Khái quát chung về radar

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Hình 1.1

Các tham số chuyển động của mục tiêu có thể là đạo hàm toạ độ hay các tham số

khác của quỹ đạo mục tiêu

Phân biệt là bài toán phát hiện và đo đạc các tham số của mục tiêu khi gần mục tiêu

này còn có những mục tiêu khác. Thờng có phân biệt mục tiêu theo cự ly , theo các

toạ độ góc, theo tốc độ

Nhận biết là phân biệt đợc mục tiêu loại nào,của ta hay địch với yêu cầu đòi hỏi

độ chính xác cao.



5



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

1.1.1 Những nguyên tắc nhận tin tức radar

-Đối với đài radar chủ động. Năng lợng sóng điện từ có tần số cao và công

xuất lớn từ máy phát đài radar sơ cấp đợc phát vào không gian .Khi gặp mục tiêu

năng lợng sóng điện từ sẽ phản xạ trở về đài radar chủ động sơ cấp , hoặc đài radar

thứ cấp tại các đài này tín hiệu phản xạ đợc máy thu khuyếch đại và biến đổi, xử lý,

gia công để trở thành tin tức radar hay còn gọi là tín hiệu mục tiêu.

Đối với đài radar thứ cấp sau khi thu đợc tín hiệu phát của sơ cấp (tín hiệu hỏi) tín

hiệu này đợc khuyếch đại và biến đôỉ thành tín hiệu phát của đài thứ cấp (tín hiệu

trả lời ).

ứng dụng của radar rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau: đo tốc độ của phơng

tiện giao thông đờng bộ, dẫn đờng cho các phơng tiện giao thông hàng không ,

hàng hải, đờng bộ, viễn thám, dự báo khí tợng thuỷ văn, thăm dò địa chất, trong

quân sự dùng để cảnh giới , dẫn đờng, đIều kiển tên lửa

1.1.2 Tín hiệu radar và phổ của nó.

Đại lợng vật lý thay đổi theo thời gian ,mang thông tin có ích đợc gọi là tín

hiệu.Tín hiệu U là hàm của thời gian và đợc viết là U =u(t).

Tập hợp các tín hiệu ui(t) đợc xác định bằng một nguyên tắc xây dựng thống nhất

đợc gọi là hệ thống tín hiệu.

Chúng ta sẽ xét mô hình tín hiệu có thể đợc mô tả dới dạng.

U(t) =A(t)cos[o + (t)]



(1.1)



ở đây A(t) là đờng bao tín hiệu

o =2fo - là tần số mang



(t)



- là pha tín hiệu

Các tín hiệu phát của đài radar gọi là tín hiệu thăm dò,hay tín hiệu thẳng. Việc

lựa chọn dạng tín hiệu thăm dò phụ thuộc vào nhiều yếu tố, xuất phát từ tính năng kỹchiến thuật của đài, trình độ công nghệ của quá trình tạo và xử lý tín hiệu. Hiện nay để

phân biệt ngời ta thờng đa ra hai dạng tín hiệu radar là: tín hiệu liên tục ,tín hiệu xung.

Các tín hiệu này lại đợc phân theo tiêu chuẩn sau (hình 1.2)

ở giai đoạn đầu của sự phát triển , tín hiệu liên tục đợc sử dụng rộng rãi (kể

cả việc sử dụng tín hiệu đài phát thanh quốc gia). ở giai đoạn phát triển trởng thành

của ngành radar , tín hiệu xung đơn đã đợc sự dụng. Điều này gắn liền với trình độ

phát triển của công nghệ tạo và xử lý tín hiệu ,đặc biệt là các bộ dao động làm việc

ở chế độ tự dao động sử dụng đèn cực tháp magnhetron . Trong những năm gần

đây, gắn liền với yêu cầu tăng tiềm năng năng lợng của các đài radar nâng cao khả

năng phân biệt cũng nh việc chính xác đo cự ly,tín hiệu phức tạp có điều chế trong

độ rộng xung đã đợc áp dụng rộng rãi . Việc điều chế thêm pha hoặc tần số của

sóng mang trong độ rộng xung cho phép đạt đợc khả năng phân biệt ca , không phụ

thuộc vào độ rộng xung và điều này đồng thời cho phép đạt đợc một năng lợng phát

xạ lớn nhờ mở rộng độ rộng xung phát chứ không nâng cao công xuất xung . Điều

này có ý nghĩa rất lớn vì công xuất xung của các đài hiện nay đã là hàng mê ga oát

hoặc hàng trục mê ga oát, tức là gần nh đạt tới ngỡng vật lý tới hạn của các thiết bị

phát và truyền tải năng lợng.

6



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Việc tìm dạng tín hiệu mới , u việt hơn các tín hiệu đang có là quá trình liên

tục , nó dựa trên cơ sở phát triển không ngừng của công nghệ tạo và xử lý tín hiệu ,

đáp ứng các yêu cầu càng cao đối với các hệ thông radar

PHổ của tín hiệu U(t) xác định bằng biến đổi phurie



Tín hiệu radar



Nhiễu tần số



Điều pha trong độ rộng xung



Đơn giản



Giả tạp



Điều chế pha



Điều chế tần số



Nhiễu tần số



Không điều chế



Điều tần trong độ rộng xung



Tín hiệu xung



Tín hiệu liên tục



Hình 1.2

g ( ) =







u (t )e



jt



dt



(1. 2)







Phổ là hàm của tần số góc (=2f, f là tần số mang của tín hiệu).Giới hạn

vô cùng của tích phân là trờng hợp chung , trong trờng hợp tín hiệu tồn tại trong

một khoảng thời gian nhất định, cần xem xét đến phân bố của tín hiệu trên trục thời

gian . phổ này có thể đợc biểu diễn dới dạng:

g ()= g() exp[i()]



(1.3)



ở đây [g()] - là phổ biên độ , () là phổ pha của tín hiệu u(t).

Mối liên hệ gia hàm thời gian và hàm phổ của tín hiệu đợc xác định bằng biến đổi

phurie ngợc .

u (t ) =



1

g ( ).e jt d



2



(1.4)

7



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Đổ rộng của phổ tín hiệu F là một đặc trng quan trọng của tín hiệu. Việc xác

định nó tuỳ thuộc từng trờng hợp cụ thể sẽ có từng cách khác nhau. Nh với xung

đơn , độ rông nó về mặt lý thuyết là bằng vô cùng, tong thực tế ngời ta có thể coi

độ

rộng phổ là miền tần số mà ở đó tập trung chủ yếu phần lớn năng lợng của tín

hiệu .

Năng lợng của tín hiệu có thể đợc xác định trong miền thời gian, hoặc trong miền

tần số nhờ công thức pa-xê-val:





2







1

E = u (t )dt =

g ( ) d

2



2



Năng lợng này tập trung chủ yếu trong độ rông phổ tín hiệu F và vì vậy trong mặt

phẳng tần số-thời gian nó sẽ nằm trong một hình

chữ nhật với các cạnh là F theo

(1.5)

tần số và T theo thời gian. Để truyền và xử lý tín hiệu với dải thông F và thời gian

hoạt độngT.

f



f



fo+F/2

fo

fo- F/2

o



T



t



o



T



t



(b)

a- đối với tín hiệu vô tuyến



b- đối với tín hiệu thị tần



Hình1.2 phân bố năng lợng ở mặt phẳng thời gian tần số

1.1.3 Các hàm tơng quan của tín hiệu radar.

Năng lợng tín hiệu đợc phân bố cả theo trục thời gian và cả theo trục tần

số,vì vậy việc tạo và xử lý tín hiệu cũng phải xem xét theo cả hai trục này. Để có

công phân tích các quá trình xử lý,chúng ta sẽ xem xét một số đặc trng tơng quan

của tín hiệu .

1.1.3.1- hàm bất định

R jk ( .) =



1

1

u j (t ).uk (t ).e jt dt =

G j ( ).Gk ( ).e j d





2E

4E



ở đây uj(t), uk(t), Gj(), Gk() tín hiệu và phổ tơng ứng của chúng.

E- năng lợng tín hiệu .

8



(1.6)



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

- khoảng dịch thời gian giữa hai tín hiệu.

- dịch chuyển tần số đốp le

(.)- dấu hiệu liên hợp phức

1.1.3.2 Hàm tơng quan và hàm tự tơng quan.

Hàm tơng quan là mặt cắt của hàm bất định khi = 0,thay giá trị = 0 vào (1.6)

ta có:

1

1

R jk ( ) =

u j (t ).uk (t ).dt =

G j ( ).GK ( ).e IT d

2 E

4E



(1.7)



Trong trờng hợp j =k, ta có hàm tự tơng quan (hàm tơng quan của tín hiệu với chính

nó).









2



1

1

R (t ) =

u (t ).u (t )dt =

G ( ) eit d





2E

4E



(1.8)



Từ (1.8)hàm tự tơng quanchính là biến đổi phuriecủa phổ năng lợng tín hiệu .

Vậy phổ năng lợng tín hiệu cũng có thể tìm đợc qua biến đổi phurie ngợc theo biểu

thức .





G ( ) = 2 E R (t ).e it dt

2



(1.9)







1.1.3.3 Hàm tơng quan tần số.

Hàm tơng quan tần số là mặt cắt của hàm bất định khi = 0 . Thay giá trị

= 0 vào biểu thức (1.6) ta nhận đợc.

2



1

1

it

R ( ) =

u

(

t

)

e

dt

=

G ( )G ( )d

2 E

4E



(1.10)



Hàm tơng quan tần số là biến đổi phu rie của bình phơng biên độ đờng bao

và không phụ thuộc vào pha của tín hiệu .

1.3.4 Một số tính chất của các hàm tơng quan.

Các hàm bất định, hàm tơng quan đợc sử dụng rộng rãi trong lý thuyết lọc

phối hợp tín hiệu, ngoài ra nó còn cho phép đánh giá tiềm năng năng lợng ,cũng

nh khả năng phân biệt tiềm năng của tín hiệu theo cự ly và tốc độ.

-Cực đại các hàm tơng quan :

giá trị cực đại của các hàm tơng quan nhận đợc khi j = k, = 0, = 0. Thật

vậy thay các giá trị này vào (1.6), (1.7).(1.10) ta có nhận xét sau:

Rj(0,0)= Rk(0,0) =1

Còn giá trị khác

Rjk(,) j k <1

R( , ) 0 < 1

-Tính đối xứng các hàm tơng quan

Tính đối xứng biểu hiện ở chỗ:

R jk ( ) = R jk ( , )ei

(1.11)

Khai triển (1.11) ra ta có.

9



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

R jk ( ) = R jk ( , )



(1.12)



R j ( ) = R j ( , )

R j (t ) = R j ( )

R j ( ) = R j ( )



-Thể tích của hàm bất định

Thể tích nằm giữa bề mặt bình phơng môdul của hàm bất định với mặt phẳng

bất định là bằng một .Có nhĩa là:

1

2



2







R



jk



( .) dd = 1



1.13







và thể tích này không phụ thuộc vào hình dạngvà chỉ số ( j,k) của tín hiệu, có nghĩa

là với một tín hiệu

1

2



2







R ( .)



dd = 1



1.14







Từ công thức (1.13),(1.14) cho phép tìm ra giá trị hiệu quả của các hàm bất

định, nếu giả thiết rằng các hàm này chủ yếu phân bố tập trung ở trong hình chữ

nhật của mặt phẳng bất định với các cạnh tơng ứng là T và 4F thì lúc này ta có thể

viết.

R 2jkhq .4 FT = Rhq2 .4 FT = 1



Từ đây ta có

Rhq=Rjkhq=Tjhq=



1

2 FT



1.1.5



Qua (1.15) phần nào giải thích đợc tính bất định của tín hiệu.

1.1.4 Quá trình tạo xung và xử lý một loạt tín hiệu rađa phức tạp thờng đợc sử

dụng.

Nh chúng ta đã biết, đối với các dạng tín hiệu , giữa độ rộng tín hiệu xung và

phổ của nó có một mối liên hệ xác định cụ thể giá trị F (1/x) với F là độ rộng phổ,

x là độ rộng xung tín hiệu, là một giá trị xấp xỉ bằng 1. Tích này trong tài liệu đ ợc

gọi là đáy của tín hiệu. Nó là một đại lợng dùng để đánh giá, so sánh các dạng tín

hiệu phức tạp khác nhau. Đối với tín hiệu phức tạp, giá trị đáy (thờng ký hiệu là B)

đạt đợc giá trị lớn hơn 1 rất nhiều lần. Có nghĩa là phổ của tín hiệu nhiều lần lớn

hơn giá trị 1/x. Cũng từ đấy mới xuất hiện tên gọi tín hiệu dải rộng. Mở rộng dải

tần có thể bằng cách điều chế các dao động cao tần trong phạm vi độ rộng xung

theo các tham số khác nhau của dao động nh điều chế biên độ, điều chế tần số, điều

chế pha, điều chế biến tần, điều chế pha tần. Cũng theo cách tác động lên tham số

này hay tham số khác sẽ tạo đợc các tín hiệu có tính chất khác nhau và thờng thì

ngời ta lấy luôn cách điều chế làm tên gọi loại tín hiệu nhận đợc.

Cũng có nhgiều dạng điều chế làm tên gọi loại tín hiệu nhận đợc. Có nhiều

dạng điều chế tần số hay pha dao động trong độ rộng xung và cũng có rất nhiều tài

10



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

liệu khác nhau đề cập đến các dạng tín hiệu khác nhau. Chính vì vậy việc thống

nhất cách phận loại và tên gọi cho đến nay vẫn là một công việc cần tiếp tục làm.

Tuy nhiên theo [] thì có thể tạm thời chia tín hiệu phức tạp thành các dạng sau:

- Tín hiệu điều tần.

- Tín hiệu nhiều tần số.

- Tín hiệu điều pha.

- Tín hiệu tần số rời rạc (tín hiệu có tần số đợc mã hoá theo quy luật mã nào đó). v.v.

Trong đó đối với kỹ thuật rađa thì hai dạng tín hiệu hay đợc đề cập đến đó là

tín hiệu điều tần ma níp và điều tần tuyến tính. Để có cơ sở để chọn dạng tín hiệu

sẽ áp dụng chúng ta sẽ lần lợt xem xét so sánh các dạng tín hiệu cơ bản trên ở các

khía cạnh.

Khái niệm, các tính chất cơ bản, phơng pháp hình thành, xử lý, các u điểm,

nhợc điểm đặc biệt.

1.1.4.1. Tín hiệu ma níp tần số.

Tín hiệu điều tần ma níp (mã hoá tần số thời gian) là một dạng tín hiệu phức

tạp mà trong đó độ rộng x có chứa các xung còn liên tiếp có tần số mang biến đổi

theo qui luật nhất định (xem hình 1).

Tín hiệu này đợc hình thành bằng cách thay đổi nhảy nấc các tần số trong độ

rộng xung phát xạ, xung tín hiệu sẽ gồm chuỗi N xung vô tuyến, mỗi xung có tần

số mang đợc chọn một cách ngẫu nhiên hoặc định trớc từ một bộ tần số bao trùm

giải tần làm việc của đài rađa.

U

X





X1 X2



t



Hình a

f

fn

F0

f2

f1

xi

Hình b



t



11



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Hình a: Biểu đồ điện áp thời gian của xung điều tần ma níp.

Hình b: Phân bố năng lợng tín hiệu trong miền thời gian - tần số.

x : độ rộng xung phát xạ.

xi : độ rộng xung con.

fi : tần số mang các xung con.

N: số xung con trong một độ rộng xung phát xạ.

Đáy của tín hiệu sẽ đợc xác định:

B=FT=MF0.Mxi=M2F0xi=M2.

Để tạo đợc dạng tín hiệu phức tạp này và xử lý tối u chúng phải sử dụng một

sơ đồ chức năng bao gồm một dây giữ chậm nhiều đầu vào, các bộ lọc của tần số f i,

các bộ quay pha phối hợp i. Trên hình 1.2 vẽ một sơ đồ chức năng nh vậy đã đợc

lý tởng hoá.

Tín hiệu điều tần ma níp đợc hình thành bằng cách đa xung hẹp (có phổ rất

rộng, bao trùm cả dải tần làm việc của đài), tới đầu vào đờng dây giữ chậm dải rộng

có các đầu ra cách nhau một khoảng là x1 (x1 là độ rộng các xung thanh phần tạo

nên độ rộng xung x)

Tín/h

Dây giữ chậm



Xung hẹp



thu



x1

Các bộ lọc fi

f1



f2



f3



fn



A1



A2



A3



An



Các bộ suy giảm



1



2



3



n

đến K/Đ

công suất



-1



-2



-3



-n



Xung đã nén



Hình 1. 2: Sơ đồ chức năng thiết bị hình thành và nén tín hiệu điều tần ma níp.

12



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

ở các đầu ra ứng với các độ giữ chậm khác nhau là các bộ lọc với các tần số

trung tần fi và giải thông đúng bằng 1/x1 đợc kích thích lần lợt theo thời gian. Các

xung có độ rộng xi với tần số fi xuất hiện ở các đầu riêng lẻ đợc xử lý trọng lợng

theo biên độ (các bộ suy giản Ai) và theo pha (các bộ xoay pha i) và đợc cộng với

nhau. Nh vậy đầu ra sẽ nhận đợc một xung tổng là x có N xung xi thành phần, có

biên độ, pha, tần số xác định, hình thành một xung tổng x theo ý muốn.

Lọc tín hiệu phản xạ bằng cách đa tín hiệu đo đi theo chiều ngợc lại của dây giữ

chậm.

Trong các tài liệu [], [] đã chỉ ra các tham số cơ bản của dạng tín hiệu điều tần ma

níp nh ở bảng 1.1.

Bảng 1.1

Các đặc trng tín hiệu

Độ rộng tín hiệu x

Độ rộng phổ thông tín hiệu FX

Đáy của tín hiệu B

Độ rộng của xung sau khi nén N



Giá trị

N. xi

N/xi

N2

N/xi=x/N2



u điểm của dạng tín hiệu này là có đáy B=N 2 cho nên dễ đạt đợc tín hiệu có

đáy lớn cỡ hàng trăm đến hàng nghìn lần. Vì vậy nó thờng đợc sử dụng rộng rãi

trong viễn thông. Nguyên lý tín hiệu đơn giản có thể dùng cùng một dây giữ chậm

cho cả quá trình tạo ra và nén tín hiệu. Nhợc điểm của phơng pháp này là phải dùng

nhiều các bộ lọc cao tần có các tần số trung tâm khác nhau. Ngoài ra hệ thống phát

đều đợc cả trong giải tần số rộng cũng là một yêu cầu khó thực hiện đối với các

máy phát rađa, ngay cả khi chúng áp dụng nguyên tắc cộng công suất kết hợp với

hệ thống anten mạng pha. Hiện nay trong viễn thông với những hệ thống truyền số

liệu loại tín hiệu này đã đợc áp dụng với các loại mã ma níp tần số khác nhau.



13



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

1.1.4.2. Tín hiệu điều tần tuyến tính hay hình chữ V.

Là loại tín hiệu mà tần số dao động tức thời trong bộ độ rộng xung thay đổi

theo qui luật đờng thẳng (điều tần tuyến tính) hay theo qui luật chữ V (điều tần chữ

V). Để đơn giản từ nay chúng ta chỉ nói về tín hệu điều tần tuyến tính trên hình 3

có biểu diễn qui luật hay đổi tần số trong độ rộng xung của loại tín hiệu này và bản

thân dạng tín hiệu ấy cùng với phổ của chúng.

Uxung



t

x

fma x

fmin

t



t

Biên độ chuẩn hoá

1

0,5

0

0,2 0,4



0,6



0,8



F F0

F0



1



Hình 1.3: Các biểu đồi của tín hiệu điều tần tuyến tính.

a. Độ rộng xung.

b. Qui luật thay đổi tần số trong độ rộng xung trong mặt phẳng thời gian tần số.

c. Dạng tín hiệu điều tần tuyến tính.

Tín hiệu điều tần nói chung và điều tần tuyến tính nói riêng là loại đợc sử

dụng tơng đối rộng rãi, để hình thành và xử lý chúng có nhiều cách. Hiện nay th14



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

ờng sử dụng 2 cách chính là sử dụng phơng pháp thụ động và phơng pháp chủ

động. Phơng pháp thụ động dựa trên việc dùng cực hẹp (nh cách bên để tạo tín hiệu

ma níp tần số) có dải phổ rất rộng kích thích cho bộ lọc mã có đặc tuyến tần số liên

hợp với bộ lọc phối hợp của tuyến thu, phơng pháp chủ động dựa trên việc trực tiếp

lấy bộ dao động có tần số điều khiển đợc trong độ rộng xung bằng một điện áp lấy

từ bộ điều chế: Chúng ta sẽ lần lợt xen xét các sơ đồ cấu trúc đơn giản của hai phơng pháp trên.

a) Phơng pháp thụ động.

Sơ đồ cấu trúc của việc hình thành và xử lý tín hiệu điều tần tuyến tính theo

phơng pháp thụ động trên hình 1.4.

Trên cơ sở hình 1.4 có thành 2 tuyến riêng biệt là tuyến hình thành xung phát

và tuyến tính xử lý tín hiệu khi thu. Để hình thành xung phát, từ xung kích phát

phải hình thành một xung rất hẹp, có nghĩa là nó có độ rộng phổ rất lớn.

Tạo xung

hẹp



Xung

kích



Bộ lọc

giải



Tiền điều

chế



Tách sóng

Xử lí thị tần



Lọc mã 2



Bộ lọc

mã 1



Trộn tần



Điều chế



Khuyếch

đại công

suất



Ra



Mạch hiệu

chỉnh



Bộ lọc

giải tần



Ngoại sai



KĐ trung

tần



Chuyển

mạch aten



Trộn tần



KĐ cao tần

giải rộng



Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc đơn giản của quá trình hình thành và xử lý tín hiệu

tuyến tính theo phơng pháp thụ động.

Sau đó tín hiệu đợc đa qua bộ lọc giải hình thành sơ bộ giải tần làm việc cần

thiết cho tín hiệu đợc đa qua bộ lọc giải là bộ lọc mã, chính là bộ phận quan trong

nhất của sơ đồ trên, nó phải là bộ lọc có đọ giữ chậm nhóm (giữ chậm tán sắc), có

nghĩa là độ giữ chậm tín hiệu phụ thuộc vào tần số của tín hiệu kích thích đầu vào,

trên hình 1.5 vẽ đặc tuyến giữ chậm của bộ lọc lý tởng này.



15