BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO
VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG
HÀM AMBIGUITY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định, Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO
VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG
HÀM AMBIGUITY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS ĐÀO MINH HƢNG


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống radar MIMO và định vị
mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity” là cơng trình nghiên cứu của riêng
học viên.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần là lý
thuyết cơ bản về kỹ thuật radar, một phần là các nghiên cứu về radar MIMO
đã được công bố hiện nay tại các trường Đại học và các bài báo trên tạp chí
của Viện kỹ thuật công nghệ điện - điện tử IEEE. Phần cịn lại là nghiên cứu
ứng dụng và mơ phỏng hàm Ambiguity định vị mục tiêu di động là nghiên
cứu của học viên.
Quy Nhơn, ngày 15 tháng 9 năm 2019
Học viên

Nguyễn Thanh


ii

LỜI CÁM ƠN
Trước hết, tôi muốn cám ơn thầy hướng dẫn của tôi, TS Đào Minh Hưng,
người đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình trong suốt thời gian tơi làm luận văn
này. Thầy đã dạy tôi mọi thứ tôi cần để trở thành một nhà nghiên cứu như là
sáng tạo, suy nghĩ sâu sắc và các kỹ năng trình bày ý tưởng và viết bài. Thầy
cũng là một quý ông hoàn hảo, luôn tốt bụng, lịch sự và ân cần. Thầy là một
hình mẫu hồn hảo và tơi đã học được rất nhiều.
Tôi cũng muốn cảm ơn đến các giảng viên trong Khoa Kỹ thuật và Công
nghệ, các bạn cùng lớp Kỹ thuật viễn thông K20. Đây thực sự là một tập thể
tuyệt vời khi học tập, làm việc và nghiên cứu cùng nhau.
Ngồi ra, tơi cũng muốn cảm ơn cha mẹ tơi vì tình u và sự ủng hộ của
họ cho cả cuộc đời tôi. Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến người vợ đáng

yêu Nguyễn Thị Vân Anh vì sự đồng hành và tình yêu của cô ấy.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
MỤC LỤC..................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................. vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................... viii
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................ 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài ................................................ 2
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ...................................................... 3
4. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 4
6. Tóm tắt nội dung nghiên cứu .............................................................. 4
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................ 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR ............................. 6
1.1. Khái niệm hệ thống radar ..................................................................... 6
1.1.1. Lịch sử radar...................................................................................... 6
1.1.2. Phân loại radar ................................................................................... 7
1.1.3. Băng tần của radar ........................................................................... 10
1.2. Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar..................... 13
1.2.1. Các tham số chính ........................................................................... 13
1.2.2. Phương trình radar ........................................................................... 16
1.2.3. Các khái niệm .................................................................................. 18
1.3. Nguyên lý cơ bản về xử lý tín hiệu trong radar ................................. 20
1.3.1. Bộ lọc thích hợp (Matched Filter) .................................................... 20

1.3.2. Hiệu ứng Doppler ............................................................................ 22
1.3.3. Mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar ................................................. 26


iv
1.3.4. Mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar ............................................... 28
1.3.5. Xác suất báo động nhầm CFAR....................................................... 30
1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................... 34
CHƢƠNG 2: RADAR MIMO ................................................................... 35
2.1. Tổng quan về radar MIMO ................................................................ 35
2.2. Phân loại Radar MIMO ...................................................................... 36
2.3. Radar MIMO kết hợp ......................................................................... 37
2.3.1. Mơ hình tín hiệu trong radar MIMO kết hợp ................................... 38
2.3.2. Độ phân giải tín hiệu ....................................................................... 41
2.3.4. Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO kết hợp.... 43
2.3.5. Mô phỏng xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO
kết hợp ...................................................................................................... 46
2.4. Hệ thống radar MIMO thống kê ........................................................ 48
2.4.1. Mơ hình tín hiệu trong radar MIMO thống kê.................................. 49
2.4.2. Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê .. 53
2.4.3. Mô phỏng phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê 55
2.5. So sánh xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và
radar MIMO thống kê ............................................................................... 57
2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................... 57
CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR BẰNG HÀM
AMBIGUITY.............................................................................................. 58
3.1. Giới thiệu hàm Ambiguity .................................................................. 58
3.1.1. Các tính chất của hàm Ambiguity .................................................... 59
3.1.2. Hàm Ambiguity của radar MIMO ................................................... 60
3.1.3. Định vi mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity .......................... 62

3.2. Mục tiêu di động có chuyển động hƣớng tâm .................................... 63
3.2.1.Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm64


v
3.2.2. Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm65
3.3. Mục tiêu di động có chuyển động khơng hƣớng tâm ......................... 67
3.3.1. Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động không
hướng tâm ................................................................................................. 67
3.3.2. Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động khơng
hướng tâm ................................................................................................. 67
3.4. Mơ phỏng ............................................................................................. 68
3.4.1 Mơ hình tốn của hàm Ambiguty đối với mục tiêu di động có chuyển
động hướng tâm ........................................................................................ 69
3.4.2 Mơ hình tốn của hàm Ambiguity cho tín hiệu phản xạ di động có
chuyển động khơng hướng tâm ................................................................. 74
3.5 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................... 79
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................... 80
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết

Tiếng Anh

Tiếng Việt


AF

Ambiguity Function

Hàm Ambiguity

CW

Continuous Wave

Sóng mang liên tục

CFAR

Constant False Alarm Rate

Tốc độ báo động sai liên tục

DSF

Doppler Stretch Factor

Hệ số dịch tần Doppler

DOA

Direction of Arrival

Hướng phản xạ


DOD

Direction of Departure

Hướng phát xạ

IPP

Inter Pulse Period

Khoảng thời gian giữa các xung

LOS

Light Of Sight

Nhìn thẳng

LRT

Likelihood Ratio Test

Kiểm tra tỷ lệ hợp lý

MF

Matched Filter

Bộ lọc thích hợp


ML

Maximum Likelihood

Hợp lý cực đại

tắt

Ước lượng trung bình bình

MSE

Mean Square Estimation

Pdf

probability density function

Hàm mật độ xác suất

PR

Pulse Radar

Radar xung

PRF

Pulse Repetition Frequency


Tần số lặp xung

PRI

Pulse Repetition Interval

Chu kỳ lặp xung

RCS

Radar Cross Section

Tiết diện phản xạ của radar

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLS

Radio Location System

Hệ thống định vị vô tuyến

ROC

Receiver Operating Curve


Biểu đồ hoạt động thu

SIMO

Single Input Multiple Output

Một máy phát và nhiều máy thu

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

phương


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
D

Cự ly

C

Tốc độ truyền tín hiệu
Hệ số dịch tần Doppler
Số phần tử dãy máy thu

Số phần tử dãy máy phát

Pd

Xác xuất phát hiện

Pfa

Xác xuất báo động sai

Pt

Công suất phát đỉnh
Thời gian trễ
Cự ly nhỏ nhất giữa radar và mục tiêu trong trường hợp mục tiêu
di động có chuyển động khơng hướng tâm.
Tần số Doppler
Tần số sóng mang

σ(0)

Hệ số tán xạ
Máy phát
Máy thu
Tích Kronecker
Vận tốc mục tiêu


viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ngun lý radar .............................................................................. 7
Hình 1.2: Phân loại các đài radar .................................................................... 8
Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar .................................................... 12
Hình 1.4: Tín hiệu radar xung....................................................................... 14
Hình 1.5: Phân giải các mục tiêu về mặt cự ly và về cự ly ngang ................. 15
Hình 1.6 Độ phân giải góc ............................................................................ 16
Hình 1.7: Bộ lọc thích hợp ........................................................................... 20
Hình 1.8: Sự dịch pha của tín hiệu thu được ................................................. 23
Hình 1.9: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar. ....................... 26
Hình 1.10: Minh họa của mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar .................... 28
Hình 1.11: Các mức ngưỡng khác nhau ........................................................ 31
Hình 1.12: Nguyên lý CFAR ........................................................................ 32
Hình 2.1: Sơ đồ radar MIMO ....................................................................... 35
Hình 2.2: Phân loại radar MIMO .................................................................. 36
Hình 2.3: Cấu hình radar MIMO kết hợp...................................................... 38
Hình 2.4: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp xấu nhất ............................... 42
Hình 2.5: Cấu hình mảng thu ảo - Trường hợp tốt nhất ................................ 43
Hình 2.6: Radar MIMO kết hợp, thay đổi

............................................... 47

Hình 2.7: Radar MIMO kết hợp, thay đổi

............................................... 47

Hình 2.8: Cấu hình Radar MIMO thống kê .................................................. 48
Hình 2.9: Radar MIMO thống kê, thay đổi

............................................. 56


Hình 2.10: Radar MIMO thống kê, thay đổi

........................................... 56

Hình 2.11: ROC của MIMO thống kê và Radar MIMO kết hợp,

,

......................................................................................... 57
Hình 3.1: Hàm ambiguity lý tưởng ............................................................... 59
Hình 3.2: Cấu hình radar MIMO trong hệ tọa độ góc vng......................... 60


ix
Hình 3.3 Minh họa mục tiêu di động ............................................................ 62
Hình 3.4: Đồ thị thời gian trễ thay đổi với đồ thị phía trên biểu diễn cho tín
hiệu được phát với số bước thời gian khơng đổi, đồ thị phía dưới
biểu diễn cho tín hiệu thu được với số bước thời gian biến đổi. .... 63
Hình 3.5: Kết quả sử dụng hàm số lấy mẫu lại. ............................................ 70
Hình 3.6: Kết quả sử dụng hàm nội suy. ....................................................... 71
Hình 3.7: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f= 500Hz với mục tiêu
hướng tâm đi đến đài radar. .......................................................... 72
Hình 3.8: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=1000Hz với mục tiêu
hướng tâm đi đến đài radar. .......................................................... 73
Hình 3.9: Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=500Hz với mục tiêu
hướng tâm đi xa đài radar. ............................................................ 73
Hình 3.10 Đồ thị của hàm Ambiguity được tạo ra bởi f=1000Hz với mục tiêu
hướng tâm đi xa đài radar ............................................................. 74
Hình 3.11: Đồ thị của hàm Ambiguity cho


là hằng số. .............................. 77

Hình 3.12: Đồ thị của hàm Ambiguity cho

là hằng số. ............................. 77

Hình 3.13: Đồ thị của hàm Ambiguity cho hằng số là

. ........................... 78


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay trong thời đại phát triển không ngừng của các hệ thống thông
tin vô tuyến, yêu cầu về chất lượng, dung lượng, phạm vi liên lạc trong các hệ
thống viễn thông như trong thông tin dẫn đường hàng không, kỹ thuật quân
sự…đang tăng lên một cách nhanh chóng trên phạm vi tồn thế giới. Tuy
nhiên, phổ tần số vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc phải
tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng các công
nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này ln là một địi hỏi cấp thiết.
Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu, dung lượng,
tốc độ dữ liệu và phạm vi liên lạc của hệ thống được tập trung nghiên cứu trên
thế giới trong thời gian gần đây chính là kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra MIMO
(Multiple Input Multiple Output). Hệ thống MIMO có thể xem như một hệ
thống ghép nhiều kênh con một đầu vào một đầu ra SISO (Single Input Single
Output) hay hệ thống đơn anten. Mơ hình MIMO cơ bản đó là ghép kênh phân
chia khơng gian SM (Spatial Multiplexing) và mã hóa khơng gian thời gian

STC (Space Time Coding) . Mã hóa không gian thời gian được dùng để làm tối
đa phân tập không gian trong các kênh MIMO[1]. MIMO sử dụng nhiều anten
phát và nhiều anten thu để mở thêm các kênh truyền trong miền không gian.
Do các kênh song song được mở ra cùng thời gian, cùng tần số, nên đạt được
tốc độ dữ liệu cao mà không cần băng thơng lớn. Nói một cách khác là nhờ sử
dụng nhiều phần tử anten ở cả phía phát và phía thu, mà kỹ thuật này cho phép
sử dụng hiệu quả phổ tần số cho hệ thống thông tin vô tuyến, cải thiện tốc độ
dữ liệu, dung lượng kênh truyền cũng như độ tin cậy so với các hệ thống truyền
thông đơn anten bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và thời gian. Với
tính năng nổi trội đã nêu ở trên, kỹ thuật MIMO cũng đã nghiên cứu ứng dụng
trong hệ thống radar nhằm để tăng dung lượng và hiệu qủa xác định vị trí mục
tiêu được gọi là hệ thống radar MIMO.


2
Vào khoảng giữa thế kỷ 20 Giáo sư Philip Mayne Woodward đã phát
triển một kỹ thuật định hình chùm tia toán học cho anten radar, sau này trở
thành tiêu chuẩn trong phân tích tín hiệu liên lạc[15]. Thành tựu chính của
ông về radar là đánh giá sự nghi ngờ vốn có trong tất cả các tín hiệu radar và
cho thấy xác suất Bayes có thể được sử dụng như một phần của quá trình thiết
kế để loại bỏ tất cả những thơng tin khơng mong muốn trong tín hiệu phản
hồi. Cơng trình nghiên cứu của Woodward về lý thuyết thơng tin radar đã
được công nhận là đi trước thời đại nhiều năm và đã cho thấy sự hiểu biết tiên
tri về những gì sẽ xảy ra trong việc áp dụng xác suất thống kê để phục hồi dữ
liệu từ tín hiệu phản hồi. Ngày nay các nhà nghiên cứu đã ứng dụng các cơng
trình của Woodward vào kỹ thuật radar hiện đại để tăng xác suất phát hiện
định vị mục tiêu di động.

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu trên thế giới ngày càng

quan tâm nhiều đến các kỹ thuật radar và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho
radar MIMO. Trong đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác
nhau như bài toán dung lượng kênh MIMO, bài tốn ước lượng kênh truyền,
bài tốn mã hóa khơng gian thời gian, xử lý tín hiệu khơng gian thời gian.
Tài liệu [4], tác giả mô tả các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật radar. Tài
liệu [17],[6], các tác giả đã mô tả các vấn đề cơ bản của radar MIMO. Trong
đó tác giả đã dẫn ra các lý thuyết có liên quan cùng với các kỹ thuật được sử
dụng trong một hệ thống radar, đồng thời các tác giả cũng đề cập đến các kỹ
thuật được dùng để phát hiện, xác định vị trí của mục tiêu, sau đó tác giả cũng
đã đánh giá việc thiết kế tín hiệu thích nghi cho radar MIMO có liên quan đến
việc tạo, ước lượng và phát hiện tín hiệu thu được. Tác giả cũng đã mơ tả việc
mã hóa khơng gian thời gian dành cho radar MIMO từ việc sử dụng phân tập
dạng sóng.


3
Tài liệu [3] tác giả đưa ra một cái nhìn tổng quan về một số thuật toán gần
đây cho thiết kế các dạng sóng radar như phương pháp để nghiên cứu về các đặc
tính của hàm Ambiguity cho dạng sóng radar có độ phân giải cao, điều chế biên
độ hoặc pha, xung hoặc CW, phân tích chủ yếu đề cập đến các điều chế ngẫu
nhiên, trong đó có nhiều loại dạng sóng phức tạp. Gần đây ý tưởng hàm
Ambiguity [5] được mở rộng cho radar MIMO, các tác giả sử dụng một số tính
chất hàm Ambiguity để thiết kế các dạng sóng cho radar MIMO sau đó sử dụng
thuật tốn mới thiết kế các tần số phát trực giao, thuật tốn này làm giảm các tín
hiệu thu về nghi ngờ trong radar MIMO. Tài liệu [11] tác giả nghiên cứu các tính
chất của hàm Ambiguity từ đó có những ứng dụng hữu ích đối với hệ thống
radar. Các tính chất này đặc trưng cho sự không phù hợp giữa bộ lọc thích hợp
và tín hiệu radar phản xạ có thể bị dịch Doppler, bản thân hàm Ambiguity cung
cấp tại đầu ra của bộ lọc thích hợp ở cả cường độ và pha như là một hàm với độ
trễ thời gian và tần số dịch Doppler. Sử dụng thông tin này, các nhà thiết kế

radar có thể tạo ra các tín hiệu phát tốt hơn để sử dụng trong radar.
Trong luận văn này, hai loại hệ thống radar MIMO, cụ thể là nghiên cứu
về radar MIMO kết hợp và radar MIMO thống kê. Những điểm tương đồng
và khác biệt của hệ thống radar MIMO và các hệ thống radar thông thường.
Nghiên cứu ứng dụng hàm Ambiguity vào hệ thống radar để ước lượng các
tham số định vị mục tiêu di động.

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích của luận văn là nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thống
radar, nghiên cứu về radar MIMO và nghiên cứu hàm Ambiguity ứng dụng
cho radar. Tín hiệu được mã hóa và truyền đi từ nhiều máy phát, tại máy thu,
các tín hiệu được kết hợp lại và được lọc để có được các đặc điểm nhận dạng
của mục tiêu. Đầu ra của bộ lọc thích hợp là hàm Ambiguity. Hàm Ambiguity
có thể được coi là một cơng cụ phân tích hữu ích có thể được sử dụng để thiết


4

kế dạng sóng của hệ thống và phân tích trạng thái cùng với dạng sóng phản
hồi được xử lý bằng bộ lọc thích hợp. Hàm Ambiguity có lợi cho việc kiểm
tra tất cả các tham số sẽ ảnh hưởng đến hệ thống radar, chẳng hạn như độ
phân giải (Doppler và cự ly), biên độ cánh chính và cánh sóng phụ…. Sau đó
phân tích và so sánh tín hiệu thu được với dạng sóng truyền đi và do đó giúp
phân biệt được các mục tiêu ở gần nhau có cùng vận tốc, cự ly… từ đó làm
cho xác xuất phát hiện mục tiêu được nâng cao.

4. Đối tƣợng nghiên cứu


Nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật radar và radar MIMO




Nghiên cứu tính chất hàm Ambiguity xác định mục tiêu di động.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu


Nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu liên quan để thực hiện mục tiêu của

đề tài.


Sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng, so sánh đánh giá, kiểm chứng

các thơng số của hệ thống.
6. Tóm tắt nội dung nghiên cứu
Luận án gồm có ba chương, trong đó Chương 1 nghiên cứu tổng quan về
hệ thống radar, lịch sử ra đời,phân loại radar và dải băng tần mà radar sử
dụng. Trình bày các tham số chính, khái niệm về hệ thống radar và các
nguyên lý cơ bản xử lý tín hiệu trong radar như là tìm hiểu về bộ lọc thích
hợp, hiệu ứng Doppler, xác suất báo động nhầm trong hệ thống radar. Chương
2 nghiên cứu về hệ thống radar MIMO, cách phân loại hệ thống radar MIMO
hiện nay. Tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO kết hợp gồm các
tham số nhận dạng, độ phân giải, xác suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác…
cùng với tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống radar MIMO thống kê gồm các
tham số nhận dạng, hiệu suất phát hiện mục tiêu, độ chính xác. Sau đó so sánh
được các xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và radar



5
MIMO thống kê nhằm để ứng dụng tùy vào điều kiện để ứng dụng trong thực
tế. Chương 3 nghiên cứu về hàm Ambiguity trong radar và sử dụng hàm
Ambiguity để ước lượng các tham số mục tiêu bằng cách so sánh sự đồng
dạng của tín hiệu thu được và tín hiệu phát.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án là tài liệu để nghiên cứu về hệ thống radar, các nguyên lý cơ bản
về kỹ thuật radar dùng cho định vị mục tiêu di động. Giới thiệu các nghiên
cứu mới về radar MIMO, lý thuyết quan trọng cho radar MIMO có thể sử
dụng chúng trong nghiên cứu về radar MIMO trong tương lai. Nghiên cứu các
tính chất của hàm Ambiguity, ứng dụng hàm Ambiguity trong việc xác định
mục tiêu di động, sử dụng matlab thực hiện mô phỏng hàm Ambiguity để ước
lượng các tham số định vị mục tiêu, kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở để
nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu di động trong hệ thống radar hiện đại
và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên và sinh viên quan tâm đến
lĩnh vực dẫn đường hàng không.


6

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1.1. Khái niệm hệ thống radar
Radar là tên viết tắt của “Radio Dectection and Ranging” có nghĩa là
phương tiện dùng sóng vơ tuyến điện để phát hiện và xác định vị trí mục tiêu.
Nguyên lý hoạt động chung của Radar là bức xạ năng lượng sóng điện từ ra
khơng gian, sóng được truyền thẳng đến mục tiêu và sau đó phản xạ trở lại.
Máy thu Radar sẽ thu nhận các xung phản xạ về và tiến hành các thao tác kỹ
thuật để tách lọc các thông tin cần thiết để xác định và phát hiện chính xác vị
trí của mục tiêu cũng như một số đặc điểm của mục tiêu.

1.1.1. Lịch sử radar
Radar với nghĩa là tìm kiếm và đo đạc bằng sóng vơ tuyến điện, radar
được phát minh bởi Samuel M Tucker và F.Furth vào năm 1940 và sử
dụng đầu tiên trong hải quân Mỹ. Radar là hệ thống thiết bị điện tử sử
dụng sóng vơ tuyến để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể, mục
tiêu trong vùng khơng gian quan sát. Radar đã và đang được ứng dụng
mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực dân sự như điều khiển không lưu trong
ngành hàng không, giám sát tốc độ trong giao thơng giám sát khí tượng
địa hình, dự báo thời tiết…
Ngày nay, radar có thể hiểu là thuật ngữ chung cho các hệ thống phát
hiện, dị tìm, thăm dị vị trí của các vật thể hay mục tiêu bằng các dạng năng
lượng khác nhau, khơng nhất thiết là sóng điện từ như sóng âm, sóng ánh
sáng, hay sử dụng năng lượng nhiệt. Kỹ thuật radar ngày càng được mở rộng
và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như dùng sóng điện từ thăm dị
dưới lịng đất (radar địa thám), thăm dị dự báo thời tiết (radar thời tiết); dùng
sóng âm thăm dò trong cơ thể người (siêu âm), thăm dò dưới lòng nước sử
dụng kỹ thuật sonar.


7
Hệ thống radar phát hiện và đo đạc tham số mục tiêu từ xa thơng qua hệ
thống thu phát sóng điện từ và xử lý sóng điện từ.

Hình 1.1: Ngun lý radar

Nguyên lý cơ bản của radar là bộ phát sóng bức xạ sóng điện từ định
hướng trong vùng khơng gian quan sát. Nguồn năng lượng sóng điện từ gặp
các đối tượng (mục tiêu radar) sẽ phản xạ một phần năng lượng về hướng
thiết bị thu sóng điện từ của radar. Sau khi được khuếch đại ở thiết bị thu, các
tín hiệu phản xạ cần thiết sẽ được tách ra để đưa vào khối phân tích và xử lý

tín hiệu radar thu được. Căn cứ vào sự thay đổi thông số của hai tín hiệu phát
và tín hiệu thu được, hệ thống radar có thể xác định được vị trí của mục tiêu
và các thông tin khác về mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo...).
1.1.2. Phân loại radar
Mục đích của việc phân loại là nhằm chia tập hợp cac đài radar thành
từng nhóm có những dấu hiệu chung khơng phụ thuộc vào tính đa dạng của
các giải pháp kỹ thuật và kết cấu của từng đài riêng lẻ để tiện cho việc phân
tích các đặc điểm cấu trúc đài radar theo quan điểm kỹ thuật hệ thống[4].
Do vậy thường phân các đài radar theo các dấu hiệu chiến thuật và các
dấu hiệu kỹ thuật hình 1.2 .


8
Các dấu hiệu chiến thuật thường gồm: Công dụng của đài radar, Số
lượng tọa độ đo được, Mức độ cơ động của đài, v. v...
Các dấu hiệu kỹ thuật thường gồm: Dải sóng làm việc của đài, Phương
pháp radar được sử dụng trong đài, Phương pháp đo cự ly hoặc dạng các tín
hiệu phát, Số lượng kênh radar độc lập.

Hình 1.2: Phân loại các đài radar

 Theo các dấu hiệu chiến thuật, có thể chia các đài radar thành các loại sau:
- Phát hiện xa các mục tiêu trên không (radar cảnh giới),
- Phát hiện các mục tiêu trên không và dẫn đường cho máy bay tiêm kích
đến các mục tiêu đó (radar cảnh giới và dẫn đường),
- Phát hiện các mục tiêu bay thấp,
- Chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phịng khơng,
- Chun dụng.
Radar cảnh giới: để trinh sát phát hiện các mục tiêu trên không ở cự ly xa.
Loại đài này thường đo 2 tọa độ: cự ly và phương vị của mục tiêu với độ chính xác

vừa phải. Cơng suất phát của đài lớn. Độ cao của mục tiêu có thể được xác định rất
sơ lược hoặc được xac định từ đài radar chuyên đo cao với độ chính xác cao.
Radar cảnh giới và dẫn đường: là khâu cung cấp thông tin chủ yếu trong
hệ thống dẫn đường cho may bay tiêm kích bay đến các mục tiêu trên không.


9
Để đảm bảo dẫn đường cần thông tin về vị trí khơng gian của các mục
tiêu và các máy bay tiêm kích, do vậy radar cần đo được cả ba tọa độ: cự ly,
phương vị và độ cao với độ chính xac đủ đảm bảo dẫn đường thành cơng.
Radar phát hiện mục tiêu bay thấp: để trinh sát các mục tiêu bay thấp.
Radar loại này có búp sóng rà thấp sát mặt đất, làm việc ở dải sóng cm hoặc
dm, có thiết bị chế áp nhiễu tiêu cực phản xạ từ mặt đất, công suất phát nhỏ,
gọn nhẹ, cơ động.
Radar chỉ thị mục tiêu cho tổ hợp tên lửa phòng khơng cần có cự ly tác
dụng đủ xa sao cho sau khi nhận được chỉ thị mục tiêu từ nó, cac phương tiện
hỏa lực phịng khơng đủ thời gian chuẩn bị để tiêu diệt mục tiêu ở tầm xa
nhất. Thông tin radar (về cả 3 tọa độ) cần đủ chính xac đảm bảo cho các đài
điều khiển tên lửa bám sát ngay được mục tiêu mà không cần sục sạo.
Radar chun dụng chẳng hạn như các radar có độ chính xác cao, radar
dùng để phủ vùng nón mù đỉnh đầu, v.v...
 Theo các dâu hiệu kỹ thuật có thể chia các radar theo dải sóng, theo
phương pháp radar, theo phương pháp đo cự ly, theo số lượng kênh radar độc lập.
- Theo phương pháp radar có thể chia thành các radar chủ động (có trả
lời thụ động hoặc chủ động) và thụ động như đã trình bày ở trên.
- Theo phương pháp đo cự ly có thể chia thành hai nhóm lớn: radar bức
xạ xung và radar bức xạ liên tục.
Radar bức xạ xung (PR) có ưu điểm chính là đơn giản trong việc đo cự
ly, về mặt kỹ thuật cho phép dễ dàng sử dụng chung một anten cho cả phát và
thu. Nhược điểm của nó là cần phải dùng máy phát công suất xung lớn, khá

phức tạp việc đo tốc độ mục tiêu (đặc biệt khi cần độ chính xác cao).
Radar bức xạ liên tục (CW) cho phép tách mục tiêu theo tốc độ và đo đơn
trị tốc độ trong dải tốc độ khá rộng, công suất phát không cần lớn. Nhược điểm
của loại này là việc khử ghép giữa tuyến thu và phát rất phức tạp, thiết bị đầu
cuối cũng rất phức tạp khi cần quan sát nhiều mục tiêu theo nhiều tham số.


10
1.1.3. Băng tần của radar
Các đài radar thường hoạt động ở tần số kéo dài từ 220 MHz đến 35
GHz, nhưng đây khơng phải là giới hạn[12]. Radar có thể được vận hành ở
tần số dưới và trên dải tần này tuy nhiên nguyên tắc hoạt động cơ bản là giống
nhau cho các tần số khác nhau. Việc lựa chọn tần số hoạt động phù hợp tùy
thuộc vào ứng dụng, như được mô tả dưới đây
 Thấp hơn HF (dưới 3 MHz): Tín hiệu radar ở các tần số này đơi khi
được gọi là sóng mặt đất khi chúng đi theo độ cong của trái đất. Một phần
đáng kể của năng lượng bức xạ có thể được truyền đi ngồi đường chân trời
của radar thông qua nhiễu xạ. Tuy nhiên, cần có anten lớn để định hướng
chùm tia; mức nhiễu RF cao do sự tán xạ từ mặt đất và các tín hiệu khác như
truyền thơng vơ tuyến. Dải tần số này không phù hợp với hầu hết các ứng
dụng radar vì những yếu tố này
 HF (3 đến 30 MHz): Sự phản xạ của sóng trời từ tầng điện ly có thể dẫn
đến hiện tượng phản hồi khơng mong muốn có thể là một vấn đề. Phần trên
của dải tần số này đã được sử dụng cho thiên văn học radar sau khi nhận được
phản hồi từ bầu khí quyển ion mặt trời. Một lần nữa băng tần này không phù
hợp với hầu hết các ứng dụng radar.
 VHF (30 đến 300 MHz): Do phổ tần hiện tại đông đúc tại tần số VHF,
các radar hiện đại không được tìm thấy trong dải này. Tuy nhiên, đây là băng
tần kinh tế nhất và được tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO sử dụng
trong dẫn đường hàng không dân dụng.

 UHF (300 đến 1.000 MHz): Việc tạo ra các chùm anten hẹp ở tần số
này dễ dàng hơn, làm cho nó phù hợp với radar giám sát tầm xa, đáng tin cậy.
 Băng tần L (1 đến 2 GHz): Đây là băng tần phổ biến ở Hoa Kỳ cho
radar giám sát máy bay. Nó thường được sử dụng trong giám sát tầm xa, điều
khiển không lưu lưu.


11
 Băng tần S (2 đến 4 GHz): Hầu hết các ứng dụng radar trong băng tần S
và ở tần số cao hơn được sử dụng cho vị trí và theo dõi chính xác mục tiêu.
Độ phân giải góc tốt là bởi vì các chùm tia tương đối hẹp có thể được xây
dựng và mức nhiễu RF cũng thấp. Băng tần S được quan tâm để phát hiện và
theo dõi máy bay tầm trung. Nó cũng được sử dụng trong giám sát phạm vi
vừa phải, kiểm sốt khơng lưu đầu cuối và giám sát thời tiết tầm xa.
 Băng tần C (4 đến 8 GHz): Băng tần này đã được sử dụng thành công
cho các ứng dụng giám sát phạm vi trung gian như trong radar dẫn đường tàu
thủy, nơi cần thơng tin chính xác. Nó cũng thường được sử dụng trong các hệ
thống thơng tin vệ tinh, kiểm sốt không lưu và đo độ cao trên không.
 Băng tần X (8 đến 12,5 GHz): Đây là băng tần phổ biến để điều khiển vũ
khí quân sự và để theo dõi tầm ngắn, dẫn đường tên lửa, lập bản đồ, radar hàng
hải, đánh chặn trên không. Ở băng tần X, radar đủ nhỏ cho các ứng dụng di động.
 Băng tần Ku, K và Ka (12,5 đến 40 GHz): Băng tần K ban đầu được sử
dụng trong Thế chiến II và tập trung ở mức 24 GHz, điều này sớm chứng tỏ
khơng phải là một lựa chọn tốt vì nó quá gần với sự hấp thụ nước ở tần số
22,2 GHz. Sau đó, nó được chia thành các dải con ở hai bên của tần số hấp
thụ nước. Dải tần số thấp hơn, Ku, kéo dài từ 12,5 GHz đến 18 GHz và dải
tần số cao hơn, Ka, kéo dài từ 26,5 đến 40 GHz. Các tần số băng tần K cung
cấp độ phân giải tốt cả về cự ly và góc. Trong khi đầu ra cơng suất cao khó
đạt được ở tần số này, anten kích thước nhỏ có thể dễ dàng đạt được. Tuy
nhiên, có sự suy giảm của khí quyển trong dải tần số này.

 Băng V (40 đến 75 GHz): Băng V không được sử dụng phổ biến, ngoại
trừ trong nghiên cứu radar sóng milimet và các loại nghiên cứu khoa học
khác. Tại Hoa Kỳ, Ủy ban truyền thông liên bang đã phân bổ dải tần từ 57
đến 64 GHz cho các hệ thống không dây khơng có giấy phép.


12
 Băng tần W (75 đến 110 GHz): Băng tần W được sử dụng cho liên lạc
vệ tinh, ứng dụng radar quân sự và một số ứng dụng phi quân sự. Để phát
hiện vũ khí che giấu, nhiều camera sóng milimet hoạt động ở tốc độ 94 GHz.
Radar điều khiển hành trình ơ tơ sử dụng tần số khoảng 77 GHz.
 Băng tần mm (100-300GHz): Việc sử dụng băng tần này gần đây đã trở
nên phổ biến hơn vì nhiều lợi thế. Cái chính là sự sẵn có của một dải tần số
rộng, có rất nhiều khơng gian chưa sử dụng, do đó các hệ thống radar được
phát triển ở khu vực này có thể có băng thơng rộng sẽ cho độ phân giải cao
hơn và các chùm tia hẹp hơn với anten nhỏ hơn.
Phạm vi tần số radar thể hiện bằng giá trị cụ thể được dùng khi thích
hợp, tuy nhiên các ký hiệu trên hình 1.3 có thể được sử dụng khi cần một biểu
diễn một cách ngắn gọn.

Hình 1.3: Các băng tần sử dụng cho radar


13

1.2. Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar
Có một vài tham số được chọn trong hệ thống radar làm ảnh hưởng trực
tiếp đến hiệu suất phát hiện mục tiêu của hệ thống. Do đó tùy thuộc vào ứng
dụng và vào hoàn cảnh thực tế, sự thay đổi của các tham số này sẽ cho phép
hệ thống đưa ra kết quả tối ưu nhất.

1.2.1. Các tham số chính
 Băng thơng: Đây là một trong những thơng số quan trọng nhất cần tính
đến khi thiết kế hệ thống radar[12]. Điều này là do thực tế là băng thông tỷ lệ
thuận với hiệu suất phân giải của radar. Băng thông càng lớn, đỉnh phổ càng
hẹp và độ phân giải hiệu suất cao hơn có thể đạt được. Có hai loại băng thơng
khác nhau có thể được xác định là băng thơng tín hiệu (được điều chỉnh độ
rộng xung của tín hiệu hoặc bằng cách điều chế tín hiệu) và băng thông radar.
Nếu hệ thống yêu cầu độ phân giải lớn về cự ly để phân biệt giữa các mục
tiêu, băng thông cần phải lớn. Điều này là do băng thông liên quan trực tiếp
đến độ phân giải của cự ly. Băng thơng được xác định với tiêu chí Rayleigh
và được biểu thị dưới dạng biểu thức (1.1)
(1.1)
 Đo cự ly: Cự ly mục tiêu R (Range) được tính toán bằng cách đo thời
gian trễ

ứng với thời gian để một xung năng lượng cao tần bức xạ từ máy

phát radar gặp mục tiêu và phản xạ về máy thu radar[12]. Vì sóng điện từ lan
truyền thẳng với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng c, nên ta có:
(1.2)
Trong đó:
c=

[m/s]

: Thời gian trễ [s]
R: Cự ly mục tiêu [m]
Phân số do tính với độ trễ thời gian hai chiều.



14

Hình 1.4: Tín hiệu radar xung

Hệ thống radar xung là phát các xung năng lượng cao tần liên tiếp, như
minh họa trong hình 1.4. Khoảng thời gian giữa các xung (IPP – Inter Pulse
Period) ký hiệu là T, độ rộng xung ký hiệu là τ. IPP còn được gọi là chu kỳ
lặp lại xung (PRI – Pulse Repetition Interval) hay khoảng lặp lại xung PRT.
Nghịch đảo của PRI là PRF – tần số lặp lại xung, được ký hiệu bởi PRF:
(1.3)
Các xung được phát với tần số lặp lại xung (PRF). Nó xác định cự ly rõ
ràng tối đa của hệ thống radar, khi một xung đơn được xem xét, PRF càng
nhỏ (hoặc PRT càng dài), radar có thể chờ phản xạ càng lâu. Điều này có
nghĩa là độ trễ tối đa của mục tiêu được phản xạ phải nhỏ hơn thời gian giữa
hai xung. Nguyên tắc được thể hiện trong hình 1.5. Do đó, cự ly rõ ràng tối đa
được xác định là:

 Độ phân giải cự ly: Độ phân giải cự ly, ký hiệu là

, là một thông số

của radar mô tả khả năng phát hiện các mục tiêu xuất hiện gần nhau là các
mục tiêu riêng biệt[12]. Hệ thống radar được thiết kế để làm việc giữa một cự
ly tối thiểu
chia thành
định như sau:

và cự ly tối đa

. Khoảng cách giữa


ngăn, mỗi ngăn có độ rộng

và

được

. Khi đó số ngăn cự ly được xác