Xây dựng chương trình tính toán và tối ưu hóa quá trình thiết kế kĩ thuật đài Rađa - Nguyễn Trung Kiên

Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 34, 12 - 2014. 21 X©y dùng ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n Vµ tèi ­u ho¸ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ kü thuËt ®µi ra®a NGUYỄN TRUNG KIÊN*, LÊ DUY HIỆU**, HÀ HUY DŨNG**, BÙI CÔNG PHƯỚC**, NGUYỄN VĂN VIỆT*** Tóm tắt: Xây dựng một bộ tham số thiết kế hệ thống trong ra đa là một quá trình thực hiện tính toán với số lượng bài toán, số phép tính lớn, và phải tuân thủ những qui trình rất chặt chẽ. Một khó khăn khi tính toán tham số của đài ra đa đó là sự phụ thuộc phức tạp lẫn nhau giữa các tham số. Nhu cầu về một công cụ có thể nhanh chóng tính toán ra các tham số ra đa dựa trên một vài tiền định là cần thiết nhằm nâng cao khả năng trong thiết kế cũng như kiểm tra ra đa. Bài báo trình bày một công cụ tính toán tham số ra đa được thiết kế trên ngôn ngữ lập trình bậc cao với tính chặt chẽ trong việc giải quyết từng bài toán. Từ khóa: Tham số ra đa, Tiền định, Ngôn ngữ lập trình. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình thiết kế đài ra đa, quá trình thiết kế kỹ thuật là quá trình nhiều giai đoạn và phức tạp. Việc tính toán chính xác các tham số kỹ thuật và lựa chọn tối ưu cấu hình thiết bị cũng là một vấn đề hết sức khó khăn. Quá trình tính toán sẽ được thực hiện liên tiếp qua nhiều giai đoạn nhằm tiếp cận giá trị yêu cầu của nó. Khi mới bắt đầu tính toán người ta thường chọn sơ bộ giá trị của một vài tham số trong phương trình cự ly ra đa [1]. Sau đó, trong quá trình thiết kế, khi đã hình thành cấu trúc của thiết bị sẽ tiến hành chính xác hóa các tham số. Ngược lại, việc chính xác hóa các tham số sẽ làm thay đổi cấu trúc của thiết bị, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi chọn được phương án cuối cùng về cấu trúc và tham số của nó. Tùy thuộc vào đặc trưng riêng của đài ra đa mà quá trình tính toán hay phương pháp để hội tụ đến kết quả mong muốn có thể khác nhau. Với mong muốn tìm một lời giải cho các bài toán tính toán, lựa chọn tham số và cấu hình thiết bị trong quá trình thiết kế kỹ thuật một đài ra đa, bài báo này sẽ đưa ra một phương án xây dựng chương trình tính toán tham số kỹ thuật của đài ra đa khi đã định trước giá trị của một vài tham số khác với một cấu trúc đài ra đa cụ thể. 2. THỰC HIỆN TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐÀI RA ĐA 2.1. Đặt bài toán Để đơn giản chúng ta hãy xét một trường hợp cụ thể như sau. Tính và tối ưu hóa các tham số kỹ thuật để thiết kế đài ra đa mới sử dụng tín hiệu mã M trên cơ sở các tham số kỹ thuật của một đài ra đa hàng hải (nguyên bản, với các tham số kỹ thuật theo bảng tham số kỹ thuật của đài) với các yêu cầu sau: - Giá trị công suất phát trung bình (Ptb) không được thấp hơn giá trị danh định. - Tỷ số tín tạp khi có nén xung tăng theo hệ số nén: bằng M lần theo điện áp và bằng M2 lần theo công suất. - Độ rộng xung con (τx1) được chọn bằng độ rộng xung hẹp của ra đa nguyên bản, tức là sẽ giữ nguyên độ rộng dải thông máy thu và như vậy có thể coi độ nhạy máy thu, khả năng phân biệt và độ chính xác đo cự ly không đổi. Ra ®a N. T. Kiªn, L. D. HiÖu, “X©y dùng ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n kü thuËt ®µi ra ®a.” 22 - Giữ nguyên tốc độ quay anten, độ rộng cánh sóng do đó khả năng phân biệt và độ chính xác đo phương vị không đổi. 2.2. Giải bài toán Bài toán nêu trên là bài toán tối ưu đa điều kiện, vì vậy, ta sẽ chọn cách giải theo phương pháp phân lớp theo các điều kiện và tối ưu theo từng tiêu chuẩn đó [2]. Kết quả của mỗi lần tính toán sẽ được kiểm tra theo các điều kiện tối ưu để loại trừ các phương án hay bộ tham số không thích hợp. Hình 1. Lưu đồ thuật toán tính toán Tần số lặp và Công suất đỉnh. Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi nhận được các giá trị của các tham số yêu cầu. Việc lựa chọn tham số sẽ được thực hiện theo các nguyên tắc sau: - Các tham số tiền định sẽ là các tham số chiến thuật bao gồm: Cự ly phát hiện cực đại, xác xuất phát hiện, khả năng phân biệt, xác xuất báo động lầm . . . - Các tham số kỹ thuật tiếp theo sẽ được chọn ưu tiên cho phần tạo năng lượng siêu cao tần công suất lớn (tuyến phát) với tiêu chí là sử dụng các Mô đun có sẵn trên thị trường với thông số kỹ thuật và giá thành thích hợp. YES A NO Nhận tham số tiền định - Cự ly đo cực đại - Công suất TB tối thiểu - Độ rộng xung con - Số xung con Bắt đầu Tính các giá trị giới hạn - Tần số lặp - Công suất đỉnh Kết quả đạt yêu cầu Đăng xuất, lưu trữ dữ liệu đạt yêu cầu B Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 34, 12 - 2014. 23 - Nhóm tham số kỹ thuật còn lại được ưu tiên lựa chọn theo tiêu chuẩn ứng dụng công nghệ mới (xử lý tín hiệu số, tích hợp các hệ thống xử lý tương quan, xử lý đơn xung, xử lý chùm xung . . .) nhằm mục đích cuối cùng là nâng cao tỉ số tín tạp. Qui trình tính toán sẽ được thực hiện theo các bước sau đây: Bước 1: Chọn giá trị công suất trung bình Ptb theo yêu cầu thiết kế; Bước 2: Xác định bộ giá trị {Công suất phát (Px), Độ rộng xung phát (τx), Tần số lặp (Fl)} từ mối quan hệ Px.x1.M.Fl Ptb. Hình 2. Lưu đồ tính toán nhóm tham số hệ thống. Bước 3: Kiểm tra kết quả, chọn tham số máy phát theo điều kiện cung cấp thiết bị hoặc yêu cầu sử dụng thực tế. Nếu chưa đạt (không khớp) yêu cầu quay lại bước 1. Hình 1 mô tả lưu đồ thực hiện giai đoạn này của thuật toán. Bước 4: Từ bộ giá trị tìm được trong bước 3 và một vài tham số hệ thống khác được chọn theo yêu cầu thiết kế để tính toán các tham số còn lại. Bước 5: Kiểm tra kết quả nếu chưa đạt thì trở lại bước 4 để chọn lại các tham số hệ thống trong phạm vi cho phép. Nếu vẫn không đạt thì quay lại bước 1. Bước 6: Kết thúc tính toán và kết xuất dữ liệu. YES NO YES NO Chọn các tham số hệ thống Tính các tham số còn lại KiÓm tra kÕt qu¶ cã ®¹t yªu cÇu kh«ng? B K.Tra kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh c¸c tham sè hÖ thèng? A Kết thúc Ra ®a N. T. Kiªn, L. D. HiÖu, “X©y dùng ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n kü thuËt ®µi ra ®a.” 24 Lưu đồ thuật tính tham số được thể hiện trên hình 2 [3]. Chương trình tính toán được xây dựng bằng phần mềm Visual Basic 6.0. Các biểu thức toán học và thứ nguyên chuẩn hóa được sử dụng trong chương trình lần lượt được liệt kê trong bảng 1. Các tham số tiền định được nhập vào đối với mỗi chu trình tính đảm bảo sự chủ động cho người thiết kế, thành công của chương trình phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm, trình độ của người thực hiện các thiết kế. Bảng 1. Các công thức cơ bản trong chương trình. STT Tham số Công thức 1 Tần số công tác,Hz f = c/λ c- Tốc độ ánh sáng : c = 3.108 m/s; λ- Bước sóng làm việc (m); 2 Công suất phát trung bình,W x1- Độ rộng xung con (0,3s) (s) Px- Công suất xung máy phát (W). Fl - Tần số lặp lại (Hz). M- Số xung con (M =7, 15, 31). 3 Độ rộng xung phát,s x = M.x1 4 Cự ly mù,m 5 Khả năng phân biệt theo cự ly,m R = 2 . min x hs C RR   +Rhs 6 Khả năng phân biệt theo phương vị, độ  = 0,5+hs 0,5- Độ rộng cánh sóng trong mặt phẳng ngang. 7 Dải thông máy thu, Hz B= Cb/τxc Cb = 1,2 ÷ 1,4 8 Độ nhạy máy thu, W Pmin= .k.T0.B.Nmth γ- Hệ số phân biệt (16÷1000) theo công suất k- Hệ số Kelvin k = 1,39.10-23(w.s/K), T0 = 290 0K Nmth- Hệ số tạp âm máy thu (3÷6)dB. 9 Hệ số lọc nén Knén = x/x1 10 Số xung trong chùm Nxung = (Tqs.Fl.0,5)/360 0 Tqs(s) = 60/24; 0,5 = 1,23. Giao diện của chương trình thể hiện các tham số tiền định, tham số lựa chọn và các giá trị tham số cần được tính ra được minh họa trên hình 3 và hình 4. 3. KẾT LUẬN Bài báo này đã xây dựng một Môđun phần mềm thực hiện tính toán và tối ưu hóa các tham số và cấu hình thiết bị của một ra đa hoàn chỉnh theo thuật toán phân lớp tham số phục vụ cho quá trình thiết kế ra đa trong nước. Cùng với xu thế phát Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 34, 12 - 2014. 25 triển hiện nay đó là sự hợp tác trong nghiên cứu và trong sản xuất, đề cao vị thế và vai trò của giai đoạn thiết kế hệ thống toàn đài ra đa. Kết quả của Mô đun phần mềm là một bộ tham số giúp cho quá trình kiểm tra và đánh giá các ý tưởng thiết kế và những giải pháp kỹ thuật, công nghệ cụ thể được áp dụng trên từng thiết bị ra đa. Hình 3. Hình 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoµng Thä Tu (2003), C¬ së x©y dùng ®µi ra®a c¶nh giíi, HKTQS, Hµ Néi. [2]. Merril I.Skolic (1990), Radar Handbook Second Edition, McGraw-Hill. [3]. Peter J. Markus, Fundamentals of Radar Systems Analysis, P.E, ANM-471. Abstract DESIGN A CALCULATION SOFTWARE AND OPTIMAZING THE TECHNICAL DESIGN PROCESS FOR A RADAR STATION Constructing a system design parameters set for radar is a complex process with significantly numerous mathematic problems, complying with strict procedures. One of the problem when calculating radar parameters is the complex relations between them. The need to have a tool for quickly calculating radar parameters based on some predeterminations is crucial to emprove and/or test the system design. The paper presents a parameters calculation tool based on high level programming language cordinated closely with solving each problems. Keywords: Radar parameters, Predetermination, Programming language. Nhận bài ngày 26 tháng 08 năm 2014 Hoàn thiện ngày 14 tháng 10 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 04 tháng 12 năm 2014 Địa chỉ: * Phòng Ra đa/BTM/BTL Hải Quân; ** Viện Ra đa, Viện KH & CNQS; *** Phòng Kỹ thuật – Nhà máy Z119 – Quân Chủng PKKQ.