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<br /> <br /> BÀI TOÁN PHÁT HIỆN TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU<br /> KHI CẤU TRÚC MẢNG ANTEN BỊ PHÁ VỠ THỤ ĐỘNG<br /> Lê Thanh Hải1*, Trần Ngọc Lâm1, Bùi Xuân Minh1,<br /> Phạm Quốc Hùng2, Phạm Hồng Sơn3<br /> <br /> Tóm tắt: Trong bài báo, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu dựa trên mô<br /> hình lý thuyết và mô phỏng bằng công cụ Matlab về sự ảnh hưởng khi cấu trúc<br /> mảng anten bị phá vỡ thụ động (hỏng hóc phần tử anten, hỏng máy thu) đến kết<br /> quả của bài toán phát hiện trong xử lý tín hiệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi<br /> cấu trúc mảng bị phá vỡ thì sự ảnh hưởng đến tính năng của hệ thống là rất lớn.<br /> Từ khóa: Mảng anten, Ra đa thụ động, Bài toán phát hiện.<br /> <br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Sử dụng mảng anten và xử lý mảng tối ưu đang được quan tâm và ứng dụng<br /> rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ra đa thụ động, định hướng vô tuyến, thông tin<br /> liên lạc, địa chấn học, hệ thống thông tin và định vị thủy âm..vv. Mảng anten có<br /> thể được đặt ra dưới dạng tổng quát như mảng tuyến tính đồng nhất có số phần tử<br /> chẵn hoặc lẻ (ULA - Uniform Linear Array), mảng phi tuyến, mảng bố trí trên mặt<br /> phẳng dạng hình chữ nhật (RPA - Rectangular Planar Arrays), mảng bố trí các<br /> phần tử dọc theo phương thẳng đứng (LAZ - Linear Array long Z-axis), mảng bố<br /> trí theo các vòng tròn đồng tâm (CCA - Concentric Circular Array), mảng không<br /> phẳng (NA-Nonplanar Array)[2,3]..vv. Lý thuyết và các kỹ thuật về tạo búp<br /> (Beamforming), kỹ thuật xử lý tín hiệu (Signal Processing) nhằm giải quyết hai bài<br /> toán cơ bản là bài toán phát hiện và bài toán phân biệt đã có những bước tiến quan<br /> trọng [4,5,6]. Tuy nhiên, việc đánh giá sự ảnh hưởng khi cấu trúc mảng bị phá vỡ<br /> thụ động (hỏng hóc phần tử mảng) đến bài toán xử lý tín hiệu chưa được đề cập<br /> nhiều. Trên cơ sở mô hình hạn chế của một số mảng anten đặc trưng và giả thiết về<br /> một số phần tử mảng bị hỏng, bài báo sẽ có những đánh giá sự tác động của yếu tố<br /> này đến bài toán phát hiện trong các hệ thống sử dụng mảng anten.<br /> 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> Với các hệ thống sử dụng mảng anten cần quan tâm hai vấn đề chính là cấu trúc<br /> mảng anten và các phương pháp xử lý tín hiệu thu được từ mảng anten. Số lượng<br /> phần tử anten càng nhiều thì kết quả càng chính xác, số lượng phép tính phải xử lý<br /> càng lớn, việc đáp ứng kỹ thuật càng khó khăn, khối lượng tính toán, xử lý dữ liệu<br /> cũng vì thế mà tăng theo [2].<br /> 2.1. Phạm vi nghiên cứu<br /> Nguồn tín hiệu quan sát đảm bảo quá trình dừng (bất biến theo thời gian). Số<br /> nguồn tín hiệu nhỏ hơn số phần tử anten trong mảng. Các nguồn tín hiệu không<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 61<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> tương quan trong khoảng quan sát. Các nguồn tín hiệu độc lập về phân bố không<br /> gian. Các nguồn tín hiệu thỏa mãn “trường xa” và không xét trường hợp đa đường.<br /> Các phần tử của mảng anten đồng nhất, vô hướng. Nội tạp độc lập tuyến tính với<br /> tín hiệu. Tín hiệu băng hẹp và bỏ qua sự ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử<br /> anten. Trong bài báo này chung tôi nghiên cứu đánh giá dựa trên các mô hình cấu<br /> trúc mảng anten tuyến tính đồng nhất và mảng bố trí theo các vòng tròn đồng tâm.<br /> 2.2. Mô hình cấu trúc mảng Anten ULA(Uniform Linear Array)<br /> <br /> <br /> Sk(t)<br /> <br /> <br /> k Sk(t) Sk(t) Sk(t)<br /> <br /> l1 ………………<br /> …<br /> D D<br /> Anten 1 Anten 2 Anten 3 Anten F<br /> Hình 1. Mô hình mảng anten đồng nhất, tuyến tính ULA.<br /> Mảng anten gồm F phần tử giống nhau, vô hướng, bố trí cách đều với khoảng<br /> cách D. Gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được ở đầu ra của F máy thu tương ứng<br /> M<br /> cho F phần tử mạng anten ta có: U (t )   a( k ).S k (t )  N (t ) dạng ma trận ta<br /> k 1<br /> có: U (t )  A( ).S (t )  N (t ) . Trong đó [2,4]:<br /> a( k ) - đặc trưng hướng của mạng với tín hiệu thứ k.<br /> U (t ) - vectơ F chiều biểu thị đáp ứng đầu ra của F cổng máy thu và được biểu diễn<br /> là: U (t )  [U 1 (t ),U 2 (t ),U 3 (t ),.....U F (t )]T .<br /> A( ) - ma trận vectơ định hướng kích thước FxM mang thông tin về góc pha các<br /> tín hiệu tới và được biểu diễn là: A( )  [a (1 ), a ( 2 ),.......a ( M )] .<br /> S (t ) - vectơ mô tả M tín hiệu tới, S k (t ) là tín hiệu tới thứ k và được mô tả là:<br /> S (t )  [ S1 (t ), S 2 (t ), S 3 (t )....S M (t )]T<br /> N (t ) - vectơ nhiễu nhận được trên M máy thu và được mô tả là:<br /> N (t )  [ N 1 (t ), N 2 (t ).................N F (t )] T.<br /> 2.3. Mô hình cấu trúc mảng Anten CCA (Concentric Circular Array)<br /> <br /> Các phần tử anten được đặt cách đều nhau một khoảng D ( D  ). Xét trong<br /> 2<br /> trường mạng gồm 5 phần tử, góc tới của tín hiệu là  k  V và bằng phương pháp<br /> hình học ta tính được ma trận vectơ định hướng [2,4] là:<br /> <br /> <br /> <br /> 62 L.T.Hải, T.N.Lâm,…, “Bài toán phát hiện trong xử lý …. anten bị phá vỡ thụ động.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> i i i i<br />  i .2. .Cos ( ). Sin ( k  i )  i . . Sin ( k  ) i . . Sin ( k  ) i .2. .Cos ( ). Sin ( k  i )<br /> a ( k )  [e 2<br /> ;e 2<br /> ;1; e 2<br /> ;e 2<br /> ].<br /> <br /> Hướng tín hiệu Mặt phẳng mô tả<br /> tới hướng sóng tới<br /> O<br /> Di<br /> D L<br /> i<br /> N- N+<br /> X<br /> <br /> R<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình mảng anten có các phần tử bố trí trên vòng CCA.<br /> <br /> 3. BÀI TOÁN PHÁT HIỆN KHI CẤU TRÚC MẢNG BỊ PHÁ VỠ<br /> <br /> Nhiệm vụ của bài toán phát hiện là căn cứ vào tín hiệu nhận được để phân tích<br /> mục tiêu có hay không trong vùng quan sát và ước lượng xác định góc tới của tín<br /> hiệu. Nếu không có nhiễu và nếu tín hiệu có ích không ngẫu nhiên thì khi đó nhiệm<br /> vụ đơn giản chỉ là có tín hiệu tới nghĩa là có mục tiêu, không có tín hiệu tới nghĩa<br /> là không có mục tiêu và ước lượng góc tới theo các thuật toán DOA (Direction-of-<br /> Arrival), AOA (Angle-of-Arrival). Khi mô hình cấu trúc mảng anten của chúng ta<br /> thiết lập ban đầu bị phá vỡ thì nó sẽ ảnh hưởng đến bài toán phát hiện và ước<br /> lượng tín hiệu.<br /> 3.1. Hiệu ứng phá vỡ cấu trúc Mô hình ULA tuyến tính<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô hình ULA tuyến tính 7 phần tử.<br /> <br /> a) Giả thiết phá vỡ phần tử trong ULA: từ mô hình được thiết lập ban đầu là<br /> ULA 7 phần tử tuyến tính định hướng phát hiện một mục tiêu khi có góc tới 30o ,<br /> chúng ta giả thiết rằng cấu trúc mảng ULA này bị hỏng mất một phần tử a6.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 63<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> - Hiệu ứng phá vỡ: Khi đó cùng với việc sử dụng thuật toán lọc không gian phi<br /> tuyến dựa trên thuật toán Pisarenko tổng quát trong bài toán định hướng tín hiệu<br /> [1,2] thì chúng ta thấy được hiệu ứng khi cấu trúc mảng bị phá vỡ:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Đặc trưng hướng đơn vị (phổ giả) của ULA tuyến tính<br /> trước và sau khi phần tử trong ULA bị phá vỡ.<br /> - Nhận xét thấy khi cấu trúc bị phá vỡ thì khả năng định hướng giảm do khả năng<br /> phân biệt điểm cực trị trên đường cong giản đồ hướng kém hơn. Cụ thể trên hình<br /> giản đồ hướng sau khi cấu trúc bị phá vỡ thì các điểm cực trị “phụ” tăng lên (ở các<br /> góc -18o và -50o), cực trị “chính” giảm xuống (góc 30o).<br /> b) Giả thiết phá vỡ phần tử biên ULA: chúng ta giả thiết rằng cấu trúc mảng<br /> ULA này bị hỏng mất một phần tử a7 (hay phần tử biên).<br /> - Hiệu ứng phá vỡ: sau khi cấu trúc bị phá vỡ thì các điểm cực trị “phụ” tăng lên,<br /> cực trị “chính” giảm xuống.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Đặc trưng hướng đơn vị (phổ giả) của ULA tuyến tính<br /> trước và sau khi phần tử biên ULA bị phá vỡ.<br /> <br /> <br /> 64 L.T.Hải, T.N.Lâm,…, “Bài toán phát hiện trong xử lý …. anten bị phá vỡ thụ động.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Nhận xét: ta thấy khi phần tử biên bị phá vỡ cũng giống như số lượng phần tử<br /> mảng bị giảm thì khả năng định hướng cũng giảm.<br /> 3.2. Hiệu ứng phá vỡ cấu trúc Mô hình mảng CCA<br /> - Giả thiết phá vỡ: Từ mô hình được thiết lập ban đầu là CCA 5 phần tử phi tuyến<br /> định hướng phát hiện một mục tiêu, chúng ta giả thiết rằng cấu trúc mảng CCA<br /> này bị hỏng mất một phần tử a1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Mô hình CCA 5 phần tử.<br /> <br /> - Hiệu ứng phá vỡ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Đặc trưng hướng đơn vị của CCA<br /> trước và sau khi bị phá vỡ (Góc tới -20o).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 65<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Đặc trưng hướng đơn vị của CCA<br /> trước và sau khi bị phá vỡ (Góc tới 30o).<br /> * Nhận xét thấy khi cấu trúc mảng bị phá vỡ thì khả năng phân biệt cực trị chính<br /> và phụ bị giảm xuống.<br /> Bảng 1. Giá trị các điểm cực trị.<br /> Cực trị chính Cực trị phụ<br /> Trước phá vỡ Sau phá vỡ Trước phá vỡ Sau phá vỡ<br /> ULA (phần tử 1.0 0.6 0.08 0.12<br /> trong bị phá<br /> vỡ)<br /> ULA ( phần tử 1.0 0.75 0.08 0.15<br /> biên bị phá vỡ<br /> )<br /> CCA (một 1.0 0.8 0.1 0.2<br /> phần tử bị phá<br /> vỡ)<br /> <br /> - Cụ thể trên bảng sau khi cấu trúc bị phá vỡ thì các điểm cực trị “phụ” tăng lên,<br /> cực trị “chính” giảm xuống dẫn đến khoảng cách giữa cực trị chính và phụ giảm (d<br /> giảm).<br /> - Đặc trưng hướng đơn vị được coi là phổ giả của tín hiệu tới nên khi khoảng<br /> cách giữa cực trị chính và phụ giảm làm giảm xác xuất phát hiện đúng và tăng xác<br /> suất báo động lầm. Ta thấy trước khi phá vỡ khoảng cách dtruoc ≈ 0.9 và sau khi phá<br /> vỡ d giảm còn dsau ≈ 0.6 khi đó chúng ta có thể giả thiết thêm một số điều kiện cho<br /> trước và áp dụng các công thức tính toán trong [5] ta có thể tính định tính Pd và<br /> Pfalse-alarm.<br /> <br /> <br /> <br /> 66 L.T.Hải, T.N.Lâm,…, “Bài toán phát hiện trong xử lý …. anten bị phá vỡ thụ động.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này chúng ta thấy được sự ảnh hưởng đến kết quả bài toán phát<br /> hiện khi cấu trúc mảng bị phá vỡ, khi đó các điểm cực trị phụ của giản đồ hướng<br /> tăng lên, cực trị chính giảm xuống đồng nghĩa với việc hệ thống của chúng ta phải<br /> thay đổi các ngưỡng phân biệt cực trị chính và phụ, dẫn đến thay đổi biên quyết<br /> định của hệ thống. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi cấu trúc mảng bị phá vỡ thì sự<br /> ảnh hưởng đến tính năng của hệ thống là rất lớn và theo chiều hướng làm giảm tính<br /> năng định hướng của hệ thống.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ Quốc phòng, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo<br /> trạm định hướng vô tuyến điện cơ động cấp chiến thuật”, 2007.<br /> [2]. Lê Thanh Hải, “Nghiên cứu xây dựng thuật toán lọc không gian phi tuyến<br /> trong hệ thống ra đa thụ động và định hướng vô tuyến”, Viện KHCNQS, 2012.<br /> [3]. Trần Ngọc Lâm, “Nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị định hướng cơ động<br /> dải HF trên biển”, HVKTQS, 2014.<br /> [4]. V. F. Pisarenko, “The Retrieval of Harmonies from a Covariance Function”,<br /> Geophysical Journal (1973), vol. 33, pp. 347-366.<br /> [5]. Mischa Schwartz, and Leonard Shaw, “Signal Processing: Discrete Spectral<br /> Analysis, Detection and Estimation”, McGraw-Hill (1975), New York.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> IMPACTS ON SIGNAL PROCESSING FOR DETECTION PROBLEM<br /> IN ANTENNA ARRAY WITH PASSIVELY BROKEN SYMMETRY<br /> <br /> In this paper, we present the study results based on theoretical model and<br /> Matlab simulation results of the impacts on the signal processing of detection<br /> problem when the symmetry of antenna array is passively broken (e.g. broken<br /> antenna elements, damaged receiver). The results show significant impacts on<br /> the system when the symmetry is passively broken.<br /> <br /> Keywords: Array antenna, Passive Radar, Detection problem.<br /> Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015<br /> <br /> Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện KH-CNQS;<br /> *<br /> Email: thanhhai.vdt@gmail.com<br /> 2<br /> Cơ quan - Viện KH-CNQS;<br /> 3<br /> Trường Sĩ quan Tăng - Thiết giáp.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 67<br />