Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ thống radar mimo và định vị mục tiêu di động sử dụng hàm ambiguity

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO

VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG

HÀM AMBIGUITY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Bình Định, Năm 2019

e

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RADAR MIMO

VÀ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU DI ĐỘNG SỬ DỤNG

HÀM AMBIGUITY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS ĐÀO MINH HƢNG

e

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hệ thống radar MIMO và định vị

mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity” là công trình nghiên cứu của riêng

học viên.

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần là lý

thuyết cơ bản về kỹ thuật radar, một phần là các nghiên cứu về radar MIMO

đã được công bố hiện nay tại các trường Đại học và các bài báo trên tạp chí

của Viện kỹ thuật công nghệ điện - điện tử IEEE. Phần còn lại là nghiên cứu

ứng dụng và mô phỏng hàm Ambiguity định vị mục tiêu di động là nghiên

cứu của học viên.

Quy Nhơn, ngày 15 tháng 9 năm 2019

Học viên

Nguyễn Thanh

e

ii

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi muốn cám ơn thầy hướng dẫn của tôi, TS Đào Minh Hưng,

người đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn

này. Thầy đã dạy tôi mọi thứ tôi cần để trở thành một nhà nghiên cứu như là

sáng tạo, suy nghĩ sâu sắc và các kỹ năng trình bày ý tưởng và viết bài. Thầy

cũng là một quý ông hoàn hảo, luôn tốt bụng, lịch sự và ân cần. Thầy là một

hình mẫu hoàn hảo và tôi đã học được rất nhiều.

Tôi cũng muốn cảm ơn đến các giảng viên trong Khoa Kỹ thuật và Công

nghệ, các bạn cùng lớp Kỹ thuật viễn thông K20. Đây thực sự là một tập thể

tuyệt vời khi học tập, làm việc và nghiên cứu cùng nhau.

Ngoài ra, tôi cũng muốn cảm ơn cha mẹ tôi vì tình yêu và sự ủng hộ của

họ cho cả cuộc đời tôi. Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến người vợ đáng

yêu Nguyễn Thị Vân Anh vì sự đồng hành và tình yêu của cô ấy.

e

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i

MỤC LỤC.....................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................. vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................... vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................viii

PHẦN MỞ ĐẦU........................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài................................................................................ 1

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài................................................ 2

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu...................................................... 3

4. Đối tượng nghiên cứu......................................................................... 4

5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 4

6. Tóm tắt nội dung nghiên cứu .............................................................. 4

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................ 5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RADAR............................. 6

1.1. Khái niệm hệ thống radar..................................................................... 6

1.1.1. Lịch sử radar...................................................................................... 6

1.1.2. Phân loại radar................................................................................... 7

1.1.3. Băng tần của radar........................................................................... 10

1.2. Các tham số chính và các khái niệm về kỹ thuật radar..................... 13

1.2.1. Các tham số chính ........................................................................... 13

1.2.2. Phương trình radar........................................................................... 16

1.2.3. Các khái niệm.................................................................................. 18

1.3. Nguyên lý cơ bản về xử lý tín hiệu trong radar ................................. 20

1.3.1. Bộ lọc thích hợp (Matched Filter).................................................... 20

1.3.2. Hiệu ứng Doppler............................................................................ 22

1.3.3. Mục tiêu hướng tâm đi xa đài radar ................................................. 26

e

iv

1.3.4. Mục tiêu hướng tâm đi đến đài radar ............................................... 28

1.3.5. Xác suất báo động nhầm CFAR....................................................... 30

1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................... 34

CHƢƠNG 2: RADAR MIMO................................................................... 35

2.1. Tổng quan về radar MIMO................................................................ 35

2.2. Phân loại Radar MIMO...................................................................... 36

2.3. Radar MIMO kết hợp ......................................................................... 37

2.3.1. Mô hình tín hiệu trong radar MIMO kết hợp ................................... 38

2.3.2. Độ phân giải tín hiệu ....................................................................... 41

2.3.4. Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO kết hợp.... 43

2.3.5. Mô phỏng xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO

kết hợp ...................................................................................................... 46

2.4. Hệ thống radar MIMO thống kê ........................................................ 48

2.4.1. Mô hình tín hiệu trong radar MIMO thống kê.................................. 49

2.4.2. Xác suất phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê.. 53

2.4.3. Mô phỏng phát hiện mục tiêu trong hệ thống radar MIMO thống kê55

2.5. So sánh xác suất phát hiện mục tiêu trong radar MIMO kết hợp và

radar MIMO thống kê ............................................................................... 57

2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................... 57

CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR BẰNG HÀM

AMBIGUITY.............................................................................................. 58

3.1. Giới thiệu hàm Ambiguity .................................................................. 58

3.1.1. Các tính chất của hàm Ambiguity.................................................... 59

3.1.2. Hàm Ambiguity của radar MIMO ................................................... 60

3.1.3. Định vi mục tiêu di động sử dụng hàm Ambiguity .......................... 62

3.2. Mục tiêu di động có chuyển động hƣớng tâm .................................... 63

3.2.1.Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm64

e

v

3.2.2. Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động hướng tâm65

3.3. Mục tiêu di động có chuyển động không hƣớng tâm......................... 67

3.3.1. Hàm Ambiguity đối với các mục tiêu di động có chuyển động không

hướng tâm ................................................................................................. 67

3.3.2. Hàm ước lượng các tham số mục tiêu di động có chuyển động không

hướng tâm ................................................................................................. 67

3.4. Mô phỏng ............................................................................................. 68

3.4.1 Mô hình toán của hàm Ambiguty đối với mục tiêu di động có chuyển

động hướng tâm ........................................................................................ 69

3.4.2 Mô hình toán của hàm Ambiguity cho tín hiệu phản xạ di động có

chuyển động không hướng tâm ................................................................. 74

3.5 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................... 79

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................... 80

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

e

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết

tắt

Tiếng Anh Tiếng Việt

AF Ambiguity Function Hàm Ambiguity

CW Continuous Wave Sóng mang liên tục

CFAR Constant False Alarm Rate Tốc độ báo động sai liên tục

DSF Doppler Stretch Factor Hệ số dịch tần Doppler

DOA Direction of Arrival Hướng phản xạ

DOD Direction of Departure Hướng phát xạ

IPP Inter Pulse Period Khoảng thời gian giữa các xung

LOS Light Of Sight Nhìn thẳng

LRT Likelihood Ratio Test Kiểm tra tỷ lệ hợp lý

MF Matched Filter Bộ lọc thích hợp

ML Maximum Likelihood Hợp lý cực đại

MSE Mean Square Estimation

Ước lượng trung bình bình

phương

Pdf probability density function Hàm mật độ xác suất

PR Pulse Radar Radar xung

PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp xung

PRI Pulse Repetition Interval Chu kỳ lặp xung

RCS Radar Cross Section Tiết diện phản xạ của radar

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLS Radio Location System Hệ thống định vị vô tuyến

ROC Receiver Operating Curve Biểu đồ hoạt động thu

SIMO Single Input Multiple Output Một máy phát và nhiều máy thu

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

e

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

D Cự ly

C Tốc độ truyền tín hiệu

Hệ số dịch tần Doppler

Số phần tử dãy máy thu

Số phần tử dãy máy phát

Pd Xác xuất phát hiện

Pfa Xác xuất báo động sai

Pt Công suất phát đỉnh

Thời gian trễ

Cự ly nhỏ nhất giữa radar và mục tiêu trong trường hợp mục tiêu

di động có chuyển động không hướng tâm.

Tần số Doppler

Tần số sóng mang

σ

(0) Hệ số tán xạ

Máy phát

Máy thu

Tích Kronecker

Vận tốc mục tiêu

e