Thảo
Quốc
2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThơng
Thơng và
và Cơng
TinTin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
GiaGia
2015
CơngNghệ
NghệThơng
Thơng
(ECIT
2015)

PHÂN TÍCH TỶ SỐ TÍN HIỆU/ TẠP CỦA
HỆ THỐNG RADAR MIMO
Lê Ngọc Uyên, Võ Văn Phúc, Đinh Văn Trường và Cao Văn Vũ
Viện Ra đa,
Viện Khoa học và Cơng Nghệ Qn sự/ Bộ Quốc phịng
Email: , , ,
Abstract— Bài báo phân tích so sánh về tỷ lệ tín hiệu/ tạp của hệ
thống radar với anten mạng pha chủ động thông thường và
radar MIMO với các anten phát bố trí cùng vị trí, tín hiệu được

mã hóa và với các anten riêng biệt, gọi là "radar MIMO thống
kê”.

Do đó, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của mục tiêu sẽ
không phụ thuộc vào sự thay đổi ngẫu nhiên của đường truyền
khác nhau. Cho nên, mỗi thành phần được tách ra bằng các bộ
lọc máy thu sẽ mang thông tin độc lập về mục tiêu. Vì thế chất
lượng phát hiện sẽ tốt hơn.
MIMO radar với các anten phát được bố trí cùng vị trí, như
vậy RCS được quan sát bởi một đường truyền giống nhau. Các
thành phần được tách ra bằng các bộ lọc phối hợp trong mỗi
anten thu mang thông tin của một đường truyền từ một phần tử
anten phát đến một phần tử anten thu. Bằng cách sử dụng tồn
bộ thơng tin của các đường truyền, có thể đạt được độ phân
giải không gian tốt hơn.

Keywords- Hệ thống radar MIMO, mạng pha tích cực

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, các giới khoa học nước ngoài,
người ta quan tâm tới sự phát triển của MIMO (Multiple Input
- Multiple Output) radar [1-5]. Theo nghĩa chung nhất, các hệ
thống MIMO ra đa (Hình. 1) được thiết lập bởi K phần tử phát
và L phần
(vị trí phát), phát xạ K tín hiệu
tử thu (vị trí thu), đảm bảo thu đồng thời và xử lý các tín hiệu
[5].
này bởi tổng tương ứng của nó
Hệ thống các tín hiệu này là tín hiệu có dạng sóng trực giao
với nhau.

Theo định nghĩa tổng quát, nhiều hệ thống ra đa truyền
thống có thể được xem như những trường hợp đặc biệt của
MIMO ra đa. Ví dụ, ra đa có mặt mở tổng hợp, sử dụng một
anen phát đơn và một anten thu đơn, các vị trí của hai anten
này được tách biệt có thể được coi như MIMO ra đa với sự
phân bố đều (quan hệ trực giao) theo tín hiệu thời gian.
Hiện nay, MIMO radar có thể được phân chia thành hai
loại chính (Hình 2). Loại thứ nhất bao gồm MIMO radar với
các anten phát bố trí cùng vị trí và tín hiệu được mã hóa. Loại
thứ hai bao gồm một radar với các anten riêng biệt, gọi là
"radar MIMO thống kê.”

Hình 2. Hai loại chính MIMO ra đa

Những ưu điểm chính của MIMO radar so với radar mạng
pha truyền thống [1,5] là: nâng cao khả năng phát hiện mục
tiêu, nâng cao độ chính xác ước lượng góc, có khả năng quan
sát mục tiêu với vận tốc tối thiểu, khả năng thích nghi tốt hơn.
Các đặc tính chiến thuật của radar được xác định bởi [2]:
vùng quan sát, các tọa độ được xác định, các tham số chuyển
động của mục tiêu, và độ chính xác đo chúng, chống nhiễu, độ
tin cậy.
Các đặc tính kỹ thuật chung của radar liên quan đến tần số
sóng mang f0 (độ dài bước song λ), cơng suất đỉnh xung P0;
dạng tín hiệu phát xạ, hệ số tạp máy thu Kt; các phương pháp
quan sát không gian, các phương pháp đo tọa độ; các phương
pháp tách tín hiệu trên nền phản xạ phức tạp (PxPt); dạng và
độ rộng giản đồ hướng anten (GDHA), hệ số đường truyền
(KD), mức cánh sóng bên, mức cơng suất u cầu từ nguồn
ni, kích thước và trọng lượng.

Để so sánh các đặc tính của MIMO radar với các loại radar
truyền thống, ta xét MIMO radar với mạng anten bố trí cùng vị
trí và radar với anten mạng pha (AMP) có cùng tham số kỹ
thuật như nhau: tần số sóng mang f0 (hay độ dài bước sóng λ);
cơng suất phát xung của một kênh (modul) P0; số kênh phát

Hình 1. Nguyên lý chung MIMO ra đa

MIMO radar với các anten riêng biệt là một trường hợp
đặc biệt của hệ thống radar đa vị trí (MPRLS) [6,7]. Mỗi phần
tử anten phát sẽ quan sát một hướng khác nhau của mục tiêu.

ISBN: 978-604-67-0635-9

314
314


HộiHội
Thảo
Quốc
GiaGia
2015
CơngNghệ
NghệThơng
Thơng
(ECIT
2015)
Thảo
Quốc

2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThơng
Thơng và
và Cơng
TinTin
(ECIT
2015)
(K) và số kênh thu (L), dạng tín hiệu phát xạ; độ dài xung T0;
độ rộng dải thông Δf0; hệ số tạp của mỗi kênh thu Kth; cự ly
mục tiêu điểm rmt và mặt phẳng phản xạ hiệu dụng của mục
tiêu σmt. Ngoài ra trong bài báo này ta chỉ xem xét trong phạm
vi hệ thống dải thông hẹp.
Trước tiên ta cần xác định mơ hình cấu trúc của MIMO
radar và radar với AMP để ta có thể tiện so sánh tiếp theo.

(7)
với
các hệ số phức, mà được xác định từ hướng yêu cầu
để giản đồ hướng anten thu đạt giá trị lớn nhất:
Khi đó từ (7) ta thấy MPC nội tạp ở đầu ra của bộ cộng
(hình 2), sẽ bằng MPC tạp trong một kênh thu và tỷ số tín
hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha được xác định:

II. TỶ SỐ TÍN HIỆU/TẠP

(8)

Trong thực tế, việc phân tích các đặc tính quan trọng, cũng

như tỷ số tín hiệu/ tạp của MIMO radar là khơng nhiều. Ta sẽ
xem xét, sự kém đi bao nhiêu của tỷ số tín hiệu/ tạp của
MIMO radar so với radar dùng anten mạng pha. Một so sánh
được thực hiện cho các radar dùng anten mạng pha và MIMO
radar với các cấu trúc như hình 2. a, b tương ứng.
Để đơn giản cho việc kiểm nghiệm, các hệ thống anten của
cả hai loại radar sẽ được xem xét mạng anten dạng tuyến tính,
với K phần tử phát và L phần tử thu, đồng thời không ảnh
hưởng đến bộ xử lý giữa các chu kỳ. Kiểm nghiệm tỷ số tín
hiệu/ tạp đối với radar mạng pha và MIMO radar ta sẽ đưa ra
hai phương pháp đánh giá: xem xét trực tiếp và xem xét đồng
thời. Giá trị tỷ số tín hiệu / tạp đối với radar mạng pha sẽ được
xem xét ở đầu ra bộ lọc phối hợp, còn đối với MIMO radar ta
sẽ xem xét ở đầu ra thiết bị xử lý không gian (đầu ra ở bộ cộng
thứ hai).
2.1. Xem xét trực tiếp
2.1.1.Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng
pha:
Đầu tiên, ghi mật độ thông lượng công suất tại các mục tiêu
tạo ra bởi một phần tử của mạng anten (AM)[7]:
(1)
Khi đó mật độ thơng lượng cơng suất ở mục tiêu, tạo bởi K
phần tử AM:
(2)
Mật độ công suất dịng của anten thu:
(3)
Diện tích của L phần tử thu của AM:
(4)
Khi đó cơng suất nhận được ở đầu ra của bộ cộng (hình 2):
(5)

Tỷ số tín hiệu/ tạp ở đầu ra thiết bị xử lý bên trong chu kỳ
sẽ là [7]:

Hình 2. Các cấu trúc đài radar với anten mạng pha và MIMO
radar

(6)
Ở đây: N0- Mật độ phổ công suất (MPC) của nội tạp ở đầu ra
thiết bị xử lý không gian.
Trong bộ cộng được thực hiện bởi tích lũy kết hợp khơng
gian của các tín hiệu (tạo giản đồ hướng anten tuyến thu):

2.1.2. Xác định tỉ số tín hiệu/ tạp đối với MIMO radar:

315
315


Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
về Điện
Điện Tử,
Truyền Thông
Thông
Tin Tin
(ECIT
2015)
HộiHội

Thảo
Quốc
Tử, Truyền
ThôngvàvàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

Ta xét sơ đồ cấu trúc của thiết bị xử lý khơng gian MIMO
radar (hình 2b) ở dạng tương đương (hình 3).
Mật độ dịng ở mục tiêu, tạo bởi m phần tử phát AM
), sẽ tương tự (1). Bởi vì các tín hiệu phát xạ tương
(
quan lẫn nhau, và tính mật độ tổng cơng suất dịng ở mục tiêu,
theo cách nhìn của tỷ số tín hiệu/ tạp, khơng chính xác. Tương
tự từ (3), xác định mật độ cơng suất dịng ở phần thu AM, tạo
bởi m phần tử phát xạ:

Đồng thời xem xét mà không mất tính tổng quát, ta xét tỷ
số tín hiệu/ tạp trong một chùm tia đơn.
Tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha khi xem
xét đồng thời:
Tương tự, từ (3), mật độ cơng suất dịng ở mục tiêu, tạo bởi
K phần tử AM:
(14)
Mật độ cơng suất dịng ở anten thu:

(9)


(15)
Từ (4), công suất nhận được ở đầu ra bộ cộng:
(16)
Khi đó tỷ số tín hiệu/ tạp đối với radar anten mạng pha:
(17)
Đối với MIMO radar, tỷ số tín hiệu/ tạp khơng thay đổi. Từ
(12) và (17)
(18)
Tóm lại, kgi xem xét đồng thời tỷ số tín hiệu/ tạp đối với
radar anten mạng pha và MIMO radar là bằng nhau.

Hình 3. Cấu trúc tương đương của thiết bị xử lý khơng gian các tín
hiệu trong MIMO radar

2.3. Khả năng bù sự mất mát tỷ số tín hiệu/ tạp:
Tỷ số tín hiệu/ tạp bị xấu đi khi xem xét trực tiếp đã được
nghiên cứu [1, 2]. Để bù sự mất mát này [1] đề xuất tăng thời
gian quan sát thông qua thực hiện xem xét đồng thời. Tỷ số tín
hiệu/ tạp ở đầu ra thiết bị tích lũy tổng hợp (TLTC) có thể
được xác định:

Khi đó cơng suất nhận được từ tín hiệu phát xạ thứ m tại
đầu ra của bộ cộng thứ hai (hình 2):
(10)
Tỷ số tín hiệu/ tạp ở đầu ra thứ m của bộ lọc phối hợp được
xác định:

(19)


(11)

ở đây:
– hiệu quả của thiết bị tích lũy tương can;
–
– độ rộng đặc tính tần số của
tần số lặp của các xung,
– số xung tích lũy tương can.
thiết bị tích lũy tương can;
Khi đó, để bù sự mất mát tỷ số tín hiệu/ tạp có tính đến TLTC,
cần phải tăng số lượng xung tích lũy lên LTLTC lần. Đối với các
tín hiệu phản xạ:

- mất mát từ bộ giải mã kết quả từ tổng các đầu ra
Ở đây:
bộ lọc phối hợp của hàm tự tương quan với phần còn lại của
hàm tương quan chéo của các tín hiệu khác.
Với sự phát xạ đồng thời K tín hiệu trực giao, tỷ số tín
hiệu/ tạp (11) sẽ ở đầu ra của mỗi K bộ lọc phối hợp. Trên bộ
cộng thứ hai được thực hiện tích lũy khơng gian kết hợp, và
tương ứng tỷ số tín hiệu/ tạp tăng lên K lần. Tỷ số tín hiệu/ tạp
tại đầu ra của bộ cộng thứ hai là:

III . KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Để thuận lợi phân tích ảnh hưởng của tỷ số tín hiệu/ tạp, ta
xem xét khả năng phát hiện mục tiêu của đài radar mạng pha
truyền thống và radar MIMO, mục tiêu được giả định phần
lớn là mục tiêu tán xạ nhỏ tuân theo phân bố Gauss. Nhiễu tạp
của hệ thống là nhiễu tạp trắng Gausian có các tham số đã
biết. các đường cong RCO (đặc trưng hoạt động của máy thu)

của ra đa MIMO trong phân bổ khác nhau được thể hiện trong
hình 5.
Các đường cong ROC phản ánh mối quan hệ giữa xác
suất báo động lầm và xác suất phát hiện đúng tương ứng. Đài
ra đa mạng pha truyền thống trong hình 2 tương ứng với chỉ

(12)
Từ (8) và (12) ta có:
K.

(13)

Nếu bỏ qua sự mất mát do bộ giải mã thì từ (13) ta thấy khi
xem xét trực tiếp tỷ số tín hiệu/ tạp của MIMO radar kém hơn
K lần so với radar anten mạng pha. Điều này cho thấy trong
MIMO radar thiếu giản đồ hướng của mạng phát.
2.2. Xem xét đồng thời

316
316


Thảo
Quốc
Gia
2015về
vềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông

Thông và
TinTin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
2015
và Công
CôngNghệ
NghệThông
Thông
(ECIT
2015)

một mảng truyền yếu tố, M là số đường dẫn khởi động độc
lập.
Như trong hình 4, với cùng một xác suất báo động lầm
thì xác suất phát hiện đúng của mảng ra đa truyền thống là nhỏ
hơn so với Ra đa MIMO. Ra đa MIMO nhiều phần tử phát độc
lập mang lại hiệu suất phát hiện tốt hơn.

Trong hình 3 ta thấy, cùng một SNR, xác suất phát hiện của
Ra đa MIMO tăng lên với việc tăng phần tử mạng phát.
Nhưng khi SNR là tương đối nhỏ, khả năng phát hiện của
mảng ra đa truyền thống là tốt hơn so với ra đa MIMO. Chỉ
khi SNR lớn hơn l0dB , khả năng phát hiện của ra đa MIMO
sẽ tốt hơn các ra đa mảng truyền thống. Do đó, số lượng tín
hiệu phát nên được xác định theo nhiễu hệ thống khi thiết kế

các hệ thống ra đa MIMO
IV. KẾT LUẬN
Nhược điểm chính của radar MIMO - sự suy giảm tỷ lệ tín
hiệu / tạp ở đầu ra của thiết bị xử lý không gian-thời gian, là
do truyền phát xạ không định hướng và tổng nội tạp lớn (K
lần) trong các kênh thu. Nhược chế này đã hạn chế phạm vi áp
dụng của radar MIMO. Khắc phục nhược điểm này bằng cách
tăng thời gian quan sát có thể khơng phải lúc nào cũng thực
hiện được. Rõ ràng là bù tồn bộ hoặc một phần mất mát tỷ số
tín hiệu/ tạp do tích lũy tổng hợp đạt được chỉ khi sử dụng số
phần tử AM khơng lớn.

Hình 4. Mối quan hệ của xác suất phát hiện đúng và xác suất báo
động lầm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Черняк В. С. О новом направлении в радиолокации: MIMO РЛС. //
Прикладная радиоэлектроника. 2009.— № 7.— С. 34—46.
[2]. Черняк В. С. Многопозиционные радиолокационные системы на
основе MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники.—
2012.— № 8.— С. 29—45.
[3]. Li J., Stoica P., Xie Y. On probing signal design for MIMO radar // IEEE
Trans. on Signal Processing. 2007.— Vol. 55, N 8. P. 4151—4161.
[4]. Li J., Stoica P. MIMO radar signal processing.— New Jersey: A John
Wiley & sons inc., 2009.
[5]. Daum F., Huang J. MIMO Radar: Snake Oil or Good Idea // IEEE A&E
Systems Magazine, May 2009.
[6]. Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация.— Москва: Радио и
связь, 1993.— 416 с.

[7]. Охрименко А. Е. Теоретические основы радиолокации и РЭБ. Часть
I.— Москва: Воениздат, 1983.

Các mối quan hệ xác suất phát hiện mục tiêu của ra đa
MIMO và SNR (tỷ số tín hiệu/ tạp) được thể hiện trong hình 3.

Hình 5. Xác suất phát hiện và quan hệ SNR

317
317