Tài liệu Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại Việt Nam

Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại Việt Nam Lương Xuân Trường Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ Thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: TS. Trần Minh Tuấn Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Giới thiệu tổng quan về radar và một số khái niệm cơ bản có liên quan tới hoạt động của radar, cũng như cách phân loại và một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của radar. Trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng liên quan đến hoạt động của hệ thống radar bao gồm: Lý thuyết về truyền sóng trong không gian tự do, Hiệu ứng Doppler cho truyền sóng vô tuyến điện, lý thuyết anten, đồ thị bức xạ của anten và kỹ thuật anten có mặt phản xạ, anten parabol. Giới thiệu lịch sử và khái niệm về radar thụ động. Trình bày về hệ thống radar thụ động hai vị trí. Hoạt động của radar thụ động hai vị trí. Các dạng tín hiệu của nguồn phát có sẵn được nghiên cứu cho hệ thống radar thụ động. Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại Việt Nam. Đề xuất khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt Nam trong thời gian tới. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Radar; Tín hiệu; Phát thanh; Truyền hình Content TỔNG QUAN VỀ RADAR Giới thiệu một cách tổng quan về radar. Radar (Radio Angle Detection and Ranging) Radar là tên viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh chỉ hệ thống thiết bị ra đời nhằm mục đích nhận dạng vị trí mục tiêu nhờ vào hiện tượng phản xạ sóng điện từ. Một số khái niệm cơ bản: Đài ra đa thu, đài phát. Dải tần số hoạt động: Từ băng V,U,L,S… Công suất phát sóng có thể lên đến hàng triệu Watt. Radar được phân loại theo phương thức hoạt động hoặc ứng dụng. Một số tên gọi các loại radar thường gặp: radar xung, radar theo dõi, radar thời tiết, radar hình ảnh… Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến đến hoạt động của radar: Địa hình, can nhiễu tần số vô tuyến điện… Ứng dụng radar: Radar giám sát, theo dõi, dẫn đường, điều khiển vũ khí… (dân sự), radar khí tượng thủy văn (dân sự).[1] CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trình bày các cơ sở lý thuyết quan trọng liên quan đến hoạt động của hệ thống radar. Bao gồm: - Tính chất lan truyền sóng điện từ trong không gian tự do: o Sóng điện từ truyền qua môi trường đồng nhất, và đẳng hướng thì truyền thẳng. Vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng (3.108 m/s). o Suy hao năng lượng của sóng điện từ khi truyền qua không gian tự do là: L F (dB)  20log( 4 r  ) (1) o Ngoài ra còn phải kể đến hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ - chúng là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt động của radar. - Hiệu ứng Doppler: o Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản xạ bởi mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ bị thay đổi, sự thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler có thể làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của sóng, vận tốc chuyển động của mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi. o Công thức tính trường hợp tổng quát. Giải bài toán tính độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar. Trường hợp 1, mục tiêu chuyển động, đài thu đài phát đứng cố định. Trường hợp 2, đài phát, đài thu chuyển động, mục tiêu không chuyển động. - Lý thuyết anten: o Đồ thị bức xạ (giản đồ) của anten. o Anten có mặt phản xạ, anten parabol. o Anten mảng o Bài toán định hướng sóng đến. - Một số lĩnh vực quan trọng khác: Siêu cao tần, xử lý số tín hiệu, kỹ thuật máy tính… RADAR THỤ ĐỘNG - Giới thiệu radar thụ động o Lịch sử ra đời của những hệ thống radar thụ động đầu tiên vào những năm trong chiến tranh thế giới lần 2. o Khái niệm radar thụ động (passive radar) có thể hiểu một cách gần chính xác là: Radar thụ động (Passive radar) là dạng radar phát hiện vào theo dõi mục tiêu bằng cách thu các tín hiệu bị phản xạ bởi mục tiêu. Các nguồn phát tín hiệu là các nguồn phát xạ có sẵn trong như tín hiệu quảng bá phát thanh truyền hình, tín hiệu của các hệ thống viễn thông. o Dạng tiêu biểu của radar thụ động có sơ đồ như hình 1 được gọi là radar thụ động hai vị trí (bistatic passive radar), là dạng nghiên cứu chủ yếu trong luận văn. Hình 1: Hệ thống radar thụ động hai vị trị - Để thiết kế một hệ thống radar thụ động người ta nghiên cứu hai phần cơ bản sau: 2 o Nghiên cứu dạng tín hiệu sử dụng. Công cụ toán học chính được dùng đó là hàm đánh giá độ mù mờ (Ambiguity function) o Bài toán xây dựng mô hình, tính toán vùng phủ sóng, khoảng cách đài thu với nguồn phát.Các tham số cần tính toán là: Tỉ số SNR, phương trình radar và hằng số radar thụ động K, tính toán vùng phủ sóng và vị trí đặt đài radar thu. - Đặc điểm một số dạng tín hiệu được nghiên cứu sử dụng cho radar thụ động: o Tín hiệu FM được quy hoạch trong băng tần VHF 88-108 MHz. Quá trình điều chế là điều chế FM băng thông rộng. (Với một kênh truyền có băng thông B khoảng 50 kHz tương ứng với độ phân giải khoảng c/2B = 3000 m). o Các tín hiệu truyền hình tương tự được quy hoạch trong cả băng tần VHF (đoạn băng tần từ 174MHz - 216 MHz) và băng UHF (đoạn băng tần từ 470-806 MHz ). Băng thông của các điều chế video tương tự thường được 5,5 – 6,5MHz (tương ứng với độ phân giải khoảng c/2B = 30 m). o Một số dạng tín hiệu khác như Truyền thanh số, truyền hình số, truyền hình vệ tinh, HF, tín hiệu điện thoại của trạm BTS… - Hàm đánh giá độ mù mờ (AF) o Hàm mù AF là một công cụ để nghiên cứu và đánh giá khả năng hoạt động của radar theo các dạng sóng radar đó sử dụng. Biểu diễn toán học của hàm AF có dạng [9]: |  ( , f d ) |2 |   s(t )s (t   )e * j 2 f d t dt |2 (2)  o Trong vai trò nghiên cứu dạng tín hiệu, hàm AF được sử dụng để đánh giá độ phân giải về khoảng cách và tần số của radar đối với mỗi dạng tín hiệu sử dụng. Hình 2: Biểu diễn của hàm AF đối với tín hiệu đầu vào là tín hiệu FM và DVB-T 3 o Tính chất quan trọng rút ra được khi nghiên cứu hàm AF đối với các tín hiệu sử dụng cho hệ thống radar đó là: Khi băng thông của tín hiệu càng lớn thì độ phân giải khoảng cách càng chính xác. Ngược lại khi thời gian kéo dài xung càng dài thì độ phân giải Doppler càng chính xác.. - Bài toán xây dựng mô hình radar thụ động Gọi PT là công suất của đài phát, PR là công suất tín hiệu phản xạ thu được tại máy thu, RR, RT là khoảng cách từ mục tiêu đến radar và nguồn phát, G là tăng ích anten, Li, Fi là các yếu tố suy hao không gian truyền sóng. Khi đó phương trình radar được biểu diễn như sau: PR  P GT GR  2 B FT2 FR2 T 2 2 (4 )3 LT LR RT RR (4) Tỉ số S/N được tính như sau: P G G  2 B FT2 FR2 S  T 3T R 2 2 N (4 ) kTs Bn LT LR RT RR (5) K gọi là hằng số radar được tính như sau: P GT GR  2 B FT2 FR2 K T (4 )3 kTs Bn LT LR (6) Viết lại công thức S/N trong hệ tọa độ Cực như hình 4, L được gọi là độ dài đường cơ sơ, sử dụng biến đổi Cassini cho ta kết quả như sau: Hình 4: Biểu diễn radar thụ động hai vị trí trong hệ tọa độ Cực SNR K 2 L (r  ) 2  r 2 L2 cos 2  4 (7) 2 Giải phương trình 7 cho ta kết quả như hình: Hình 3: Biểu diễn vùng phủ của radar thụ động hai vị trí theo giá trị SNR 4 Trong hình 3 mỗi elip thể hiện vùng phủ đối với mỗi giá trị SNR của hệ thống radar Diện tích vùng phủ sẽ được tính như sau:  1 L4 3 L8  AB1   1  ( )( 2 )  ( )( )  64  16384  4   (8) Bài toán xây dựng mô hình hệ thống radar thụ động cần xác định được 3 yếu tố quan trọng: + Tỉ số SNR + Vị trí đặt radar (độ dài đường cơ sơ) + Hình dạng và diện tích vùng phủ o Các yếu tố đánh giá chất lượng của hoạt động radar: Độ phân dải khoảng cách, độ phân dải tần số, xác suất phát hiện, xác suất báo giả. [3][7] o Bài toán: Đài FM Truyền hình DVB-T Tần số 102,7MHz 514MHz Công suất 20KW 10KW Điều chế FM OFDM Băng thông 300KHz 8MHz Các giả thiết: Độ lợi anten phát : 15 dB Độ lợi anten thu : 15 dB Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS : 10 m2 Hệ số truyền lan trên đường phát :1dB Hệ số truyền lan trên đường thu : 1dB Tổng nhiệt tạp âm máy thu : 2900K Băng thông tạp âm : 180KHz Suy hao phát :1dB Suy hao thu :1dB Tỉ số SNR = 15 Kết quả tính toán: 5 FM DVB-T Độ phân dải khoảng cách Hàng trăm mét Vài chục mét SNR 15 15 Hắng số K 1343.1019 5362.1017 Độ dài đường cơ sở L 60Km 30Km RTRR 1542Km2 274,5Km2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG TẠI VIỆT NAM Xây dựng tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu các nguồn phát tín hiệu phát thanh, truyền hình. Phân tích hiện trạng phát thanh truyền hình tại Việt Nam hiện nay và xu hướng phát triển. Đánh giá khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt Nam. - Điều kiện để một nguồn phát có thể sử dụng cho một hệ thống radar thụ động:  Thời gian phát sóng liên tục  Công suất đủ lớn  Băng thông phù hợp  Vị trí phù hợp  Tần số nằm trong đoạn băng tần có quy hoạch phù hợp nhằm tránh can nhiễu do việc sử dụng lại tần số trong khu vực. - Hiện trạng phủ sóng phát thanh, truyền hình tại Việt Nam:  Việt Nam có hệ thống phát thanh, truyền hình dày đặc với nhiều loại hình.  Truyền hình tương tự và phát thanh FM trải đều trên 63 tỉnh thành với mật độ phủ sóng gần 100% diện tích đất liền.  Hệ thống truyền hình số mặt đất khá phát triển (nhà cung cấp VTC, AVG). - Khả năng xây dựng hệ thống radar thụ động tại Việt Nam: Việt Nam có nhiều đài phát quốc gia, quy mô lớn, hoạt động liên tục và vùng phủ sóng rộng. Các đài phát này còn có ưu điểm đã được quy hoạch riêng kênh tần số do đó tránh được các can nhiễu không mong muốn từ đài khác. 6 Cơ sở hạ tầng phát thanh truyền hình hiện nay hoàn toan cho phép Việt Nam triển khai các hệ thống radar thụ động. Đặc biệt tại các khu vực đồng bằng, khu tập chung đông dân cư, vùng kinh tế trọng điểm, vùng cửa biển. KẾT LUẬN Luận văn đạt được những kết quả nghiên cứu về hệ thống radar thụ động và bài toán xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng nguồn phát tín hiệu phát thanh truyền hình. Luận văn đã đề xuất mô hình thí nghiệm thực tế và đánh giá tiềm năng triển khai hệ thống radar này trên lãnh thổ Việt Nam dựa trên những khảo sát đã tiến hành. References [1] Merrill Skolnic. Radar Handbook . Mc Graw-Hill, 2008. [2] H.D Griffiths. Passive Bistatic Radar.RTO-EN-SET-133 [3] Benson Chan.Reciever site optimisation for passive coherent location radar system.Cape Town, 2008. [4] Nicholas J. Willis. Bistatic Radar.Scietech Publishing INC, 2005. [5] John W.Franklin.Passive Bistatic Radar. www.cse.unt.edu, 2010. [6] H.D Griffiths. Bistatic and Multistatic Radar. IEE Military Radar Seminar, Shrivenham, 2004. [7] Amerigo Capria, Michele Conti, Dario Petri, Macro Martorella, Fabrizio Berizzi, Enzo Dalle Mese, Rocco Soleti, Vincenzo Carulli, Ship Detection with DVB-T software defined passive radar, ieee.uniparthenope.it, 2010. 7