- NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ. - CỦA HỆ THỐNG RA ĐA KHẨU ĐỘ TỔNG HỢP TRÊN VỆ TINH NHỎ Lê Tiến Dung 1 và Vũ Việt Phương 1. - 1 Trung tâm Vệ tinh Quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. - Ra đa, Vệ tinh nhỏ, Ra đa khẩu độ tổng hợp. - Hệ thống Ra đa Khẩu độ Tổng hợp (RKT) có thể cung cấp rất nhiều ưu điểm khác nhau, đặc biệt là chức năng cảm biến quan sát bề mặt Trái đất nên nó đang trở thành một công nghệ rất quan trọng trong lĩnh vực viễn thám. - Hiện nay, nhu cầu sử dụng cảm biến RKT trên vệ tinh nhỏ với chi phí thấp đang gia tăng mạnh mẽ. - Vì vậy, bài báo trình bày nghiên cứu về mối quan hệ giữa các tham số của hệ thống RKT nhằm mục đích thiết kế hệ thống RKT trên vệ tinh nhỏ với chi phí thấp. - Bài báo đã chỉ ra ưu điểm và nhược điểm khi chọn lựa tần số làm việc và sự phù hợp của ăng ten cỡ nhỏ đối với tần số làm việc. - Hơn nữa, bài báo cũng phân tích và đề xuất để một hệ thống RKT nhỏ vẫn có thể cung cấp hình ảnh với chất lượng cao thông qua việc đặt chu trình làm việc của máy phát ở mức cao.. - Hệ thống cảm biến RKT là công nghệ tiên tiến nhất được sử dụng trên các vệ tinh viễn thám hiện nay, nó có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng cảm biến quang học và hồng ngoại. - Khác với các hệ thống chụp ảnh quang học và hồng ngoại sử dụng nguồn năng lượng từ mặt trời, hệ thống ra đa sử dụng nguồn năng lượng của chính nó để tiến hành chụp ảnh và do đó được gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động. - Do sử dụng nguồn năng lượng của chính. - mình nên hệ thống ra đa cho phép chụp ảnh cả ngày lẫn đêm.. - Đặc biệt là sự kết hợp giữa vệ tinh nhỏ và cảm biến RKT sẽ cung cấp một. - Bài báo sẽ trình bày về những đặc điểm của RKT phù hợp với vệ tinh nhỏ đồng thời nghiên cứu mối quan hệ giữa các tham số của hệ thống RKT, đặc biệt là mối liên hệ giữa kích thước ăng ten, tần số hoạt động và chu trình làm việc của máy phát nhằm mục đích thiết kế hệ thống RKT trên vệ tinh nhỏ với chi phí thấp. - Những kết quả, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ được trình bày trong phần cuối của bài báo.. - 2 LÝ THUYẾT RA ĐA KHẨU ĐỘ TỔNG HỢP Nguyên lý cơ bản của hệ thống chụp ảnh ra đa là sử dụng ăng ten đặt trên máy bay hoặc vệ tinh phát ra các sóng điện từ có bước sóng từ 1 mm tới 1 m (hay có tần số từ 300GHz tới 300MHz) tới bề mặt trái đất sau đó nhận lại năng lượng phản xạ của các sóng này sau khi đã tương tác với bề mặt trái đất bằng ăng ten thu. - Thông thường ăng ten của máy thu cũng là ăng ten máy phát. - Máy thu sử dụng cường độ của năng lượng phản xạ thu được, sự phân cực của sóng điện từ cũng như thời gian truyền sóng để tạo ra ảnh ra đa. - Cường độ và tính chất của năng lượng điện từ tán xạ ngược tới máy thu của hệ thống ra đa sẽ cho biết các thông tin về kích thước, hình dạng, cấu trúc và đặc tính điện từ của bề mặt hoặc các đối tượng trên bề mặt. - Có thể nói ra đa là hệ thống chụp ảnh dựa vào khoảng cách được đo bằng thời gian truyền tín hiệu đi và nhận lại tín hiệu phản hồi từ mục tiêu, đối tượng càng gần với ăng ten sẽ được ghi nhận trên ảnh trước, đối tượng ở xa ăng ten sẽ được ghi nhận sau.. - Cũng chính vì nguyên nhân này nên hệ thống ra đa luôn chụp nghiêng và về một phía của vật mang (máy bay hoặc vệ tinh) vì nếu như ăng ten được đặt ở chính giữa và các búp sóng ra đa được phát ra về cả hai phía thì sẽ không thể phân biệt được những đối tượng có khoảng cách đến ăng ten bằng nhau nhưng nằm về hai phía của ăng ten.. - Sơ đồ hình học hệ thống RKT được thể hiện như Hình 1, trong đó H là độ cao cơ sở giữa mặt đất với quỹ đạo bay (quỹ đạo vệ tinh), R là cự li trung bình (trong trường hợp tổng quát được coi là cự li giữa vệ tinh tới mục tiêu quan sát), R n và R f là cự li gần nhất và xa nhất từ vệ tinh tới vùng quan sát, γ m là góc quan sát, ψ là góc là, θ i là góc tới và W là chiều rộng vùng quan sát trên mặt đất.. - Trong đó λ là bước sóng hoạt động của ra đa và W là độ rộng ăng ten.. - Chiều rộng vùng quan sát trên mặt đất W gr theo góc chiếu θ el được tính theo công thức:. - Hình 1: Sơ đồ hình học hệ thống RKT Trong hệ thống RKT, công suất thu trung bình P RX-ave tính theo công thức sau:. - Trong đó P TX-ave là công suất phát trung bình, σ là tiết diện ra đa mục tiêu, A là diện tích ăng ten của RKT, β là tổn hao máy thu, là hiệu suất ăng ten và G là hệ số khuyếch đại ăng ten tính theo công thức:. - Công suất phát trung bình P TX-ave được xác định như sau:. - (5) Trong đó P t là công suất phát đỉnh, τ p là độ rộng xung phát, PRF là tần số lặp xung, d T là chu trình làm việc của máy phát.. - Xung phát với tần số lặp xung của nó được minh họa như Hình 2. - Tổng mức năng lượng tín hiệu E mà hệ thống RKT thu thập được là:. - (9) Trong đó t A là thời gian hình thành khẩu độ tổng hợp và được tính theo công thức sau:. - Khi đó tỉ số tín trên tạp của hệ thống RKT sẽ là:. - Trong đó là tiết diện ra đa mục tiêu trên mỗi đơn vị diện tích, và tương ứng là độ phân giải cự li nghiêng và độ phân giải phương vị. - Trong cơ sở thiết kế hệ thống RKT trên vệ tinh, thuật ngữ tiết diện ra đa tạp âm tương đương. - được sử dụng phổ biến khi SNR trong (13) bằng 1, do đó ta có:. - (16) Để đạt được trong một bức ảnh chụp bởi hệ thống RKT phải thực hiện nén xung trong tiến trình lọc thích ứng, kết quả là có thể được tính như sau:. - Trong đó B là dải thông xung phát. - Độ phân dải cự li mặt đất được tính như sau:. - Độ phân giải phương vị được tính theo (19), nhận được thông qua một ăng ten được tổng hợp và xử lí nhất quán giá trị pha của các tín hiệu quay về từ rất nhiều xung liên tiếp.. - 3 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ HỆ THỐNG RKT. - Trên cơ sở lý thuyết RKT, mối quan hệ giữa các tham số của hệ thống RKT được minh họa như ở Hình 3. - Dựa trên mối quan hệ giữa các tham số của hệ thống RKT và kết quả phân tích mối liên hệ giữa chúng , nghiên cứu đề xuất các phương án phù hợp nhằm hướng tới việc thiết kế hệ thống RKT trên vệ tinh nhỏ.. - Hình 3: Mối liên hệ giữa các tham số của hệ thống RKT. - Thông thường các vệ tinh viễn thám có quỹ đạo có độ cao lớn hơn 500 km do vậy trong nghiên cứu này (tham khảo [6]) đề xuất một số giá trị của tham số đầu vào như sau: R = 550 km, η = 0.6, T 0 = 290 0 K, F = 2 dB, β = 3 dB, v st = 7600 m/s. - Để công suất phát thấp ta lựa chọn γ m = 21 0 . - Các tần số hoạt động được lựa chọn tương ứng lần lượt với các băng tần L,C, X là: 1.27 GHz (λ = 24 cm), 5.3 GHz (λ = 5.7 cm) và 9.65 GHz (λ = 3.1 cm).. - Để tìm ra tần số hoạt động phù hợp với hệ thống vệ tinh cỡ nhỏ ta giả thiết rằng P TX-ave = 30 W. - Khi đó theo (16) ta có mối quan hệ giữa A và λ được thể hiện như Hình 4.. - Từ Hình 4 ta thấy rằng để đạt được cùng một giá trị thì các ăng ten nhỏ phải sử dụng các tần số có bước sóng ngắn.. - Như vậy, với cùng một công suất phát trung bình P TX-ave ,trong hệ thống vệ tinh cỡ nhỏ với kích cỡ ăng ten gặp nhiều hạn chế, việc sử dụng các tần số hoạt động có bước sóng ngắn sẽ giúp cho ăng ten đạt hiệu suất cao hơn. - Tiếp tục xét theo (16) ta thấy khi vệ tinh sử dụng ăng ten cỡ nhỏ hoạt động ở dải tần số cao thì để tăng được tiết diện ra đa tạp âm tương đương thì P TX-ave nên ở mức thấp. - Do vậy, cần phân tích mối quan hệ giữa P TX-ave và bước sóng λ, mối quan hệ này được biểu diễn như Hình 5.. - Hình 5: Mối quan hệ giữa P TX-ave và λ Đến đây ta thấy rằng việc chọn lựa tần số hoạt động trong 3 băng tần L, C và X được quy hoạch cho vệ tinh đã trở nên dễ dàng. - Tuy nhiên, không phải đơn giản như vậy, lựa chọn băng tần cao thì có lợi về công suất phát và hiệu quả sử dụng ăng ten nhưng sử dụng băng tần cao cũng có nghĩa là W gr sẽ hẹp lại. - Dựa trên (1) và (2), mối quan hệ giữa bề rộng của ăng ten và W gr được thể hiện như Hình 6.. - Theo Hình 6, khi hệ thống sử dụng cùng một ăng ten thì ở tần số càng cao chiều rộng vùng quan sát của hệ thống càng giảm.. - Đối với vệ tinh cỡ nhỏ, kích thước ăng ten có nhiều giới hạn, mối liên hệ giữa bề rộng ăng ten với chiều rộng vùng quan sát đã được trình bày ở trên. - Xét đến chiều dài ăng ten, theo (19), để hệ thống có độ phân giải phương vị cao thì chiều dài ăng ten phải nhỏ, điều này là rất phù hợp với yêu cầu kích thước ăng ten cho vệ tinh nhỏ. - Tuy nhiên, với độ phân giải cự li lại khác, muốn độ phân giải cự li tiến tới như độ phân giải phương vị thì ta cần xem xét đến các yếu tố khác.. - Điều này tương đương với việc để đạt được không đổi thì cần phải tăng P TX-ave . - Theo (5), P TX-ave có thể tăng bằng cách tăng P t . - Để tăng P t thì trong quá trình chế tạo phần cứng phải thêm vào các bộ khuyếch đại công suất, thế nhưng điều đó sẽ làm tăng kích thước và khối lượng vệ tinh do đó cần một phương pháp khác hiệu quả hơn. - Xét tổng quát, trong quá trình thiết kế hệ thống luôn mong muốn hệ thống có P t ở mức thấp, có nghĩa là P TX-ave cũng ở mức thấp. - Từ (16) ta thấy rằng để giảm P TX-ave thì phải tăng kích cỡ ang ten, mối quan hệ giũa chúng được chỉ ra như Hình 7.. - Hình 7: Mối quan hệ giữa W và P TX-ave. - Do vậy, yêu cầu đặt ra là phải làm như thế nào để P TX-ave tăng mà vẫn giữ P t thấp.Theo (5), ta thấy rằng để P TX-ave tăng mà vẫn giữ P t thấp thì chu trình làm việc của máy phát d T phải tăng. - Hình 8: Mối quan hệ giữa W và P t khi d T thay đổi Như vậy, theo cách này sẽ giúp ta đạt được yêu cầu đặt ra, tuy nhiên trong quá trình thiết kế hệ thống thực tế cần phải xem xét mức tăng d T hợp lý vì d T tăng cũng có nghĩa là tạo ra những thay đổi với và kéo theo ảnh hưởng tới IPP và τ w. - Dựa trên những phân tích và đánh giá mối liên quan giữa các tham số như ở trên, nghiên cứu đề xuất các tham số thiết kế đối với hệ thống RKT trên vệ tinh cỡ nhỏ được thể hiện chi tiết như Bảng 1 ứng với các yêu cầu ban đầu: W = 1 m. - Bảng 1: Đề xuất các tham số kỹ thuật hệ thống RKT trên vệ tinh cỡ nhỏ. - Tham số Giá trị. - Tần số (GHz) 9.65 (Băng X). - Góc quan sát ( o ) 21. - Độ phân giải phương vị (m) 2. - Độ phân giải cự li (m) 2. - Chiều rộng vùng quan sát (km) 16. - Kích thước ăng ten (m) 4 x 1. - Công suất phát đỉnh (W) 342. - Công suất phát trung bình (W) 137. - Tổn hao hệ thống (dB) 2. - Hiệu suất ăng ten 0.6. - Chu trình làm việc máy phát 0.4 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa các tham số phục vụ nhiệm vụ thiết kế chế tạo hệ thống RKT trên vệ tinh cỡ nhỏ. - Những phân tích đã được thực hiện, đề xuất đưa ra sử dụng băng tần X, việc. - lựa chọn băng tần này phù hợp với một ăng ten nhỏ gọn, có công suất phát trung bình ở mức thấp phù hợp với mục tiêu thiết kế. - Nghiên cứu đã đề xuất phương pháp đạt được độ phân giải tốt với P t thấp bằng việc lựa chọn chu trình làm việc của máy phát d T một cách hợp lý.. - Hướng phát triển tiếp theo là dựa trên kết quả đạt được, thực hiện mô phỏng hệ thống nhằm phục vụ các đánh giá và thử nghiệm các thuật toán xử lí ảnh của hệ thống.. - Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu của Trung tâm Vệ tinh Quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.