Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong Ra đa MIMO

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong Ra đa MIMO" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về ra đa MIMO; Bài toán phát hiện trong ra đa MIMO; Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong Ra đa MIMO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------------------- VÕ VĂN PHÚC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN MỤC TIÊU TRONG RA ĐA MIMO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------------------- VÕ VĂN PHÚC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN MỤC TIÊU TRONG RA ĐA MIMO Ngành: Kỹ thuật Ra đa dẫn đường Mã số: 9 52 02 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Ngọc Uyên 2. TS Vũ Tuấn Anh HÀ NỘI - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Võ Văn Phúc
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự/Bộ Quốc phòng. Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Ngọc Uyên, TS. Vũ Tuấn Anh, các Thầy đã có định hướng nghiên cứu và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Ra đa đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo trong Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự và các nhà khoa học, chuyên gia đã cho tôi những lời khuyên, những ý kiến đóng góp quý báu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, đồng nghiệp và bạn bè đã đã luôn quan tâm, cổ vũ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Võ Văn Phúc
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................viii MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RA ĐA MIMO .................................. 7 1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống ra đa MIMO .............................................. 7 1.2. Phân loại hệ thống ra đa MIMO............................................................... 11 1.3. Khái niệm mạng ảo trong ra đa MIMO………………………………….12 1.4. Mô hình tín hiệu ra đa MIMO……………………………………………16 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu về hệ thống ra đa MIMO……………20 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................. 20 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước .................................................. 25 1.6. Định hướng nghiên cứu của luận án …………………………………….26 1.7. Kết luận chương 1……………………………………………………….28 CHƯƠNG 2. BÀI TOÁN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU TRONG RA ĐA MIMO……………………………………………………………………….30 2.1. Khả năng phát hiện mục tiêu của ra đa MIMO........................................ 30 2.1.1. Mô hình xử lý tín hiệu trong ra đa MIMO………………………….30 2.1.2. Phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO………………………………32 2.1.3. Kết quả và khảo sát………………………………………………….33 2.2. Thuật toán tối ưu phát hiện các tín hiệu thăng giáng trong ra đa MIMO…36 2.2.1. Mô hình tín hiệu…………………………………………………….36 2.2.2. Ra đa MIMO với các tín hiệu phát xạ phân tán…………………….38 2.2.3. Ra đa MIMO với các tín hiệu phát xạ tập trung…………………….43 2.3. Kiểm soát búp sóng phụ theo cự ly trong ra đa MIMO…………………48 2.3.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………..48
iv 2.3.2. Cấu trúc xử lý tín hiệu của ra đa MIMO với bộ lọc không phối hợp…50 2.3.3. Lọc ISR nhỏ nhất cho một dạng tín hiệu ..………………………….52 2.3.4. Lọc ISR tối thiểu cho nhiều dạng tín hiệu…………………………..57 2.3.5. Các kết quả mô phỏng………………………………………………58 2.3.6. Nhận xét…………………………………………………………….62 2.4. Kết luận chương 2……………………………………………………….63 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN MỤC TIÊU TRONG RA ĐA MIMO…………...64 3.1. Giải pháp cấu trúc hình học để tối ưu mạng thu phát ảo và giản đồ hướng anten trong hệ thống ra đa MIMO……………………………………………64 3.1.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………..64 3.1.2. Thuật toán tính tọa độ các phần tử mạng anten……………………..68 3.1.3. Kết quả tính toán và mô phỏng……………………………………..72 3.1.4. Kết luận ............................................................................................. 76 3.2. Giải pháp tổng hợp và điều khiển hình dạng giản đồ hướng anten trong ra đa MIMO theo phương pháp phân rã - QR…………………..………………77 3.2.1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 77 3.2.2. Tổng hợp thuật toán…………………………………………………79 3.2.3. Kết quả tính toán và mô phỏng……………………………………..84 3.2.4. Kết luận……………………………………………………………..92 3.3. Kết luận chương 3……………………………………………………….93 KẾT LUẬN .......................................................................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ……97 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………....98
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Dạng sóng phát xạ trực giao Biên độ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu [V] θ Hướng quan sát mục tiêu * Phép tính tích chập α Hệ số tán xạ ngược Rx Ma trận tương quan tín hiệu Tạp dọc [V] 𝐻1 Giả thiết có mục tiêu 𝐻0 Giả thiết không có mục tiêu 𝑃𝐷 Xác suất báo động lầm 𝑃𝐷 Xác suất phát hiện đúng d Khoảng cách giữa mạng phát và thu [m] dT Khoảng cách giữa các phần tử anten phát [m] dR Khoảng cách giữa các phần tử anten phát [m] λ Bước sóng phát xạ [m] R Khoảng cách giữa mục tiêu và máy phát [m] ξQ Hệ số tán xạ Q Nguồn tán xạ Tín hiệu phát xạ của phần tử phát m AMP Anten mạng pha Phased Array Antenna ISR Tỉ số tổng hợp búp sóng bên Integrated Sidelode Ratio Multipe-Input, Multiple- MIMO Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Output ULA Mạng tuyến tính đều Uniform Linear Array LFM Điều tần tuyến tính Linear Frenquency Modulated
vi PSR Tỉ số đỉnh cánh sóng bên Peak Sidelobe Ratio QR Đáp ứng nhanh Quick Response RCS Diện tích phản xạ hiệu dụng Radar Cross Section SNR Tỉ số tín trên tạp Signal - to - Noise Ratio The Synthetic Impulse and SIAR Ra đa xung mặt mở tổng hợp Aperture Radar
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Giá trị thời gian trễ của tín hiệu phản xạ…………………….67 Bảng 3.2. Tổng hợp tham số giản đồ hướng anten trong hai trường hợp RX và To - Way với các giá trị M, N và V khác nhau……………………………75 Bảng 3.3. Trường hợp độ rộng búp sóng yêu cầu 60: Kết quả tính toán độ rộng búp sóng và thời gian tính toán...............................................................89 Bảng 3.4. Trường hợp độ rộng búp sóng yêu cầu 600: Kết quả tính toán độ rộng búp sóng và thời gian tính toán................................................................90 Bảng 3.5. Trường hợp ba búp sóng, độ rộng búp sóng yêu cầu 200: Kết quả tính toán độ rộng búp sóng và thời gian tính toán............................................90
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Mô hình cơ bản của ra đa MIMO………………………………7 Hình 1.2. Diện tích phản xạ mục tiêu với các góc quan sát khác nhau ... .9 Hình 1.3. Phân loại ra đa MIMO…………………………………………11 Hình 1.4. Hệ thống ra đa MIMO…………………………………………13 Hình 1.5. Một hệ thống ra đa MIMO với mạng ảo tuyến tính đều………14 Hình 1.6. Một hệ thống ra đa MIMO với mạng ảo tuyến tính xếp chồng…...16 Hình 1.7. Mô hình tín hiệu ra đa MIMO (với M = N = 3). .................... 17 Hình 1.8. Sơ đồ xử lý tín hiệu bằng bộ lọc phối hợp trong ra đa MIMO…19 Hình 2.1. Mô hình xử lý tín hiệu của ra đa MIMO ................................ 31 Hình 2.2. Mối quan hệ của xác suất phát hiện đúng và xác suất báo động lầm………………………………………………………………………...34 Hình 2.3. Xác suất phát hiện đúng mục tiêu theo SNR………………….34 Hình 2.4. Xác suất phát hiện đúng của ra đa MIMO khi M tăng…………35 Hình 2.5. Xác suất phát hiện đúng của ra đa MIMO khi N tăng………..35 Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc xử lý tối ưu khi các tín hiệu phát xạ phân tán theo thuật toán (2.37)……………………………………………………..42 Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc xử lý tối ưu khi các tín hiệu phát xạ phân tán theo thuật toán (2.38)…………………………………………………….43 Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc xử lý tối ưu khi các tín hiệu phát xạ tập trung theo thuật toán (2.46) ............................................................................ 46 Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc xử lý tối ưu khi các tín hiệu phát xạ tập trung theo thuật toán (2.47)…………………………………………………….47 Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc xử lý tối ưu khi các tín hiệu phát xạ tập trung theo thuật toán (2.48)…………………………………………………….48 Hình 2.11. Cấu trúc xử lý tín hiệu trong ra đa MIMO ........................... 51 Hình 2.12. Đáp ứng của bộ lọc không phối hợp cho 3 mã Kasami đối với
ix mục tiêu nằm ngang trong ô Doppler/góc mục tiêu .............................. …58 Hình 2.13. Đáp ứng của bộ lọc không phối hợp khi búp sóng bên được tối ưu…………………………………………………………………………….59 Hình 2.14. ISR là một hàm của số dạng sóng phát. Biểu diễn các kết quả cho mã Kasami (trái) và mã 2 pha ngẫu nhiên (phải) ............................ 60 Hình 2.15. Kết quả cải thiện lặp của bộ lọc M = 3 ................................ 60 Hình 2.16. Kết quả cải thiện lặp của bộ lọc M = 1 và M = 3.................. 61 Hình 3.1. Hệ thống ra đa MIMO với mạng ảo ....................................... 64 Hình 3.2. Ra đa MIMO với M = 2 phần tử phát và N = 3 phần tử thu.... 65 Hình 3.3. Xác định khoảng cách giữa các phần tử phát ......................... 68 Hình 3.4. Xác định khoảng cách giữa các phần tử phát ......................... 69 Hình 3.5. Mạng anten MIMO trong toạ độ Decac . ............................... 70 Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán tổng hợp cấu trúc hình học mạng anten MIMO.................................................................................................. 72 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng giản đồ hướng với M = 2, N = 3, V = 6 .... 73 Hình 3.8. Kết quả mô phỏng giản đồ hướng với M = 2, N = 4, V = 8 .... 74 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng giản đồ hướng với M = 3, N = 4, V = 12 .. 74 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng giản đồ hướng với M = 4, N = 8, V = 32…75 Hình 3.11. Cấu trúc thời gian của chuỗi tín hiệu phát xạ…….…………79 Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc thực hiện thuật toán thay đổi hình dạng giản đồ hướng anten. ........................................................................... .........83 Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán thực hiện thuật toán đề xuất………………….84 Hình 3.14. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 6 0; hướng búp sóng chính 0 0………………………................................................85 Hình 3.15. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 60 0; hướng búp sóng chính 0 0…………………………………………………………85 Hình 3.16. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của
x các búp sóng -400, 0 0, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 20 0…………………..86 Hình 3.17. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của các búp sóng -600, 00, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 10 0 ........................... 86 Hình 3.18. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 6 0; hướng búp sóng chính 0 0 .................................................................................. 86 Hình 3.19. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 60 0; hướng búp sóng chính 0 0 .................................................................................. 87 Hình 3.20. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của các búp sóng -400, 00, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 20 0 ........................... 87 Hình 3.21. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của các búp sóng -600, 00, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 10 0. .......................... 87 Hình 3.22. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 6 0; hướng búp sóng chính 0 0 .................................................................................. 88 Hình 3.23. Điều kiện mô phỏng: Độ rộng búp sóng búp sóng 60 0; hướng búp sóng chính 0 0 .................................................................................. 88 Hình 3.24. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của các búp sóng -400, 00, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 20 0. .......................... 88 Hình 3.25. Điều kiện mô phỏng: Số lượng búp sóng 3; hướng chính của các búp sóng -600, 00, 40 0; độ rộng mỗi búp sóng 10 0 ........................... 89
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ra đa MIMO (MIMO: Multi Input and Multi Output) là lĩnh vực nghiên cứu mới đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu, phát triển trong những năm gần đây. Ra đa MIMO có đặc điểm khác với ra đa truyền thống là sử dụng nhiều anten phát để phát đồng thời các dạng tín hiệu khác nhau (có thể độc lập tuyến tính) từ mỗi anten và sử dụng nhiều anten để thu nhận tín hiệu phản xạ mục tiêu [38]. Giống như truyền thông MIMO, ra đa MIMO cung cấp một mô hình mới cho nghiên cứu xử lý tín hiệu. Ra đa MIMO có những ưu điểm đáng kể như giảm hiện tượng Fading, nâng cao độ phân giải và khả năng triệt nhiễu tốt. Tận dụng tốt những ưu điểm này sẽ cho phép hệ thống ra đa MIMO có được những cải thiện đáng kể so với các hệ thống ra đa truyền thống về khả năng phát hiện [4], [19], [48]; tính chính xác khi ước lượng góc cũng như khả năng phân biệt theo góc của mục tiêu [7], [50]; tính chính xác khi ước lượng tham số và bám quỹ đạo mục tiêu [50], [57]; khả năng nhận dạng mục tiêu [39]. Thực tế, cũng đã có một vài hệ thống ra đa MIMO được đưa vào ứng dụng, ví dụ như hệ thống ra đa MIMO để phát hiện và điều trị ung thư vú trong lĩnh vực y học [16], hay các hệ thống thử nghiệm trong giám sát không lưu như ra đa SIAR [7], [36]. Trong lĩnh vực quân sự thì việc đưa ra đa MIMO vào ứng dụng thực tế vẫn tồn tại nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu giải quyết, bao gồm: Hoàn thiện và phát triển lý thuyết, tính khả thi của các giải pháp kỹ thuật, những thách thức về mặt công nghệ,… Trong ra đa, bài toán phát hiện mục tiêu là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên phải giải quyết, đây là cơ sở và tiền đề để tiếp tục giải quyết các nhiệm vụ khác của hệ thống ra đa. Đã có nhiều công trình công bố các kết quả nghiên cứu về bài toán phát hiện trong ra đa MIMO [4], [7], [10], [19], [21], [25], [36], [39],
2 [46], [48], [50], [55-57], [63-65], [69-73]. Tuy nhiên, trong đó vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề chưa được giải quyết hoặc giải quyết chưa triệt để [38]. Nổi cộm trong đó là các vấn đề gắn liền với đặc điểm của ra đa MIMO và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO, đó là sử dụng nhiều anten phát để phát đồng thời các dạng tín hiệu khác nhau từ mỗi anten và sử dụng nhiều anten để thu nhận đồng thời tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Các vấn đề cụ thể như sau: - Ra đa MIMO sử dụng nhiều anten thu phát, vấn đề đặt ra là phải sắp xếp các anten phần tử thế nào để đồng nhất và cực đại búp sóng chính của mạng anten, tạo ra giản đồ hướng tối ưu theo yêu cầu để đảm bảo và nâng cao độ phân giải về góc, đồng thời giảm được số lượng anten thu phát mà vẫn đảm bảo được số kênh thu yêu cầu [32], [37-38], [23-24], [69]. - Một trong những ưu điểm nổi bật của ra đa MIMO so với các loại ra đa hiện đại đang được sử dụng rộng rãi hiện nay như ra đa dùng anten mạng pha là khả năng thay đổi hình dạng giản đồ hướng anten phù hợp với cấu trúc thời gian của tín hiệu phát xạ. Điều này cho phép giảm khả năng tác động của nhiễu tích cực lên búp sóng chính, đồng thời cũng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu thụ động trong hệ thống ra đa MIMO. Tận dụng ưu điểm này, yêu cầu đặt ra là quá trình tổng hợp và điều khiển giản đồ hướng anten thay đổi phù hợp với cấu trúc thời gian của tín hiệu phát xạ trong ra đa MIMO phải là quá trình xử lý thời gian thực [3], [5], [23-24], [28-30], [37-38], [63-65], [70-73]. Vì vậy, vấn đề đặt ra là ngoài yêu cầu đảm bảo tính chính xác của dạng giản đồ hướng thì các yêu cầu về thời gian, khối lượng tính toán và cấu hình của thiết bị tính toán cũng cần phải được đảm bảo trong quá trình tổng hợp và điều khiển dạng giản đồ hướng anten của ra đa MIMO. - Với việc sử dụng nhiều anten phát, ra đa MIMO cho phép phát xạ đồng thời nhiều dạng tín hiệu từ các nguồn phát tách biệt trong không gian. Việc phát
3 xạ nhiều dạng tín hiệu khác nhau sẽ cung cấp thêm nhiều thông tin hơn để có thể khai thác làm tăng hiệu suất của đài ra đa. Tuy nhiên, nó lại phát sinh một nhược điểm là làm tăng búp sóng phụ do tác động chéo không tránh khỏi giữa các dạng tín hiệu của ra đa. Mức búp sóng bên làm hạn chế khả năng phát hiện các mục tiêu nhỏ ở cự ly gần và có thể gây ra báo động lầm cũng như hiện tượng đa mục tiêu. Các búp sóng bên cũng có thể giảm chất lượng của các ảnh ra đa, làm giảm chất lượng quan sát mục tiêu [1], [14], [27], [45], [49], [53], [57]. Vì vậy, cần phải có các giải pháp để hạn chế và kiểm soát mức búp sóng phụ theo cự ly trong quá trình xử lý tín hiệu cho ra đa MIMO. Góp phần hoàn thiện việc giải quyết bài toán phát hiện trong ra đa MIMO về mặt lý thuyết, luận án sẽ tập trung nghiên cứu giải quyết các vấn đề nêu trên. Các kết quả nghiên cứu về mặt lý thuyết bài toán phát hiện, cùng với các bài toán khác như bài toán ước lượng tham số và bám quỹ đạo mục tiêu, bài toán phân loại và nhận dạng mục tiêu, là tiền đề và cơ sở khoa học để tiến tới việc thiết kế và chế tạo hệ thống ra đa MIMO ứng dụng trong thực tế. Hệ thống ra đa MIMO, với những ưu điểm nổi bật so với các hệ thống ra đa truyền thống, nếu được hiện thực hoá và đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực quân sự sẽ góp phần đáng kể trong việc nâng cao hiệu quả, năng lực chiến đấu của mạng ra đa trong việc bảo vệ lãnh thổ và chủ quyền quốc gia. Với các lý do như vậy, định hướng nghiên cứu của luận án là có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Những vấn đề về lý thuyết và thực tế kỹ thuật đã trình bày ở trên là cơ sở chủ yếu để hình thành nội dung đề tài luận án: “Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong đài ra đa MIMO”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO.
4 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Ra đa MIMO và bài toán phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO. * Phạm vi nghiên cứu: Bài toán phát hiện mục tiêu và các giải pháp nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO. 4. Nội dung nghiên cứu * Nghiên cứu tổng quan về ra đa MIMO, tổng hợp đánh giá tình hình nghiên cứu về ra đa MIMO ở trong nước và trên thế giới. * Nghiên cứu đánh giá về khả năng phát hiện mục tiêu của ra đa MIMO, các thuật toán tối ưu phát hiện mục tiêu thăng giáng và giải pháp kiểm soát búp sóng phụ theo cự ly trong ra đa MIMO. * Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO, bao gồm: - Giải pháp về cấu trúc hình học để tối ưu mạng thu phát ảo, tối ưu giản đồ hướng anten nhằm nâng cao độ phân giải góc trong hệ thống ra đa MIMO. - Giải pháp tổng hợp và điều khiển hình dạng giản đồ hướng anten thay đổi phù hợp với cấu trúc thời gian của tín hiệu phát xạ trong ra đa MIMO bằng cách giải hệ phương trình đại số tuyến tính theo phương pháp phân rã - QR. Giải pháp này cho phép giảm khả năng tác động của nhiễu tích cực lên búp sóng chính, đồng thời cũng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu thụ động trong hệ thống ra đa MIMO. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện việc giải quyết bài toán phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO về mặt lý thuyết và là cơ sở khoa học để thực hiện kỹ thuật, đưa các giải pháp đề xuất vào ứng dụng trong thực tế nhằm mục đích nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong hệ thống ra đa MIMO.
5 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là nghiên cứu, phân tích và tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng để đánh giá, kiểm chứng. Việc mô phỏng, tính toán và xử lý dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm Matlab. 7. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án. Cụ thể như sau: Mở đầu Trình bày về tính cấp thiết và lý do chọn đề tài luận án, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, bố cục và tóm tắt các chương của luận án. Chương 1: Tổng quan về ra đa MIMO Trình bày tổng quan các vấn đề về ra đa MIMO, bao gồm: Khái niệm cơ bản về hệ thống ra đa MIMO, phân loại hệ thống ra đa MIMO, khái niệm mạng ảo trong ra đa MIMO và mẫu tín hiệu ra đa MIMO. Chương này cũng trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu ra đa MIMO ở trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Bài toán phát hiện trong ra đa MIMO Chương 2 trình bày các vấn đề về bài toán phát hiện trong ra đa MIMO, bao gồm: Khả năng phát hiện mục tiêu của ra đa MIMO, các thuật toán tối ưu phát hiện mục tiêu thăng giáng và giải pháp kiểm soát búp sóng phụ trong ra đa MIMO. Chương 3: Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO Chương 3 trình bày về hai giải pháp mà luận án đề xuất nhằm nâng cao chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa MIMO: - Giải pháp về cấu trúc hình học để tối ưu mạng thu phát ảo, tối ưu giản
6 đồ hướng anten nhằm nâng cao độ phân giải góc trong hệ thống ra đa MIMO. - Giải pháp tổng hợp và điều khiển hình dạng giản đồ hướng anten thay đổi phù hợp với cấu trúc thời gian của tín hiệu phát xạ trong ra đa MIMO bằng cách giải hệ phương trình đại số tuyến tính theo phương pháp phân rã - QR. Giải pháp này cho phép giảm khả năng tác động của nhiễu tích cực lên búp sóng chính, đồng thời cũng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu thụ động trong hệ thống ra đa MIMO. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo Trình bày về kết quả nghiên cứu, các đóng góp mới và một số hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án.
7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ RA ĐA MIMO Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề về ra đa MIMO, bao gồm: Khái niệm cơ bản về hệ thống ra đa MIMO, phân loại hệ thống ra đa MIMO, khái niệm mạng ảo trong ra đa MIMO và mẫu tín hiệu ra đa MIMO. Chương này cũng trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu ra đa MIMO ở trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận án. 1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống ra đa MIMO Theo nghĩa chung nhất, hệ thống ra đa MIMO (Hình.1.1) được thiết lập bởi M phần tử phát, phát xạ M tín hiệu 𝑢 𝑖 (𝑡, 𝜃), 𝑖 = ̅̅̅̅̅̅ và N phần tử thu, đảm 1, 𝑀, bảo thu đồng thời và xử lý các tín hiệu này bởi tổng tương ứng của nó 𝑚(𝑡, 𝜃) = ∑ 𝑖 𝑢 𝑖 (𝑡, 𝜃). Hệ thống các tín hiệu này là tín hiệu có dạng sóng trực giao với nhau (các tín hiệu này có hàm tương quan bằng 0, điều này cho phép các tín hiệu thu, phát giảm thiểu tối đa ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau) [8], [37-38], [41], [46-47], [59]. Hình 1.1. Mô hình cơ bản của ra đa MIMO Tổng quát, nhiều hệ thống ra đa truyền thống có thể được xem như những trường hợp đặc biệt của ra đa MIMO. Đơn cử, ra đa có mặt mở tổng hợp, sử
8 dụng một anten phát đơn và một anten thu đơn, các vị trí của hai anten này được tách biệt có thể được coi như ra đa MIMO với sự phân bố đều (quan hệ trực giao) theo tín hiệu thời gian. Những ưu điểm chính của ra đa MIMO so với ra đa truyền thống là [7], [36-39], [50], [56]: Nâng cao khả năng quan sát và phát hiện mục tiêu; nâng cao độ chính xác ước lượng góc và khả năng phân biệt theo góc; nâng cao tính chính xác ước lượng tham số và bám quỹ đạo mục tiêu; khả năng nhận dạng mục tiêu tốt hơn. Đặc điểm nổi bật của ra đa MIMO [38]: Ở chế độ tìm kiếm mục tiêu, các phần tử mạng anten phát của ra đa MIMO phát xạ các tín hiệu trực giao lẫn nhau. Nếu hệ anten ra đa MIMO gồm M phần tử phát, tạo ra được M tia phát, có độ rộng được xác định bởi giản đồ hướng các phần tử. Do tính trực giao của tín hiệu, chúng không tổng hợp tương can với mục tiêu, tức là nó không tạo thành một tia hẹp như trong ra đa thông thường với anten mạng pha. Độ rộng của mỗi tia từ M tia của mạng anten phát có thể bằng độ rộng rẻ quạt tương ứng của ra đa. Mỗi phần tử thu của mạng anten nhận được tất cả các tín hiệu phát xạ sau khi phản xạ từ mục tiêu. Sau đó, trong mỗi phần tử thu, các tín hiệu trực giao được tách ra và đưa vào các bộ lọc phối hợp và thiết lập một hệ thống các tia thu hẹp, đồng thời phủ đầy tất cả rẻ quạt tương ứng. Với đặc điểm như trên, ra đa MIMO có những ưu điểm như sau [2], [37-38], [47]: - Trong những điều kiện xác định, hệ thống thu có thể thiết lập những búp sóng thu hẹp. Sự hiện diện của những búp sóng phát rộng và hệ thống của các búp sóng thu hẹp, được phủ rẻ quạt tương ứng, loại trừ sự cần thiết phải quét không gian trong chế độ tìm kiếm mục tiêu. Đây là một ưu điểm quan trọng của ra đa MIMO. - Khi cần tập trung năng lượng bức xạ lên mục tiêu, ra đa MIMO có thể sử dụng hệ thống anten phát như anten mạng pha thông thường trong chế độ