Nghiên cứu các phương pháp số lọc mục tiêu di động cho các đài rađa

Chương 3 Nghiên cứu các phương pháp số lọc mục tiêu di động cho các đài rađa Đặt vấn đề Trên thực tế các hệ thống rađa được xây dựng rất phong phú về chủng loại, đa dạng về tính năng kỹ thuật, song tổng quát có thể thấy các nhiệm vụ của chúng là thực hiện giải quyết một số bài toán cơ bản: bài toán phát hiện mục tiêu, bài toán đo đạc các tham số mục tiêu và bài toán nhận dạng mục tiêu. Kết quả và chất lượng việc thực hiện các nhiệm vụ trên của các hệ thống rađa đều có ý nghĩa thiết thực. Trong số đó, bài toán phát hiện mục tiêu được đặt ra và giải quyết đầu tiên đã thu được các kết quả rất khả quan về cơ sở lý thuyết và triển khai ứng dụng kỹ thuật trên thực tế. Song do vai trò quyết định của nó trong hệ thống nên nó vẫn tiếp tục được nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng phát hiện đặc biệt là trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt dưới sự tác động của các loại nhiễu. Các hệ thống rađa được sử dụng chủ yếu là rađa xung, chúng thực hiện phát liên tiếp các xung vô tuyến vào không gian, cánh sóng rađa quét qua mục tiêu trong thời gian chiếu xạ sẽ thu được một chùm các xung phản xạ về. Bài toán phát hiện thực hiện xử lý chùm xung này để tách được thông tin có ích (tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu) trong hỗn hợp các tín hiệu nhiễu thu được trong không gian và nhiễu tạp phát sinh bởi bản thân máy thu. Năng lượng các xung trong chùm xung được tích luỹ và so sánh với ngưỡng, khi vượt ngưỡng sẽ cho quyết định có mục tiêu. Trong chùm xung vô tuyến phản xạ về, các thông tin về mục tiêu không những chứa trong biên độ mà còn chứa trong pha của các xung trong chùm. Pha của các xung trong chùm tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu có quan hệ chặt chẽ với nhau (tương can với nhau) và mang thông tin về vận tốc hay tần số Đốp-le của nó. Điều này cho phép tách được các tín hiệu có ích phản xạ về từ mục tiêu di động với các loại nhiễu tạp. Đồng thời, cho phép tách được các tín hiệu có ích phản xạ về từ mục tiêu di động với các tín hiệu phản xạ về từ nhiễu địa vật cố định, nhiễu tiêu cực chuyển động chậm tốc độ gió cùng các thành phần thăng giáng của nó (pha các xung trong chùm tương can với nhau, thay đổi pha với tốc độ chậm). 3.1 Cấu trúc chùm tín hiệu rađa phản xạ về từ mục tiêu. 3.1.1 Cấu trúc của tín hiệu phản xạ Tín hiệu phát xạ của đài rađa phát chùm xung tương can vô tuyến có dạng: Hình 3.1 Chùm xung tương can vô tuyến (3.1) Trong đó: Up-biên độ xung phát f- tần số mang của chùm xung phát (tần số làm việc của đài rađa) - pha ban đầu của tín hiệu phát Ux(t)- là hàm điều chế xung: (k Z) (3.2) T1 Hình 3.2 Chùm xung điều chế ở đây: là độ rộng xung phát, T1 là chu kỳ lặp lại của tín hiệu phản xạ. Phương pháp đảm bảo phát chùm xung có pha ban đầu kết hợp như trên được gọi là phương pháp tương can trong. Khi sử dụng các phần tử tạo tín hiệu dao động cao tần công suất lớn thường rất khó kiểm soát được pha ban đầu của nó. Vì vậy, tín hiệu phát có pha ban đầu là ngẫu nhiên trong mỗi chu kỳ lặp. Người ta thực hiện nhớ pha ban đầu của tín hiệu phát ở đầu mỗi chu kỳ lặp (bằng cách định pha lại cho một dao động liên tục tại chỗ gọi là dao động tương can mỗi khi có xung phát). Tín hiệu thu về được so pha với tín hiệu dao động tại chỗ và thu được cùng kết quả như xử lý tương can nên trong phương pháp này được gọi là phương pháp tương can trong tương đương. 3.1.2 Cấu trúc chùm tín hiệu rađa phản xạ từ mục tiêu Thời gian chiếu xạ mục tiêu bằng thời gian anten quay được một góc bằng độ rộng cánh sóng trong mặt phẳng ngang. Trong khoảng thời gian này, thu được chùm N xung phản xạ từ mục tiêu: Uthu1, Uthu2,…UthuN. Tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu cách đài rađa cự ly R có biên độ U1 bị suy giảm Ut= K.Uphat. Hệ số suy giảm K phụ thuộc diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu, cự ly R, diện tích hiệu dụng của anten…., còn pha phụ thuộc vào thời gian giữ chậm tín hiệu Tg do quãng đường truyền tín hiệu D= 2R gây ra: (3.3) Trong đó, Tg là thời gian truyền sóng qua quãng đường D: , với c là vận tốc truyền sóng điện từ trong không gian. là lượng dịch pha của tín hiệu thu so với tín hiệu phát do tín hiệu thu bị giữ chậm một khoảng . Xảy ra hai trường hợp: a) Khi mục tiêu cố định: Cự ly tới đài rađa không đổi, thời gian truyền sóng qua quãng đường D= 2R không đổi theo thời gian: Lượng dịch pha do giữ chậm : Tín hiệu thu có tần số đúng bằng tần số tín hiệu phát Khi mục tiêu chuyển động với vận tốc hướng tâm : Cự ly mục tiêu tới đài rađa thay đỏi theo thời gian: (3.4) Trong đó: - Vận tốc hướng tâm của mục tiêu. - cự ly từ mục tiêu tới đài rađa tại thời điểm ban đầu t= 0. Khi đó thời gian giữ chậm tín hiệu thu so với tín hiệu phá cũng thay đổi: (3.5) Kết quả chùm tín hiệu thu được từ mục tiêu chuyển động có dạng: Như vậy, tần số tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chuyển động có thêm một thành phần tần số Đốp-le tỉ lệ với tốc độ hướng tâm : (3.7) Trong đó: c- vận tốc truyền sóng điện từ trong không gian, - bước sóng làm việc của đài rađa. Đây chính là căn cứ để phân biệt mục tiêu di động với nhiễu địa vật cố định và nhiễu tiêu cực chuyển động với tốc độ chậm (tốc độ gió). 3.2 Phương pháp lọc mục tiêu di động 3.2.1 Cơ sở chung Như đã phân tích ở trên, căn cứ phân biệt mục tiêu di động với nhiễu địa vật cố định và nhiễu tiêu cực chuyển động tốc độ chậm (tốc độ gió) chính là tần số Đốp-le. Do tần số Đốp-le rất nhỏ so với tần số mang của tín hiệu phản xạ về () nên không thể xác định trực tiếp nó được mà phải xác định nó thông qua sự dịch pha của các chùm xung trong chùm tín hiệu phản xạ về qua các chu kỳ lặp. * Xét tín hiệu phản xạ về từ địa vật: Từ (3.1), chùm tín hiệu phản xạ về từ địa vật có dạng: Trong đó: là pha ban đầu của xung phát, () là pha tức thời của xung phát, () là lượng dịch pha do giữ chậm tín hiệu trên đường truyền trong thời gian . Do địa vật cố định nên qua các chu kỳ lặp cự ly từ địa vật tới đài rađa không đổi R= const. Suy ra, thời gian giữ chậm: Độ lệch pha so với tín hiệu phát không thay đổi qua các chu kỳ lặp: Biễu diễn chùm xung phản xạ dưới dạng vectơ: Hình 3.3 Các vectơ của chùm xung phản xạ về từ địa vật. ` Nếu lấy làm chuẩn, qua các chu kỳ lặp, các vectơ … trùng nhau. * Xét tín hiệu phản xạ về từ mục tiêu di động: Biễu diễn chùm xung phản xạ dưới dạng vectơ: ` …… Hình 3.4 Các vectơ của chùm xung phản xạ về từ mục tiêu di động ` ` Từ (3.6), chùm xung phản xạ về từ mục tiêu di động: Độ lệch pha so với tín hiệu phát thay đỏi qua các chu kỳ lặp: (3.8) So với vectơ , các vectơ … quay với tốc độ tỷ lệ với tần số Đốp-le. * Phương pháp tách mục tiêu di động: Từ các nhận xét trên ta thấy có thể phân biệt được các mục tiêu chuyển động với tốc độ khác nhau thông qua lượng dịch pha của các tín hiệu phản xạ so với tín hiệu phát do tần số Đốp-le gây ra qua các chu kỳ lặp liên tiếp. Để tách lượng dịch pha , người ta dùng bộ tách sóng pha giữa tín hiệu thu với tín hiệu dao động tương can (liên tục) được định pha từ tín hiệu phát (xung) hoặc với tín hiệu có độ lệch pha không đổi so với tín hiệu phát. Kết quả, sau tách sóng pha ta thu được chùm xung thị tần có chứa các thành phần Đốp-le của mục tiêu và nhiễu tiêu cực. Chùm tín hiệu sau tách sóng pha được đưa qua các bộ lọc có đặc tuyến biên độ tần số dạng răng lược có các khe lõm trùng với phổ của địa vật và nhiễu tiêu cực chuyển động chậm. 3.2.2 Bộ tách sóng pha * Thực hiện tách sóng pha một kênh: Bộ tách sóng pha được mắc trong hệ thống theo sơ đồ trên hình (3.5). Chùm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu tại lối vào tách sóng pha được lấy từ sau trung tần máy thu: Tách sóng pha Dao động tương can Hình 3.5 Sơ đồ tách sóng pha một kênh Hình 3.6 Chùm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu tại lối ra tách sóng pha xung tương can vô tuyến Tín hiệu dao động tương can định pha từ tín hiệu có độ lệch pha không đổi so với tín hiệu phát: Hình 3.7 Tín hiệu dao động tương can Bộ tách sóng pha thực hiện cộng hai tín hiệu rồi tách lấy tín hiệu thị tần, tại các thời điểm tồn tại xung: Thực hiện tách lấytín hiệu thị tần ta thu được chùm xung có biên độ tỷ lệ với . Chùm tín hiệu đầu ra tách sóng pha có dạng: Hình 3.8 Chùm tín hiệu đầu ra tách sóng pha một kênh * Thực hiện hai pha với tách sóng pha cầu phương: Thực hiện sau trung tần máy thu được đồng thời đưa đến hai bộ tách sóng pha (tách sóng pha kênh I và tách sóng pha kênh Q). Tín hiệu trên đầu còn lại của bộ tách sóng pha kênh I được lấy trực tiếp từ bộ dao động tương can. Trước khi đưa đến kênh Q tín hiệu dao động tương can được quay pha . Kết quả, tín hiệu trên đầu ra hai kênh lệch pha nhau . Lúc này, ta thu được 2 thành phần cầu phương trên đầu ra kênh I và đầu ra kênh Q: Hình 3.9 Sơ đồ hai kênh tách sóng pha mắc cầu phương Tách sóng pha Dao động tương can Tách sóng pha Hình 3.10 Chùm tín hiệu đầu ra hai kênh tách sóng pha cầu phương Địa vật và nhiễu tiêu cực chuyển động chậm (tốc độ gió) cùng với sự thăng giáng tần số Đốp-le của chúng gây nên các thành phần Đốp-le tập trung ở vùng tần số lân cận . Phổ của chúng có dạng sau: 0 F1 2F1 3F1 …. Hình 1.11 Phổ của địa vật và nhiễu tiêu cực chuyển động chậm Chùm tín hiệu sau tách sóng pha được đưa qua các bộ lọc có đặc tuyến biên độ- tần số dạng răng lược có các khe lõm trùng với vùng phổ của địa vật và nhiễu tiêu cực chuyển động chậm. 3.3 Đặc điểm xây dựng các hệ thống số tách mục tiêu di động 3.3.1 Các bộ lọc số dùng tách mục tiêu di động Phần tử chủ yếu của hệ thống MTD là các bộ lọc dải có đặc tuyến tần số dạng răng lược, các khe lõm của nó nằm ở các tần số bằng bội lần tần số lặp của đài rađa. Bộ lọc số (BLS) có thể thực hiện theo sơ đồ hồi quy hoặc không hồi quy. Trong các bộ lọc hồi quy, tín hiệu đầu ra phụ thuộc không chỉ vào tín hiệu lối vào ở thời điểm hiện tại mà vào cả tín hiệu lối ra ở các thời điểm quá khứ, biểu thị dưới dạng phương trình sai phân tuyến tính: (3.12) ở đây: x(n)- tín hiệu vào ở thời điểm n y(n)- tín hiệu ra ở thời điểm n a(i), b(i)- các hệ số trọng lượng. Khi tất cả các hệ số b(i) trong biểu thức trên bằng 0 thì: (3.13) nghĩa là giá trị tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào mà không phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu ra ở các thời điểm quá khứ. Bộ lọc số thể hiện thuật toán trên gọi là bộ lọc không hồi quy hay bộ lọc có nhớ hữu hạn. Thực hiện nó không cần phản hồi, do vậy bộ lọc loại này luôn ổn định. Đó cũng chính là ưu điểm của bộ lọc số không hồi quy so nới bộ lọc hồi quy. Nhược điểm của bộ lọc không hồi quy là sai số bị tích luỹ vì khi tính các giá trị đứng sau của tín hiệu ra thì lại sử dụng các giá trị không chính xác nhận được trước đó (do số bit hữu hạn của thiết bị tính). Công cụ toán học thuận tiện thường dùng để phân tích BLS là các phép biến đổi Z. Hàm truyền của bộ lọc hồi quy: (3.14) Ta thấy H(z) của bộ lọc hồi quy là hàm phân hửu tỉ của . Nghiệm của tử số và mẫu số tương ứng với các điểm không và điểm cực của hàm truyền. Hàm truyền của bộ lọc không hồi quy: (3.15) Từ (3.14) và (3.15) suy ra để thực hiện BLS cần có các thiết bị giữ chậm, nhân và cộng. Sơ đồ cấu trúc của các bộ lọc như sau: x(n) y(n) aL a1 a0 Z-1 Z-1 Z-1 ồ Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc BLS không hồi qui x(n) y(n) aL a1 a0 Z-1 Z-1 Z-1 ồ Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc BLS hồi qui Z-1 Z-1 Z-1 b1 bN a0 Z-1 Z-1 ồ ồ a1 aL b1 bN Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc BLS hồi qui dạng chính tắc x(n) y(n) Trong hệ thống số TMD thường xử lý tín hiệu theo nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu, thiết bị số TMD thường xây dựng theo sơ đồ bộ lọc không hồi qui. Vì hàm truyền của nó chứa các điểm không nên chế áp được các tín hiệu phản xạ từ địa vật hoặc nhiễu tiêu cực đã bù gió. Còn trong các giai đoạn tiếp theo, yêu cầu dải động nhỏ hơn nên cho phép khi cần thiết có thể thay đổi được đặc tuyến của bộ lọc trong phạm vi dải thông của nó. Đặc tuyến tần số (theo công suất) của BLS không hồi qui có thể tìm bằng cách thay Z = exp(jwTl) vào (3.15). Nếu số hệ số trọng lượng bằng N thì đặc tuyến đó có dạng: (3.16) ở đây: , 0 Ê q Ê N; a0 = 1 (3.17) Từ (14.42) suy ra, để chặn các tần số không thì cần tổng = 0 và do đó tổng các hệ số a0, a1, ..., aN cũng phải bằng 0: = 0 (3.18) Xét trường hợp đơn giản, bộ lọc với 1 hệ số trọng lượng a1 = -1 (a0 = 1, a0+a1= 0). Đặc tuyến tần số của nó tương ứng với (14.41) có dạng: |K(f)|2 = C0 + 2C1Cos2pf.Tl (3.19) Trong đó: C0 = = 2, C1 = a0a1 = -1. Thay giá trị của C0 và C1 vào (14.44) được 4Sin2pfTl. (3.20) Đặc tuyến biên tần có dạng = 2|Sinpf Tl| (3.21) 0 F1 2F1 3F1 Hình 3.15 Đặc tính biên độ tần số của bộ bù khử qua chu kỳ một lần (3.21) tương đương với đặc tuyến biên tần của thiết bị bù khử qua chu kỳ 1 lần nên gọi BLS không hồi qui với a0 = 1, a1 = -1, ai (i > 1) = 0 là bộ bù khử số qua chu kỳ một lần. Tương tự như vậy, BLS không hồi qui với 2 hệ số trọng lượng a1 = - 2, a2 = +1 (a0 = 1, a0 + a1 + a2 = 0) có đặc tuyến biên tần dạng. = 4Sin2pf Tl, (3.22) là bộ bù khử số qua chu kỳ 2 lần. f Hình 3.16 Đặc tính biên độ- tần số của bộ bù khử qua chu kỳ hai lần 0 F1 2F1 3F1 3.3.2 Hệ thống TMD dựa trên bộ bù khử số qua chu kỳ Mã Udịch Ult Từ KTgT Uchuẩn Thiết bị điều khiển Bộ ghi dịch m kênh TS pha ồ AD m bít Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc hệ thống số TMD một kênh dựa trên bộ bù khử số qua chu kỳ 1 lần Hình 3.17 là sơ đồ cấu trúc hệ thống TMD 1 kênh dựa trên bù khử số qua chu kỳ 1 lần. ở đây dùng bộ ghi dịch m kênh làm thiết bị giữ chậm (bộ nhớ). Số bít của bộ ghi dịch chọn bằng số kênh (số phần tử phân biệt) theo cự ly. Bộ ghi dịch thực chất là bộ nhớ có số mắt bằng số kênh cự ly, còn số bít của mỗi mắt bằng m, lần lượt vào ra tin tức. Khi có xung lượng tử từ thiết bị điều khiển đưa tới bộ biến đổi AD-m bít, giá trị lấy mẫu của tín hiệu sau tách sóng pha được biến đổi thành mã nhị phân m bít và ghi vào mắt đầu tiên của bộ ghi dịch. Chu kỳ lặp lại của xung lượng tử Tlt = tx. Khi có xung lượng tử tiếp theo tới thì giá trị ghi trong bộ ghi dịch dịch về bên phải 1 bít, nghĩa là mã đã ghi trước đó ở mắt thứ nhất được chuyển sang mắt thứ hai, còn mã mới tương ứng với giá trị lấy mẫu của tín hiệu thuộc phần tử phân biệt cự ly tiếp theo được ghi vào mắt thứ nhất của bộ ghi dịch, và quá trình ghi dịch tiếp tục như thế. Có thể dùng xung cuối cùng của biến đổi AD hoặc xung lượng tử qua giữ chậm làm xung dịch bít. Sau khi kết thúc mỗi chu kỳ phát xạ của ra đa, trong bộ ghi dịch lưu trữ các mã giá trị lấy mẫu của tín hiệu trên toàn bộ cự ly tác dụng của đài theo thứ tự: ở mắt cuối cùng của bộ ghi dịch chứa mã tương ứng với đầu cự ly, ở mắt thứ nhất chứa mã tương ứng với cuối cự ly. Khi bắt đầu chu kỳ tiếp theo, tới đầu vào của bộ cộng sẽ có mã của tín hiệu chưa bị giữ chậm từ bộ biến đổi AD tới và mã đã giữ chậm một Te từ đầu ra của bộ ghi dịch tới, các mã này tương ứng với cùng một phần tử phân biệt theo cự ly. Để thay phép trừ bằng phép cộng, cần biểu diễn các mã của tín hiệu ra bộ ghi dịch thành mã bù (hoặc mã ngược). Vì các mã tín hiệu phản xạ từ địa vật hoặc nhiễu tiêu cực khi đã bù gió, từ chu kỳ này tới chu kỳ khác không thay đổi (hoặc thay đổi không đáng kể) nên ở đầu ra bộ cộng sẽ nhận được các giá trị bằng không (hoặc gần bằng không), Còn ở kênh cự ly chứa mục tiêu di động với Vr ạ Vr mù thì các mã từ chu kỳ này tới chu kỳ sau sẽ thay đổi và giá trị ở đầu ra bộ cộng sẽ khác không. 3.3.3 Tách mục tiêu di động bằng phương pháp MTD dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh. Đây là phương pháp hiện đại, có nhiều tính năng vượt trội hơn hẳn các phương pháp tách mục tiêu di động trước đây, ngoài ra với việc dùng các băng lọc Đốple nó còn cho phép đo đạc tốc độ của mục tiêu và có thể nhận dạng phổ của chúng. Sau đây ta xem xét sơ đồ khối của tuyến xử lý tín hiệu trong rađa số sử dụng phương pháp MTD: Dao động tương can Tín hiệu Rađa TS pha cầu phương ADC Tổ chức dữ liệu FFT Xử lý và phát hiện theo các băng lọc Đốple Hình 3.18 Xử lý tín hiệu trong rađa số sử dụng phương pháp MTD I Q I Q Giải tích sơ đồ: Tín hiệu rađa sau khi trộn tần cùng với dao động tương can đi tới bộ tách sóng pha cân bằng mắc theo sơ đồ hai kênh cầu phương, mục đích của bộ tách sóng pha kiểu này là để khắc phục hiện tượng pha mù và pha không xuất hiện ở bộ tách sóng pha không cân bằng. Sau bộ tách sóng pha cầu phương ta thu được hai kênh tín hiệu thị tần I và Q. Chúng là các xung thị tần có biên độ thay đổi theo lượng dịch tần Đốple trong tín hiệu phản xạ. Tín hiệu hai kênh này được số hoá (lượng tử theo thời gian và lượng tử theo biên độ) với chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn hoặc bằng độ rộng xung rađa (để không làm giảm khả năng phân biệt của đài rađa). Việc lượng tử tín hiệu rađa theo thời gian dẫn tới phân chia đường quét cự ly ra các phần có độ rộng: (3.23) Trong đó: là chu kỳ lượng tử theo thời gian. Việc phát xung theo chu kỳ cùng với quá trình quay anten dẫn tới chia vùng quan sát của đài rađa thành các phần theo phương vị có độ rộng:  (3.24) Trong đó: T1 là chu kỳ lặp lại của xung phát rađa T0 là chu kỳ quan sát của đài rađa. Như vậy với hai động tác trên vùng quan sát của đài rađa được chia thành các “ô lượng tử” có diện tích bằng , số ô lượng tử trong một độ rộng búp sóng là khá lớn và phụ thuộc vào loại đài sử dụng, chế độ công tác của đài. Bản thân tín hiệu rađa trong một ô lượng tử lại tiếp tục được số hoá theo nhiều mức tuỳ thuộc vào yêu cầu bài toán xử lý tín hiệu rađa. Việc xử lý tín hiệu trong MTD không phải được thực hiện theo từng xung mà được thực hiện theo từng “chùm xung” nghĩa là xử lý cùng một lúc tất cả các ô lượng tử trong một búp sóng (ở cùng một khoảng cự ly). Do sau bộ ADC ta thu được dữ liệu của các ô lượng tử lần lượt theo cự ly và phương vị nên cần phải có mạch tổ chức dữ liệu để thực hiện sắp xếp lại dữ liệu cho phù hợp với các bộ xử lý phía sau. Bộ FFT làm nhiệm vụ phân tích phổ tín hiệu, thực chất là nó sẽ lọc ra các thành phần phổ của tín hiệu vào, tuỳ thuộc vào số điểm tính FFT mà có số lượng các băng lọc tương ứng. Như vậy ở đầu ra bộ biến đổi FFT ta thu được “mức” các thành phần phổ của tín hiệu đầu vào bộ FFT ở các tần số tương ứng. Bộ xử lý và phát hiện theo các băng lọc Đốple thực hiện việc đặt ngưỡng phát hiện, xử lý báo động, đo cự ly, phương vị và tốc độ của mục tiêu. 3.3.3.1 Các phương án tổ chức dữ liệu. Việc xử lý dữ liệu theo từng chùm xung đòi hỏi dữ liệu phải được sắp xếp trước khi đưa vào xử lý. Yêu cầu này có thể được thực hiện theo các cách sau: a. Tổ chức dữ liệu theo các sector. Mỗi góc quạt có độ rộng bằng độ rộng búp sóng đài ra đa được gọi là một sector, như vậy toàn bộ vùng không gian quan sát của đài ra đa được chia thành các sector liên tiếp nhau. Việc tổ chức dữ liệu theo các sector được thực hiện nhờ hai mảng nhớ: trong khi dữ liệu của một sector được ghi vào một mảng nhớ thì dữ liệu ở mảng nhớ kia (đã chứa dữ liệu của sector trước đó) được đọc ra để xử lý và quá trình cứ tiếp tục như vậy. ở đây cần chú ý rằng thứ tự đọc và ghi vào bộ nhớ là khác nhau, việc ghi dữ liệu được thực hiện một các tuần tự (liên tục theo cự ly và phương vị) trong khi việc đọc dữ liệu được thực hiện song song (tất cả dữ liệu ở cùng một vành cự ly được đọc ra cùng lúc). Việc tổ chức dữ liệu theo các sector làm cho quá trình xử lý dữ liệu bị trễ thêm một khoảng thời gian bằng khoảng thời gian ghi tín hiêụ trong một sector, tuỳ theo từng bài toán xử lý tín hiệu rađa mà đây có thể là khoảng thời gian trễ khá lớn. … Hình 3.19 Dữ liệu sắp xếp theo các sector chồng lên nhau ….. Sector1 Sector 2 Việc tổ chức dữ liệu theo các sector cũng có nhược điểm là rất có thể một mục tiêu nằm giữa hai sector và do đó ở cả hai sector này đều không phát hiện được mục tiêu, nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách các sector được sắp xếp chồng lên nhau một góc - có thể là bằng 1/2 độ rộng búp sóng. Xem hình vẽ: b. Tổ chức dữ liệu kiểu trượt cửa sổ di động theo từng chu kỳ lặp. Dữ liệu ở cùng một vành cự ly trong cùng một góc quạt (bằng độ rộng búp sóng) được đọc ra để xử lý cùng một lúc, sau khi xử lý xong, dữ liệu ở vành cự ly tiếp theo (vẫn trong góc quạt đó) tiếp tục được đưa vào xử lý, quá trình tiếp tục như vậy cho tới khi toàn bộ dữ liệu trong góc quạt đó được xử lý xong. Lúc này ta dịch phương vị đi một khoảng lượng tử theo phương vị và lại tiếp tục quá trình xử lý trong góc quạt mới này. Cách tổ chức dữ liệu kiểu này gọi là “cửa sổ di động”, ta có hình vẽ minh hoạ sau, ở đây trong một góc quạt chứa k cửa sổ di động (k vành cự ly), mỗi ô cửa sổ di động chứa N ô lượng tử: K N 1 2 …. Hình 3.20 Dữ liệu được sắp xếp theo kiểu trượt cửa sổ di động …… 1 Phương pháp này có thời gian trễ tín hiệu là không đáng kể, tuy nhiên nó có nhược điểm là một mục tiêu sẽ rơi vào nhiều cửa sổ di động khác nhau, do đó gây phức tạp cho bộ xử lý phát hiện, đo đạc sau này. 3.3.3.2 Hệ thống MTD dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh. Các bộ lọc số ngoài việc xử lý tín hiệu trong miền thời gian cũng thường thực hiện xử lý tín hiệu trong miền tần số. Điều này có liên quan trước tiên với việc dễ thực hiện bài toán tổng hợp bộ lọc số có đặc tuyến tần số định trước, vì việc xử lý tín hiệu trong mỗi kênh tần số được tiến hành độc lập với các kênh khác và trong nhiều trường hợp việc thực hiện kỹ thuật bộ lọc số rất đơn giản. Để chuyển sang miền tần số cần sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc đối với N giá trị trích mẫu của tín hiệu vào xử lý: khi k = 0, 1, 2, ...., (N-1) (3.25) X(k) là DFT của tín hiệu x(n) là thừa số lặp và bằng (3.26) Từ (3.3) suy ra, trong trường hợp chuỗi x(n) là phức, khi tính trực tiếp DFT cần thực hiện phép cộng số phức và phép cộng số phức, tức là cần 2 phép tính số học. Khi N lớn, khối lượng tính toán sẽ rất lớn, hao phí nhiều thời gian máy tính. Do đó phải tìm giải thuật tính toán nhanh DFT, giảm bớt khối lượng tính toán. Phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho phép giảm đáng kể thời gian tính toán. Nguyên lý cơ bản của FFT là phân tích DFT của chuỗi N điểm ban đầu thành các DFT có kích thước nhỏ hơn cùng với việc khai thác tính đối xứng và tính tuần hoàn của hàm hệ số trọng lượng W. FFT được thực hiện theo nhiều thuật toán khác nhau, căn cứ vào các bài toán cụ thể. Tóm lại, tầm quan trọng của FFT là rất lớn vì những lý do sau: - FFT đã nâng cao tốc độ, độ mềm dẻo, độ chính xác của xử lý số tín hiệu. - FFT đã mở ra một lĩnh vực ứng dụng rất rộng lớn của phân tích phổ: viễn thông thiên văn, chuẩn đoán y học… - FFT đã khơi lại lợi ích của nhiều nghành toán học mà trước đây người ta chưa khai thác hết. - FFT đã đặt nền móng cho việc tính toán nhanh các biến đổi khác như: biến đổi Wavelet, biến đổi Walsh… 3.3.3.3 MTD dùng bộ lọc số dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh x(N-1) x(1) x(0) x(n) …………………… …………………… Khối FFT Khối IFFT X X X X X Hệ số trọng lượng G(k) tương ứng với đặc tuyến tần số của BLS Hình 3.21 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc số dựa trên FFT Tại đầu ra của thiết bị sẽ nhận được N thành phần phổ (các hài) ở các tần số phân bố đều trong khoảng [0, F1]. Việc xử lý tiếp tục theo thuật toán lọc số sẽ là việc nhân mỗi hài X(k) đó với hệ số trọng lượng G(k), xác định theo đặc tuyến tần số yêu cầu của bộ lọc số, sau đó lại biến đổi ngược kết quả vào miền thời gian nhờ phép biến đổi Fourier ngược (IFFT): n= 0, 1, 2, …, N-1. (3.27) Trong đó . Hệ số trọng lượng G(k), k= 0, 1, …, N-1 được chọn tương ứng với đặc tuyến tần số của bộ lọc số dùng tách mục tiêu di động. Ta thấy rằng biến đổi Fourier ngược (IFFT) hoàn toàn tương tự với công thức biến đổi Fourier thuận (FFT) như đã đề cập ở trên. Chúng chỉ khác nhau ở hệ số tỉ lệ 1/N và dấu của hệ số mũ WN. Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể dùng thuật toán FFT để tính IFFT. Thật vậy, nếu lấy liên hiệp phức rồi nhân cả hai vế của (3.5) với N ta được: n=0, 1, 2, …, N-1. (3.28) Vế phải của (3.28) chính là DFT của chuỗi nên có thể dùng bất kỳ một chương trình FFT nào để tính nó, sau đó lấy liên hiệp phức của kết quả rồi chia cho N thì sẽ nhận được chuỗi . Có thể diễn giải cách tính IFFT từ chương trình tính FFT như sau: Cho dãy, lấy liên hợp phức của bằng cách đổi dấu phần ảo của nó. Gọi chương trình tính FFT để tính FFT của dãy đã đổi dấu phần ảo. Lấy liên hợp phức kết quả thu được bằng cách đổi dấu phần ảo. Sau đó chia cả dãy cho hệ số tỉ lệ N để thu được kết quả mong muốn. Như vậy bộ lọc số được thực hiện dựa trên biến đổi Fourier nhanh sẽ có dạng như hình (3.21). Các hệ thống MTD dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh trong thực tế thường thực hiện bằng cách liên kết các bộ bù khử số qua chu kỳ và bộ lọc số dựa trên cơ sở phép biến đổi FFT. 3.3.3.4 Các phương pháp thực hiện thuật toán FFT Để thực hiện thuật toán FFT người ta sử dụng các phương pháp chính như sau: - Dùng phần mềm: Phần mềm được nạp vào các vi xử lý chuyên dụng có cấu trúc đặc biệt để thuận lợi cho tăng tốc độ tính toán. Đây là hướng đang được quan tâm, đầu tư nghiên cứu do nó kết hợp được ưu điểm: tốc độ cao và tính mềm dẻo do xử lý bằng phần mềm. - Phương pháp sử dụng hệ xử lý chuyên dụng (DSP) : phương pháp này có tốc độ thực hiện nhanh đáp ứng được thời gian thực trong xử lý. Là hệ xử lý chuyên dụng trong xử lý tín hiệu số nên hệ có tập lệnh mạnh đối với phép nhân tích luỹ. Đối với bài toán xử lý tín hiệu số thì thực hiện rất nhanh bởi nó có tần số làm việc cao và có cấu trúc Harvard chuyên cho xử lý tín hiệu số. - Phương pháp dùng công nghệ FPGA : Do đặc điểm cấu trúc mềm dẻo nhưng vẫn đảm bảo thực hiện bài toán trong thời gian thực, giá cả của các FPGA trên thị trường có thể chấp nhận được. Đặc biệt nó cứng hóa thuật toán FFT bởi phép biến đổi FFT thực hiện rất nhiều phép toán có thể thực hiện đồng thời để giảm thời gian tính toán. FPGA khác biệt với các hệ xử lý số chuyên dụng DSP bởi cấu trúc FPGA gồm nhiều mảng các khối khả trình nên có thể sắp xếp các khối này làm việc song song thực hiện nhiều phép toán đồng thời , nó rất hiệu quả trong các bài toán phức tạp. FPGA có những ưu điểm sau: - Cấu trúc mềm dẻo có khả năng thực hiện các thuật toán phức tạp. - Thiết kế mẫu sản phẩm nhanh chóng nhờ các công cụ tổng hợp thiết kế. - Phương pháp lập trình cấu trúc tạo khả năng “cứng hoá” thuật toán nhờ đó nâng cao tốc độ xử lý đáp ứng yêu cầu thời gian thực. - Lập trình phần cứng tạo cho thuật toán xử lý song song. - Khả năng kết hợp trên cùng một chíp các chức năng khác nhau. - Lựa chọn phong phú giá thành chấp nhận được, được hỗ trợ công cụ thiết kế tự động của chính các hãng (Xilinx, Altera) và các hãng khác. Kết luận chương 3 Trong chương 3 đã trình bày các vấn đề cơ bản của chùm tín hiệu rađa phản xạ về từ mục tiêu, đưa ra được những kết luận quan trọng để làm cơ sở cho việc xây dựng hệ lọc mục tiêu di động. Thấy được phổ của tín hiệu và nhiễu có dạng hình răng lược, đây là điều quan trọng cho việc hình thành ý tưởng xây dựng các bộ lọc hình răng lược bằng thiết bị số để giải quyết bài toán chống nhiễu tiêu cực. Chương này cũng đưa ra các phương pháp lọc mục tiêu di động, các phương án tổ chức dữ liệu thường sử dụng trong các đài rađa cảnh giới, trong đó phương pháp MTD (phương pháp lọc mục tiêu di động dựa trên phép biến đổi Fourier nhanh) là một trong những phương pháp hiện đại nhất có nhiều tính năng vượt trội hơn hẳn các phương pháp tách mục tiêu di động trước đây. Trong chương 4 sẽ thực hiện xây dựng một số bộ lọc số phục vụ cho việc xử lý tín hiệu rađa.