PHN i KTHUT RADAR chng 1 TNG QUAN

KHÁI NIỆM Radar là kỹ thuật và hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể, mục tiêu trong vùng không gian quan sát.. Hiện nay, Radar

PHẦN I–KỸTHUẬT RADAR

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR

1.1 KHÁI NIỆM

Radar là kỹ thuật và hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể, mục tiêu trong vùng không gian quan sát Thuật ngữ

Radar,viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, với nghĩa là tìm kiếm và đo đạc

bằng sóng vô tuyến điện, được sử dụng đầu tiên trong hải quân Mĩ vào năm 1940 Từ Thế chiến II khoa học Radar bắt đầu phát triển, chủ yếu phục vụ cho chiến tranh Ngày nay, Radar đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực dân sự như điều khiển không lưu trong ngành hàng không, giám sát tốc độ trong giao thông giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết Hiện nay, Radar có thể hiểu là thuật ngữ chung cho các hệ thống phát hiện, dò tìm, thăm dò vị trí của các vật thể hay mục tiêu bằng các dạng năng lượng khác nhau, không nhất thiết là sóng điện từ như sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng năng lượng nhiệt Kỹ thuật Radar ngày càng được mở rộng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như dùng sóng điện từ thăm dò dưới lòng đất (Radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (Radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dò trong cơ thể người (siêu âm), thăm dò dưới lòng nước sử dụng kỹ thuật SONAR Hệ thống Radar phát hiện và đo đạc tham số mục tiêu từ xa thông qua hệ thống phát, thu

và xử lý sóng điện từ Nguyên lý cơ bản của Radar là bộ phát sóng bức xạ sóng điện từ định hướng trong vùng không gian quan sát Nguồn năng lượng sóng điện từ gặp các đối tượng (mục tiêu Radar) sẽ phản xạ một phần năng lượng về hướng thiết bị thu sóng điện từ của trạm Radar Sau khi được khuếch đại ở thiết bị thu, các tín hiệu phản xạ cần thiết sẽ được tách ra để đưa vào khối phân tích và xử lý tín hiệu Radar thu được Căn

cứ vào sự thay đổi thông số của hai tín hiệu phát và tín hiệu thu được, hệ thống Radar

có thể xác định được vị trí của mục tiêu và các thông tin khác về mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo )

1.2 MỤC

1.2.1 Khá

Mục

từ nằm tron

và có thể đư

(như máy b

(như các lo

đàn chim, c

hiện trong v

Trạ

TIÊU RADA

ái niệm

tiêu của Rad

ng vùng khôn

ược phân thàn

bay, tên lửa

oại tàu, thuyề

các hành tinh

vùng không g

Năng lư phản x

m Radar

Hình 1

AR

dar bao gồm t

g gian quan s

nh hai loại tổ ), mục tiêu t ền ) và mục h ) Hình 1.2 gian quan sát

Hình 1.2 M

R

Năng lư chiếu

ượng xạ

1.1 Nguyên lý

tất cả các đối sát của hệ thố ổng quát là m trên mặt đất tiêu có nguồ

2 minh họa m của hệ thống

Minh họa mục

Radar

ượng xạ

ý Radar

tượng có khả ống Radar M mục tiêu nhân (như xe ôtô,

ồn gốc từ thi mục tiêu Rad

g Radar lắp đặ

c tiêu Radar

ả năng phản x Mục tiêu Radar tạo: mục tiêu

xe tăng), trê

ên nhiên (nh dar trên khôn

ặt trên tàu thủ

xạ sóng điện

r rất đa dạng

u trên không

ên mặt nước

hư đám mây,

ng được phát

ủy

1.2.2 Tham số mục tiêu Radar trong hệ tọa độ hai chiều

Xét mặt phằng phương vị là mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc với bề mặt trái đất nơi đặt Radar Mặt phẳng phương vị chứa bốn phương Đông, Tây, Nam, Bắc tương ứng với bốn chữ cái viết tắt là E(East), W (West), S (South), N (North)

Vị trí toạ độ của mục tiêu M trên mặt phẳng phương vị, được xác định bởi các thông số:

Hình 1.3 Tọa độ mục tiêu trong không gian hai chiều

– Cự ly R: là khoảng cách giữa mục tiêu và trạm Radar theo tầm nhìn thẳng LOS (Light Of Sight);

– Góc phương vị M: là góc tạo bởi hướng mục tiêu và hướng chuẩn là hướng chính Bắc

Tọa độ mục tiêu Radar M tham chiếu với gốc O tương ứng với vị trí đặt trạm Radar được xác định như sau:

Sau khi đo đạc hai thông số trên ta xác định được vị trí của M trong mặt phẳng phương vị Mục tiêu M được xác định trong các hệ thống Radar Đất – Đất, Biển – Biển

sử dụng hệ toạ độ Decartes hai chiều Bộ tham số (R,M) là bộ tham số toạ độ chưa xác định tính động của mục tiêu Để xác định tính động của mục tiêu cần bổ sung thêm thông số chuyển động là vận tốc xuyên tâm V

1.2.3 Tham số mục tiêu Radar trong hệ tọa độ ba chiều

Mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc với bề mặt đất chứa đài Radar gọi là mặt phẳng phương vị, trên mặt phẳng phương vị trạm Radar đặt tại gốc O, hướng chuẩn là hướng Bắc (N) Các mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng phương vị gọi là mặt phẳng tà (hay mặt phẳng đứng)

Hình 1.4 Toạ độ mục tiêu trong không gian ba chiều

Vị trí hay toạ độ của mục tiêu M được xác định bởi các thông số sau :

Cự ly (Range) R  OM: được xác định là khoảng cách từ trạm Radar đến mục tiêu M theo tầm nhìn thẳng

Góc phương vị (azimuth angle): NOM là góc hợp bởi hướng mục tiêu và hướng Bắc trong mặt phẳng phương vị

Góc tà (elevation angle): MOM là góc hợp bởi đường cự ly R và hình chiếu của đường cự ly trên mặt phẳng phương vị

Bộ tham số (;) gọi là toạ độ góc hay hướng của mục tiêu M

Độ caoH MM D.sin

Nếu biết góc ngẩng  ta có thể xác định được độ cao H và ngược lại Vậy vị trí của mục tiêu được xác định bởi ba thông số (D,,) hoặc (D,,H) Bộ tham số (D,,) dùng để xác định vị trí mục tiêu nằm xa trái đất do H lớn khó xác định chính xác còn bộ tham số (D,,H) dùng để xác định vị trí mục tiêu nằm gần trái đất như đám mây, vùng khí áp, máy bay…

Để xác định tính động của mục tiêu ta dùng thông số là vận tốc xuyên tâm khối của mục tiêu (hướng xuyên tâm là hướng chuyển động thực của mục tiêu) V

1.3 TẦN SỐ RADAR

Các hệ thống Radar thu phát sóng điện từ hay sóng vô tuyến tại các tần số từ khoảng

220 MHz đến 35GHz, trải dài tương ứng khoảng hơn 7 octave Tuy nhiên đây không phải là giới hạn bắt buộc do các hệ thống Radar có thể và sẽ mở rộng tần số làm việc ra

ngoài phạm vi trên Radar chân trời OTH (Over-The-Horizon Radar) sử dụng sóng trời

tại băng HF có thể vận hành tại tần số 4 đến 5 MHz và sử dụng sóng đất băng HF có thể hoạt động tại tần số 2 MHz Tại đầu cuối băng tần, Radar milimet vận hành tại tần

số 94 GHz Radar sử dụng laser có thể vận hành tại các tần số cao hơn

Điện báo vô tuyến Quảng bá Sóng ngắn Radar truyền thống Radar milimet Hồng ngoại Ánh sáng

Tử ngoại

Tia X

Tia Gama

f (MHz)

0,3

300

1 km

1 m

1 μm

Băng tần Radar

HF = 3 – 30 MHz

VHF = 30 – 300 MHz

UHF = 300 – 1000 MHz

Băng L = 1 – 2 GHz

Băng S = 2 – 4 GHz

Băng C = 4 – 8 GHz

Băng X = 8 – 12 GHz

Băng Ku = 12 – 18 GHz

Băng K = 18 – 27 GHz

Băng Ka = 27 – 40 GHz

Băng W = 75 – 110 GHz

Hình 1.5 Vị trí băng tần Radar

Vị trí băng tần vô tuyến cho các hệ thống Radar trong dải phổ tần số được thể hiện trên hình 1.5 Một số ký tự được sử dụng để đặt tên cho các dải tần số khác nhau Thời kỳ đầu trong quá trình phát triển Radar, các mã ký tự như S, X, L… được sử dụng

để đặt tên cho các băng tần Radar Hiện nay cách đặt tên này vẫn được duy trì và được chấp nhận trên thực tế bởi các kỹ sư Radar với nguyên nhân có thể là do thói quen hoặc

sự ngắn gọn mặc dù mục đích ban đầu là nhằm đảm bảo tính bảo mật trong quân sự Bảng 1.1 liệt kê danh sách các băng tần đặt tên theo ký tự chữ cái đưa ra bởi tổ chức ITU Các băng tần này cũng có mối liên hệ với các băng tần ấn định bởi ITU cho các

hệ thống Radar Chẳng hạn như, mặc dù tần số danh định của băng L là từ 1000MHz đến 2000 MHz, tần số Radar băng L được giới hạn trong phạm vi 1215 MHz đến 1400 MHz Cách đặt tên băng tần theo ký tự không có mục đích thay thế cách biểu diễn giới hạn tần số Radar bằng các giá trị số cụ thể Phạm vi tần số Radarthể hiện bằng giá trị

cụ thể nên được dùng trong khi thích hợp, tuy nhiên các ký hiệu ấn định trên bảng 1.1

có thể được sử dụng khi cần một biểu diễn một cách ngắn gọn

Hiện nay, tần số Radar đang có xu hướng dịch chuyển lên miền tần số siêu cao nhằm tăng cường độ chính xác trong đo đạc tham số mục tiêu cũng như tận dụng nguồn phổ tần số còn trống

Bảng 1.1 Bảng ấn định băng tần Radar tương ứng với tên đặt theo ký tự

STT Tên băng tần Phạm vi tần số Tần số Radar ấn định bởi ITU

231,0 – 235 GHz; 238,0 – 248,0 GHz Các hệ thống Radar làm việc tại tần số thấp gặp phải một số hạn chế sau:

1 Khi tần số càng thấp thì ăngten phải có kích thước càng lớn Ví dụ như kích thước anten của hệ thống Radar làm việc tại tần số 1 MHz tương ứng với 1/4 bước sóng có độ lớn là 75m Việc xây dựng anten có hệ số khuếch đại lớn với độ kích thước như vậy là không thực tế

2 Sóng có tần số thấp sẽ bị phân tán mạnh trong tầng điện ly và sẽ tạo ra những sóng phản xạ không mong muốn Ngoài ra sự chuyển động của tầng điện ly sẽ có thể làm Radar hiểu nhầm là mục tiêu chuyển động Để hạn chế những ảnh hưởng của tầng điện ly, ta có thể sử dụng các anten tạo ra búp sóng hẹp nhờ giảm độ lớn bước sóng tần

số Radar

3 Thông thường mục tiêu sẽ bị phát hiện bởi những thay đổi của tần số sóng phản xạ gây nên bởi hiệu ứng dịch tần Doppler Khi tần số thấp thì bước sóng lớn, sự thay đổi tần số của sóng phản xạ về từ mục tiêu là rất nhỏ, do đó Radar tần số thấp làm việc không hiệu quả trong việc phát hiện ra mục tiêu di chuyển chậm

4 Tần số thấp sẽ rất khó khăn trong quá trình truyền sóng cũng như tìm được kênh vô tuyến thích hợp Ngoài ra mức nhiễu nền khá cao mà hệ thống Radar có băng tần hẹp dẫn tới hạn chế độ phân giải của hệ thống

Mặc dù có nhiều hạn chế như trên, nhưng trong trường hợp yêu cầu phạm vi phát hiện mục tiêu xa trong không gianquan sát rộng, thì các hệ thống Radar hoạt động

ở dải tần số thấp và đặc biệt là dải sóng cao tần HF (từ 3–30MHz) vẫn được ưu tiên lựa chọn

Tần số hoạt động thực cao nhất của Radar bị hạn chế bởi sự hấp thụ của khí quyển, hiện nay có tần số vào khoảng 35GHz và gần 94GHz Tần số Radartrong phạm

vi này có giá trị bước sóng nhỏ hơn centimet(cm) còn được gọi là Radar milimet Phạm

vi của Radar milimet rất nhỏ, vì vậy chúng được sử dụng trong các thiết bị đặc biệt, ví

dụ như thiết bị định vị cho tên lửa Hiện nay cùng với sự phát triển của các công nghệ quang học với bước sóng mm và các thiết bị như thấu kính radio và hệ thống hình ảnh của Radar đã cho phép chúng ta xác định mục tiêu một cách chính xác

Tần số sóng vô tuyến được sử dụng tùy thuộc vào các ứng dụng Radar Hầu hết các hệ thống Radarhàng không vận hành tại băng tần L hoặc Ka ứng với vùng tần số vi

ba Nhiều hệ thống Radar do thám tầm gần có thể làm việc tại băng sóng milimet Các hệ thống Radar cảnh giới tầm xa làm việc tại băng tần UHF hoặc các tần số thấp hơn do khả năng sử dụng các anten lớn, khắc phục ảnh hưởng do suy hao khí quyển và nhiễu

Hình 1.6 Minh họa anten Radarvà giản đồ hướng

Kích thước anten yêu cầu tỷ lệ với độ dài bước sóng hay tỷ lệ nghịch với tần số làm việc của trạm Radar Khả năng tập trung năng lượng chiếu xạ và năng lượng nhận được ứng với búp sóng Radar cũng phụ thuộc vào kích thước anten và tần số làm việc Với một tần số làm việc xác định, anten có kích thước lớn cho phép tạo ra búp sóng hẹp hay ứng với năng lượng chiếu xạ của Radar tập trung hơn thể hiện qua giản đồ

hướng bức xạ ứng với khả năng khuếch đại anten theo phương phương vị và phương góc ngẩng

Radar làm việc dựa trên nguyên tắc bức xạ sóng điện từ định hướng vào không gian quan sát Kích thước búp sóng Radar không chỉ phục thuộc vào tần số làm việc

mà còn phụ thuộc vào kích thước góc mở hiệu dụng anten Radar Với cùng một tần số làm việc, anten có kích thước góc mở lớn (hình 1.6a) sẽ tạo ra kích thước búp sóng tại mức nửa công suất hẹp và ngược lại, anten có kích thước góc mở nhỏ (hình 1.6b) sẽ tạo

ra kích thước búp sóng tại mức nửa công suất rộng

1.4 CỰ LY RADAR

Hình 1.7 thể hiện sơ đồ khối đơn giản của một Radar xung tập trung sử dụng chung anten thu/phát Khối điều khiển thời gian tạo ra tín hiệu đồng bộ cho toàn bộ hệ thống Tín hiệu điều chế tạo ra sau khối máy phát được gửi đến anten Chuyển mạch anten giữa máy thu và máy phát được thực hiện bởi khối ghép song công (Duplexer) Khối ghép song công cho phép hệ thống Radar phát và thu tín hiệu sử dụng chung một anten Trong thời gian bức xạ tín hiệu, tín hiệu Radar từ máy phát được kết nối đến anten để bức xạ định hướng vào không gian quan sát Ngược lại tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Radar thu tại anten được chuyển đến máy thu trong thời gian thu tín hiệu của trạm Radar Máy thu thực hiện hạ tần và khuếch đại tín hiệu thu được rồi gửi khối xử

lý tín hiệu Khối xử lý tín hiệu thực hiện tính toán và xác định thông tin về mục tiêu sau

đó đưa đến khối hiển thị

Hình 1.7 Sơ đồ khối giản lược của hệ thống Radar xung

Cự ly mục tiêuR (Range) được tính toán bằng cách đo thời gian trễ∆t ứng với thời gian để một xung năng lượng cao tần bức xạ từ máy phátRadar gặp mục tiêu và phản xạ về máy thu Radar Vì sóng điện từ lan truyền thẳng với vận tốc không đổi làc 3 10 m/s, nên ta có:

∆

với R tính bằng mét và ∆t tính bằng giây (s) Phân số do tính với độ trễ thời gian hai chiều.Hệ thốngRadar xung phát và nhận một chuỗi các xung năng lượng cao tần, như minh họa trong hình 1.8 Khoảng thời gian giữa các xung (IPP – Inter Pulse Period) ký hiệu là T, độ rộng xung ký hiệu là τ IPP còn được gọi là chu kỳ lặp xung hay khoảng lặp xung (PRI – Pulse Repetition Interval) Nghịch đảo của PRI là PRF – tần số lặp xung, được ký hiệu bởi f :

(1.3)