Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa L.N. Uyên, T.V. Hùng, , “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.” 148 VỀ THUẬT TOÁN CHẾ ÁP NHIỄU TÍCH CỰC TRONG RA ĐA BIỂN Lê Ngọc Uyên*, Trần Văn Hùng, Nguyễn Văn Hạnh, Trần Thị Trâm Tóm tắt: Ngày nay có nhiều phương pháp bảo vệ chống lại sự can thiệp của nhiễu vào hệ thống ra đa. Trong bài bài báo này, chúng tôi trình bày thuật toán chống nhiễu tích cực trong các đài ra đa, được bố trí trên các đảo ở biển, có thể đưa vào ứng dụng trong thực tế. Thuật toán này dựa trên cơ sở đánh giá các tham số nhiễu tích cực và lựa chọn phương pháp thích hợp nhất để bảo vệ đài ra đa trong một tình huống cụ thể. Nó đã được đề cập đến cả hai vấn đề đặc tính lý thuyết và đặc biệt là việc thực hiện thực tế của thuật toán này. Công cụ quan trọng để hiệu chỉnh thuật toán là sơ đồ của giá thử chương trình phần mềm – phần cứng, cũng như kết quả của thuật toán chống nhiễu nhận được từ đó. Từ khóa: Nhiễu thụ động, Nhiễu tích cực, Thuật toán chống nhiễu, Đài ra đa. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các ra đa trên bờ biển hoặc trên đảo cần được xem xét ảnh hưởng tác động của các nhiễu thụ động và nhiễu tích cực, đồng thời với ảnh hưởng của tạp. Các nhiễu thụ động được thiết lập bởi các phản xạ tự nhiên, các bề mặt phía dưới (mặt nước biển) và các đối tượng của đường bờ biển. Các nhiễu tích cực được tạo ra bởi các thiết bị vô tuyến, các đài ra đa. Các đài, trạm gây nhiễu có thể thu được các tín hiệu phát xạ (TPX) tấn công ra đa và tạo ra nhiễu trên cơ sở các tham số của tín hiệu phát xạ: phát xạ theo hướng tấn công ra đa được sao bản bởi TPX, điều chế biên độ, pha, tần số, thời gian trễ, .v.v..[1]. Do thực tế, các loại nhiễu làm giảm đáng kể hiệu quả của các ra đa, do đó cần phải trang bị phương tiện để chống lại sự can thiệp của nhiễu vô tuyến. Các phương pháp bảo vệ chống nhiễu tích cực bằng cách này hay cách khác dựa trên thực tế càng nhiều càng tốt "mang đến" các tham số làm việc của đài ra đa và nhiễu: theo tần số làm việc, phân cực, thời gian, không gian. Trong trường hợp này trước tiên cần phải phát hiện sự hiện diện của nhiễu tích cực. Trong khuôn khổ cấu trúc điển hình của bộ xử lý dữ liệu trong đài ra đa [2], được thực hiện trong các bước xử lý sơ cấp và thứ cấp (xử lý tín hiệu và dữ liệu) từ việc bảo vệ sự can thiệp của nhiễu tích cực chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến cả hai bước xử lý trên. Ngoài ra, các bộ xử lý dữ liệu (xử lý thứ cấp) phải thực hiện hợp lý chuyển các phương án khác nhau cho việc bảo vệ chống sự can thiệp của nhiễu, trong trường hợp không đưa ra một kết quả tích cực. Điều này dẫn đến việc sử dụng các thuật toán tổng hợp thực hiện các nhiệm vụ sau đây: 1. Phát hiện sự tác động của nhiễu tích cực; 2. Xác định các tham số của nhiễu, nếu có; 3. Lựa chọn phương pháp bảo vệ. Sau đây sẽ trình bày một cách có hệ thống về thực tế của phương pháp chống nhiễu tích cực, cũng như cấu trúc của thuật toán, dựa trên các phương pháp này. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 149 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG NHIỄU TÍCH CỰC 2.1. Sử dụng các anten bù trừ Phương pháp này cho phép bảo vệ từ sự can thiệp của nhiễu tích cực, các hướng mà không trùng với hướng của mục tiêu, đó là, tạo bởi bức xạ đến giản đồ hướng của mạng anten thu (búp sóng bên) liền kề với búp sóng chính. Trong mạng anten thu được sử dụng cùng với mô hình bức xạ anten bù trừ, giản đồ hướng được “phủ lên” giản đồ cơ bản trong vùng ngoài búp sóng chính. Ý tưởng của phương pháp này là do sự tương quan hệ số r giữa các kênh chính và kênh bù trừ thực hiện trừ tín hiệu của kênh bù trừ từ các tín hiệu kênh chính. Hệ số tương quan tại mỗi thời điểm được định nghĩa: = Khi đó: = [( −[]) ( − [])]; = [( − []) ]; = {,}. Ở đây: – tín hiệu nhận ở kênh chính; – tín hiệu nhận ở kênh bù Tín hiệu sau khi xử lý bù tại mỗi thời điểm: = − . Trong quá trình xử lý thứ cấp theo độ dài thực hiện L trong giả thiết ergodic của tín hiệu và nhiễu (nếu khoảng thời gian trung bình là đủ ngắn) đầu ra tín hiệu ⌈⌉ tại thời điểm n được tính theo công thức tương tự, trong đó thay thế các giá trị thực sự của tính chất xác suất các tín hiệu và nhiễu, vì thế giá trị chọn chúng sẽ là: ∗ = ∑ ([] − )([] − ) ; ∗ = ∗ ∗ ∗; = ∑ ⌈⌉ ; ( ∗) = ∑ ([] − ) ; = {,}; [] = [] − ∗ .[]. Hiệu quả triệt nhiễu tích cực tốt nhất sẽ quan sát được khi đưa búp sóng bên đầu tiên nhất có giá trị lớn nhất vào đúng vị trí của nhiễu tích cực. Phương pháp bù được thể hiện ở hình 1 [3]. 2.2. Sử dụng "số không" của giản đồ hướng Cách tiếp cận này có nghĩa là vị trí góc của nhiễu tích cực đã biết và hầu như không thay đổi trong một thời gian ngắn. Đối với việc xác định vị trí góc có thể được định kỳ dừng lại để thăm dò, chỉ lấy tín hiệu nhiễu. Sau khi xác định vị trí góc cần thiết phải "xoay" mạng anten thu theo cách như vậy mà một trong những "số không" của giản đồ anten đến hướng của nhiễu tích cực. Với phương pháp này, các tín hiệu từ mục tiêu không nhất thiết phải luôn luôn rơi vào búp sóng chính lớn (1) (2) (3) (4) Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa L.N. Uyên, T.V. Hùng, , “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.” 150 nhất của giản đồ hướng mạng anten thu, nhưng nhiễu tích cực sẽ bị chế áp rõ rệt. Khi mục tiêu rơi vào đỉnh của búp sóng chính thì hiệu quả của chế áp nhiễu tích cực là tối đa. Kết quả của phương pháp này thể hiện trong hình 2 [4]. Hình 1. Xuất hiện sự bù khi sử dụng anten bù. Hình 2. Sử dụng số không của giản đồ hướng. 2.3. Phương pháp phân cực Còn một phương pháp chống nhiễu tích cực dựa trên việc sử dụng phân cực đối với sự chiếu xạ mục tiêu. Hệ thống này phải được xem xét trên hai kênh phát xạ và thu - với phân cực ngang và phân cực đứng. Đơn cử, cho tín hiệu nhiễu tích cực là phân cực tròn, còn mục tiêu được chiếu xạ bằng tín hiệu với phân cực đứng. Khi đó, tín hiệu nhiễu sẽ đi vào hai kênh thu, còn tín hiệu từ mục tiêu chỉ vào kênh duy nhất với phân cực đứng. Trong trường hợp này, các kênh với phân cực đứng có thể được sử dụng như là bù và khi đó quy trình triệt nhiễu tương tự như đã trình bày ở trên. 3. THUẬT TOÁN CHỐNG NHIỄU TÍCH CỰC 3.1. Cấu trúc của hệ thống ra đa trên biển Sau đây ta xem xét ứng dụng cụ thể của việc chống nhiễu tích cực trong ra đa chủ động với mạng anten mạng pha thụ động. Cấu trúc chung của khối xử lý dữ liệu được hiển thị trong hình 3. Cấu trúc này là điển hình của ra đa trên biển. Các bộ xử lý tín hiệu có thể thực hiện quét điện tử bằng cách thay đổi các hệ số pha khi xử lý một tín hiệu phát xạ. Tại đầu vào của bộ xử lý thứ cấp (xử lý cấp 2) có các thông tin nhận dạng về cự ly và vị trí góc của mục tiêu trong không gian, cũng như các dữ liệu xử lý thông tin ra đa. Phần mềm thiết bị xử lý thứ cấp có chức năng chế áp nhiễu tích cực. Thường thì phần mềm đó được thực hiện như một bộ mô đun trong khuôn khổ thực hiện các dòng tính toán song song (được thể hiện ở hình 3). Các dữ liệu ban đầu để thực hiện thuật toán chế áp nhiễu là việc thực hiện xử lý dữ liệu sơ bộ từ đầu ra của bộ xử lý tín hiệu. Điều quan tâm chính trong trường hợp này là dạng mục tiêu, cũng như các thông tin liên quan đến chúng về độ lớn của mô đun tín hiệu và nhiễu trong kênh chính và kênh bù. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 151 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của đài ra đa biển. 3.2. Thuật toán ở dạng máy tự động hữu hạn Thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong bối cảnh các ứng dụng của nó ở hệ thống đã trình bày ở trên có thể được biểu diễn ở dạng máy tự động hữu hạn (hình 4). Hình 4. Thuật toán chống nhiễu tích cực. Thời gian lưu trú tối thiểu trong mỗi trạng thái ∆ được xác định bởi chu kỳ chạy thuật toán trong xử lý thứ cấp thiết bị phần mềm. Điều kiện chuyển đổi từ một trạng thái sang trang thái ghi nhận dưới dạng mũi tên. Trạng thái máy tự động hữu hạn được xem xét dưới đây. Kiểm tra nhiễu - Trong trạng thái hiện tại tạo ra sự so sánh mô đun các tín hiệu nhận được (không bao gồm các mục tiêu đáp ứng) với ngưỡng mà phụ thuộc vào tạp nội tại của mạng thu và quyết định về việc có hay không có nhiễu tích cực trong vùng quan sát của đài ra đa. Hiệu chỉnh tần số - Trong trạng thái hiện tại sẽ thực hiện hiệu chỉnh tần số cho đến khi không có nhiễu tích cực hoặc sẽ chạy ra khỏi các tần số điều hành cho phép. Tần số được thay đổi theo một "lộ trình" định trước. Phương pháp bù - Một số phương pháp dựa trên cơ sở xác định vị trí góc của nhiễu tích cực. Đây là phương pháp bù với sự thay đổi hướng búp sóng chính của Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa L.N. Uyên, T.V. Hùng, , “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.” 152 giản đồ định hướng đến vị trí bù nhiễu tích cực tốt nhất, hoặc phương pháp phân cực hoạt động tốt nhất. 3.3. Phát hiện nhiễu tích cực và đánh giá các vị trí góc của nó Các bước kiểm tra nhiễu bao gồm: 1. Thực hiện bằng cách quét điện tử trong không gian, nơi có thể có nhiễu tích cực, bằng cách đặt ra các tia ở dạng "hình quạt" (cùng một lúc hoặc một vài tia bức xạ) với từng bước nhỏ dọc theo góc thẳng đứng và nằm ngang ( 1º). Xác định hướng với mô đun tối đa nhiễu tích cực Mcm (Mcm, Mkm- Mô đun tín hiệu và nhiễu tích cực tương ứng trong các kênh bù và kênh chính). Quan trọng hơn, nhiễu có thể có hoặc không có trong một hướng nhất định. 2. Trong hướng được xác định bởi giai đoạn trước, thực hiện một quy trình phát hiện nhiễu tích cực. Nó bao gồm việc so sánh các tính toán trong bộ xử lý tín hiệu của hệ số ∗ với 0, cũng như kiểm tra các điều kiện Mcm > Mkm. Nếu ∗ là khác 0 và điều kiện được đáp ứng, sự hiện diện của nhiễu tích cực được xác nhận, nếu không có thể kết luận rằng nó ở hình quạt. 3. Sau khi xác nhận sự hiện diện của nhiễu tích cực, ta hiệu chỉnh chính xác vị trí góc của nó bằng cách di chuyển con trượt trung bình. 4. GIÁ THỬ NGHIỆM Để giải quyết thuật toán chế áp nhiễu tích cực, ta chuẩn bị bộ thử nghiệm được lắp ráp như hình 5. Hình 5. Cấu trúc giá thử nghiệm. Trong đó, bao gồm các vị trí anten, mạng anten thu, anten phát, nguồn tín hiệu, mục tiêu giả, máy phát tín hiệu nhiễu tích cực, bộ xử lý tín hiệu và điều khiển máy tính với các chương trình công nghệ. Các giá thử nghiệm tương tự được sử dụng rộng rãi khi hiệu chỉnh các hệ thống ra đa hiện đại nhờ các ưu điểm sau: 1. Có khả năng hiệu chỉnh của các thiết bị riêng độc lập và phần mềm của chúng; 2. Có khả năng làm việc với sự thay thế một số mô đun của mô phỏng phần mềm hệ thống. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 153 Giá thử này đã được thử nghiệm có độ tin cậy cao đối với các thuật toán bù và phân cực để chế áp nhiễu tích cực [5]. Trong mạng anten thu ngoài kênh chính còn có kênh bù. Bộ xử lý tín hiệu sử dụng các thuật toán được mô tả trong phần 2.1. Các kết quả xử lý tín hiệu nhận được khi khóa và mở các thuật toán bù chế áp nhiễu tích cực (xử lý sơ cấp) thể hiện trên hình 6. Mục tiêu nằm ở phần tử thứ 53 của cự ly. Hình 6. Kết quả sử dụng phương pháp bù. Có thể dùng biện pháp sau để chế áp nhiễu - Sử dụng các dạng khác nhau của phân cực. Trong thí nghiệm, tín hiệu nhiễu có phân cực đứng, còn mục tiêu được chiếu xạ với tín hiệu phân cực ngang. Các kết quả xử lý tín hiệu nhận được khi khóa và mở thuật toán phân cực chế áp nhiễu tích cực (xử lý sơ cấp) thể hiện trên hình 7. Hình 7. Kết quả ứng dụng thuật toán phân cực chế áp nhiễu tích cực. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa L.N. Uyên, T.V. Hùng, , “Về thuật toán chế áp nhiễu tích cực trong ra đa biển.” 154 5. KẾT LUẬN Bài báo này trình bày một cách nhìn tổng quan về các phương pháp chế áp nhiễu tích cực được sử dụng trong thực tế và chỉ ra sự cần thiết ứng dụng một thuật toán tích hợp để thực hiện việc áp dụng các phương pháp, tùy thuộc vào bản chất của đối tượng gây nhiễu ra đa. Các mô tả của thuật toán được phát triển để chế áp nhiễu cho ra đa trên biển, trong đó hiện đã được thực hiện trong phần mềm của hệ thống thực và đã được thử nghiệm. Trong thiết kế và hiệu chỉnh thuật toán được sử dụng giá thử nghiệm, đơn giản hóa đáng kể quá trình. Bài báo này cung cấp một sơ đồ của giá thử nghiệm và kết quả việc sử dụng các giai đoạn khác nhau của thuật toán tích hợp chế áp nhiễu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ширман Я. Д. “Теоретические основы радиолокации”. – М.:Советское радио, 1970, - 560 с. [2]. Фарина А., Студер Ф. “Цифровая обработка радиолокационной информации”. Сопро-вождение целей. – М.: Радио и связь, 1993, – 320с. [3]. Канащенков А.И., Меркулов В.И. “Защита радиолокационных систем от помех”. – М.: Радиотехника, 2003, – 414с. [4]. Ратынский М.В. “Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках”. – М.: Радио и связь, 2003, – 200 с. [5].Смит С. “Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников”. – М.: Додэка-ХХI, 2012, – 720с. ABSTRACT PROTECTION ALGORITHM FROM ACTIVE INTERFERENCE IN THE MARINE RADAR Today there are many methods of protection against interference in radar technology. The article focuses on the protection against jamming in the radar on a movable base (namely, a sea-based). A complex algorithm of protection against jamming, implemented in practice is presented. This algorithm is based on an assessment of the active noise parameters and choosing the most appropriate method of protection in a particular situation. It affects both theoretical issues and particularly the practical implementation of this algorithm. As an important tool for debugging algorithm is a diagram of hardware and software of the stand, as well as the results of the algorithm for noise protection. Keywords: Passive noise, Positive noise, Anti-jamming algorithm, Radar. 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: Viện Ra đa/ Viện Khoa học và Công Nghệ Quân sự/ Bộ Quốc phòng. * Email của tác giả liên hệ: uyenvrd2006@gmail.com