Khả năng phân biệt của phương pháp tần số

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Sai số đo cự ly và sai số đo thời gian giữ chậm là:

R=



R 0 R- 0



R=



R R



(1.16)



Sai số đo cự ly có thể tính theo sai số đo thời gian giữ chậm:



R =



C

R

2



(1.17)



Để đặc trng cho sai số đo chúng ta ký hiệu D là phơng sai của đánh giá thời

gian giữ chậm. Phơng sai sẽ đặc trng cho độ chính xác của phép đo. Các phép đo

tối u là các phép đo không chệch nên phơng sai đánh giá trong phép đo này bằng

trung bình bình phơng của nó:

+



D(R ) = (R R ) 2 .P(R )





28



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



HT

phát



CM

anten



HT

đồng bộ



HT

thu



HT

nguồn



Mục

tiêu



HT

chỉ thị

TL



Kích phát



t



Xung phát



t



Xung phản



t



xạ



R

Hình 1.3 Đo cự ly bằng phơng pháp xung

Khi đó phơng sai đánh giá trong phép đó không chệch là phơng sai giới hạn.

Khi tạp vào là tạp trắng có mật độ phổ công xuất là N o/2 và phân bố của thời

gian giữ chậm của tín hiệu tuân theo luật chuẩn:



1

P( R ) =

.e

2.D



Thì theo [4], ta có:



( R R ) 2

2D



D =



(1.18)



1

R.W 2



(1.19)



Là phơng sai giới hạn có đợc trong phép đo không chệch.

Trong đó: R =



2E x

No



là tỷ số tín/tạp, Ex là năng lợng của tín hiệu phản xạ.



W=1/x : độ rộng phổ hiệu dụng của tín hiệu.



29



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

- Nguyên nhân gây sai số:

+Sai số do tạp âm gây ra

+Sai số do tốc độ truyền sóng thay đổi, do môi trờng truyền sóng

+ Sai số doa các tham số của các linh kiện điện tử và mạch điện không ổn định

+Sai số do tín hiệu bị giữ chậm trong các mạch

+Sai số do thiết bị hiển thị

+Các sai số khác nh: trắc thủ đọc cự ly không chính xác, do mục tiêu chuyển

động

1.2.4.So sánh các phơng pháp đo cự ly

Qua việc khảo sát các phơng pháp đo cự ly ta có nhận xét về u, nhợc điểm

của từng phơng pháp.

* Phơng pháp pha:

Ưu điểm: phơng pháp này chủ yếu là đo đợc cự ly rất nhỏ với độ chính xác cao.

Nhợc điểm: Khó thực hiện việc quan sát, khi có nhiều mục tiêu cần phân biệt thì

kết cấu phức tạp. Với hệ thống pha dùng bức xạ liên tục thì không có khả năng

phân biệt về cự ly. Do đó phơng pháp này ít dùng trong radar.

* Phơng pháp tần số:

Ưu điểm:

- Độ chính xác và khả năng phân biệt về cự ly cao hơn phơng pháp xung (có

thể đạt tới cỡ vài mét)

- Đo đợc mục tiêu ở cự ly rất ngắn.

- Nếu chỉ đo cự ly một mục tiêu thì kết cấu của đài tơng đối đơn giản.

Nhợc điểm: Khó thực hiện đồng thời đo cự ly của nhiều mục tiêu. Nếu tìm cách

đồng thời đo cự ly nhiều mục tiêu thì kết cấu rất phức tạp. Khi có ảnh hởng của địa

vật và hiệu ứng Dopler thì khó đo đạc, nếu cần khử các ảnh hởng đó thì kết cấu sẽ

phức tạp.

Phơng pháp này không đợc sử dụng rộng rãi mà thờng chỉ áp dụng ở radar đơn

giản, độ chính xác phép đo cao và lâu vì trong điều kiện thời tiết phức tạp.



30



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

* Phơng pháp xung:

Ưu điểm: Nổi bật là đồng thời đo đợc cự ly của nhiều mục tiêu, cấu tạo tơng đối

đơn giản, dễ chấp nhận.

Nhợc điểm: Độ chính xác, khả năng phân biệt về cự ly và cự ly cực tiểu kém hơn

phơng pháp tần số.

So với nhiệm vụ của đài radar thì các chỉ tiều trên vẫn đảm bảo yêu cầu thực

tế nên phơng pháp xung hiện nay đợc sử dụng rộng rãi nhất trong radar.

Nhận xét về phơng pháp xung:

Kết quả nhận đợc cho phép ta có kết luận sau:

Sai số đo thời gian giữ chậm trong phơng pháp xung tỉ lệ nghịch với tỉ số

tín/tạp R và bình phơng độ rộng phổ hiệu dụng W của tín hiệu. Vì vậy các xung

hẹp và các tín hiệu dải rộng cho phép đo cự ly tốt hơn.

Các kết quả nhận đợc đúng với trờng hợp đo một lần khi tham số đo không

đổi. Thực tế có thể đo tham số không đổi nhiều lần trong nhiều chu kỳ cuả tín hiệu

đầu vào. Điều này chỉ có thể thực hiện đợc khi tham số đo không đổi.

Thực tế mục tiêu luôn chuyển động, vì vậy phép đo tối u phải tính đến quy

luật chuyển động của mục tiêu. Do vậy khi tổng hợp các thiết bị đo trong trờng hợp

này phải xét đến các quy luật chuyển động của mục tiêu dới dạng các mô hình

chuyển động, khi đó hệ đo trở thành một hệ tự động bám.

1.3Nguyên lý bám và các phơng pháp bám cự ly trong radar xung

Khi mục tiêu chuyển động, cự ly của nó tới đài Rađa luôn thay đổi do đó thời

gian chậm tín hiệu R phản xạ từ mục tiêu trở về đài cũng luôn thay đổi theo cự ly

của mục tiêu. quá trính đánh giá liên tiếp cự ly của mục tiêu đang chuyển động đợc

gọi là quá trính bám cự ly. Trong hệ bám cự ly, ngời tạo ra một cửa sóng cự ly, vị

trí cửa sóng luôn bám theo xug phản xạ về sao cho vị tí của nó luôn luôn trùng với

xung phản xạ về từ mục tiêu, từ đó cự ly của mục tiêu đợc xác định theo vị trí của

cửa cự ly. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu nguyên lý và một số phơng pháp bám

cự ly đang đợc sử dụng phổ biến hiện nay trong các đài ra đa hiện đại.



31



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

1.3.1 Nguyên lý bám cự ly

Sơ đồ khối tổng quát của hệ bám cự ly có dạng sau:

Tín hiệu

vào

Bộ phân biệt

thời gian



Usl



Hiệu

chỉnh



khuyếch đại

và biến đổi



Khâu tích

phân

Uđk



Cửa sóng 1

Cửa sóng 2



Mạch tạo

xung



Xung

Khâu giữ

chậm biến đổi đồng bộ



Xung đo



Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống bám cự ly

- Bộ phân biệt đóng vai trò là bộ phát hiện sai số bám.

- Khâu phân tích đóng vai trò là phần tử chấp hành của hệ bám.

- Khâu giữ chậm biến đổi và mạch tạo xung là đối tợng điều khiển.

Đối tợng điều khiển trong sơ đồ tổng quát là khâu giữ chậm biến đổi và mạch

tạo xung. Khâu này tạo ra các xung đo và cũng chính là đánh giá 0 của thời gian

giữ chậm tín hiệu đúng R so với xung dò và tỉ lệ với U đk lấy ở đầu ra phần tử chấp

hành (khâu tích phân). Cùng với xung đo, khâu này tạo ra 2 xung cửa dới dạng 2

xung chữ nhật liên tiếp. Sờn trớc của xung cửa 2 trùng với sờn sau của xung cửa 1

và là tâm cửa sáng tại 0.

Xung cửa sóng đợc đa đến bộ phân biệt thời gian. Tới bộ phân biệt thời gian

còn có tín hiệu mục tiêu phản xạ về có dạng xung thị tần. Bộ phân biệt thời gian sẽ

tính sai số bám =0-R tuỳ theo sự khác nhau giữa tâm đờng bao tín hiệu về và

tâm xung cửa sóng, sai số này sẽ đợc biến đổi thành điện áp sai lệch để đa tới thết

bị chấp hành. Giá trị điện áp sai số phụ thuộc vào độ lệch , còn dấu của nó phụ

thuộc vào chiệu lệch giữa chúng.

Thiết bị chấp hành chính là một khâu tích phân sẽ tạo ra một điện áp điều khiển

Uđk tác động vào khâu giữ chậm biến đổi để thay đổi giá trị 0 theo hớng làm giảm

sai số bám tới bằng 0. Nh vậy, khi R thay đổi thì 0 sẽ bám theo R.



32



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Khâu giữ chậm biến đổi đợc kích bằng xung đồng bộ trùng với xung phát.

Mạch tạo xung sẽ tạo ra 2 xung cửa, tại thời điểm 0, mạch sẽ chuyển đỏi từ sờn

sau của xung cửa 1 sang sờn trớc của xung cửa 2, đồng thời xung đo (tơng ứng

với cự ly) cũng đợc tạo ra. Minh hoạ chi tiết về xung cửa sóng đợc trình bày

trong các phơng pháp bám ở phần tiếp sau.

Chất lợng của hệ bám (quá trình quá độ, sai số, độ ổn định) phụ thuộc voà hàm

số truyền của hệ thống. Để hệ thống hoạt động tốt hơn thì có thêm khâu hiệu chỉnh.

1.3.2 Các phơng pháp bám cự ly trong radar xung

Trong phần này ta sẽ phân tích một số phơng pháp bám cự ly đợc dùng phổ

biến hiện nay.

1.3.2.1 Phơng pháp bám theo tâm tín hiệu phản xạ về

Hầu hết các hệ bám cự ly hiện nay đều dùng phơng pháp bám theo tâm tín

hiệu phản xạ về. trong phơng pháp này ngời ta sử dụng một xung cửa sóng bao gồm

sung cửa 1 và xung cửa 2 và gọi tơng ứng là xung cửa sớm vào xung cửa muộn. Hệ

thống hoạt động sao cho tâm của xung cửa sóng luôn bám theo tâm tín hiệu phản

xạ về tơng tự nh đã trình bày trong phần hoạt động của sơ đồ khối tổng quát. Giản

đồ thời gian của các loại tín hiệu nh hình 1.6

Đờng bao của tín hiệu phản xạ về giả thiết là dạng hình chuông nh ở hình

1.6-a với độ rộng xung ở mức 0.5 công xuất là x. Xung cửa sóng trên hình 1.6-b

bao gồm cửa sớm và cửa muộn cùng có độ rộng là c . Xung cửa có tâm tại thời

gian giữ chậm t=0. Độ rộng của cửa sóng lớn hơn xung phản xạ: 2c >x.

Phần trùng nhau của xung phản xạ về và xung cửa sóng nh hình 1.6-c, trong

đó chúng ta giả thiết rằng cx để thuận tiện cho minh hoạ. Mỗi xung cửa sẽ cho

qua một phần tín hiệu về và phần tín hiệu ứng với cửa muộn sẽ đợc đảo cực tính.

Tín hiệu ở đầu ra 2 cổng đợc cộng lại và có dạng nh hình1.6-c. Tín hiệu này (hình

1.6-c) đợc đa tới một bộ tích phân, đáp ứng tức thời của bộ tích phân đợc trình bày

ở hình 1.6-d.



33



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



x



xung phản

xạ về

0

xung

cửa



R

cửa sớm



0

Diện

tích

trùng

0



TR



c c

0



(a)



cửa muộn



R



TR



(b)



TR



(c)



TR



(d)



Điện áp

sai lệch

U0

0

Đặc tuyến

ra bộ phân biệt



R 0

Upb





c x

2









c + x

2



(e)



Hình 1.6. Các dạng sóng tơng ứng của hệ bám cự ly

Khi t R + (x/2) đáp ứng này là hằng số tại giá trị đợc kí hiệu là U0. Khi tâm

xung cửa sóng trùng với thời gian giữ chậm đúng: 0 =R =0-R, thì U0 = 0;

khi > 0 thì U0 là dơng, và nó là âm khi < 0. U0 sẽ cực đại khi toàn bộ tín hiệu

về trùng với xung cửa sớm và cựa tiểu khi trùng toàn bộ với cửa muộn. Sự phụ

thuộc của U0 vào sẽ cho ta đặc tuyến Upb nh hình 1.6-e. Đối với giá trị nhỏ của

0-R, đặc tuyến Upb tỷ lệ và đối xứng qua 0.

Nh vậy hệ thống đã tạo ra một đặc tuyến đối xứng tỷ lệ với sự khác nhau giữa

đánh giá 0 của rada và thời gian giữ chậm đúng R. Đó cũng chính là đặc tuyến ra

của bộ phân biệt thời gian. Đặc tuyến này sẽ tác động vào hệ bám khi U pb 0 và

luôn có xu hớng làm giảm sai số bám cho đến khi Upb= 0 tại đó =0. Nh vậy phơng pháp này bảo đảm bám cự ly theo tâm của xung phản xạ về một cách tự động.

34



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Sơ đồ khối của một hệ bám nh trên có dạng nh hình 1.7

Bộ tích phân làm việc trong giới hạn 1 chu kỳ lặp và nó luôn đợc đặt lại sau

mỗi chu kỳ xung khi đã thực hiện xong phép đo ở chu kỳ đó. Toàn bộ các phần từ

chỗ đầu vào của tín hiệu về đến đầu ra của bộ tích phân thì hệ thống làm việc có

giản đồ điện áp nh trong hình 1.6.

Tín hiệu

phản xạ



Tách sóng

biên độ



TL



(.)dt







U0



0



Cửa sớm



Cửa muộn

Bộ tạo cửa

sóng



G



Reset



độ biến đổi

điện áp -tần số



Xung kích



C1

Bộ tạo

xung

kích



Giữ mẫu



ĐK thuận- nghịch



Bộ

đếm

Xung

thuận



Bộ so

sánh



C2

Bộ đếm thuận

-nghịch

Đặt giá trị

ban đầu (0)



Xung đếm

tốc độ cao



Hình 1.7 Hệ thống bám sử dụng cửa sớm muộn.

Ban đầu, dựa vào sự phát hiện mục tiêu, bộ đếm C 2 đợc thiết lập giá trị ban đầu

tại đánh giá 0 của thời gian chậm đúng R. Thông tin về thời gian giữ chậm trong

bộ đếm C2 tơng ứng với 0 và nó luôn thay đổi khi mục tiêu chuyển động, đồng thời

luôn đa tới bộ so sánh.

Tại thời điểm có xung phát xạ, đồng thời có xung kích đa tới đặt bộ đếm C1 về

0 và kích cho nó bắt đầu đếm từ 0. Bộ đếm C1 sẽ đếm xung có tần số cao trong



35



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

suốt thời gian giữ chậm của tín hiệu về đến khi tin tức về thời gian giữ chậm

của nó giống hệt trong C2. Ngay lúc đó bộ so sánh tạo ra một xung kích đa tới bộ

tạo cửa sóng. Bộ tạo cửa sóng tạo ra 2 xung cửa sớm và cửa muộn luôn bám theo

thời gian giữ chậm của tín hiệu, thời điểm chuyển đổi từ sờn sau của xung cửa sớm

sang sờn trớc của xung cửa muộn đợc tạo ra khi có xung kích tới đầu vào G của bộ

tạo xung cửa sóng, sung kích này chính là thời gian giữ chậm đo đợc ở chu kỳ trớc

(0) do bộ so sánh tạo ra.

Sau khi tín hiệu sai số ở đầu ra bộ tích phân (U 0) đã ổn định (sau xung cửa

muộn một ít) bộ tạo cửa sóng tạo ra một xung kích đa tới bộ lấy mẫu để lấy ra điện

áp sai lệch tại điểm A (bằng U 0) và vẫn giữ mẫu này cho đến chu kỳ lấy mẫu sau.

Điện áp sai số (tại điểm A) đợc biến đổi thành chuỗi xung với tần số tăng khi điện

áp sai số tăng. Khi diện áp tại A là dơng bộ đếm C2 sẽ đếm ngợc,khi điện áp tại A

âm thì nó đếm theo chiều thuận. Nếu thông tin về thời gian giữ chậm ở bộ đếm C 2

đúng bằng thời gian giữ chậm đúng R thì sai lệch điện áp ở A là bằng 0. Cứ nh vậy

dữ liệu chứa trong bộ đếm C2 tơng ứng với thời gian giữ chậm của mục tiêu và nó

cũng thay đổi (bám theo) khi mục tiêu chuyển động.

Độ chính xác đo thời gian giữ chậm của hệ thống phụ thuộc vào số bít của bộ

đếm C1 và C2. Từ đó ta có thể tính đợc cự ly của mục tiêu tơng ứng với dữ liệu chứa

trong C2..

Nh vậy hệ thống luôn bám theo thời gian giữ chậm của tín hiệu về. Cự ly mục

tiêu di động đợc lấy ra theo dữ liệu chứa trong bộ đếm C2.

1.3.2.2 Phơng pháp bám theo tâm tín hiệu phản xạ về sử dụng bộ vi phân.

Hệ thống này dựa trên sự phát hiện điểm cắt-không của đạo hàm đờng bao

xung phản xạ về mà không sử dụng cửa sóng nh hình 1.7. Sơ đồ khối có dạng nh

sau:



Tín hiệu

phản xạ



Xung



Tách sóng

biên độ

Bộ phát hiện

d (.)

Bộ đếm

điểmCổng

cắt-không

thuận

dt



Đặt ngỡng



36



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

phản xạ



Ung



Ra vi

phân



t



R



t



Ra đặt

ngỡng



t



Ra phát

hiện điểm

cắt -không



t



t



Ra cổng



Xung kích bắt đầu

đếm từ máy phát



R

Xung đếm

tần số cao



Dữ liệu ra về cự ly (hoặc R)



Hình 1.8 Hệ bám sử dụng bộ vi phân

ở đây đờng bao xung phản xạ về có dạng hình chuông và có đỉnh xung tại thời

gian giữ chậm đúng R. Đạo hàm của nó sẽ đị qua điểm không tại R. Bộ phát điện

điểm cắt- không sẽ dò tìm điểm không và đa ra xung kích thông qua bộ cửa để tạo

xung kích tới dừng đếm cho bộ đếm. Bộ đến bắt đầu đếm xung tốc độ cao khi có

xung kích phát đa đến. Khi bộ đếm đợc dừng bởi xung dừng đếm thì dữ liệu trong

bộ đếm sẽ tơng ứng với thời gian giữ chậm của mục tiêu và các bít dữ liệu ra của nó

cũng tơng ứng với cự ly mục tiêu.

Thiết bị ngỡng sẽ tạo một xung cho phép bộ cửa mở khi có điểm cắt-không do

tín hiệu phản xạ sinh ra, xung này đợc lấy ra từ xung phản xạ về từ mục tiêu có

mức ngỡng đủ cao để nhiễu và tạp không đủ vợt ngỡng tạo xung. Đầu ra bộ ngỡng

là xung hình chữ nhật với tâm tại R và độ rộng bằng khoảng thời gian mà



37



Báo cáo thực tập tốt nghiệp

biên độ xung lớn hơn mức ngỡng. Xung này chỉ cho phép bộ cổng mở khi có điểm

cắt-không do tín hiệu về sinh ra, còn những điểm không do tạp hoặc nhiễu sinh ta

không đi qua đợc.

1.3.2.3 Phơng pháp bám cự ly theo sờn trớc tín hiệu phản xạ về

Phơng pháp này dựa theo phơng pháp bám theo tâm tín hiệu phản xạ. Trong

thực tế có rất nhiều trờng hợp bám cự ly chỉ quan tâm đến sự phản xạ từ phần gần

nhất của mục tiêu. Phơng pháp này thờng đợc áp dụng đối với các đài radar đo cao

trên các máy bay để đo độ cao của máy bay so với bề mặt đất. Trong phơng pháp

này cũng sử dụng xung cửa sóng cự ly những nó hoạt động không dựa trên sự sai

lệch giữa tâm cửa sóng và tâm xung phản xạ mà dựa vào sự sai lệch giữa tâm cửa

sóng với sờn trớc của xung phản xạ.

Để thực hiện điều này, ngời ta cho tín hiệu thị tần đi qua bộ vi phân rồi mới

đa tới bộ bám theo tâm xung phản xạ. Với tín hiệu có dạng hình chuông khi đi qua

bộ vi phân sẽ xuất hiện 2 xung cũng có dạng hình chuông nhng ngợc cực tính nhau.

Đỉnh của 2 xung này trùng với điểm đặc biệt (điểm uốn) ở sờn trớc và sờn sau của

xung phản xạ về. Việc bám theo sờn trớc chính là bám theo tâm xung vi phân dơng.

Xung

phản xạ

Tín hiệu

thị tần



Bộ vi

phân



hệ bám Xung đo

theo tâm

tín hiệu Cự ly

phản xạ



Xung vi

phân



Xung

cửa sóng



Hình 1.9 Phơng pháp bám theo sờn trớc xung phản xạ

Bộ bám theo tâm xung phản xạ hoạt động tơng tự nh ở trên. Sơ đồ khối và

giản đồ thời gian của phơng pháp này nh hình 1.9.



38