Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của độ rộng búp sóng chính tới chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa biển tầm xa sóng bề mặt qua qui luật biến đổi tín hiệu

Nội dung text: Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của độ rộng búp sóng chính tới chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa biển tầm xa sóng bề mặt qua qui luật biến đổi tín hiệu

1. Nghiên cứu khoa học công nghệ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ RỘNG BÚP SÓNG CHÍNH TỚI CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN MỤC TIÊU TRONG RA ĐA BIỂN TẦM XA SÓNG BỀ MẶT QUA QUI LUẬT BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU Hà Huy Dũng1*, Lê Duy Hiệu1, Bùi Ngọc Mỹ2, Nguyễn Văn Tiến3 Tóm tắt: Hiện nay, vấn đề nâng cao chất lượng ra đa biển tầm xa sóng bề mặt đã trở thành lĩnh vực khoa học quan trọng. Trong ra đa biển tầm xa sóng bề mặt việc đánh giá khả năng phát hiện chủ yếu dựa vào phương pháp thống kê từ kết quả hoạt động thực tế. Phương pháp thống kê chỉ có được kết quả chính xác với thời gian thực hiện rất dài. Do đó, việc nghiên cứu một phương pháp để tính toán đánh giá sự thay đổi đối với chất lượng phát hiện mục tiêu là một nhu cầu thực tế và cần thiết. Bài báo này đưa ra một giải pháp có thể đánh giá chất lượng mục tiêu liên quan tới sự thay đổi độ rộng búp sóng chính. Từ khóa: HFSWR; Phát hiện mục tiêu; Chất lượng phát hiện. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ra đa biển tầm xa sóng bề mặt (HFSWR) thường có cấu trúc đơn trạm với các ăng ten mạng pha của hai hệ thống thu-phát đặt cách nhau khoảng 10 lần chiều dài bước sóng làm việc. Nhờ sử dụng sóng phân cực đứng của các bước sóng làm việc dài trong dải tần HF (3÷15MHz), HFSWR có khả năng chiếu xạ và thu các tín hiệu từ những khoảng cách xa hơn đường chân trời quang học [1]. HFSWR hiện nay đã trở thành công cụ quản lý vùng đặc quyền kinh tế hiệu quả nhất do khả năng cập nhật thông tin liên tục và tức thời. Trong HFSWR, các bộ phát hiện là các biến thể thích nghi của nguyên lý ổn định xác suất báo động lầm (CFAR). Tuy nhiên, do sự bất định của hàm phân bố nhiễu biển các tham số đánh giá theo xác suất báo động lầm Pfa hay xác suất phát hiện Pd thường được thay thế bởi chất lượng theo thống kê [2]. Quá trình thống kê tính toán trung bình tỉ số giữa số mục tiêu được phát hiện và tổng số mục tiêu (theo AIS khi kiểm tra). Kết quả thống kê được xác nhận sau vài tháng đến một năm vận hành. Điều này không đáp ứng được yêu cầu khi cần những đánh giá một cách nhanh chóng. Hiện nay, với các hệ thống HFSWR đã được triển khai trên thế giới, quá trình nghiên cứu hoàn thiện và nâng cấp luôn được tiến hành nhằm duy trì chất lượng hệ thống. Những vấn đề thường xuyên phát sinh trong thực tế cần giải quyết gồm có: + Xác định giải pháp linh hoạt dải tần hoạt động khi băng thông bị chiếm hữu; + Xác định giải pháp để nâng cao vùng quan sát về phương vị. Đặc điểm chung nhất của hai vấn đề trên là sự suy giảm chất lượng phát hiện do thay đổi của độ rộng búp sóng thu của hệ thống HFSWR với bản chất là do giản đồ hướng ăng ten mạng pha phụ thuộc vào bước sóng làm việc và hướng góc quét. Do đó, khi thay đổi tần số hoạt động hoặc thực hiện quan sát tại các góc phương vị tại các vùng biên, vùng mở rộng sẽ dẫn tới những thay đổi về các tham số của giản đồ hướng đặc biệt là sự mở rộng độ rộng búp sóng chính. Sự mở rộng búp sóng chính gây ra sự suy giảm về tỉ số tín/tạp và làm giảm chất lượng phát hiện trong vùng nhiễu biển bậc nhất đối với HFSWR. Việc tính toán đánh giá sự thay đổi chất lượng phát hiện theo độ rộng búp sóng chính vì thế có ý nghĩa quan trọng trong quá trình nghiên cứu áp dụng giải pháp duy trì chất lượng của hệ thống HFSWR. Trong nội dung tiếp theo, bài báo sẽ đề xuất một phương pháp tính toán, đánh giá nhanh sự thay đổi chất lượng phát hiện tương ứng với sự thay đổi độ rộng búp sóng chính. 2. QUAN HỆ TÍN HIỆU TRONG HFSWR 2.1. Giản đồ hướng và độ rộng búp sóng chính Hệ thống HFSWR đơn trạm như mô tả trên hình 1, với cụm ăng ten thu bao gồm dãy N phần tử ăng ten đồng dạng tuyến tính (ULA) lắp đặt cách nhau đồng đều một khoảng cách d. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 93
2. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Vùng quan sát 1 2 N-1 N d d D>10d Thiết bị phần phát Cáp Thiết bị phần thu Hình 1. Cấu trúc ăng ten HFSWR. Theo [3] giản đồ hướng của mảng ăng ten thu được xác định theo nguyên lý xếp chồng các hệ số mảng (AF) của N ăng ten như mô tả tại công thức (1): N 1 AFe  jn( kd sin ) (1) n 0 Trong đó: θ là góc búp sóng chính và β là giá trị lệch pha giữa hai phần tử ăng ten liền kề. Giản đồ hướng của mạng ăng ten thu thể hiện khả năng đảm bảo nhiệm vụ thu chọn lọc các tín hiệu từ hướng mong muốn, đồng thời nén nhiễu và các tín hiệu can nhiễu từ các hướng khác.Việc quét búp sóng định hướng trong vùng quan sát được điều khiển nhờ giá trị pha  . Trên hình 2 mô tả giản đồ hướng được tổ hợp của ULA có 32 phần tử theo công thức (1) với các góc hướng từ trái qua phải lần lượt là 00, 300, 600. Búp chính Mức búp phụ Các búp bên Hình 2. Giản đồ hướng chuẩn của ULA 32 phần tử. Độ rộng búp sóng chính là độ lớn góc tại vị trí nửa công suất (-3dB) thường được kí hiệu là HPBW. Tại [3] HPBW của mạng ULA được tính theo công thức (2). Trong đó,  là bước sóng làm việc của HFSWR, N là số phần tử ăng ten, d là khoảng cách giữa các phần tử ăng ten thu và 0 là hướng búp sóng chính. 0.886 HPBWULA (2) Nd cos0 Theo (2) độ rộng búp sóng sẽ là giống nhau nếu lựa chọn d = a.  (a > 0). Trên hình 3 minh họa các độ rộng búp sóng theo góc định hướng tại các tần số làm việc: 3 MHz, 6 MHz, 9 MHz với giá trị d cố định bằng nửa bước sóng của tần số 6 MHz. 94 H. H. Dũng, , N. V. Tiến, “Phương pháp đánh giá ảnh hưởng qui luật biến đổi tín hiệu.”
3. Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 3. Độ rộng búp sóng mảng ULA tại các tần số khác nhau khi d cố định. Có thể thấy, độ rộng búp sóng sẽ tăng khi bước sóng làm việc lớn hơn hai lần khoảng cách giữa các phần tử ăng ten (  > 2d) hoặc khi góc hướng chiếu xạ tăng. Trong vùng quan sát từ 00 đến 750 HPBW có thể tăng xấp xỉ 7 lần từ 3,60 đến 220. 2.2. Tỉ số năng lượng của mục tiêu và nhiễu bề mặt Phương trình chuẩn tính toán năng lượng tín hiệu thu trong ra đa được viết như theo phương trình (3) [4]: PPPGG22()P()    dR(,) Pd R t t r(,) t t r (3) r 3 4 3 4 (4 )(4LLRLLRs ) psVV p Trong đó: V -Vùng diện tích tương ứng một ô phân giải ra đa;  - Diện tích phản xạ hiệu dụng; R - Tâm của ô ra đa theo cự ly; Pt - Công suất phát; Ls - Suy hao hệ thống; Lp - Suy hao lan truyền đặc trưng;  - Bước sóng làm việc của ra đa; Pt () - Giản đồ năng lượng ăng ten phát; P()r  - Giản đồ năng lượng ăng ten thu; Gt - Hệ số khuếch đại ăng ten phát; Gr - Hệ số khuếch đại ăng ten thu. Trong HFSWR sử dụng các nghiên cứu trong [1], diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của mục tiêu được tính theo công thức (4): 3  m 52 fD (4) Với f là tần số làm việc và D là tải trọng theo đơn vị nghìn tấn của tàu biển. Như vậy, mục tiêu trong dải tần HF có dạng mục tiêu điểm, với năng lượng thu có thể khai triển từ công thức (3): Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 95
4. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2 PGt t G r m Prm 34 (5) (4 ) RLLsP Nhiễu biển có đặc tính phân bố bề mặt, năng lượng nhiễu được triển khai từ (3): P2 RR0 /2 dR PP Ptn d ()()   (6) rnt(4 r )32LLR spRR0 /2  Với  m là RCS của nhiễu bề mặt; R là phân giải theo cự ly và 3 là HPBW của búp sóng chính tính theo radian. Trong [4] công thức (6) được tính toán để có được tính toán đầy đủ về năng lượng nhiễu phân bố bề mặt theo công thức (7): 2 Ptm R PGrnr G t 3 2 2 0.573 (7) (4 )/LLRR 4sp Từ công thức (5), (7) tỉ số năng lượng tín hiệu mục tiêu và nhiễu bề mặt được tính theo công thức (8): 22 Prm m RR / 4 11 4 SNR0 (8) Prn n RR 0.57 33 22  m RR /4 Với: SNR0 4 (9)  n RR0.57 Như vậy, tỉ số giữa tín hiệu và nhiễu biển sẽ suy giảm khi HPBW tăng. 3. GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ SỰ SUY GIẢM CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN THEO HPBW Bộ phát hiện trong HFSWR theo nguyên lý CFAR áp dụng nhiều dạng biến thể như CML- CFAR, VI-CFAR, nhằm thích nghi với sự không đồng nhất của môi trường hoạt động. Sự đa dạng phương án CFAR sử dụng trong HFSWR làm cho việc tính toán khả năng phát hiện hay mức độ lỗi phát hiện không có sự thống nhất. Do đó, phương pháp thống kê kết quả hoạt động thực tế là giải pháp chính để đánh giá chất lượng phát hiện trong HFSWR. Như đã đề cập, phương pháp này cần thời gian dài thu thập kết quả trước khi đưa ra đánh giá, điều này sẽ gây khó khăn trong đánh giá chất lượng phát hiện của HFSWR khi có vấn đề phát sinh và làm chậm quá trình đưa ra giải pháp khắc phục. Như đã nêu tại mục 1, một trong những yêu cầu cần thiết trong HFSWR là đánh giá sự thay đổi chất lượng liên quan đến sự thay đổi độ rộng búp sóng chính. Nội dung chính trong bài báo thực hiện đề xuất một giải pháp cho yêu cầu nêu trên. Giải pháp được đề xuất thực hiện đánh giá theo qui luật biến đổi tín hiệu thu, đảm bảo các tiêu chí sau: + Quá trình đánh giá dựa trên các mô hình tính toán lý thuyết; + Các đánh giá không phụ thuộc vào thiết kế bộ phát hiện CFAR của hệ thống HFSWR. Trong ra đa, tín hiệu thu từ hệ thống ăng ten được xử lý, biến đổi thành giá trị có biên độ thay đổi theo công suất tín hiệu tại mặt mở ăng ten. Qui luật này được gọi là Square Law. Theo [5] tín hiệu thu Square Law có giá trị chuẩn hóa theo năng lượng từ mục tiêu r2 và năng lượng nhiễu 2 trung bình 2 n như tại công thức (10): r 2 y 2 (10) 2 n Thống kê xác suất của y được tính theo công thức (11) [5]: 96 H. H. Dũng, , N. V. Tiến, “Phương pháp đánh giá ảnh hưởng qui luật biến đổi tín hiệu.”
5. Nghiên cứu khoa học công nghệ r2 2 22 rdr r /22nn pY () yee 2 (11)  n dy Xác suất báo động lầm Pfa được xác định từ thống kê xác suất của y theo công thức (12): r2 2 P P() y dy e y e 2 n (12) fa Y y Để tính xác suất báo động lầm, một giá trị ngưỡng T được thiết lập cho tiêu chuẩn phát hiện. Từ mục tiêu của giải pháp, để đánh giá xác suất báo động lầm trong dải biến đổi góc, giá trị T -3 0 được chọn để HFSWR đảm bảo Pfa0 = 10 tại góc vùng biên theo tiêu chuẩn công bố là 60 . Công thức (12) được tính toán trên phần mềm MATLAB với năng lượng nhiễu trung bình thay đổi theo hướng búp sóng chính (độ rộng đã được tính tại mục 2.1). Hình 4 tổng hợp các kết quả tính toán thu được. m ầ l g n ộ đ o á b t ấ u s c á X Pfa = 0.001 Góc quét (theo độ) Hình 4. Xác suất báo động lầm theo độ rộng búp sóng chính. -3 0 Từ kết quả thu được có thể rút ra nhận xét: Với thông số Pfa = 10 được đảm bảo tại góc 60 , trong miền giá trị độ rộng búp sóng chính từ 3,60 đến 120 chất lượng xác suất báo động lầm được 0 duy trì ổn định. Tuy nhiên, tại các góc quét ngoài 60 giá trị Pfa tăng nhanh chóng. Điều này cũng giải thích vì sao giá trị góc giới hạn tiêu chuẩn của HFSWR thường là 600. Kết quả mô phỏng cũng xác định đối với các hiệu chỉnh hệ thống khiến độ rộng búp sóng chính tăng quá 120 cần phải có giải pháp thích nghi nhằm duy trì Pfa. Cũng theo [5], xác suất phát hiện được tính nhờ hàm hiệu chỉnh Bessel bậc 0 như mô tả tại công thức (13) với I0 là hàm hiệu chỉnh Bessel bậc 0, SNR là tỉ số tín hiệu mục tiêu và nhiễu, giá trị y được xác định theo công thức (10): P e SNR e y I(2 SNR . y ) dy (13) d 0 y Việc sử dụng công thức (13) để tính Pd là rất khó khăn khi mà các hàm phụ thuộc SNR, y (có giá trị biến động) đều rất phức tạp. Giải pháp được đề xuất đó là sử dụng đường cong ROC (Receiver Operating Characteristic). Theo [6] đường cong ROC được thiết kế để mô tả quan hệ trong máy thu theo biến đổi Square Law giữa Pfa, Pd và SNR. Để tính toán Pd, các bước tiến hành sẽ được thực hiện hiện tuần tự như sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 97
6. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử + Xác định khoảng thay đổi SNR theo độ rộng búp sóng chính; + Vẽ đồ thị ROC theo Pfa, Pd và SNR; + Xác định các giá trị Pd theo một giá trị cần đạt của Pfa. Như đã xác định tại Mục 2.2 quan hệ SNR thay đổi từ 0 dB tới 8,5 dB theo dải của góc chiếu xạ; Đồ thị ROC (đã lược bớt) theo các giá trị SNR được thể hiện trên hình 5. Hình 5. Quan hệ giữa xác suất phát hiện và xác suất báo động làm theo SNR. -3 Từ các đường đồ thị tại hình 5, các giá trị Pd nằm dải thay đổi 8,5 dB ứng với Pfa = 10 được tổng hợp tại hình 6. Trên hình 6 thể hiện mức độ suy giảm khả năng phát hiện khi độ rộng búp sóng thu tăng. Các giá trị Pd được tính toán có giá trị tương ứng với trung bình thống kê theo thống kê tại [2]. Như vậy, phương pháp đánh giá Pd có kết quả tương đồng với quá trình thống kê và có phạm vị đánh giá rộng hơn. Có thể thấy, sự suy giảm Pd cơ bản là tuyến tính với giá trị SNR tính theo dB khi giá trị Pfa được giữ cố định. -3 Hình 6. Đánh giá Pd khi SNR thay đổi với Pfa=10 . 98 H. H. Dũng, , N. V. Tiến, “Phương pháp đánh giá ảnh hưởng qui luật biến đổi tín hiệu.”
7. Nghiên cứu khoa học công nghệ 4. KẾT LUẬN Yêu cầu thực hiện những đánh giá các giải pháp hiệu chỉnh cho HFSWR luôn có tính cấp thiết. Giải pháp đánh giá chất lượng phát hiện trong hệ thống HFSWR thông qua qui luật biến đổi tín hiệu (quan hệ theo công suất) được xuất phát từ những nghiên cứu xây dựng mô hình về quan hệ giữa tỉ số tín hiệu trên nhiễu và nguyên lý tổ hợp búp sóng. Từ đó, đưa ra phương pháp tính toán các tham số xác suất báo động lầm, xác suất phát hiện trong tiêu chuẩn đánh giá chất lượng phát hiện. Kết quả đạt được có sự tương đồng với phương pháp thống kê trung bình mà không cần khoảng thời gian thực hiện kéo dài. Trong phương pháp được nghiên cứu, các ảnh hưởng đặc trưng theo địa lý, tính chất thủy văn không được đề cập, điều này cho phép mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp. Định hướng nghiên cứu tiếp theo đó là, xây dựng giải pháp ghép nối các giai đoạn đánh giá giải pháp thực hiện và đánh giá chất lượng theo giải pháp để đưa ra kết quả đánh giá cuối cùng đối với chất lượng phát hiện của hệ thống HFSWR. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. A.M. Ponsford, J. Wang, “A review of High Frequency Surface Wave Radar for detection and tracking of ships”, Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences 18 (2010). [2]. OTHR-ST_Specification, “Over-the-Horizon-Radar Ship Detection & Tracking”, HELZEL Messtechnik 2018. [3]. C. A. Balanis,“ Antenna theory analysis and design“, John Wiley and Sons 4th Edition (2016), tr. 285-345. [4]. M.A. Richards, “Radar Signal Processing” McGraw Hill Education 2nd Edition (2015), tr. 41-79. [5]. R.W. Middlestead, “Digital Communications with Emphasis on Data Modems: Theory, Analysis, Design, Simulation, Testing, and Applications” John Wiley and Sons 1st Edition (2017), Appendix C. [6]. T. Fawcett. “ROC Graphs: Notes and Practical Considerations for Researchers”, 2004. ABSTRACT A METHOD FOR ACCESSING THE EFFECT OF MAIN LOBE’S BEAMWIDTH ON TARGET DETECTION CAPABILITY IN LONG RANGE HIGH FREQUENCE SURFACE WAVE MARINE RADAR USING SIGNAL MODULATION SCHEME Currently, improving the quality of long-range high-frequency surface wave marine radars has become a critical problem. In long-range high-frequency surface wave marine radars, the performance assessment is mainly based on statistical methods from the practical operating results. This method provides accurate results; However, it requires a long time to collect enough data. Therefore, developing a new approach to evaluating the detection quality is essential. In this paper, a solution that can assess detection quality when changing the main beamwidth is presented. Keywords: HFSWR; Target detect; Detection quality. Nhận bài ngày 03 tháng 3 năm 2021 Hoàn thiện ngày 06 tháng 5 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 6 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Ra đa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng; 2Phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Công Nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng; 3Viện Tích hợp hệ thống, Học viện Kỹ thuật quân sự, Bộ Quốc phòng. *Email: dungsystemdesigner@gmail.com. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 73, 06 - 2021 99