Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 1 Contents I. Giới thiệu chung về Radar ................................................................................................................. 3 II. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................................................... 3 1. Nguyên lý chung .............................................................................................................................. 3 2. Sơ đồ khối radar: ............................................................................................................................... 3 3. Nguyên lý radar xung........................................................................................................................ 4 3.1. Xung : là đại lượng biến thiên nhanh theo theo một quy luật nhất định, đặc trưng bởi tần số f và bước sóng λ. .......................................................................................................................................... 4 3.2. Nguyên lý phát xung trong radar xung: ......................................................................................... 4 3.3 Công suất phát xung:....................................................................................................................... 4 4. Một số thông số kỹ thuật trong radar .................................................................................................... 5 4.1. Radar cross-section ( tiết diện radar) ............................................................................................. 5 4.2. Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency): .................................................................... 5 4.3 Độ phân giải tầm xa ( range resolution): ................................................................................... 6 4.4 Tầm xa cực đại (max range)............................................................................................................ 6 4.5 Noise power threshold .................................................................................................................... 6 4.6 Pulse Integrator (tích hợp xung) ..................................................................................................... 6 5. Radar Range Equation .......................................................................................................................... 8 6. Bộ Match Filter: .................................................................................................................................. 10 III. Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ Phased Array System Toolbox PAST của Matlab ....... 11 Tiêu chuẩn thiết kế: ................................................................................................................................. 12 Thiết kế hệ thống monostatic radar: ........................................................................................................ 12 Dạng sóng. .......................................................................................................................................... 12 Đặc tính nhiễu ở bộ thu ....................................................................................................................... 13 Bộ phát ................................................................................................................................................ 13 Phát và thu tín hiệu ............................................................................................................................. 16 Mô phỏng hệ thống ............................................................................................................................. 17 Mục tiêu (Targets)............................................................................................................................... 17 Môi trường truyền: .............................................................................................................................. 18 Sự tổng hợp tín hiệu ............................................................................................................................ 18 Phạm vi phát hiện................................................................................................................................ 19
26
Embed
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 1
Contents I. Giới thiệu chung về Radar ................................................................................................................. 3
II. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................................................... 3
1. Nguyên lý chung .............................................................................................................................. 3
3.2. Nguyên lý phát xung trong radar xung: ......................................................................................... 4
3.3 Công suất phát xung:....................................................................................................................... 4
4. Một số thông số kỹ thuật trong radar .................................................................................................... 5
4.1. Radar cross-section ( tiết diện radar) ............................................................................................. 5
4.2. Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency): .................................................................... 5
4.3 Độ phân giải tầm xa ( range resolution): ................................................................................... 6
4.4 Tầm xa cực đại (max range)............................................................................................................ 6
4.5 Noise power threshold .................................................................................................................... 6
4.6 Pulse Integrator (tích hợp xung) ..................................................................................................... 6
5. Radar Range Equation .......................................................................................................................... 8
6. Bộ Match Filter: .................................................................................................................................. 10
III. Thiết kế radar xung monostatic bằng công cụ Phased Array System Toolbox PAST của Matlab ....... 11
Tiêu chuẩn thiết kế: ................................................................................................................................. 12
Thiết kế hệ thống monostatic radar: ........................................................................................................ 12
Đặc tính nhiễu ở bộ thu ....................................................................................................................... 13
Bộ phát ................................................................................................................................................ 13
Phát và thu tín hiệu ............................................................................................................................. 16
Mô phỏng hệ thống ............................................................................................................................. 17
Môi trường truyền: .............................................................................................................................. 18
Sự tổng hợp tín hiệu ............................................................................................................................ 18
Phạm vi phát hiện ................................................................................................................................ 19
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 2
Ngưỡng phát hiện ................................................................................................................................ 19
Match Filter ............................................................................................................................................. 20
Phạm vi phát hiện.................................................................................................................................... 24
Tổng kết .................................................................................................................................................. 25
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 3
I. Giới thiệu chung về Radar
Radar là phương tiện vô tuyến điện dùng để phát hiện và xác định vị trí mục tiêu so với trạm radar. Vì vậy
radar được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quân sự, giao thông…
Thuật ngữ RADAR là viết tắt của Radio Detection And Ranging, tức là dùng sóng vô tuyến để xác định
phương vị và khoảng cách tới mục tiêu.
Từ khi ra đời đến nay, radar không ngừng đưuọc cải tiến, ngày càng hoàn thiện. Cùng với sự phát triển
của các ngành khoa học, ứng dụng các thành tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện, vô tuyến điện tử, các tính
năng của radar được nâng cao không ngừng. Ngày nay, radar đã và ngày càng đi sâu phục vụ đời sống.
Monostatic radar hay còn gọi two-way radar sử dụng cùng một anten cho việc truyền và nhận. Trong suốt
khoảng thời gian truyền radar không thể nhận. Radar chuyển mạch truyền - nhận bằng chuyển mạch điện
gọi là duplexer.
II. Nguyên lý hoạt động
1. Nguyên lý chung
Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý : đo khoảng thời gian từ lúc phát sóng điện từ siêu cao
tần cho đến khi nhận được tín hiệu phản hồi từ mục tiêu.
Công thức tính :
d = c.t/2
Trong đó, c : vận tốc truyền sóng (3.108 m/s)
t : thời gian truyền sóng (đi và phản xạ trở về)
d : khoảng cách từ radar tới mục tiêu
2. Sơ đồ khối radar:
Transmitter Duplexe
r
antenna Electromagnetic wave
Echo signal Display Receiver
aim
Duplexer antenna
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 4
3. Nguyên lý radar xung
3.1. Xung : là đại lượng biến thiên nhanh theo theo một quy luật nhất định, đặc trưng bởi tần số f
và bước sóng λ.
Hiện nay, trong radar sử dụng các loại xung sau:
Xung nhọn
Xung răng cưa
Xung vuông
Xung siêu cao tần (xung radio)
Các đặc trưng của xung radio : chiều dài xung (x), chu kì lặp xung (Tx). Thông thường hiện nay x = 0.01
÷ 3 s, Tx = 1000 ÷ 4000 s
3.2. Nguyên lý phát xung trong radar xung:
Radar phát 1 xung trong thời gian x, sau đó chờ xung phản xạ trở về mới phát xung tiếp theo với chu kì
lặp xung là Tx . Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về, qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu, khuếch
đại, sửa đổi thành tín hiệu điện, đưa sang bộ chỉ báo hiển thị.
Để cho máy phát, máy thu và khối chỉ thị hoạt động dồng bộ nhau, người ta tạo ra các xung chỉ thị từ khối
đồng bộ điều khiển toàn bộ trạm radar.
Để anten có thể dùng chung cho cả bộ phát và bộ thu, người ta tạo ra bộ chuyển mạch anten tách máy
phát và máy thu phù hợp lúc phát và lúc thu:
Ngắt máy thu khi máy phát hoạt động (phát sóng), chống công suất lớn phá hỏng máy.
Ngắt máy phát khi máy thu hoạt động (thu sóng), đảm bảo công suất đủ lớn để thể hiện thành tín
hiệu mục tiêu.
3.3 Công suất phát xung:
Công suất phát xung Px là công suất máy phát đi trogn thời gian x
x
x
x
Pdt
P
0
Công suất trung bình Ptb của máy phát trong cả chu kỳ là Tx
Ptb . Tx = Px . x
Do đó : x
xx
tbT
PP
*
Px
Tx
Ptb
x
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 5
4. Một số thông số kỹ thuật trong radar
4.1. Radar cross-section ( tiết diện radar)
RCS: đo khả năng phản xạ tín hiệu radar của mục tiêu theo hướng radar thu. RCS được đo bằng tỉ số của
công suất tán xạ ngược trên steradian theo hướng của radar (từ mục tiêu) với mật độ công suất bị chắn
bởi mục tiêu.
Chỉ số RCS càng lớn thì khả năng vật thể bị phát hiện càng lớn. Kí hiệu σ
RCS có thể được hiểu như sau:
σ = Projected crosss ection x Reflectivity x Directivity
Projected cross section:
Reflextivity : Phần trăm công suất chặn được từ mục tiêu tái bức xạ.
Reflectivity =
Directivity : Tỉ số công suất tán xạ ngược lại theo hướng radar với công suất tán xạ ngược đẳng hướng.
Directivity =
=
RCs có thể được tính: | |
| | | |
| |
Với Si là mật độ công suất tới được đo ở mục tiêu.
Ss là mật độ công suất tán xạ cách mục tiêu khoảng cách r
4.2. Tần số lặp lại của xung (pulse repetition frequency):
Tần số lặp lại của xung ( Pulse Repetition Frequency PRF) là số xung radar phát ra trong một giây. PRT
(Pulse Repetition Time ) là thời gian phát giữa hai xung.
PRF xác định phạm vi mục tiêu unambigous. Để phạm vi mục tiêu là unambigous, PRT radar phải lớn
hơn thời gian cần thiết để một xung truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và quay trở lại. Nếu PRT nhỏ
hơn thời gian một xung truyền tới mục tiêu trong phạm vi đó và quay trở lại thì tín hiệu trở về không
được thu do lúc đó radar đã phát xung kế tiếp.
Pulse_bw
prt
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 6
Trong đó v là vân tốc truyền sóng
4.3 Độ phân giải tầm xa ( range resolution):
Độ phân giải tầm xa là khả năng của một hệ thống radar phân biệt giữa hai hay nhiều mục tiêu cùng
phương hướng nhưng ở vị trí khác nhau. Độ phân giải tầm xa phụ thuộc chiều rộng của xung phát, loại
hay kích thước mục tiêu, hiệu suất bộ nhận. Độ rộng xung là yếu tố chính trong độ phân giải tầm xa. Một
hệ thống radar được thiết kế tốt, với tất cả các yếu tố đều đạt hiệu suất tối đa, có thể phân biệt các mục
tiêu riêng biệt với một nửa độ rộng xung τ. Do vậy, độ phân giải tầm xa có thể được tính theo công thức:
Độ phân giải theo khoảng cách là khả năng phân biệt giữa ảnh các mục tiêu đứng gần nhau ở hiện trường
trên cùng phương vị, tức là các mục tiêu tách rời nhau thì ảnh của chúng không bị chập trên màn ảnh của
radar.
Giả sử mục tiêu A và B ở gần nhau, khi phần tử đầu tiên từ B phản xạ về đến A mà phần tử cuối cùng
phản xạ từ A chưa rời khỏi A thì sóng phản xạ của 2 mục tiêu sẽ nối tiếp nhau về anten gây nên 1 vệt
sáng của cả 2 mục tiêu trên màn chỉ báo, vì vậy không phân biệt được ảnh của 2 mục tiêu này.
Để ảnh của 2 mục tiêu không trùng nhau trên màn hình thì khoảng cách d giữa chúng phải là:
4.4 Tầm xa cực đại (max range)
Khoảng cách d giữa mục tiêu và radar sao cho thời gian phát từ xung thứ nhất đến khi nhận lại xung phản
xạ nhỏ hơn thời gian phát liên tiếp giữa 2 xung.
Max range = ½*vận tốc truyền sóng*(thời gian lặp lại xung)
4.5 Noise power threshold
Trong điều kiện bộ phát hiện là noncoherent, và nhiễu Gauss, trắng thì giá trị ngưỡng có thể được tính
theo công thức (1)
√
Trong đó σ là phương sai của nhiễu Gauss, trắng
là hàm gamma ∫
4.6 Pulse Integrator (tích hợp xung)
Tích hợp xung là một kỹ thuật cải tiến để tăng khả năng phát hiện bằng cách sử dụng nhiều xung truyền.
Designing A Basic Monostatic Pulse Radar by Using PAST
Nguyễn Ti Ti (40802205) & Nguyễn Hồng Phúc (40801594) Trang 7
Signal Processor, Location of the Coherent Integrator
Coherent Integration Tích hợp nhất quán
Với kiểu tích hợp coherent, chúng ta chèn giữa bộ Matched Filter và bộ Amplitude Detector bộ Coherent
Integrator. Sau khi đã có độ phân giải tầm xa(range resolution), bộ xử lý tín hiệu lấy mẫu mỗi xung phản
xạ thu được. Sau khi đã lấy N xung, bộ xử lý sẽ đưa các xung này qua bộ amplitude detector và threshold
device.
Giả sử, max range là 75km, range resolution là 150m, bộ xử lý tín hiệu sẽ tạo ra 75000/150=500 mẫu cho
mỗi xung. Sau khi bộ xử lý tín hiệu lấy được N xung nó sẽ bỏ đi các xung cũ trước đó.
Trong bộ xử lý tương tự, tích hợp xung được xây dựng bởi các bộ lọc. Nó được xây dựng dựa trên giải
thuật FFT trong xử lí số. Nhiễu trong mỗi xung là có trung bình bằng 0 và là nhiễu Gauss. Nhiễu lấy mẫu
từ mỗi xung là không tương quan. Do vậy nhiễu ngõ ra của bộ coherent integrator có cùng tính chất thống
kê với nhiễu ngõ ra bộ Matched filter (IF-Amp)
Giả sử mức tín hiệu tại ngõ vào bộ coherent integrator là hằng số từ xung này đến xung. Đây là dấu hiệu
của Swerling Case 0 target Swerling Case 1 target hay Swerling Case 3 target. Những mức tín hiệu này sẽ
được cộng vào bộ tích hợp. Biên độ cụ thể trên N xung được tích hợp bởi bộ coherent integrator được
quản lý bởi hàm mật độ xác suất cho các loại mục tiêu cụ thể. Vì vậy chúng ta có thể xem xung phản xạ
tại ngõ ra của bộ coherent integrator có SNR gấp N lần SNR được cung cấp bởi radar range equation. Bộ
coherent integration không có lợi về Swerling Case 2 and Swerling Case 4 targets. Điều này xuất phát từ
thực tế đó, rằng các tín hiệu của các mục tiêu này không phải là cố định từ xung đến xung, nhưng thay
vào đó, chúng có thể gây nhiễu.
Non-Coherent Integration
Signal Processor, Location of the Noncoherent Integrator
Bộ Non-Coherent Integrator được đặt sau bộ Amplitude Dectector. Cái tên non-coherent integration xuất
phát từ thực tế là tín hiệu sau khi qua bộ Amplitude Detector thì bị mất pha. Bộ Non-Coherent Integrator
hoạt động giống bộ Coherent Integrator trong việc lấy N xung trước khi cho qua bộ Threshold Device.