Lọc mục tiêu di động bằng bộ lọc thích nghi xử lý không gian - Doppler điều khiển từ bản đồ nhiễu - Vũ Chí Thanh

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa V. C. Thanh, N. T. Hải, V. T. Anh, “Lọc mục tiêu từ bản đồ nhiễu.” 58 LỌC MỤC TIÊU DI ĐỘNG BẰNG BỘ LỌC THÍCH NGHI XỬ LÝ KHÔNG GIAN - DOPPLER ĐIỀU KHIỂN TỪ BẢN ĐỒ NHIỄU Vũ Chí Thanh*1, Nguyễn Tuấn Hải2, Vũ Tuấn Anh1 Tóm tắt: Bài báo đề cập việc thiết kế hệ thống tách mục tiêu di động trên nền nhiễu tiêu cực của các bộ lọc thích nghi xử lý không gian – Doppler với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số. Bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler được xây dựng đã chỉ ra rằng, trong các chế độ làm việc thực tế của đài radar, khi có các loại nhiễu tiêu cực, sử dụng thuật toán tối ưu xử lý không gian – Doppler rất hiệu quả. Từ khóa: Bộ lọc thích nghi, Xử lý không gian, Bản đồ nhiễu số. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chiến tranh hiện đại, các mục tiêu trên không thường bay thấp và tàng hình. Việc phát hiện các mục tiêu này bằng sóng vô tuyến sẽ khó khăn vì bị che khuất bởi nhiễu địa hình, địa vật. Sử dụng phương pháp xử lý không gian-Doppler với việc nhận dạng các loại nhiễu trên cơ sở các bộ lọc thích nghi để xây dựng bản đồ nhiễu số xử lý các loại nhiễu tiêu cực có nguồn gốc khác nhau là một cách tiếp cận mới để giải bài toán chống nhiễu tiêu cực. 2. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ LỌC THÍCH NGHI XỬ LÝ KHÔNG GIAN – DOPPLER Bộ lọc xử lý không gian - Doppler thích nghi đồng thời cần có các khối sau : - Bộ lọc số đồng thời - Bản đồ nhiễu số chỉ thị và tham số của nhiễu - Khối tính véc tơ hệ số trọng lượng của bộ lọc. - Sơ đồ điều khiển, thực hiện việc chuyển chế độ. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler đồng thời cho một đài radar với an ten phụ đơn giản được chỉ ra trên hình 1. Mã nhị phân các tín hiệu từ đầu ra máy thu của kênh chính đưa đến khối hình thành bản đồ số chỉ thị của nhiễu, song song với khối hình thành bản đồ số tham số của nhiễu nhưng theo tín hiệu 2 kênh thu. Trong trường hợp có nhiễu, các ô nhớ bản đồ số chỉ thị của nhiễu, đưa ra tín hiệu “xử lý không gian - Doppler”. Véc tơ hệ số trọng lượng được tính toán và đưa đến bộ lọc số. Đầu ra bộ lọc số tín hiệu đưa qua bộ chuyển đổi MS, đưa đến khối tiếp theo của đài radar. Khi không có nhiễu, bản đồ số chỉ thị của nhiễu xử lý tín hiệu “chuyển tiếp” truyền tín hiệu phản xạ đến các khối tiếp theo của đài radar không qua xử lý. Khi đó, tín hiệu thu kênh chính đưa đến bộ chuyển đổi. Để bù độ giữ chậm do thời gian tính véc tơ hệ số trọng lượng và thời gian lọc gây nên, ta sử dụng mạch là bằng độ giữ chậm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 59 Hình 1. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc số thích nghi xử lý không gian Doppler với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số ma trận hợp biến nhiễu hoặc các véc tơ nhiễu. Từ tách sóng pha và bộ biến đổi tương tự-số kênh chính Hình thành bản đồ số tham số nhiễu Vec tơ hệ số trọng lượng Bộ lọc số đồng thời Mạch là bằng độ giữ chậm Hình thành bản đồ số chỉ thị nhiễu MS Tín hiệu mong muốn từ thiết bị nhớ hoặc thiết bị xử lý thứ cấp Từ tách sóng pha và bộ biến đổi tương tự-số kênh phụ Xử lý không gian Doppler -chuyển tiếp Mạch là bằng độ giữ chậm Mạch là bằng độ giữ chậm Hình 2. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc số thích nghi của nhiễu với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số góc tới và tần số Doppler của nhiễu khí tượng thủy văn và góc tới nhiễu địa vật. Từ tách sóng pha và bộ biến đổi tương tự-số kênh chính Từ tách sóng pha và bộ biến đổi tương tự-số kênh phụ Hình thành bản đồ số tham số nhiễu Bộ lọc số 1 Hình thành bản đồ số chỉ thị nhiễu Mạch là bằng độ giữ chậm MS BBK của bộ lọc tín hiệu từ thiết bị nhớ hoặc thiết bị xử lý thứ cấp Xử lý không gian doppler-chuyển tiếp Bộ nhớ biên độ Σ Bộ lọc số 2 Bộ lọc số 3 Mạch là bằng độ giữ chậm Mạch là bằng độ giữ chậm Véc tơ hệ số trọng lượng Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa V. C. Thanh, N. T. Hải, V. T. Anh, “Lọc mục tiêu từ bản đồ nhiễu.” 60 Trong đó MS: Máy tính trung tâm; BBK: Khối tính hệ số trọng lượng. Vai trò đặc biệt quan trọng trong sơ đồ cấu trúc là khối tính véc tơ hệ số trọng lượng. Việc tính toán véc tơ hệ số trọng lượng được xác định bởi thuật toán xử lý: trong trường hợp bản đồ nhiễu số đối với các ma trận hợp biến thì sử dụng thuật toán cực đại tỷ số tín/nhiễu và tạp âm nội bộ của đài radar. Còn trường hợp bản đồ nhiễu số đối với các véc tơ nhiễu thì dùng thuật toán trực giao hóa nhiễu. Trong cả 2 trường hợp véc tơ của tín hiệu mục tiêu được tính trước hoặc lấy từ thiết bị xử lý thứ cấp đưa tới khối tính toán véc tơ hệ số trọng lượng. Thực tế, phương pháp tiếp cận ma trận hợp biến yêu cầu tính toán lớn. Mặc dù vậy, việc tiếp cận ma trận trong thời gian thực có thể thực hiện được trong trường hợp xét kích thước ma trận nhỏ 8 x 8 [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc thích nghi với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số góc tới và tần số Doppler của nhiễu khí tượng thủy văn và góc tới nhiễu địa vật được mô tả trên hình 2. Sơ đồ này khác ở chỗ thay một bộ lọc số chứa 3 bộ lọc số: bộ lọc số 1 ứng với các tín hiệu mục tiêu. Bộ lọc số 2 ứng với nhiễu từ khí tượng thuỷ văn. Bộ lọc số 3 ứng với nhiễu từ địa vật. Ngoài ra, bộ nhớ biên độ hình thành véc tơ không gian tín hiệu phản xạ, có phân bố biên độ không đều. Trong bộ nhớ mô tả giá trị biên độ giản đồ định hướng góc tà của an ten kênh thu. Đầu ra xuất hiện các giá trị tương ứng của giản đồ định hướng đối với kênh chính và kênh phụ sau đó các giá trị được đưa đến khối tính vectơ hệ số trọng lượng. Khối tính véc tơ hệ số trọng lượng đánh giá tham số nhiễu hình thành véc tơ đồng thời liên hiệp phức của nhiễu, véc tơ hệ số trọng lượng đối với bộ lọc số 2 và bộ lọc số 3. Đối với các véc tơ hình thành nhiễu và véc tơ đồng thời của tín hiệu được đưa đến khối tính véc tơ hệ số trọng lượng, hệ thống giải 2 phương trình tuyến tính. Hệ số trọng được tính toán lại ở bộ lọc số 2 và bộ lọc số 3. Bản đồ nhiễu số chỉ thị và tham số của nhiễu được hình thành song song. Khi phát hiện có nhiễu các hệ số trọng lượng được tính toán và tiến hành xử lý không gian - Doppler, khi đó bộ chuyển đổi đưa ra tín hiệu tổng của các phản ứng bộ lọc số 1, bộ lọc số 2 và bộ lọc số 3. Khi không có nhiễu ở ô nhớ tức thời của bản đồ thì tín hiệu của kênh thu chính được đưa tới đầu ra của sơ đồ. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ LỌC SỐ THÍCH NGHI XỬ LÝ KHÔNG GIAN - DOPPLER ĐIỀU KHIỂN TỪ BẢN ĐỒ NHIỄU SỐ Kết quả mô phỏng bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler điều khiển từ bản đồ nhiễu số ma trận hợp biến, với số lượng thực hiện khác nhau, của mục tiêu đã chỉ ra trong bảng 1. Từ đó cho thấy, khi mô phỏng 100 lần thực hiện quá trình ngẫu nhiên là tối ưu, vì khi tăng số lượng 200 lần thì hệ số gia tăng tỷ số tín/nhiễu và tạp trung hoà ở tất cả quĩ đạo chỉ thay đổi 0,16%, mà thời gian tính toán tăng lên gần gấp 2 lần. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 61 Bảng 1. Hiệu suất bộ lọc xử lý không gian – Doppler (dB). Số lượng thực hiện Hệ số cải thiện tỷ số tín/nhiễu và tạp (dB) Thời gian tính toán (s) 50 24,95 385 100 25,04 710 200 24,91 1366 Trên hình 3÷ 5, là đồ thị tỷ số tín/tạp ở đầu vào và đầu ra bộ lọc đối với số lượng thực hiện khác nhau. - Đường cong dưới là tỷ số tín/nhiễu và tạp ở đầu vào bộ lọc. - Đường cong trên là tỷ số tín/nhiễu và tạp ở đầu ra bộ lọc. Hình 3. Tỷ số tín/nhiễu và tạp ở đầu vào và đầu ra bộ lọc với số lần thực hiện là 50. Hình 4. Tỷ số tín/nhiễu và tạp ở đầu vào và đầu ra bộ lọc với số lần thực hiện là 100. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa V. C. Thanh, N. T. Hải, V. T. Anh, “Lọc mục tiêu từ bản đồ nhiễu.” 62 Hình 5. Tỷ số tín/nhiễu và tạp ở đầu vào và đầu ra bộ lọc với số lần thực hiện là 200. Kết quả mô phỏng bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler điều khiển từ bản đồ nhiễu số ma trận hợp biến, với số lượng thực hiện khác nhau, bằng phần mềm MATLAB, cho thấy khi mô phỏng 100 lần thực hiện quá trình ngẫu nhiên là tối ưu. 4. KẾT LUẬN Trong bài này đã đề cập đến vấn đề xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số ma trận hợp biến nhiễu hoặc các véc tơ nhiễu và sơ đồ cấu trúc bộ lọc số thích nghi của nhiễu với việc điều khiển từ bản đồ nhiễu số góc tới và tần số Doppler của nhiễu khí tượng thủy văn và góc tới nhiễu địa vật. Bộ lọc số thích nghi xử lý không gian - Doppler được xây dựng đã chỉ ra rằng: trong các chế độ làm việc thực tế của các đài radar, khi có các loại nhiễu tiêu cực, cho phép sử dụng thuật toán tối ưu xử lý không gian – Doppler rất hiệu quả. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Hữu Sơn, Hàn Vũ Hải, “Thiết bị lọc mục tiêu di động số”, Học viện KTQS, Hà Nội, 2009. [2]. Ngô Quốc Trung, “Xử lý tín hiệu và lọc số”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2003. [3]. Nguyễn Đức Luyện, “Tác động của nhiễu lên các hệ thống điều chỉnh”, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nôi, 2000. [4]. Бартон Д., Вард Г., “Справочник по радиолокационным измерением”, Пер. с англ. под ред. М.М. Мейсбейна. – М. : Сов. радио, 1976, – 392 с. [5]. Березин И.С., Жидков Н.П., “Медтоды вычислений”, Гос. изд. физ. – мат. литературы, 1962, – 640 с. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 63 [6]. Блейхут Р, Мир, “Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов”, Пер. с англ, 1989. – 448 с. [7]. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А., “Матрицы и вычисления”, Наука, 1984, – 320 с. [8]. Гантмахер Ф. Р., “Теория матриц”, – М. Наука, 1988, – 552 с. [9]. А.К., Лукошкин А. П., Поддубный С.С., “Обработка сигналов в адаптивных антенных решётках”,: Изд-во Лениградского ун-та, 1983, – 240 с. ABSTRACT FILTERING THE MOVING TARGET BY AN ADAPTIVE FILTER SPATIAL PROCESSING – DOPPLER WITH THE CONTROLLER FROM THE CLUTTER MAPS The features of moving target filtering by the adaptive filter spatial processing - Doppler with the controller from the clutter maps are presented in this paper. This is an important feature to develop radar digital signal processing. The algorithms and results of deployment it into the device are also presented. Keywords: Adaptive filter, Spatial processing, Digital noise maps. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: 1Phòng XLTH, Viện Ra đa, Viện Khoa học-Công nghệ quân sự; 2Học viện Phòng không – Không quân. *Email: thanhvch@gmail.com