đa cảnh giới ......... 21
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG ............................. 23
2.1 Khái niệm – Phân loại – Ưu điểm của tín hiệu dải rộng ....................... 23
2.1.1 Khái niệm ....................................................................................... 23
2.1.2 Phân loại ......................................................................................... 24
2.1.3 Các ưu điểm của tín hiệu dải rộng ................................................. 25
2
2.2 Thiết bị thu khi xử lý tương quan bằng bộ lọc phối hợp ...................... 26
2.2.1 Bộ lọc phối hợp và đặc tính xung của nó ....................................... 27
2.2.2 Đặc tính tần số của bộ lọc phối hợp ............................................... 29
2.2.3 Dạng tín hiệu ở đầu ra bộ lọc tối ưu............................................... 31
2.2.4 Tỷ số tín/tạp ở lối ra bộ lọc tối ưu .................................................. 34
2.2.5 Lọc tối ưu tín hiệu điều tần tuyến tính ........................................... 35
2.3 Các dạng tín hiệu điều chế tần số và đặc trưng của nó ......................... 38
2.3.1 Tín hiệu điều tần tuyến tính (LFM) ................................................ 38
2.3.2 Tín hiệu điều tần theo luật chữ V .................................................... 42
2.3.3 Chuỗi mã M..................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH TRONG BỘ LỌC
PHỐI HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT FFT ...................................................... 47
3.1 Đặc điểm xây dựng các hệ thống hình thành xung điều tần tuyến tính 47
3.1.1 Hệ thống hình thành xung ĐTTT theo phương pháp thụ động ..... 47
3.1.2 Hệ thống hình thành xung ĐTTT bằng phương pháp chủ động .... 48
3.1.3 Đặc điểm xây dựng các hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ trong ra đa
phát xạ xung điều tần tuyến tính ............................................................. 49
3.2 Phân tích thuật toán và xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ........ 49
3.2.1 Phân tích thuật toán ........................................................................ 51
3.2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ...................................................... 52
3.3 Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật
FFT .................................................................................................................. 53
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG ĐÀI RA ĐA
SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH........................................ 56
4.1 Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của BLPH ................................ 57
3
4.2 Công cụ phần mềm thiết kế bộ lọc phối hợp ........................................ 57
4.3 Thiết kế BLPH sử dụng kỹ thuật FFT.................................................. 66
4.4 Import chương trình thiết kế trên vào phần cứng ................................. 68
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71
4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Thuật ngữ Ý nghĩa
FPGA Field Programmable Gate Array Mạng cổng lập trình
LFM Linear Frequency Modulation Điều tần tuyến tính
CW radar Continous Wave radar Ra đa phát xung liên tục
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược FFT
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
VHDL VHSIC Hadware Description Ngôn ngữ mô tả phần cứng
Language VHSIC
BLPH Bộ lọc phối hợp
BLTU Bộ lọc tối ưu
TMTDĐ Tách mục tiêu di động
XLTQ Xử lý tương quan
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống ra đa ............................................................................................13
Hình 1.2 Phân loại các đài ra đa ................................................................................16
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới .......................................21
Hình 2.1 Dạng tín hiệu và đặc tuyến xung cần có của bộ lọc phối hợp....................29
Hình 2.2 Bộ lọc tính mô đun tích phân tương quan ..................................................29
Hình 2.3 Dạng đặc tuyến biên độ - tần số và đặc tuyến pha – tần số của BLTU .....31
Hình 2.4 Đồ thị minh họa hiện tượng cộng pha của các hài trong BPH..................33
Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian giữ chậm của bộ lọc vào tần số ...........................36
Hình 2.6 Bộ lọc làm trên dây giữ chậm tán sắc ........................................................37
Hình 2.7 Dạng tín hiệu đầu ra bộ lọc tối ưu tín hiệu điều tần ...................................38
Hình 2.8 Tín hiệu điều tần tuyến tính và đầu ra sau bộ lọc nén ................................40
Hình 2.9 Giản đồ bất định của xung điều tần tuyến tính .........................................42
Hình 2.10 Tín hiệu điều tần hình chữ V và qui luật điều chế ...................................43
Hình 2.11 Giản đồ bất định của xung điều tần hình chữ V.......................................43
Hình 2.12 Sơ đồ mạch tạo chuỗi mã M ....................................................................45
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc đơn giản tuyến hình thành và phát xạ xung điều tần tuyến tính
theo phương pháp thụ động.......................................................................................47
Hình 3.2 Phương pháp thụ động hình thành xung điều tần tuyến tính......................48
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị hình thành xung điều tần tuyến tính theo phương pháp
tích cực.......................................................................................................................49
Hình 3.4 Sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số trong xung tín hiệu phản xạ........50
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc đài ra đa hình thành xung phát xạ điều tần tuyến tính theo
phương pháp thụ động và thu nén xung nhờ sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số và
bộ lọc mã......................................................................................................................51
6
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ..................................................................53
Hình 4.1 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp ......................................56
Hình 4.2 Tín hiệu đầu ra bộ lọc phối hợp khi có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ........57
Hình 4.3 Tài nguyên Xillinx Blockset Blockset trong thư viện Matlab Simulink ...58
Hình 4.4 Một chương trình thiết kế trong môi trường phần mềm Matlab Simulink 61
Hình 4.5 Sơ đồ khối mức cao của Board ML605 .....................................................63
Hình 4.6 Hình ảnh của Board ML605.......................................................................64
Hình 4.7 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp ......................................64
Hình 4.8 Mô đun tạo giả tín hiệu ..............................................................................65
Hình 4.9 Mô hình bộ nhân ........................................................................................66
Hình 4.10 Mô đun thực hiện FFT .............................................................................66
Hình 4.11 Mô đun IFFT ............................................................................................67
Hình 4. 12 Mô phỏng kết quả của bộ lọc phối hợp ...................................................67
Hình 4. 13 Kết quả biên dịch từ phần mềm Matlab tạo ra một chương trình trong
Xillinx........................................................................................................................68
7
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt của khoa học kỹ thuật đặc biệt
là kỹ thuật điện tử - tin học đã làm thay đổi về cơ bản nội dung cũng như chất lượng
của các thiết bị điện tử. Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử đã cho phép chế tạo được
các IC tổ hợp lớn và những dạng tín hiệu phức tạp cũng bắt đầu được ứng dụng rộng
rãi trong tất cả các lĩnh vực vô tuyến viễn thông, ra đa, điều khiển.. Tín hiệu phức tạp
đã đáp ứng được các yêu cầu rất cao về tính năng kỹ, chiến thuật cần có của một hệ
thống thiết bị ra đa hiện đại. Ứng dụng chủ yếu của ra đa liên tục sử dụng tín hiệu phức
tạp là quan sát, phát hiện các mục tiêu bay, xác định khoảng cách và vận tốc của mục
tiêu so với trạm ra đa liên tục. Những năm gần đây, đã xuất hiện nhiều sản phẩm ứng
dụng công nghệ ra đa liên tục trong các lĩnh vực như: ra đa cảnh giới tầm trung, ra đa
kiểm soát biên giới, ra đa đo sơ tốc đạn pháo, ra đa đo bám quỹ đạo đạn, ra đa kiểm
soát các phương tiện giao thông…
Ở nước ta, các thiết bị ra đa sử dụng trong quân đội chủ yếu vẫn là các loại ra đa
xung được trang bị từ những năm 70 của thế kỷ trước theo công nghệ của Liên Xô
trước đây. Hiện tại, một số cơ sở nghiên cứu trong quân đội cũng đã được trang bị một
số loại ra đa liên tục nhưng khả năng ứng dụng còn ở mức độ hạn chế.
Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc phối hợp dùng
trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ với những nội dung cụ thể
sau:
- Tìm hiểu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính
- Tìm hiểu tổng quan về bộ lọc phối hợp.
- Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến
tính.
8
Với lòng biết ơn chân thành, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Phạm
Thành Công đã tận tình chỉ bảo và có những đóng góp quý báu, giúp đỡ em trong suốt
quá trình làm luận văn. Và cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy,
cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông nói riêng và Trung tâm đào tạo sau đại học, các
đồng nghiệp nói chung đã dạy bảo và cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong
quá trình học tập tại trường. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã khích lệ, ủng hộ tôi trong
những năm qua.
Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 06 năm 2012
Học viên thực hiện
Vũ Thị Hân
9
PHẦN MỞ ĐẦU
ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu
điều tần tuyến tính.
TÁC GIẢ: Vũ Thị Hân
Khóa: 2010B
Người hướng dẫn: TS.Phạm Thành Công
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay các đài ra đa thế hệ mới đã phát huy được tính năng vượt trội bằng
việc sử dụng sức mạnh của công nghệ hiện đại như các đài 96L6E, 55D6, Kacta
2E2....Những đài ra đa hiện đại đã khắc phục được hai yếu tố mâu thuẫn là phân biệt
theo cự ly và tốc độ, ngoài ra còn giải quyết khá tốt bài toán năng lượng, nâng cao tỷ số
tín/tạp.
Đặc điểm chung của các đài ra đa đó là sử dụng tín hiệu phức tạp, kết hợp bài
toán xử lý ứng dụng công nghệ hiện đại.
Xu hướng chung của các đài ra đa hiện nay là phát xạ tín hiệu phức tạp, ứng
dụng công nghệ cao trong việc xử lý tín hiệu số đã đáp ứng được cơ bản các yêu cầu
phức tạp mà các đài ra đa thế hệ cũ không đáp ứng được.
Với xu hướng đó việc phát triển nghiên cứu để chế tạo ra một bộ lọc phối hợp
ứng dụng được trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính là cần thiết.
2. Lịch sử nghiên cứu
Tháng 3/2012: Nghiên cứu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính và phần
mềm dùng trong thiết kế.
10
Tháng 4/2012: Nghiên cứu tổng quan về bộ lọc phối hợp dùng trong các đài ra
đa hiện nay.
Tháng 5/2012: Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng tín hiệu điều tần
tuyến tính bằng phần mềm Xillinx kết hợp với Matlab.
Tháng 6: Hoàn thiện nội dung luận văn và viết luận văn.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về ứng dụng của tín hiệu dải rộng, cụ thể là tín hiệu điều
tần tuyến tính trong thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng trong các đài ra đa.
4. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương I: Tổng quan về cấu trúc và yêu cầu chiến – kỹ thuật đối với ra đa cảnh
giới phòng không.
Giới thiệu sơ bộ về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, phân loại các đài ra
đa và sơ đồ tổng quát của một đài ra đa cảnh giới.
Chương II: Tổng quan về tín hiệu dải rộng và bộ lọc phối hợp.
Tìm hiểu về khái niệm, phân loại và ưu, nhược điểm của tín hiệu dải rộng so với
tín hiệu đơn xung; tìm hiểu sơ bộ về bộ lọc phối hợp: đặc tính tần số, tín hiệu đầu ra
cũng như tỷ số tín/tạp của bộ lọc phối hợp
Chương III: Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ
thuật FFT.
Giới thiệu về thuật toán xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp
và đưa ra mô hình tổng quát về một bộ lọc phối hợp cần thiết kế.
11
Chương IV: Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều
tần tuyến tính.
Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của bộ lọc phối hợp, giới thiệu tổng quan
về công nghệ phần mềm sử dụng trong luận văn, đó là phần mềm Xllinx kết hợp với
Matlab. Mô phỏng và đưa ra các kết quả mô phỏng về bộ lọc phối hợp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Tổng qua về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, tìm
hiểu về tín hiệu điều tần tuyến tính và bộ lọc phối hợp.
Nghiên cứu công nghệ: Tìm hiểu về Xillinx kết hợp với Matlab để xử lý tín hiệu
điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp.
12
Chương I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ THUẬT
ĐỐI VỚI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG
1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không
Hệ thống ra đa cảnh giới phòng không là nhóm cấu trúc các phương tiện kỹ
thuật vô tuyến điện được bố trí theo những quy tắc nhất định trên lãnh thổ, có liên hệ
chức năng với nhau để giải quyết nhiệm vụ thu thập, xử lý và cung cấp thông tin ra đa
về các mục tiêu trên không.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ra đa như sau:
Hình 1.1: Hệ thống ra đa
13
Các phương tiện kỹ thuật vô tuyến điện trong hệ thống trên bao gồm:
- Các phương tiện ra đa,
- Các phương tiện xử lý thông tin ra đa,
- Các phương tiện truyền thông tin ra đa.
Thông tin ra đa do hệ thống này tạo ra dùng để đánh giá tình hình không phận
và giải quyết các nhiệm vụ sau:
- Phát hiện và phân phối các mục tiêu trên không,
- Xác định hỏa lực và phương tiện phòng không cần thiết,
- Chỉ thị mục tiêu cho các tổ hợp tên lửa phòng không,
- Dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu cần tiêu diêt.
Mối liên hệ chức năng giữa các phương tiện trong hệ thống với nhau nhằm tạo
ra mạng ra đa có khả năng quan trắc toàn diện vùng không gian cần quản lý, mà thực
chất là tạo ra những đặc trưng chất lượng mới, cho phép giải quyết những nhiệm vụ mà
không một đài ra đa riêng lẻ nào có thể giải quyết được. Đạt được như thế, trước hết là
do không còn những hạn chế về kích thước hình học vùng quan sát, gây ra do độ cong
của Trái đất. Các phần tử của hệ thống ra đa có thể bố trí trên những địa điểm xác định
của lãnh thổ, cho phép tránh được những khó khăn về mặt nguyên lý xuất hiện khi cần
quan sát vùng không gian rộng lớn trên lãnh thổ.
Những ưu điểm chính của hệ thống ra đa:
- Cho phép nhận được thông tin đầy đủ và có độ chính xác cao về mục tiêu nhờ
xử lý các thông tin đơn lẻ thu từ các đài ra đa chủng loại khác nhau làm việc ở những
tần số khác nhau và ở các vị trí xa nhau.
14
- Tăng xác suất phát hiện mục tiêu.
- Việc trao đổi thông tin về mục tiêu giữa các đài ra đa với nhau cho phép tăng
cự ly phát hiện, khắc phục các vùng mù (vùng mù đỉnh đầu và vùng mù ở góc tà thấp)
và các khe mù của giản đồ hướng anten trong mặt phẳng thẳng đứng của từng đài riêng
lẻ.
- Việc xử lý thống kê tín hiệu mục tiêu thu được từ các đài ra đa riêng lẻ theo
nhiều hướng khác nhau cho phép hệ thống có khả năng theo dõi liên tục được các mục
tiêu cơ động và các mục tiêu có dấu vết ra đa nhỏ (mục tiêu “tàng hình”).
- Hệ thống có khả năng đối phó thích nghi với những tình huống “chiến tranh
điện tử” khác nhau, cho phép giảm nhỏ ảnh hưởng của nhiễu tự nhiên hoặc nhân tạo,
giảm hiệu quả của các phương tiện trinh sát điện tử và chống ra đa của đối phương.
Tín hiệu (bao gồm cả tín hiệu có ích và nhiễu) thu được từ máy thu của ra đa thứ
i (i = 1,2,...,I) mang thông tin về mục tiêu thứ j (j = 1,2,....,J) nào đó trong không gian,
khi mục tiêu này được chiếu xạ bởi tín hiệu phát từ máy phát của ra đa thứ k (k =
1,2....,K) trong hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, về mặt toán học có thể biểu diễn
dưới dạng hàm của thời gian y(t), hoặc dưới dạng ma trận ba chiều:
(1.1)
Nhiệm vụ của các phương tiện xử lý thông tin ra đa là phải tách được các tín
hiệu có ích từ tập hợp các tín hiệu Yijk(t) đã thu được, hợp nhất các tín hiệu của cùng
một mục tiêu, tổng hợp thông tin nhận được từ các tín hiệu đã hợp nhất, ước lượng các
tham số về chuyển động của từng mục tiêu, biến đổi thông tin thành dạng thích hợp và
cung cấp cho nơi sử dụng tin. Quá trình xử lý thông tin ra đa thường phân đoạn thành 3
cấp: xử lý cấp 1, xử lý cấp 2, xử lý cấp 3.
15
1.2 Phân loại các đài ra đa:
Hình 1.2 : Phân loại các đài ra đa.
1.2.1 Phân loại theo công dụng
- Phát hiện xa các mục tiêu trên không (ra đa cảnh giới): để trinh sát phát hiện
các mục tiêu trên không ở cự ly xa. Loại đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương
vị của mục tiêu với độ chính xác vừa phải. Độ cao của mục tiêu có thể được xác định
rất sơ lược. Công suất phát của đài lớn.
- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến
các mục tiêu đó (ra đa cảnh giới và dẫn đường): là khâu cung cấp thông tin chủ yếu
trong hệ thống dẫn đường cho máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không. Để
đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay
tiêm kích, ra đa cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xác
đủ đảm bảo dẫn đường thành công.
16
- Ra đa phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp. Ra đa
loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc dm, có thiết bị áp
chế nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động.
- Ra đa chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không cần có cự ly tác dụng
đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa lực phòng
không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất. Thông tin ra đa (về cả
3 tọa độ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát ngay được
mục tiêu mà không cần sục sao.
- Ra đa chuyên dụng: chẳng hạn như ra đa có độ chính xác cao, ra đa dùng để
phủ vùng nón mù đỉnh đầu...
1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật:
Có thể chia các ra đa theo dải sóng, theo phương pháp ra đa, theo phương pháp
đo cự ly, theo số lượng kênh ra đa độc lập.
* Tần số làm việc của ra đa có thể thuộc dải tần như bảng dưới đây. Ra đa HF
lợi dụng sự phản xạ sóng ở tầng đối lưu và tầng điện ly để phát hiện các mục tiêu trong
đường chân trời. Ra đa dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân
trời. Các ra đa cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m(10 1m), dm (10 – 1
dm), và cm (10 – 1cm).
17
*Theo phương pháp ra đa:
Các phương tiện ra đa, nếu xét theo phương pháp ra đa, có thể bao gồm các loại
ra đa sau:
- Ra đa chủ động có trả lời thụ động. Loại ra đa này là nguồn cung cấp chủ yếu
thông tin ra đa hiện nay. Nguyên lý làm việc của nó dựa trên sự chủ động phát tín hiệu
cao tần chiếu xạ vào các mục tiêu và thu các tín hiệu phản xạ thụ động từ chúng.
- Ra đa chủ động có trả lời chủ động để phát hiện và nhận biết các máy bay ta có
trang bị máy trả lời tương ứng.
- Ra đa thụ động phát hiện và định vị mục tiêu dựa trên việc thu các bức xạ vô
tuyến riêng của các mục tiêu (như bức xạ vô tuyến của mục tiêu, bức xạ vô tuyến từ
các thiết bị kỹ thuật vô tuyến điện của mục tiêu,...).
* Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: ra đa bức xạ xung
và ra đa bức xạ liên tục. Ra đa bức xạ xung có ưu điểm chính: đơn giản việc đo cự ly,
về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và thu. Nhược
điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ
mục tiêu (đặc biệt khi cần đo độ chính xác cao). Ra đa bức xạ liên tục liên tục cho phép
18
tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát
không cần lớn. Nhược điểm này của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát
rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo
nhiều tham số.
1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới:
Dưới đây là sơ đồ cấu trúc tổng quát của các đài ra đa cảnh giới làm việc theo
phương pháp ra đa chủ động. Các đài ra đa này cần đảm bảo:
- Hình thành tín hiệu phát xạ có cấu trúc định trước và bức xạ định hướng sóng
điện từ vào không gian.
- Thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu,
- Phát hiện mục tiêu, đo tọa độ và các tham số về chuyển động của nó.
Muốn vậy trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của loại đài ra đa này cần có các hệ
thống sau:
- Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ,
- Hệ thống anten để bức xạ định hướng tín hiệu phát và thu các tín hiệu phản xạ.
Để tạo ra hình dạng vùng quan sát cần thiết và đảm bảo khả năng xác định các tọa độ
góc của mục tiêu cần tiến hành quét búp sóng anten (theo phương pháp cơ điện hoặc
điện tử) trong các mặt phẳng tương ứng.
- Hệ thống xử lý tín hiệu thu nhằm cực đại hóa chất lượng phát hiện mục tiêu
khi có tác động của các loại nhiễu khác nhau. Hệ thống này gồm các thiết bị: khuếch
đại, lọc phối hợp, tích lũy tín hiệu, chống nhiễu tiêu cực và chống nhiễu tích cực.
19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Vũ Thị Hân
NGHÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG
ĐÀI RA ĐA SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH
Chuyên ngành: Điện tử viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Điện tử viễn thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Phạm Thành Công
Hà Nội – Năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Nghiên cứu,
thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến
tính’’ được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của TS.Phạm Thành Công.
Mọi thông tin và số liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng
đúng luật bản quyền quy định.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 25 tháng 6 năm 2012
Học viên
Vũ Thị Hân
1
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 8
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................. 10
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 10
2. Lịch sử nghiên cứu .................................................................................. 10
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ...... 11
4. Tóm tắt nội dung luận văn ...................................................................... 11
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ
THUẬT ĐỐI VỚI ĐÀI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG ................. 13
1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không ......... 13
1.2 Phân loại các đài ra đa........................................................................... 16
1.2.1 Phân loại theo công dụng ............................................................... 16
1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật ................................................................... 17
1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới .................................. 19
1.4 Các yêu cầu chiến – kỹ thuật cơ bản đối với đài ra đa cảnh giới ......... 21
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU DẢI RỘNG ............................. 23
2.1 Khái niệm – Phân loại – Ưu điểm của tín hiệu dải rộng ....................... 23
2.1.1 Khái niệm ....................................................................................... 23
2.1.2 Phân loại ......................................................................................... 24
2.1.3 Các ưu điểm của tín hiệu dải rộng ................................................. 25
2
2.2 Thiết bị thu khi xử lý tương quan bằng bộ lọc phối hợp ...................... 26
2.2.1 Bộ lọc phối hợp và đặc tính xung của nó ....................................... 27
2.2.2 Đặc tính tần số của bộ lọc phối hợp ............................................... 29
2.2.3 Dạng tín hiệu ở đầu ra bộ lọc tối ưu............................................... 31
2.2.4 Tỷ số tín/tạp ở lối ra bộ lọc tối ưu .................................................. 34
2.2.5 Lọc tối ưu tín hiệu điều tần tuyến tính ........................................... 35
2.3 Các dạng tín hiệu điều chế tần số và đặc trưng của nó ......................... 38
2.3.1 Tín hiệu điều tần tuyến tính (LFM) ................................................ 38
2.3.2 Tín hiệu điều tần theo luật chữ V .................................................... 42
2.3.3 Chuỗi mã M..................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH TRONG BỘ LỌC
PHỐI HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT FFT ...................................................... 47
3.1 Đặc điểm xây dựng các hệ thống hình thành xung điều tần tuyến tính 47
3.1.1 Hệ thống hình thành xung ĐTTT theo phương pháp thụ động ..... 47
3.1.2 Hệ thống hình thành xung ĐTTT bằng phương pháp chủ động .... 48
3.1.3 Đặc điểm xây dựng các hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ trong ra đa
phát xạ xung điều tần tuyến tính ............................................................. 49
3.2 Phân tích thuật toán và xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ........ 49
3.2.1 Phân tích thuật toán ........................................................................ 51
3.2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ...................................................... 52
3.3 Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ thuật
FFT .................................................................................................................. 53
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC PHỐI HỢP DÙNG TRONG ĐÀI RA ĐA
SỬ DỤNG TÍN HIỆU ĐIỀU TẦN TUYẾN TÍNH........................................ 56
4.1 Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của BLPH ................................ 57
3
4.2 Công cụ phần mềm thiết kế bộ lọc phối hợp ........................................ 57
4.3 Thiết kế BLPH sử dụng kỹ thuật FFT.................................................. 66
4.4 Import chương trình thiết kế trên vào phần cứng ................................. 68
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71
4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Thuật ngữ Ý nghĩa
FPGA Field Programmable Gate Array Mạng cổng lập trình
LFM Linear Frequency Modulation Điều tần tuyến tính
CW radar Continous Wave radar Ra đa phát xung liên tục
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược FFT
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
VHDL VHSIC Hadware Description Ngôn ngữ mô tả phần cứng
Language VHSIC
BLPH Bộ lọc phối hợp
BLTU Bộ lọc tối ưu
TMTDĐ Tách mục tiêu di động
XLTQ Xử lý tương quan
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống ra đa ............................................................................................13
Hình 1.2 Phân loại các đài ra đa ................................................................................16
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới .......................................21
Hình 2.1 Dạng tín hiệu và đặc tuyến xung cần có của bộ lọc phối hợp....................29
Hình 2.2 Bộ lọc tính mô đun tích phân tương quan ..................................................29
Hình 2.3 Dạng đặc tuyến biên độ - tần số và đặc tuyến pha – tần số của BLTU .....31
Hình 2.4 Đồ thị minh họa hiện tượng cộng pha của các hài trong BPH..................33
Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian giữ chậm của bộ lọc vào tần số ...........................36
Hình 2.6 Bộ lọc làm trên dây giữ chậm tán sắc ........................................................37
Hình 2.7 Dạng tín hiệu đầu ra bộ lọc tối ưu tín hiệu điều tần ...................................38
Hình 2.8 Tín hiệu điều tần tuyến tính và đầu ra sau bộ lọc nén ................................40
Hình 2.9 Giản đồ bất định của xung điều tần tuyến tính .........................................42
Hình 2.10 Tín hiệu điều tần hình chữ V và qui luật điều chế ...................................43
Hình 2.11 Giản đồ bất định của xung điều tần hình chữ V.......................................43
Hình 2.12 Sơ đồ mạch tạo chuỗi mã M ....................................................................45
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc đơn giản tuyến hình thành và phát xạ xung điều tần tuyến tính
theo phương pháp thụ động.......................................................................................47
Hình 3.2 Phương pháp thụ động hình thành xung điều tần tuyến tính......................48
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thiết bị hình thành xung điều tần tuyến tính theo phương pháp
tích cực.......................................................................................................................49
Hình 3.4 Sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số trong xung tín hiệu phản xạ........50
Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc đài ra đa hình thành xung phát xạ điều tần tuyến tính theo
phương pháp thụ động và thu nén xung nhờ sơ đồ đảo ngược qui luật điều chế tần số và
bộ lọc mã......................................................................................................................51
6
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc phối hợp ..................................................................53
Hình 4.1 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp ......................................56
Hình 4.2 Tín hiệu đầu ra bộ lọc phối hợp khi có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu ........57
Hình 4.3 Tài nguyên Xillinx Blockset Blockset trong thư viện Matlab Simulink ...58
Hình 4.4 Một chương trình thiết kế trong môi trường phần mềm Matlab Simulink 61
Hình 4.5 Sơ đồ khối mức cao của Board ML605 .....................................................63
Hình 4.6 Hình ảnh của Board ML605.......................................................................64
Hình 4.7 Mô hình kiểm tra hoạt động của bộ lọc phối hợp ......................................64
Hình 4.8 Mô đun tạo giả tín hiệu ..............................................................................65
Hình 4.9 Mô hình bộ nhân ........................................................................................66
Hình 4.10 Mô đun thực hiện FFT .............................................................................66
Hình 4.11 Mô đun IFFT ............................................................................................67
Hình 4. 12 Mô phỏng kết quả của bộ lọc phối hợp ...................................................67
Hình 4. 13 Kết quả biên dịch từ phần mềm Matlab tạo ra một chương trình trong
Xillinx........................................................................................................................68
7
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt của khoa học kỹ thuật đặc biệt
là kỹ thuật điện tử - tin học đã làm thay đổi về cơ bản nội dung cũng như chất lượng
của các thiết bị điện tử. Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử đã cho phép chế tạo được
các IC tổ hợp lớn và những dạng tín hiệu phức tạp cũng bắt đầu được ứng dụng rộng
rãi trong tất cả các lĩnh vực vô tuyến viễn thông, ra đa, điều khiển.. Tín hiệu phức tạp
đã đáp ứng được các yêu cầu rất cao về tính năng kỹ, chiến thuật cần có của một hệ
thống thiết bị ra đa hiện đại. Ứng dụng chủ yếu của ra đa liên tục sử dụng tín hiệu phức
tạp là quan sát, phát hiện các mục tiêu bay, xác định khoảng cách và vận tốc của mục
tiêu so với trạm ra đa liên tục. Những năm gần đây, đã xuất hiện nhiều sản phẩm ứng
dụng công nghệ ra đa liên tục trong các lĩnh vực như: ra đa cảnh giới tầm trung, ra đa
kiểm soát biên giới, ra đa đo sơ tốc đạn pháo, ra đa đo bám quỹ đạo đạn, ra đa kiểm
soát các phương tiện giao thông…
Ở nước ta, các thiết bị ra đa sử dụng trong quân đội chủ yếu vẫn là các loại ra đa
xung được trang bị từ những năm 70 của thế kỷ trước theo công nghệ của Liên Xô
trước đây. Hiện tại, một số cơ sở nghiên cứu trong quân đội cũng đã được trang bị một
số loại ra đa liên tục nhưng khả năng ứng dụng còn ở mức độ hạn chế.
Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ lọc phối hợp dùng
trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính’’ với những nội dung cụ thể
sau:
- Tìm hiểu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính
- Tìm hiểu tổng quan về bộ lọc phối hợp.
- Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến
tính.
8
Với lòng biết ơn chân thành, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Phạm
Thành Công đã tận tình chỉ bảo và có những đóng góp quý báu, giúp đỡ em trong suốt
quá trình làm luận văn. Và cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy,
cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông nói riêng và Trung tâm đào tạo sau đại học, các
đồng nghiệp nói chung đã dạy bảo và cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong
quá trình học tập tại trường. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã khích lệ, ủng hộ tôi trong
những năm qua.
Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 06 năm 2012
Học viên thực hiện
Vũ Thị Hân
9
PHẦN MỞ ĐẦU
ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu
điều tần tuyến tính.
TÁC GIẢ: Vũ Thị Hân
Khóa: 2010B
Người hướng dẫn: TS.Phạm Thành Công
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay các đài ra đa thế hệ mới đã phát huy được tính năng vượt trội bằng
việc sử dụng sức mạnh của công nghệ hiện đại như các đài 96L6E, 55D6, Kacta
2E2....Những đài ra đa hiện đại đã khắc phục được hai yếu tố mâu thuẫn là phân biệt
theo cự ly và tốc độ, ngoài ra còn giải quyết khá tốt bài toán năng lượng, nâng cao tỷ số
tín/tạp.
Đặc điểm chung của các đài ra đa đó là sử dụng tín hiệu phức tạp, kết hợp bài
toán xử lý ứng dụng công nghệ hiện đại.
Xu hướng chung của các đài ra đa hiện nay là phát xạ tín hiệu phức tạp, ứng
dụng công nghệ cao trong việc xử lý tín hiệu số đã đáp ứng được cơ bản các yêu cầu
phức tạp mà các đài ra đa thế hệ cũ không đáp ứng được.
Với xu hướng đó việc phát triển nghiên cứu để chế tạo ra một bộ lọc phối hợp
ứng dụng được trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều tần tuyến tính là cần thiết.
2. Lịch sử nghiên cứu
Tháng 3/2012: Nghiên cứu tổng quan về tín hiệu điều tần tuyến tính và phần
mềm dùng trong thiết kế.
10
Tháng 4/2012: Nghiên cứu tổng quan về bộ lọc phối hợp dùng trong các đài ra
đa hiện nay.
Tháng 5/2012: Nghiên cứu thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng tín hiệu điều tần
tuyến tính bằng phần mềm Xillinx kết hợp với Matlab.
Tháng 6: Hoàn thiện nội dung luận văn và viết luận văn.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về ứng dụng của tín hiệu dải rộng, cụ thể là tín hiệu điều
tần tuyến tính trong thiết kế bộ lọc phối hợp sử dụng trong các đài ra đa.
4. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương I: Tổng quan về cấu trúc và yêu cầu chiến – kỹ thuật đối với ra đa cảnh
giới phòng không.
Giới thiệu sơ bộ về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, phân loại các đài ra
đa và sơ đồ tổng quát của một đài ra đa cảnh giới.
Chương II: Tổng quan về tín hiệu dải rộng và bộ lọc phối hợp.
Tìm hiểu về khái niệm, phân loại và ưu, nhược điểm của tín hiệu dải rộng so với
tín hiệu đơn xung; tìm hiểu sơ bộ về bộ lọc phối hợp: đặc tính tần số, tín hiệu đầu ra
cũng như tỷ số tín/tạp của bộ lọc phối hợp
Chương III: Xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp sử dụng kỹ
thuật FFT.
Giới thiệu về thuật toán xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp
và đưa ra mô hình tổng quát về một bộ lọc phối hợp cần thiết kế.
11
Chương IV: Thiết kế bộ lọc phối hợp dùng trong đài ra đa sử dụng tín hiệu điều
tần tuyến tính.
Xây dựng mô hình kiểm tra tính năng của bộ lọc phối hợp, giới thiệu tổng quan
về công nghệ phần mềm sử dụng trong luận văn, đó là phần mềm Xllinx kết hợp với
Matlab. Mô phỏng và đưa ra các kết quả mô phỏng về bộ lọc phối hợp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Tổng qua về hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, tìm
hiểu về tín hiệu điều tần tuyến tính và bộ lọc phối hợp.
Nghiên cứu công nghệ: Tìm hiểu về Xillinx kết hợp với Matlab để xử lý tín hiệu
điều tần tuyến tính trong bộ lọc phối hợp.
12
Chương I: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CHIẾN – KỸ THUẬT
ĐỐI VỚI RA ĐA CẢNH GIỚI PHÒNG KHÔNG
1.1 Những nét đặc trưng của hệ thống ra đa cảnh giới phòng không
Hệ thống ra đa cảnh giới phòng không là nhóm cấu trúc các phương tiện kỹ
thuật vô tuyến điện được bố trí theo những quy tắc nhất định trên lãnh thổ, có liên hệ
chức năng với nhau để giải quyết nhiệm vụ thu thập, xử lý và cung cấp thông tin ra đa
về các mục tiêu trên không.
Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ra đa như sau:
Hình 1.1: Hệ thống ra đa
13
Các phương tiện kỹ thuật vô tuyến điện trong hệ thống trên bao gồm:
- Các phương tiện ra đa,
- Các phương tiện xử lý thông tin ra đa,
- Các phương tiện truyền thông tin ra đa.
Thông tin ra đa do hệ thống này tạo ra dùng để đánh giá tình hình không phận
và giải quyết các nhiệm vụ sau:
- Phát hiện và phân phối các mục tiêu trên không,
- Xác định hỏa lực và phương tiện phòng không cần thiết,
- Chỉ thị mục tiêu cho các tổ hợp tên lửa phòng không,
- Dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến các mục tiêu cần tiêu diêt.
Mối liên hệ chức năng giữa các phương tiện trong hệ thống với nhau nhằm tạo
ra mạng ra đa có khả năng quan trắc toàn diện vùng không gian cần quản lý, mà thực
chất là tạo ra những đặc trưng chất lượng mới, cho phép giải quyết những nhiệm vụ mà
không một đài ra đa riêng lẻ nào có thể giải quyết được. Đạt được như thế, trước hết là
do không còn những hạn chế về kích thước hình học vùng quan sát, gây ra do độ cong
của Trái đất. Các phần tử của hệ thống ra đa có thể bố trí trên những địa điểm xác định
của lãnh thổ, cho phép tránh được những khó khăn về mặt nguyên lý xuất hiện khi cần
quan sát vùng không gian rộng lớn trên lãnh thổ.
Những ưu điểm chính của hệ thống ra đa:
- Cho phép nhận được thông tin đầy đủ và có độ chính xác cao về mục tiêu nhờ
xử lý các thông tin đơn lẻ thu từ các đài ra đa chủng loại khác nhau làm việc ở những
tần số khác nhau và ở các vị trí xa nhau.
14
- Tăng xác suất phát hiện mục tiêu.
- Việc trao đổi thông tin về mục tiêu giữa các đài ra đa với nhau cho phép tăng
cự ly phát hiện, khắc phục các vùng mù (vùng mù đỉnh đầu và vùng mù ở góc tà thấp)
và các khe mù của giản đồ hướng anten trong mặt phẳng thẳng đứng của từng đài riêng
lẻ.
- Việc xử lý thống kê tín hiệu mục tiêu thu được từ các đài ra đa riêng lẻ theo
nhiều hướng khác nhau cho phép hệ thống có khả năng theo dõi liên tục được các mục
tiêu cơ động và các mục tiêu có dấu vết ra đa nhỏ (mục tiêu “tàng hình”).
- Hệ thống có khả năng đối phó thích nghi với những tình huống “chiến tranh
điện tử” khác nhau, cho phép giảm nhỏ ảnh hưởng của nhiễu tự nhiên hoặc nhân tạo,
giảm hiệu quả của các phương tiện trinh sát điện tử và chống ra đa của đối phương.
Tín hiệu (bao gồm cả tín hiệu có ích và nhiễu) thu được từ máy thu của ra đa thứ
i (i = 1,2,...,I) mang thông tin về mục tiêu thứ j (j = 1,2,....,J) nào đó trong không gian,
khi mục tiêu này được chiếu xạ bởi tín hiệu phát từ máy phát của ra đa thứ k (k =
1,2....,K) trong hệ thống ra đa cảnh giới phòng không, về mặt toán học có thể biểu diễn
dưới dạng hàm của thời gian y(t), hoặc dưới dạng ma trận ba chiều:
(1.1)
Nhiệm vụ của các phương tiện xử lý thông tin ra đa là phải tách được các tín
hiệu có ích từ tập hợp các tín hiệu Yijk(t) đã thu được, hợp nhất các tín hiệu của cùng
một mục tiêu, tổng hợp thông tin nhận được từ các tín hiệu đã hợp nhất, ước lượng các
tham số về chuyển động của từng mục tiêu, biến đổi thông tin thành dạng thích hợp và
cung cấp cho nơi sử dụng tin. Quá trình xử lý thông tin ra đa thường phân đoạn thành 3
cấp: xử lý cấp 1, xử lý cấp 2, xử lý cấp 3.
15
1.2 Phân loại các đài ra đa:
Hình 1.2 : Phân loại các đài ra đa.
1.2.1 Phân loại theo công dụng
- Phát hiện xa các mục tiêu trên không (ra đa cảnh giới): để trinh sát phát hiện
các mục tiêu trên không ở cự ly xa. Loại đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương
vị của mục tiêu với độ chính xác vừa phải. Độ cao của mục tiêu có thể được xác định
rất sơ lược. Công suất phát của đài lớn.
- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích đến
các mục tiêu đó (ra đa cảnh giới và dẫn đường): là khâu cung cấp thông tin chủ yếu
trong hệ thống dẫn đường cho máy bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không. Để
đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí không gian của các mục tiêu và các máy bay
tiêm kích, ra đa cần đo được cả ba tọa độ: cự ly, phương vị và độ cao với độ chính xác
đủ đảm bảo dẫn đường thành công.
16
- Ra đa phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp. Ra đa
loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc dm, có thiết bị áp
chế nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ, gọn nhẹ, cơ động.
- Ra đa chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng không cần có cự ly tác dụng
đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, các phương tiện hỏa lực phòng
không đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa nhất. Thông tin ra đa (về cả
3 tọa độ) cần đủ chính xác đảm bảo cho các đài điều khiển tên lửa bám sát ngay được
mục tiêu mà không cần sục sao.
- Ra đa chuyên dụng: chẳng hạn như ra đa có độ chính xác cao, ra đa dùng để
phủ vùng nón mù đỉnh đầu...
1.2.2 Theo dấu hiệu kỹ thuật:
Có thể chia các ra đa theo dải sóng, theo phương pháp ra đa, theo phương pháp
đo cự ly, theo số lượng kênh ra đa độc lập.
* Tần số làm việc của ra đa có thể thuộc dải tần như bảng dưới đây. Ra đa HF
lợi dụng sự phản xạ sóng ở tầng đối lưu và tầng điện ly để phát hiện các mục tiêu trong
đường chân trời. Ra đa dải VHF và UHF để phát hiện các mục tiêu ngoài đường chân
trời. Các ra đa cảnh giới thông thường làm việc ở dải sóng m(10 1m), dm (10 – 1
dm), và cm (10 – 1cm).
17
*Theo phương pháp ra đa:
Các phương tiện ra đa, nếu xét theo phương pháp ra đa, có thể bao gồm các loại
ra đa sau:
- Ra đa chủ động có trả lời thụ động. Loại ra đa này là nguồn cung cấp chủ yếu
thông tin ra đa hiện nay. Nguyên lý làm việc của nó dựa trên sự chủ động phát tín hiệu
cao tần chiếu xạ vào các mục tiêu và thu các tín hiệu phản xạ thụ động từ chúng.
- Ra đa chủ động có trả lời chủ động để phát hiện và nhận biết các máy bay ta có
trang bị máy trả lời tương ứng.
- Ra đa thụ động phát hiện và định vị mục tiêu dựa trên việc thu các bức xạ vô
tuyến riêng của các mục tiêu (như bức xạ vô tuyến của mục tiêu, bức xạ vô tuyến từ
các thiết bị kỹ thuật vô tuyến điện của mục tiêu,...).
* Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành 2 nhóm lớn: ra đa bức xạ xung
và ra đa bức xạ liên tục. Ra đa bức xạ xung có ưu điểm chính: đơn giản việc đo cự ly,
về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và thu. Nhược
điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá phức tạp việc đo tốc độ
mục tiêu (đặc biệt khi cần đo độ chính xác cao). Ra đa bức xạ liên tục liên tục cho phép
18
tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát
không cần lớn. Nhược điểm này của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát
rất phức tạp, thiết bị đầu cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo
nhiều tham số.
1.3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của đài ra đa cảnh giới:
Dưới đây là sơ đồ cấu trúc tổng quát của các đài ra đa cảnh giới làm việc theo
phương pháp ra đa chủ động. Các đài ra đa này cần đảm bảo:
- Hình thành tín hiệu phát xạ có cấu trúc định trước và bức xạ định hướng sóng
điện từ vào không gian.
- Thu và xử lý các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu,
- Phát hiện mục tiêu, đo tọa độ và các tham số về chuyển động của nó.
Muốn vậy trong sơ đồ cấu trúc tổng quát của loại đài ra đa này cần có các hệ
thống sau:
- Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ,
- Hệ thống anten để bức xạ định hướng tín hiệu phát và thu các tín hiệu phản xạ.
Để tạo ra hình dạng vùng quan sát cần thiết và đảm bảo khả năng xác định các tọa độ
góc của mục tiêu cần tiến hành quét búp sóng anten (theo phương pháp cơ điện hoặc
điện tử) trong các mặt phẳng tương ứng.
- Hệ thống xử lý tín hiệu thu nhằm cực đại hóa chất lượng phát hiện mục tiêu
khi có tác động của các loại nhiễu khác nhau. Hệ thống này gồm các thiết bị: khuếch
đại, lọc phối hợp, tích lũy tín hiệu, chống nhiễu tiêu cực và chống nhiễu tích cực.
19