Nghiên cứu đề xuất giải pháp tự động khống chế dải động đầu vào máy thu đài radar điều khiển hỏa lực thế hệ mới

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG<br /> KHỐNG CHẾ DẢI ĐỘNG ĐẦU VÀO MÁY THU<br /> ĐÀI RADAR ĐIỀU KHIỂN HỎA LỰC THẾ HỆ MỚI<br /> Vũ Hỏa Tiễn1, Trần Ngọc Quý2, Lê Văn Sâm3*<br /> Tóm tắt: Trong bài báo đã công bố [1], các tác giả đã đề xuất nghiên cứu một<br /> hệ tự động điều khiển thu - phát khép kín có tác dụng khống chế dải động đầu vào<br /> máy thu quan sát. Bài báo này trình bày các kết quả khảo sát, đánh giá hiệu quả<br /> của việc khống chế dải động tín hiệu vào máy thu quan sát (MTQS) đài radar điều<br /> khiển hỏa lực (ĐKHL) thế hệ mới khi thay đổi cấu trúc tín hiệu và công suất máy<br /> phát. Trên cơ sở phân tích các kết quả nhận được, các tác giả sẽ đề xuất lựa chọn<br /> những tham số và đặc trưng cơ bản cần tác động, để tự động khống chế dải động<br /> máy thu trong điều kiện mục tiêu thay đổi cự ly bay trong dải rộng. Từ những lựa<br /> chọn đó xác định bài toán xây dựng luật điều khiển cấu trúc tín hiệu và công suất<br /> máy phát. Kết quả công bố trong bài báo có ý nghĩa quan trọng trong quá trình<br /> hình thành hệ thống tự động điều khiển hệ thu-phát khép kín như đã đề xuất ở [1].<br /> Từ khóa: Radar điều khiển hỏa lực; Bộ điều khiển máy phát; Dải động máy thu; Công suất phát; Cấu trúc<br /> tín hiệu.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong công trình [1] tác giả đã đề xuất mô hình tự động thu - phát khép kín như hình 1<br /> (trong đó: ABT- Tự động phát hiện; KĐCT- Khuếch đại cao tần; KĐTT- Khuếch đại trung<br /> tần; R- Cự ly; V- Tốc độ; SGTH- Suy giảm tín hiệu).<br /> <br /> Máy Đồng bộ Bộ F(R;S/N) S/N ABT Lọc số<br /> phát Tín ĐK Luật<br /> hiệu ĐK ĐK<br /> R Hiện APY<br /> Mục tiêu fns1<br /> hình<br /> KĐCT Trộn KĐTT Trộn KĐTT Lọc Trộn KĐTT<br /> 1 1 2 2 R -V 3 3<br /> 8dB fns2 PPY<br /> Bộ fns3<br /> SGTH 18dB Xung chọn R<br /> 24dB<br /> Hình 1. Cấu trúc hệ tự động điều khiển thu – phát quan sát mục tiêu.<br /> <br /> Căn cứ vào những kết quả đã khảo sát trong [1] đối với các đặc trưng dải động D(Rmt), đặc<br /> trưng khuếch đại K(Rmt), biểu thức xác định công suất (Ppx) tín hiệu phản xạ từ mục tiêu theo<br /> cự ly mục tiêu, giá trị cho trước của tỷ số S/N (hay biên độ Sra), ta có cơ sở để khống chế dải<br /> động máy thu đến mức, khi trong hệ thống chỉ cần duy trì duy nhất các mạch APY (tự động<br /> điều chỉnh khuếch đại).<br /> Vấn đề đặt ra trong bài báo này là để khống chế dải động D(Rmt) đầu vào máy thu, ta cần<br /> tác động vào đâu và điều khiển những tham số nào trong hệ thống máy phát, để có được hiệu<br /> quả tốt nhất. Những tham số có thể sẽ cho ta hiệu ứng thu hẹp dải động D(Rmt) khi cự ly mục<br /> tiêu Rmt giảm dần chỉ có thể là tham số quyết định tới cấu trúc tín hiệu như: độ rộng xung x;<br /> chu kỳ lặp lại T0; số lượng xung trong chùm np, và công suất đỉnh xung Ppx.<br /> Phương pháp đánh giá theo tham số, để lựa chọn cho mục đích điều khiển là phương<br /> pháp mô hình hóa toán học theo cách xác định tỉ số tín/tạp (S/N) ở đầu ra máy thu quan sát<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 9<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> (MTQS) [3]:<br /> Ppx G 2  2<br />  x GMTQS nP<br /> S (4 )3 R 4 L (1)<br />   <br />  N ra KTFn GMTQS<br /> <br /> Trong đó: Ppx - Công suất đỉnh xung dò đầu ra máy phát; G – Hệ số khuếch đại anten<br /> phát/thu;  - Bước sóng;  - Diện tích PXHD của mục tiêu; x – Độ rộng xung phát; GMTQS<br /> – Tổng hệ số khuếch đại MTQS; K – Hằng số Bozman; T - Nhiệt độ tạp âm; Fn – Hệ số<br /> tạp âm MTQS; R - Quy luật thay đổi cự ly của mục tiêu; nP - Số xung được tích lũy, sao<br /> cho đảm bảo tỉ số S/N đạt và vượt ngưỡng cho trước.<br /> Mức độ ổn định dải động D(Rmt) được đánh giá dựa trên nguyên lý thay đổi cự ly mục<br /> tiêu và các tham số trong biểu thức (1) liên quan tới cấu trúc và năng lượng tín hiệu phát ra<br /> không gian sao cho Sra của tín hiệu đầu ra MTQS, kết quả (1), hầu như không đổi, tức là<br /> bằng một giá trị cho trước. Nếu coi mức tạp âm trung bình N là không đổi, ta có:<br /> PpxG2 2<br /> Sra   xGMTQS nP (2)<br /> (4 )3 R4 L<br /> Ta cần tìm quy luật điều khiển tham số cấu trúc và công suất tín hiệu hình thành trong<br /> máy phát bảo đảm cho công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chỉ thay đổi trong dải mà<br /> APY của máy thu có thể điều chỉnh, trong khi cự ly mục tiêu thay đổi trong toàn dải cự ly<br /> phát hiện theo tính năng của radar. Để thực hiện nghiên cứu giải pháp được đề xuất, bài<br /> báo này tiến hành các khảo sát trên cơ sở đài radar ĐKHL 30H6E.<br /> 2. KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI DẢI ĐỘNG ĐẦU VÀO MÁY THU<br /> THEO CÁC THAM SỐ CƠ BẢN<br /> Theo nguyên lý radar, ta có biểu thức tính dải động (3) và năng lượng tín hiệu đầu vào<br /> MTQS Svào (4) như sau [3, 4, 5]:<br />  S max <br /> D  20log  vaomin <br /> (3)<br />  Svao <br /> P G 2  2<br /> Svao  p 3 4  x nP (4)<br /> (4 ) R L<br /> Các tham số lựa chọn cho việc khảo sát được lấy từ bộ tham số chiến – kỹ thuật của đài<br /> radar ĐKHL 30Н6Е với: R=(3005)Km; PP=75KW; =3cm; G=42dB; =1.4m2; x=1.49s;<br /> L=10dB; Tần số lặp lại xung phát: FL=100KHz; Thời gian tích lũy chùm xung phản xạ:<br /> Tt/l=2.7ms; Số xung tích lũy cho một thăm dò: np=FL x Tt/l.<br /> Tiến hành mô hình hóa toán học các khối hệ thu-phát radar trên cơ sở (4) và bộ tham<br /> số trên, thực hiện mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK theo sơ đồ hình 2, cho mục tiêu<br /> chuyển động từ cự ly 300km đến 5km, đo mức năng lượng đầu vào máy thu (Svào), ta có<br /> kết quả thể hiện ở hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống thu - phát radar.<br /> <br /> <br /> 10 V. H. Tiễn, T. N. Quý, L. V. Sâm, “Nghiên cứu đề xuất giải pháp… hỏa lực thế hệ mới.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Dải động đầu vào MTQS, theo (3) là: D=71.1dB, với Svào/max=-121.14dB; Svào/min=-192.3dB.<br /> Mức Svào/min=-192.3dB xác định tỷ số S/N ở đầu ra máy thu bằng danh định (1dB) đối với mục<br /> tiêu có =1.4m2, ở cự ly 300Km khi GMTQS = GMTQSmax. Lúc này, APY có hệ số khuếch đại<br /> (HSKĐ) lớn nhất (ngưỡng dưới APY- đường chấm gạch trên hình 3). Tín hiệu đầu vào nếu dưới<br /> ngưỡng này sẽ không quan sát được mục tiêu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS thay đổi theo cự ly mục tiêu.<br /> Như vậy, giá trị -192.3dB là ngưỡng xác định độ nhạy máy thu. Tương ứng với giá trị này,<br /> ở đầu ra MTQS có tỷ số Sra/N đạt ngưỡng phát hiện.<br /> Từ kết quả thu được ta thấy, khi cự ly mục tiêu giảm dần từ 300Km, thì tín hiệu đầu vào<br /> tăng dần. Để ổn định tín hiệu đầu ra máy thu, APY sẽ tự động giảm HSKĐ tương ứng [1]. Đến<br /> cự ly 154.7Km, tín hiệu vào tăng lên 11.5dB so với ở cự ly 300Km và APY không còn tác<br /> dụng, tức là HSKĐ đã giảm hết cỡ (điểm 1 trên hình 3). Điểm này đánh dấu ngưỡng trên của<br /> APY (đường đứt nét trên hình 3).<br /> Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn ngưỡng này, nếu không có bộ suy giảm tín hiệu (SGTH) đầu<br /> vào hay điều chỉnh khuếch đại bằng tay (PPY) máy thu sẽ quá tải, thông tin trong tín hiệu thu<br /> bị méo, thậm chí mất.<br /> Trong [1] đã đề cập, đài radar ĐKHL 30H6E hiện tại xử lý quá tải máy thu bằng cách<br /> sử dụng PPY và bộ SGTH. Vấn đề đặt ra là tìm giải pháp can thiệp vào hệ thống máy phát<br /> để có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình ổn định dải động D(Rmt) của tín hiệu đầu vào<br /> máy thu, sao cho công suất tín hiệu Svào≤SAPYmax trong toàn dải cự ly thay đổi (3005)Km.<br /> Một trong những giải pháp mang lại hiệu quả và ít tác động vào phần cứng của hệ<br /> thống thu-phát là tự động điều chỉnh cấu trúc tín hiệu và công suất phát theo cự ly mục<br /> tiêu. Từ (4) ta thấy, để ổn định Svào ta có thể điều chỉnh các tham số x, nP, Ppx theo sự<br /> giảm dần của cự ly mục tiêu.<br /> Để có cơ sở đánh giá khả năng tự động điều chỉnh các tham số này, ta cần tiến hành mô<br /> phỏng và khảo sát dải thay đổi công suất tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (Svào) trong dải làm việc<br /> của APY khi cự ly mục tiêu và tham số tín hiệu thay đổi. Sau đây là những khảo sát cụ thể đối<br /> với những tham số tín hiệu đã chọn trên mô hình mô phỏng hình 2.<br /> 3. KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI DẢI ĐỘNG TÍN HIỆU ĐẦU VÀO MÁY THU KHI<br /> THAY ĐỔI CẤU TRÚC TÍN HIỆU VÀ CÔNG SUẤT PHÁT<br /> 3.1. Thay đổi độ rộng xung dò<br /> Theo (4), về lý thuyết khi giảm độ rộng xung, giữ nguyên chu kỳ lặp lại thì năng lượng tín<br /> hiệu phản xạ đầu vào máy thu sẽ giảm. Giá trị thay đổi độ rộng xung không phải là vô hạn mà<br /> phụ thuộc vào khả năng máy phát.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 11<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Nghiên cứu radar ĐKHL thế hệ mới [2, tập 1,2,3] cho thấy, các tham số về độ rộng, chu<br /> chu kỳ, tần số của xung phát xạ đều được thiết lập từ chương trình điều khiển được lưu trữ<br /> trong máy tính chuyên dụng. Do vậy, khả năng thay đổi cấu trúc, trong đó có độ rộng xung<br /> của hệ thống là hoàn toàn có thể và thực hiện bằng phần mềm máy tính.<br /> Theo [2, tập 1, 2, 3,], máy phát có khả năng tạo ra xung phát có các độ rộng khác<br /> nhau, trong đó, độ rộng tối thiểu là 0.66s, tối đa là 1,49s. Do vậy, ta có thể sử dụng<br /> chương trình để điều khiển độ rộng xung trong bộ tạo xung máy phát, tạo ra các xung có<br /> độ rộng thích hợp, làm giảm công suất tín hiệu phản xạ đầu vào máy thu khi cự ly mục<br /> tiêu giảm dần từ mốc 154.74km.<br /> Trên cơ sở bộ dữ liệu đã chọn, cố định các tham số khác, cho mục tiêu chuyển động từ cự<br /> ly 300km - 5km, thực hiện thay đổi độ rộng xung phát từ giá trị x = 1.49s xuống x = 0.66s<br /> bắt đầu từ cự ly 154.74Km. Kết quả khảo sát theo (4) và mô hình mô phỏng ở hình 2 thu được<br /> giá trị Sra thể hiện trên hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm x=0.66s từ cự ly 154.74Km.<br /> <br /> Từ hình 4, khi độ rộng xung là x=0.66s, tín hiệu vào Svào lúc này giảm từ -180.76dB<br /> xuống -184.3dB (điểm 1-hình 4). Công suất tín hiệu đầu vào giảm 3.5dB nằm dưới ngưỡng<br /> hạn chế của APY. Với kết quả này, khi mục tiêu vào tới cự ly 126Km thì công suất tín hiệu<br /> vào chạm ngưỡng hạn chế của APY (điểm 2-hình 4).<br /> Như vậy, khi giảm độ rộng xung dò, công suất tín hiệu phản xạ giảm, cho phép duy trì việc<br /> phát hiện mục tiêu khi cự ly thay đổi từ 154.74Km xuống 126.2Km.<br /> 3.2. Thay đổi tần số lặp lại xung phát<br /> Đài radar ĐKHL sử dụng chùm xung cao tần tương can cận liên tục để quan sát mục tiêu.<br /> Để tăng tỉ số S/N nhằm phát hiện các mục tiêu ở xa, diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ, nó thực<br /> hiện việc tích lũy xung tương can. Số xung tích lũy phụ thuộc vào tần số lặp lại xung dò và<br /> thời gian tích lũy, nghĩa là: nP =Tt/l x FL. Về lý thuyết, theo (4) ta có thể thay đổi tần số lặp lại<br /> xung phát để làm thay đổi số xung tích lũy trong một thăm dò và sẽ làm thay đổi năng lượng<br /> tích lũy chùm xung.<br /> Nghiên cứu [2,tập 1,2,3] cho thấy, tham số tần số lặp của xung phát xạ được thiết lập từ<br /> chương trình điều khiển được lưu trữ trong máy tính chuyên dụng nên hoàn toàn có khả<br /> năng thay đổi chúng. Thực tế, đài radar ĐKHL [2,tập 1,2,3] có một bộ 19 tần số lặp khác<br /> nhau phụ thuộc vào hệ số chia tần số đồng bộ trung tâm f0, trong đó tần số lặp thấp nhất là<br /> 82KHz. Như vậy, hoàn toàn có thể giảm tần số lặp từ giá trị 100KHz xuống 82KHz ở chế độ<br /> quan sát mục tiêu.<br /> Tiến hành tiếp theo như khảo sát ở mục 3.1, nhưng thay đổi tần số lặp lại xung phát FL từ<br /> 100kHz xuống 82kHz bắt đầu từ cự ly 126.23Km và đo Svào tại đầu vào MTQS ta có kết quả<br /> thay đổi Svào như hình 5.<br /> <br /> <br /> 12 V. H. Tiễn, T. N. Quý, L. V. Sâm, “Nghiên cứu đề xuất giải pháp… hỏa lực thế hệ mới.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Kết quả cho thấy, khi tần số lặp lại của xung phát giảm xuống FL=82KHz ở cự ly 126.23Km,<br /> tương ứng với số xung tích lũy là 216 xung, Svào giảm từ -180.7dB xuống -181.7dB. Nghĩa là<br /> dải công suất tín hiệu đầu vào giảm 1dB dưới ngưỡng hạn chế trên của APY. Dải cự ly phát<br /> hiện được duy trì từ 126,63Km tới 119.4Km, tương ứng với điểm 2 tới 3 trên hình 5.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi FL=82KHz ở cự ly 126Km.<br /> <br /> Như vậy, khi thay đổi tần số lặp lại xung dò, hiệu ứng ổn định dải động đầu vào máy<br /> thu trong dải điều chỉnh của các mạch APY chỉ có tác dụng trong dải cự ly nhỏ khoảng<br /> gần 7km.<br /> 3.3. Thay đổi công suất xung phát<br /> Để tiếp tục giảm công suất của Svào khi cự ly mục tiêu tiếp tục giảm trong dải<br /> (119.45)Km, theo (4) ta có thể giảm công suất đỉnh của xung dò theo cự ly. Thay đổi<br /> công suất xung dò phụ thuộc vào khả năng của máy phát.<br /> Việc giảm công suất máy phát theo cự ly mục tiêu, theo thuyết minh kỹ thuật của đài radar<br /> ĐKHL, hầu như không có ảnh hưởng tới các chức năng khác của đài. Bởi vì đài РПН làm việc<br /> theo nguyên tắc phân kênh theo thời gian. Chế độ quan sát mục tiêu làm việc độc lập theo thời<br /> gian so với các chức năng khác mà đài đảm nhận.<br /> Về khả năng của máy phát, theo [2,tập 1,2,3] cho thấy, máy phát có thể làm việc ở chế<br /> độ công suất thấp với mức giảm là 20dB so với công suất toàn bộ. Theo [2 tập 1,2,3], công<br /> suất xung cực đại của máy phát là 75kW, do vậy ta tính được công suất thấp nhất có thể<br /> giảm của máy phát là:<br /> 20dB=10log(Pmax/Pmin). Mà Pmax=75KW nên Pmin=750W.<br /> Để đảm bảo dải động tín hiệu vào luôn nằm trong dải làm việc của APY, cần thiết phải<br /> chia làm 2 lần giảm công suất phát.<br /> a) Giảm công suất xung phát lần 1<br /> Nếu chạy mô phỏng ở mục 3.2 và tiến hành giảm Pp=7000W bắt đầu từ cự ly 119.4<br /> (điểm 3) trên hình 5, ta nhận được kết quả như trên hình 6:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm PP=7000W ở cự ly 119.4Km.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 13<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Như vậy, ở đây khi giảm công suất xung dò xuống PP=7000W ở cự ly 119.4Km (điểm 3-<br /> hình 6), thì công suất tín hiệu phản xạ Svào giảm từ -180.76dB xuống -191.1dB. Nghĩa là dải<br /> công suất tín hiệu vào thay đổi (giảm) 10.3dB và nằm trong dải làm việc của APY. Dải thay<br /> đổi công suất tín hiệu phản xạ mục tiêu này tương ứng với dải thay đổi cự ly mục tiêu từ<br /> 119,4Km (điểm 3-hình 6) xuống cự ly 66Km (điểm 4-hình 6) thì chạm ngưỡng trên của APY.<br /> b) Giảm công suất xung phát lần 2<br /> Tiếp tục chạy mô phỏng của điểm a) mục 3.3 nhưng tại cự ly 66Km (điểm 4 - hình 6), nếu ta<br /> giảm công suất xung dò lần thứ 2 từ 7000W xuống còn 750W, thì sẽ nhận được kết quả khảo sát<br /> như trên hình 7.<br /> Khi PP=750W bắt đầu từ cự ly 66Km (điểm 4 - hình 7), Svào giảm từ -180.76dB xuống<br /> -190.46dB. Nghĩa là dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS giảm xuống gần 10dB và nằm<br /> trong dải làm việc của APY. Duy trì công suất này ta thấy khi mục tiêu vào tới cự ly<br /> 37.7Km (điểm 5 - hình 7) thì Svào chạm ngưỡng trên APY, MTQS bắt đầu quá tải. Như<br /> vậy, khi thay đổi công suất phát lần 2 cự ly mục tiêu làm MTQS quá tải thay đổi từ 66Km<br /> xuống 37.7Km.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Dải công suất tín hiệu đầu vào MTQS khi giảm PP=750W ở cự ly 65.9Km.<br /> 3.4. Sử dụng suy giảm số 8dB đầu vào máy thu<br /> Những kết quả khảo sát ở các mục (3.1)-(3.3) cho thấy, bằng những biện pháp điều<br /> chỉnh cấu trúc tín hiệu dò và công suất máy phát, dải công suất tín hiệu phản xạ từ mục<br /> tiêu ở đầu vào máy thu đã được khống chế trong dải tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại<br /> (APY) tương ứng với dải thay đổi cự ly mục tiêu từ 300km đến 37,7km. Qua phân tích<br /> kết quả, ta nhận thấy là dải động đầu vào máy thu còn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích<br /> phản xạ hiệu dụng (PXHD) của mục tiêu. Trong tất cả những khảo sát đã thực hiện, ta cố<br /> định diện tích PXHD mục tiêu là =1.4m2. Như vậy, trong những trường hợp, nếu diện<br /> tích này nhỏ (