Bài toán phát hiện trong xử lý tín hiệu khi cấu trúc mảng anten bị phá vỡ thụ động

Trong bài báo, trình bày kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình lý thuyết và mô phỏng bằng công cụ Matlab về sự ảnh hưởng khi cấu trúc mảng anten bị phá vỡ thụ động (hỏng hóc phần tử anten, hỏng máy thu) đến kết quả của bài toán phát hiện trong xử lý tín hiệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài toán phát hiện trong xử lý tín hiệu khi cấu trúc mảng anten bị phá vỡ thụ động Nghiên cứu khoa học công nghệ BÀI TOÁN PHÁT HIỆN TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU KHI CẤU TRÚC MẢNG ANTEN BỊ PHÁ VỠ THỤ ĐỘNG Lê Thanh Hải1*, Trần Ngọc Lâm1, Bùi Xuân Minh1, Phạm Quốc Hùng2, Phạm Hồng Sơn3 Tóm tắt: Trong bài báo, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình lý thuyết và mô phỏng bằng công cụ Matlab về sự ảnh hưởng khi cấu trúc mảng anten bị phá vỡ thụ động (hỏng hóc phần tử anten, hỏng máy thu) đến kết quả của bài toán phát hiện trong xử lý tín hiệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi cấu trúc mảng bị phá vỡ thì sự ảnh hưởng đến tính năng của hệ thống là rất lớn. Từ khóa: Mảng anten, Ra đa thụ động, Bài toán phát hiện. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sử dụng mảng anten và xử lý mảng tối ưu đang được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ra đa thụ động, định hướng vô tuyến, thông tin liên lạc, địa chấn học, hệ thống thông tin và định vị thủy âm..vv. Mảng anten có thể được đặt ra dưới dạng tổng quát như mảng tuyến tính đồng nhất có số phần tử chẵn hoặc lẻ (ULA - Uniform Linear Array), mảng phi tuyến, mảng bố trí trên mặt phẳng dạng hình chữ nhật (RPA - Rectangular Planar Arrays), mảng bố trí các phần tử dọc theo phương thẳng đứng (LAZ - Linear Array long Z-axis), mảng bố trí theo các vòng tròn đồng tâm (CCA - Concentric Circular Array), mảng không phẳng (NA-Nonplanar Array)[2,3]..vv. Lý thuyết và các kỹ thuật về tạo búp (Beamforming), kỹ thuật xử lý tín hiệu (Signal Processing) nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản là bài toán phát hiện và bài toán phân biệt đã có những bước tiến quan trọng [4,5,6]. Tuy nhiên, việc đánh giá sự ảnh hưởng khi cấu trúc mảng bị phá vỡ thụ động (hỏng hóc phần tử mảng) đến bài toán xử lý tín hiệu chưa được đề cập nhiều. Trên cơ sở mô hình hạn chế của một số mảng anten đặc trưng và giả thiết về một số phần tử mảng bị hỏng, bài báo sẽ có những đánh giá sự tác động của yếu tố này đến bài toán phát hiện trong các hệ thống sử dụng mảng anten. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG Với các hệ thống sử dụng mảng anten cần quan tâm hai vấn đề chính là cấu trúc mảng anten và các phương pháp xử lý tín hiệu thu được từ mảng anten. Số lượng phần tử anten càng nhiều thì kết quả càng chính xác, số lượng phép tính phải xử lý càng lớn, việc đáp ứng kỹ thuật càng khó khăn, khối lượng tính toán, xử lý dữ liệu cũng vì thế mà tăng theo [2]. 2.1. Phạm vi nghiên cứu Nguồn tín hiệu quan sát đảm bảo quá trình dừng (bất biến theo thời gian). Số nguồn tín hiệu nhỏ hơn số phần tử anten trong mảng. Các nguồn tín hiệu không Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 61  Kỹ thuật điện tử tương quan trong khoảng quan sát. Các nguồn tín hiệu độc lập về phân bố không gian. Các nguồn tín hiệu thỏa mãn “trường xa” và không xét trường hợp đa đường. Các phần tử của mảng anten đồng nhất, vô hướng. Nội tạp độc lập tuyến tính với tín hiệu. Tín hiệu băng hẹp và bỏ qua sự ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten. Trong bài báo này chung tôi nghiên cứu đánh giá dựa trên các mô hình cấu trúc mảng anten tuyến tính đồng nhất và mảng bố trí theo các vòng tròn đồng tâm. 2.2. Mô hình cấu trúc mảng Anten ULA(Uniform Linear Array) Sk(t) k Sk(t) Sk(t) Sk(t) l1 ……………… … D D Anten 1 Anten 2 Anten 3 Anten F Hình 1. Mô hình mảng anten đồng nhất, tuyến tính ULA. Mảng anten gồm F phần tử giống nhau, vô hướng, bố trí cách đều với khoảng cách D. Gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được ở đầu ra của F máy thu tương ứng M cho F phần tử mạng anten ta có: U (t )   a( k ).S k (t )  N (t ) dạng ma trận ta k 1 có: U (t )  A( ).S (t )  N (t ) . Trong đó [2,4]: a( k ) - đặc trưng hướng của mạng với tín hiệu thứ k. U (t ) - vectơ F chiều biểu thị đáp ứng đầu ra của F cổng máy thu và được biểu diễn là: U (t )  [U 1 (t ),U 2 (t ),U 3 (t ),.....U F (t )]T . A( ) - ma trận vectơ định hướng kích thước FxM mang thông tin về góc pha các tín hiệu tới và được biểu diễn là: A( )  [a (1 ), a ( 2 ),.......a ( M )] . S (t ) - vectơ mô tả M tín hiệu tới, S k (t ) là tín hiệu tới thứ k và được mô tả là: S (t )  [ S1 (t ), S 2 (t ), S 3 (t )....S M (t )]T N (t ) - vectơ nhiễu nhận được trên M máy thu và được mô tả là: N (t )  [ N 1 (t ), N 2 (t ).................N F (t )] T. 2.3. Mô hình cấu trúc mảng Anten CCA (Concentric Circular Array)  Các phần tử anten được đặt cách đều nhau một khoảng D ( D  ). Xét trong 2 trường mạng gồm 5 phần tử, góc tới của tín hiệu là  k  V và bằng phương pháp hình học ta tính được ma trận vectơ định hướng [2,4] là: 62 L.T.Hải, T.N.Lâm,…, “Bài toán phát hiện trong xử lý …. anten bị phá vỡ thụ động.” Nghiên cứu khoa học công nghệ i i i i  i .2. .Cos ( ). Sin ( k  i )  i . . Sin ( k  ) i . . Sin ( k  ) i .2. .Cos ( ). Sin ( k  i ) a ( k )  [e 2 ;e ...