Nghiên cứu thiết kế bộ bù tương quan cho hệ thống phát hiện mục tiêu thiết bị bay có điều khiển

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BÙ TƯƠNG QUAN CHO HỆ THỐNG 
 PHÁT HIỆN MỤC TIÊU THIẾT BỊ BAY CÓ ĐIỀU KHIỂN 
 Đỗ Tuấn Cương1, Vũ Anh Hiền1*, Tô Bá Thành2 
 Tóm tắt: Bài báo là kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu trên nền nhiễu chủ 
 động để phát hiện mục tiêu của một tổ hợp thiết bị phát hiện thụ động. Bài báo trình bày 
 nghiên cứu lý thuyết, các phân tích về cấu tạo đầu thu, đặc điểm tín hiệu, xây dựng sơ đồ 
 khối, sơ đồ cấu trúc và mô tả nguyên lý hoạt động của bộ bù tương quan trong hệ thống 
 phát hiện mục tiêu, đưa ra mô hình toán học thực hiện thuật toán này. Các kết quả mô 
 phỏng, được thực hiện trong môi trường Matlab/Simulink và Proteus làm tường minh các 
 phân tích lý thuyết, là cơ sở thiết kế mạch điện bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện 
 mục tiêu. 
Từ khóa: Bù tương quan; Thiết bị bay có điều khiển; Matlab/Simulink; Proteus. 
 1. MỞ ĐẦU 
 Để phóng thành công một thiết bị bay tự dẫn theo mục tiêu, việc phát hiện được mục tiêu 
trước khi phóng, nhất là trong các trường hợp bị gây nhiễu chủ động, rất quan trọng. Thu tín hiệu 
mục tiêu (có kèm nhiễu) do cảm biến trên thiết bị bay, xử lý tín hiệu để phát hiện, xác định điều 
kiện phóng do thiết bị phóng mặt đất đảm nhận. Thiết bị bay khi còn ở trên mặt đất và thiết bị 
phóng tạo thành một hệ thống thống nhất. Trong hệ thống, tín hiệu mục tiêu được lọc khỏi nhiễu, 
tích lũy theo thời gian và so sánh với một ngưỡng theo một tiêu chí xác định, khi vượt ngưỡng 
mục tiêu được phát hiện với một xác suất cho trước. Điều này đảm bảo cho thiết bị bay bám sát 
tin cậy mục tiêu sau khi phóng. Để thực hiện lọc tín hiệu một trong các thuật toán được sử dụng 
là bù tương quan [2, 3]. Ở nước ta, ít có các nghiên cứu và ứng dụng về lĩnh vực này. Nhóm tác 
giả, trên cơ sở nghiên cứu một nguyên mẫu một bộ phát hiện mục tiêu của nước ngoài, tiến hành 
thiết kế “ngược” để xác định thuật toán xử lý tín hiệu. Từ đó làm chủ thiết kế, chế tạo mẫu tương 
đương. Bài báo này trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết, phân tích nguyên mẫu, xây dựng mô hình 
và mô phỏng một bộ bù tương quan trong hệ thống phát hiện mục tiêu và một số kết quả thực tế 
đã đạt được. 
 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 
2.1. Xác định mô hình tín hiệu 
 40'
 Quang trở kênh bù Quang trở kênh chính 
 (a) (b) 
 Hình 1. Phổ bức xạ của mục tiêu và nhiễu chủ động một cách định tính (a); 
 Bố trí của các quang trở kênh “C” và “B” trong các mặt phẳng tiêu cự của hệ quang (b). 
 Mô hình tín hiệu cho thực hiện thuật toán bù tương quan được xây dựng nhờ các biện pháp 
sau trong hệ thu quang điện tử trên thiết bị bay: 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 11 
 Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay 
 + Sử dụng hai quang trở cho hai kênh chính (C) và bù (B). Vật liệu chế tạo quang trở kênh C 
và kênh B khác nhau dẫn tới quang trở kênh C nhạy với ánh sáng hồng ngoại bước sóng 3-5μm, 
quang trở kênh B nhạy với ánh sáng hồng ngoại bước sóng 0.5-1.5μm. Một cách định tính bức xạ 
mục tiêu và nhiễu được các quang trở kênh C và B thu nhận được thể hiện trên hình 1a. 
 + Hai quang trở được đặt lệch pha với nhau một góc 15-200. Quang trở kênh C đặt chậm pha 
so với quang trở kênh B, hình 1b. Độ rộng quang trở kênh C bằng 30’, độ rộng quang trở kênh B 
rộng 40’. 
 Từ các giải pháp chủ động nêu, các tín hiệu thu của các kênh C và B có các đặc điểm riêng và 
tương quan với nhau một cách xác định. 
2.2. Tổng quan về bộ lọc thích nghi với bộ bù tương quan 
 Một bộ lọc thích nghi có bù tương quan thực hiện lựa chọn không gian các tín hiệu thu được 
từ các kênh thu khác nhau. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc như sau. 
 Uc
 Σ UR
 UB X
 -k
 X
 Hình 2. Bộ lọc nhiễu tích cực thích nghi sử dụng bộ bù tương quan. 
 Đầu vào của bộ lọc có tín hiệu kênh C và kênh B. Tín hiệu UtC () là nhiễu thu được của kênh 
chính. Tín hiệu UtB () là nhiễu thu được của kênh bù. 
 URCB()().() t U t k U t (1) 
 Trong bộ bù X , mô men tương quan URB()() t U t đặc trưng cho mối quan hệ giữa tín hiệu 
UtR () và tín hiệu nhiễu kênh bù thu được UtB () được tính ra. Mô men tương quan là một hàm 
số phụ thuộc vào UtC ()và UtB (). Bộ phản hồi tương quan tính ra mô men tương quan k với độ 
chính xác tới một thừa số χ cố định và được sử dụng như là một thừa số điều khiển. 
 (2) 
 k .()() URB t U t 
 Từ (1) và (2) xác định được k theo UtC () và UtB () như sau: 
 .UCB ( t ) U (t)
 k 2 
 1  UtB ( )
 Còn tín hiệu UtR () như sau: 
 .UCB ( t ) U (t)
 URCB( t ) U (t)2 . U (t) (3) 
 1  UtB ( )
 Từ hệ thức (3) rút ra rằng: khi χ đủ lớn và tương quan đủ giữa UtC () và UtB () (ví dụ 
UBC()() t U t ) thì xảy ra bù nhiễu hoàn toàn. 
12 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế  thiết bị bay có điều khiển.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Nhóm tác giả phân tích nguyên mẫu và xác định rằng, để hiện thực hóa thuật toán phát hiện 
tín hiệu mục tiêu biết trước [4], nguyên mẫu áp dụng quy tắc phát hiện: 
 ˆ
 H1
 ZZ (4) 
 N
 ˆ
 H0
 Trong đó, Z là tích phân tương quan: Zy (t)s(t)dt . Tại giả thuyết H1: y(t)=s(t)+n(t) tương 
quan trung bình lớn hơn tại giả thuyết H0, khi đó, y(t)=n(t). Mức ngưỡng ZN phụ thuộc vào tiêu 
chí phát hiện. Tiêu chí thường được sử dụng là tiêu chí Neiman-Pirson ZN được xác định với 
mức báo động nhầm cho trước. Khi tín hiệu “MT” cao vượt trên tín hiệu “N” tại đầu ra bộ 
ngưỡng hình thành tín hiệu thông báo. Tiêu chí đánh giá cụ thể trong cơ cấu phóng trong trường 
hợp này là đảm bảo tỷ lệ tương quan sao cho sau khi phóng thiết bị bay bắt và bám sát mục tiêu 
tin cậy ổn định. 
2.3. Bộ bù tương quan cơ cấu phóng thiết bị bay có điều khiển 
 Nghiên cứu nguyên mẫu và cơ sở lý thuyết về bù tương quan, các tác giả xây dựng sơ đồ cấu 
trúc bộ bù tương quan , trong đó, khối X xác định hệ số -k. Bộ bù tương quan hình thành thừa số 
bù k sao cho tín hiệu “N” (nhiễu) trong kênh B cân bằng với tín hiệu “N” trong kênh C để tạo 
điều kiện cho tách tín hiệu “MT” (mục tiêu) khỏi “N”. 
 Giả sử, tại thời điểm ban đầu tại đầu ra bộ tích phân có một điện áp k’ nào đó, điện áp này 
được lấy trung bình trong mạch lấy giá trị trung bình (average detector). 
 Nhờ có sự làm việc của bộ bù hiệu chỉnh tại đầu ra của bộ nhân (1) có: 
 U1= UB.k’ 
 Trong mỗi khoảng khắc tức thời U1 ngược về pha so với điện áp UC. Như vậy, tại đầu ra bộ 
tổng Σ điện áp: UR = UC – UB.k’ 
 Điện áp UR được lọc lấy thành phần tần số thấp sau khi qua bộ lọc thông thấp (LF). Để khôi 
phục tính tương can tín hiệu UΣ với tín hiệu UB bộ giữ chậm τ và bộ nhân (2) được sử dụng. Điện 
áp UΣ’ được tích phân và được phản hồi tới bộ nhân (1). Quá trình xác lập được thiết lập khi: 
 UR = UC - UB.k’ ≈ 0 và k = k’, k là giá trị xác lập của k’. Khi tương quan UC, UB thay đổi, k 
biến đổi theo để sao cho UR luôn luôn bám sát mức 0. Như vậy, ở đây ta thấy, giá trị k phụ thuộc 
vào tương quan UC, UB và là một hàm số: 
 U
 kf B 
 UC 
 Hàm số này thỏa mãn các điều kiện sau: 
 U
 1 khi B 
 UC 
 k 
 UUBB 
 f khi 
 UUCC 
 Như vậy, khi tín hiệu C trội rõ ràng so với B, bộ tích phân bão hòa, bộ bù tương quan bị ngắt. 
 U B 
Khi điện áp ra của bộ tích phân tiến tới không, UR= UC, suy ra xảy ra việc cân bằng 
 UC 
tín hiệu “N” trong kênh B với tín hiệu “N” trong kênh C; Khi UB=0 thì đầu ra bộ tích phân có thể 
có giá trị cố định âm hoặc dương cực đại. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 13 
 Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay 
 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ BÙ TƯƠNG QUAN VÀ MÔ PHỎNG 
 Trên cơ sở phân tích lý thuyết và khảo sát thực tế, nhóm đề tài đã thực hiện mô hình hóa bộ 
bù tương quan trên môi trường Matlab/Simulink như sau: 
 Hình 3. Mô hình hóa bộ bù tương quan trên môi trường Matlab/Simulink. 
 Trong mô hình trên, khối máy phát OК-BК mô phỏng các tín hiệu trên kênh chính (C) và 
kênh bù (B); bộ bù tương quan gồm bộ lọc E7.14, E3.14; bộ tích phân E3.1, các bộ nhân XY1, 
XY2 và bộ giữ chậm De02. 
 Khi tín hiệu trên kênh C và kênh B ổn định, không thay đổi, mô phỏng bộ bù tương quan sẽ 
cho kết quả sau: 
 Hình 4. Kết quả mô phỏng khi tín hiệu kênh C và kênh B ổn định. 
 Trên đồ thị tín hiệu “SUM”, ta thấy, tín hiệu từ “N” giữa hai kênh C và B giảm dần về giá trị 
0 (trong công thức 1: UtR ( ) 0 ), tín hiệu từ “MT” gần như không thay đổi. 
 Hình 5. Kết quả mô phỏng đã được giãn cách một phần trục thời gian. 
14 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế  thiết bị bay có điều khiển.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Trên hình 5 thể hiện một phần kết quả mô phỏng sau khi đã được giãn trục thời gian để quan 
sát rõ hơn quá trình tiến tới 0 của tín hiệu UtR () (“SUM”). 
 Khi tín hiệu từ “MT” biến thiên theo tương quan, tín hiệu “SUM” cũng thể hiện theo đúng 
tương quan giữa kênh C và kênh B. 
 Qua mô phỏng, nhận thấy rằng: 
 + Tín hiệu từ “MT” gần như không bị ảnh hưởng, thuật toán chỉ thực hiện bù tín hiệu từ “N” 
trên các kênh C và kênh B. 
 + Mô hình toán học của bộ bù tương quan ta xây dựng đã làm việc phản ánh đúng bản chất 
của thuật toán bù tương quan như đã phân tích tại mục 2.2. Các giản lược được thực hiện không 
ảnh hưởng tới nguyên lý. 
 Trên cơ sở các kết quả mô phỏng Matlab Simulink làm rõ về nguyên lý, thuật toán, để thiết kế 
mạch điện, điều chỉnh tham số chi tiết, nhóm tác giả đã xây dựng sơ đồ điện, thực hiện mô phỏng 
bằng phần mềm Proteus. Trong khuôn khổ của bài báo các tác giả không trình bày cụ thể. Nội 
dung này đã được viết trong chuyên đề “Thiết kế tổng hợp, mô phỏng mạch lọc mục tiêu khổi 
nền nhiễu có tổ chức, mạch bù tương quan” thuộc một đề tài nghiên cứu của các tác giả. 
 4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 
 Trên cơ sở phân tích và khảo sát bộ bù tương quan thông qua các mô hình Matlab/Simulink 
và Proteus, các tác giả đã tiến hành thiết kế, chế tạo mạch điện bảng mạch chức năng phát hiện 
mục tiêu trong thành phần cơ cấu phóng. Trong đó, bộ phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực 
với bộ bù tương quan là một trong ba thành phần tương đối độc lập của bảng mạch. Bộ bù tương 
quan cho hệ thống phát hiện mục tiêu thiết bị bay có điều khiển được thiết kế bằng các vi mạch 
theo thuật toán xử lý đã trình bày ở trên. 
 Các tác giả đã tiến hành thử nghiệm hoạt động chức năng trong điều kiện phòng thí nghiệm, 
kiểm tra, hiệu chỉnh và đo đạc đánh giá tham số so với chỉ tiêu. Dưới đây là kết quả kiểm tra 
tham số đạt được như sau: 
 Bảng 1. Bảng kiểm tra tham số bộ bù tương quan trong điều kiện phòng thí nghiệm. 
 Tên tham số kiểm tra Chỉ tiêu Giá trị đo được Ghi chú 
 Tương quan các điện áp UMT.C/UN.C 
 khi UN.B/UN.C=7 mà khi đó xuất hiện Kiểm tra phát 
 các tín hiệu xung tại đầu ra bộ hiện mục tiêu 
 ngưỡng, khi các tín hiệu N.C: 
 khi cố định 
 U /U , thay 
 U = 100 mV: 1,6 ± 0,05 1,57 N.B N.C
 N.C đổi tín hiệu 
 UN.C = 50 mV: 1,51,8 1,6 N.C 
 UN.C = 200 mV: 1,51,8 1,62 
 5. KẾT LUẬN 
 Các tác giả đã nghiên cứu nguyên mẫu, thực hiện quá trình thiết kế “ngược” để giải mã thiết 
kế, nắm được thuật toán xử lý phát hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực sử dụng bù tương quan. 
Trên cơ sở thuật toán đó đã xây dựng các mô hình bộ bù tương quan bằng các công cụ 
Matlab/Simulink và Proteus, đã tiến hành khảo sát hoạt động của mô hình bộ bù tương quan, xác 
định sơ bộ các yêu cầu đối với các khâu chức năng, cụ thể hóa trên mô hình Proteus. Từ đó, các 
tác giả đã thiết kế chế tạo bảng mạch phát hiện mục tiêu của thiết bị phóng trong đó có bộ phát 
hiện mục tiêu trên nền nhiễu tích cực với bộ bù tương quan. Bảng mạch đã được đo đạc, kiểm 
tra, đánh giá đạt các chỉ tiêu tham số theo yêu cầu. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 15 
 Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Bernard Widrow, Samuel D Stearns, “Adaptive Signal processing”, Prentice-Hall. Inc 1985, trang 16, 
 276, 318. 
[2]. Д.Н. Ивлев, И.Я. Орлов, А.В. Сорокина, Е.С Фитасов, “Адаптивные алгоритм компенсации 
 помех”, Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 
 2014.- 88 с. 
[3]. В. П. Бердышев, Е. Н. Гарин, А. Н. Фомин [и др.], “Радиолокационные системы” под общ. 
 ред. В. П. Бердышева, г. Красноярск, 2011. – 400 с/Глава 3, Основы статистической теории 
 обнаружения падиолокационных сигналов. 
[4]. Н. Гряник, С.Н. Павликов, Е.И. Убанкин, “Средства радиоэлектронного наблюдения”, изд. 
 ВГУЭС, г. Владивосток, 2006. 
 ABSTRACT 
 DESIGNING AND IMPLEMENTATING A CORRELATION COMPENSATOR 
 FOR THE TARGET DETECTING SYSTEM IN CONTROLLED FLYING VEHICLE 
 The paper is the result of research in the field of signal processing with active 
 jamming for detecting system in passive detector. The paper presents basic theory, 
 analysis of the receiver structure, signal characteristics, block diagram, structure diagram 
 and operation principle of the correlation compensator in the detecting system. It also 
 describes a mathematical model to implement Correlative compensation algorithm. The 
 simulation results, performed in Matlab/Simulink and Proteus environments, show the 
 consistency between mathematical model and circuit. That is the basis for practical design 
 of correlation compensator for target detecting system. 
Keywords: Correlative compensation; Flying object with controller; Matlab/Simulink; Proteus. 
 Nhận bài ngày 06 tháng 10 năm 2020 
 Hoàn thiện ngày 27 tháng 11 năm 2020 
 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 02 năm 2021 
Địa chỉ: 1Viện Tên lửa/Viện KH-CN quân sự; 
 2Phòng QLKHCN/Viện KH-CN quân sự. 
 *Email: vahienbk@gmail.com. 
16 Đ. T. Cương, V. A. Hiền, T. B. Thành, “Nghiên cứu thiết kế  thiết bị bay có điều khiển.”