kl ngo minh duc 910586d

Hệ thống này có thể được ứng dụng vào việc dò đường cho robot, hỗ trợ lái xe khi đậu xe vào các bãi đậu xe, hệ thống báo động… Hệ thống Radar hồng ngoại được xây dựng trong đề tài này sử

LỜI CẢM ƠN

…… 000 ……

Để thực hiện đề tài, em đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ và

động viên quý báu của rất nhiều người, thiếu một trong các sự giúp đỡ đó cũng

có thể làm cho đề tài không đạt kết quả như hiện nay

Trước tiên em xin chân thành cám ơn Thầy giáo ThS.Hoàng Mạnh Hà -

giảng viên phụ trách hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này

và là người đã cung cấp cho em những kiến thức nền tảng để có thể hoàn thành

đề tài này Ngoài ra, thầy cũng đã giới thiệu cho em những nguồn tài liệu

phong phú, bổ ích, bổ sung chi tiết và toàn diện hơn giúp đề tài của em hoàn

thành có chiều sâu hơn dựa trên những nền tảng kiến thức cơ bản sẵn có

Em cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Đại Học

Tôn Đức Thắng đã có công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ em trong suốt quá trình

học tập và hoàn thành đề tài này Cuối cùng, em muốn cám ơn tới tất cả bạn bè,

gia đình và người thân đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập,

nghiên cứu và hoàn thành đề tài này

Hồ Chí Minh,ngày 15 tháng 1 năm 2010

…… 0

0

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

…… 0

0

TP Hồ Chí Minh , ngày tháng năm 2010

TÓM TẮT NỘI DUNG

Chương 1 NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG RADAR 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN RADAR

1.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ RADAR

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG RADAR.( CLASSIFICATION OF RADAR SYSTEMS)

1.4 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA RADAR .

1.4.1 XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH 6

1.4.2 PHẠM VI HOẠT ĐỘNG 8

1.4.3 ĐÁP ỨNG TẦN SỐ 9

1.4.4 PHƯƠNG TRÌNH RADAR 16

1.4.4.1 PHƯƠNG TRÌNH RADAR TẦN SỐ LẶP XUNG THẤP (LOW PRF RADAR EQUATION) 18

1.4.4.2 PHƯƠNG TRÌNH RADAR TẦN SỐ LẶP XUNG CAO (HIGHT PRF RADAR EQUATION) 18

1.4.4.3 PHƯƠNG TRÌNH RADAR GIÁM SÁT MỤC TIÊU (SURVEILLANCE RADAR EQUATION) 19

1.4.4.4 PHƯƠNG TRÌNH RADAR SONG ĐỊA TĨNH HAY RADAR THU PHÁT RIÊNG (BISTATIC RADAR EQUATION) 21

1.4.5 SỰ SUY HAO RADAR.(RADAR LOSSES) 23

1.4.5.1 SỰ SUY HAO TRUYỀN VÀ NHẬN 23

1.4.5.2 ĐỒ THỊ SUY HAO ANTEN (ANTENNA PATTERN LOSS) 23

1.4.5.3 COLLAPSING LOSS 24

1.4.5.4 XỬ LÝ SUY HAO (PROCESSING LOSSES) 25

1.4.6 ANTEN RADAR (RADAR ANTENNA) 26

1.4.6.2 ĐỒ THỊ BỨC XẠ ANTEN (ANTENNA PATTERN).26

1.4.6.3 ANTEN PARABOL 27

1.4.6.4 ANTEN ĐIỀU KHIỂN PHA 29

1.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA RADAR.

1.5.1 TRONG HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG 31

1.5.2 TRONG QUÂN SỰ 31

1.5.3 ỨNG DỤNG TRONG KHÍ TƯỢNG 31

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI.

2.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG RADAR HỒNGNGOẠI.

2.2 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN CỨNG VÀ TRÌNH BIÊN DỊCH.

2.2.1 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN CỨNG 33

2.2.1.1 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F452 33

2.2.1.2 MẠCH CHỐT D 40

2.2.1.3 BỘ THU PHÁT HỒNG NGOẠI 42

2.2.1.4 ĐỘNG CƠ QUÉT 45

2.2.1.5 TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB 48

2.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI.

2.3.2 BỘ TẠO XUNG 52

2.3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ QUÉT 53

2.3.4 BỘ THU PHÁT HỒNG NGOẠI 56

2.3.5 DÃY LED HIỂN THỊ 57

Kết Luận

TÓM TẮT NỘI DUNG

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật công nghệ nói chung và công nghệ radar nói riêng Radar đã ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong ngành hàng không và hàng hải, trong dân sự lẫn quốc phòng Ngoài những ứng dụng phổ biến trong quân sự như phòng không, radar ngày càng có nhiều ứng dụng trong đời sống Cho nên việc tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng radar rất cần thiết

Đề tài này tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các Hệ Thống Radar và Xây dựng mô hình mô tả hoạt động của radar Trên cở sở đó thực hiện nhiệm vụ chính là xây dựng một hệ thống radar hồng ngoại để xác định khoảng cách và vị trí của vật thể dựa trên sóng hồng ngoại Hệ thống này có thể được ứng dụng vào việc dò đường cho robot, hỗ trợ lái xe khi đậu xe vào các bãi đậu xe, hệ thống báo động… Hệ thống Radar hồng ngoại được xây dựng trong đề tài này sử dụng vi điều khiển PIC 18F452, bộ thu phát hồng ngoại SHARP 2Y0A21 và một động cơ servo

• Khoảng đầu những năm 1900, Telsa (mỹ) and Hulsmeyer (đức) đề xuất sử dụng sóng radio để phát hiện vật thể

• Năm 1911dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ, Hugo Gernsback(mỹ) mô

• Năm 1930 Lawrence A Hyland (cũng từ phòng thí nghiệm nghiên cứu NAVAL HOA KỲ)định vị được máy bay lần đầu tiên

• Năm 1931 một chiếc tàu được trang bị radar, khi anten được sử dụng là một đĩa parabol với bức xạ kiểu loa

• Năm 1934, nhà khoa học người pháp Pierre David lần đầu tiên thành công sử dụng radar để phát hiện máy bay

• Năm 1936 Klystron được phát triển bởi các nhà kỹ thuật George F Metcalf

và William C Hahn Klystron trở thành linh kiện quan trọng của máy radar

như một máy khuyếch đại hay đèn dao động

• Năm 1939 Hai kỹ sư John Randall và Henry Boot của đại học Birmingham

đã xây dựng radar nhỏ nhưng có công suất lớn sử dụng Cavity-Magnetron Máy bay B-17 đã được gắn radar này

• Năm 1940 nhiều thiết bị radar được phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và Nhật

• Năm 1940-1945 nhiều kết quả từ các nghiên cứu trong thời gian thế chiến thứ II trong việc phát triển radar, phản xạ, arrays và các anten thấu kính

1.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ RADAR

RADAR là thuật ngữ viết tắt của từ RADIO DETECTING AND RANGING (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) Đây là một hệ thống được sử dụng để định

vị, đo khoảng cách, lập bản đồ các vật thể như máy bay hay mưa….bằng cách dựa vào sự phản xạ của năng lượng điện từ

Hình 1.2.1 RADAR

Nguyên tắc hoạt động của sóng radar cũng tương tự như nguyên tắc phản hồi của sóng âm Do đó ta có thể xác định khoảng cách và phương hướng của đối tượng dựa vào vận tốc âm thanh và khoảng thời gian sóng âm phản hồi Radar sử dụng nhiều xung năng lượng điện từ trong cùng một hướng.Năng lượng sóng vô tuyến được truyền tới đối tượng và bị phản hồi lại chỉ có một phần nhỏ năng lượng đó được phản hồi và quay trở lại radar thu.năng lượng phản hồi này được gọi là ECHO.Radar thu sẽ sử dụng tín hiệu ECHO này để xác định phướng hướng va khoảng cách đối tượng phản xạ

Hình 1.2.2 Sự phản xạ của năng lượng điện từ khi gặp vật thể

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG RADAR (

CLASSIFICATION OF RADAR SYSTEMS)

1.3.1 Tuỳ thuộc vào thông tin mong muốn mà trạm radar phải có chất lượng tốt và các công nghệ khác nhau Một trong những lý do khác nhau về chất lượng và kỹ thuật mà trạm radar được phân loại như sau:

Hình 1.3.1 sơ đồ phân loại radar dựa vào kỹ thuật

Radar ghi hình ảnh và không ghi hình ảnh (Imaging Radar /

Non-Imaging Radar)

• Radar ghi hình ảnh tạo ra hình ảnh từ đối tượng hoặc khu vực mà nó quan sát được Radar ghi hình ảnh đã được sử dụng để vẽ bản đồ trái đất, các hành tinh, vệ tinh, hoặc các đối tượng khác thuộc hệ mặt trời

và phân loại mục tiêu cho quân đội

• Thông thường sự thi hành của hệ thống radar không ghi hình ảnh là máy tốc kế (máy đo tốc độ) và máy đo độ cao Hay còn gọi là Radar

vẽ địa hình khi đo tính chất tán xạ của đối tượng hay vùng quan sát

Radar gốc (Primary Radar)

• Là rađa trong đó có đích ngắm phản xạ một phần của năng lượng được truyền đi trở lại máy phát

Radar phụ (Secondary Radar)

• Những trạm radar này được đặt trên máy bay phải có bộ phát đáp (nhận và phát tín hiệu lại) bộ phát-đáp này trả lời tới sự thẩm vấn bằng việc truyền một tín hiệu trả lời mã hóa Sự đáp lại này có thể chứa đựng nhiều thông tin hơn để trạm radar có thể nhận

Radar xung (Pulsed Radars)

• một hệ thống radar trong đó các xung được phát giữa khoảng thời gian tương đối dài và một hệ thành phần hoạt động nhận các phản xạ trong các khoảng thời gian theo sau chuỗi xung

Radar sóng liên tục (Continuous - Wave Radar):

• phát ra năng lượng điện từ liên tục,sử dụng anten thu và phát khác nhau

1.3.2 Hệ thống radar có thể được chia thành các loại dựa trên các thiết kế sử dụng Phần này trình bày những đặc điểm chung của một

số hệ thống radar thường sử dụng:

]

Hình 1.3.2 sơ đồ phân loại radar dựa trên mục đích sử dụng

1.4 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA RADAR

Radar có thể xác định vị trí, khoảng cách của đối tượng nhờ vào tính chất bức

xạ của năng lượng điện từ thông thường năng lượng này truyền trong không gian dưới dạng một đường thẳng,sẽ bị thay đổi chút ít do điều kiện không khí và thời tiết Tuy nhiên trong phần này ta sẽ bỏ qua những ảnh hưởng đó.Năng lượng điện từ truyền trong không khí bằng với tốc độ ánh sáng (c=3.108m/s)

∆t (s): là khoảng thời gian sóng truyền đi cho đến lúc thu được ở anten

R(m):là khoảng cách từ radar tới đối tượng

) ( 2

.

m t c

Hình 1.4.1.1 xác định khoảng cách vật thể

Thông thường, Radar truyền và nhận một chuỗi xung như hình vẽ.với T là chu kỳ xung,τ là độ rộng xung

Hình 1.4.1.2 xung truyền đi và xung nhận được

Trong mỗi PRI thì năng lượng radar chỉ bức xạ trong τ giây.Phần còn lại của PRI thì đợi tín hiệu dội từ mục tiêu Chu kỳ phát của radar là

T

d t =τCông suất truyền trung bình của radar.P av =P t xd t

với Pt là công suất truyền cao nhất

năng lượng xung:

r

av av

t p

f

P xT P x P

t c

2

).(

2

T t c

Hình 1.4.1.3

Rõ ràng,phạm vi liên quan đến Echo2 vì vậy khi một xung được truyền radar phải đợi một thời gian đủ dài để nhận được tín hiệu quay lại ở khoảng cách xa nhất trước khi xung kế tiếp được phát ra.Do đó phạm vi cực đại rõ ràng phải tương ứng với một nữa PRI

r u

f

c T c R

Hệ thống Radar thông thường được thiết kế để hoạt động trong khoảng Phạm

vi nhỏ nhất (Rmin) và phạm vi lớn nhất (Rmax) Đối tượng sẽ được radar nhận diện khi nằm trong phạm vi này

R

R R

1 2 1 2

t c t t c R R

=

−

=Δ

λ

c v

vc d

τ τ

τ τ

τ

v c

v c

c v

vc c c v

vc c

v

c c

v

vc t

c c

− +

= +

− Δ

=

⇒ '

'

2 2

Hình 1.4.2.3

Trong thực tế, hệ số

v c

v c

+

− thường được gọi là hệ số làm giãn nỡ thời gian Chú ý rằng nếu v=0 thì

τ

τ

v c

v c

cạnh trước xung2 cần ∆t (giây) đi được khoảng cách d

f

c r

− để đập vào trúng mục tiêu, cùng thời gian đó, cạnh sau xung1 đi được cùng khoảng cách c.∆t

d=c.∆t

t c d f

cv t c f

c d

v c f

v c f

−

+

= '

số doppler là fd

v c

v f

f v c

v c f f f

Hình 1.4.2.5

Ta có: v là vận tốc của mục tiêu, Ro là khoảng cách của mục tiêu ở thời gian

to Do đó, khoảng cách của mục tiêu ở thời gian t bất kỳ là R(t)=Ro - v(t-to)

Tín hiệu radar nhận được: x r(t)= x(t−Ψ(t)) với x(t) là tín hiệu phát

2+

=Ψ

đặt hệ số tỷ lệ

c

v

21+

Sử dụng tính chất cơ bản của biến đổi Fourier, phổ của tín hiệu thu sẽ được

mở rộng trong tần số bởi hệ số γ Xét trường hợp đặc biệt khi x(t)=y(t)cosωo t, với ω (rad/s) là tần số trung tâm của radar o

)cos(

)(

γ

ωγ

ω

2

1 ) (

Tần số doppler: ω d = ω o − γω o (rad/s)

c

v c

γ = 1 + 2 ⇒ = − 2

λπ

ωπ

f c

v c

v

d

22

2

.2

Không phải trong mọi trương hợp thì vận tốc xuyên tâm đều bằng v Thực ra, tần số doppler phụ thuộc vào vận tốc của mục tiêu theo hướng của radar Hình vẽ sau sẽ cho ta thấy ba mục tiêu có vận tốc v

f d = với vcosθlà vận tốc xuyên tâm

θ là góc giữa đường thẳng radar và mục tiêu

với cosθ =cosθe.cosθa,

e

θ là góc nâng, θ là góc phương vị a

Hình 1.4.2.9

Chú ý: góc lệch là góc tạo bởi trục dọc của vật thể bay trong không khí và sườn ngang của máy radar

Xét radar với anten đa hướng (năng lượng sẽ được bức xạ ra mọi hướng) Từ những loại anten có đồ thị bức xạ hình cầu này,chúng ta có thể định nghĩa công suất đỉnh (công suất trên một khu vực) tại bất kỳ điểm nào trong không gian

với Pt là công suất đỉnh, 4 Rπ diện tích bề mặt hình cầu 2

Hệ thống radar sử dụng anten định hướng để tăng công suất mật độ (power density) ở hướng xác định Anten định hướng thường được đặc trưng bởi độ lợi G

và khẩu độ hiệu dụng của anten Ae

π

λ4

Công suất mật độ của Radar sử dụng anten định hướng có độ lợi G ở khoảng cách

R

2

4 R

G P

Khi năng lượng bức xạ của radar chạm đối tượng,dòng điện cảm bề mặt (the induced surface currents) của đối tượng bức xạ năng lượng điện từ ở mọi hướng Mức độ bức xạ năng lượng tỉ lệ với kích thước đối tượng, sự định hướng,hình dạng vật lý,vật liệu.và được gọi là tiết diện radar (Radar cross section- RCS), ký hiệu σ tiết diện radar được định nghĩa là tỷ số của công suất phản hồi và công suất mật độ tới đối tượng

2

m P

P D

r

=σ

Tổng công suất truyền của anten tới radar sử lý tín hiệu là t e

R

G P

)4( π

σ

=

)4(

G P P

λ

=

⇒

=

Để Smin là Công suất tín hiệu nhỏ nhất có thể dò ra thì phạm vi Radar phải đạt cực đại

4 1

min 3

2 2 max

)4

π

σλ

Ta thấy để tăng gấp đôi phạm vi cực đại radar thì phải tăng công suất truyền đỉnh lên 6lần hoặc tăng khẩu độ hiệu dụng 4lần

Trong thực tế, khi tín hiệu phản hồi radar nhận được sẽ bị nhiễu làm sai lệch, đây là điều không mong muốn ở mọi tần số radar Nhiễu trong tự nhiên là ngẫu nhiên và được mô tả bởi chức năng mật độ phổ công suất Nhiễu công suất N (the noise power) băng thông hoạt động của radar

N= noise PSD x B

Công suất nhiễu đầu vào tới anten không tổn hao Ni=k.Te.B

với k = 1.38x10-23 J/oK là hằng số Boltzman

Te nhiệt độ nhiễu ảnh hưởng

Tín hiệu nhỏ nhất có thể dò được (Smin) lớn hơn nhiễu công suất Độ tin cậy của radar nhận thường được mô tả bởi hệ số nhiễu F

o o

i i o

i

N S

N S SNR

SNR F

/

/)

(

)

=(SNR)i và (SNR)o là tỷ số tín hiệu nhiễu ở đầu vào và đầu ra Si ,So là công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra ,Ni ,No công suất nhiễu đầu vào và đầu ra

Si=kTeBF(SNR)o => Smin= kTeBF(SNR)omin

Ngưỡng phát hiện(dò tìm) của radar được đặt bằng đầu ra SNR tối thiểu (SNR)omin

4 1

o e

3

2 2 max

min

BF(SNR)kT

)4

σλ

G P

e 3

2 2

BFRkT)4()(

π

σλ

G P

o =

e 3

2 2

BFLRkT

)4()(

π

σλ

G P

o =1.4.4.1 PHƯƠNG TRÌNH RADAR TẦN SỐ LẶP XUNG THẤP (LOW PRF RADAR EQUATION)

Xét xung radar có độ rộng là τ , chu kỳ T, và công suất truyền đỉnh là Pt Công suất truyền trung bình là Pav=Pt.dt (với

T

d t =τ

là hệ số truyền sử dụng), ta có thể định nghĩa hệ số nhận sử dụng là r f r

T

T

d = −τ =1−τ

Mà với radar tần số lặp xung thấp có T >>τ ⇒d r ≈ 1

Ti thời gian đến đối tượng p i r

2 2 1

BFLRkT)4()(

π

σλ

G P

e 3

2 2

.B.F.L.R.k.T

)4(

)

n G

P SNR p =

Vậy phương trình radar tần số lặp xung thấp: 4

e 3

2 2

.F.L.R.k.T

)4(

)

(

π

τσ

t n

f T G

P SNR

p =

1.4.4.2 PHƯƠNG TRÌNH RADAR TẦN SỐ LẶP XUNG CAO

(HIGHT PRF RADAR EQUATION)

Tín hiệu truyền là chuỗi xung tuần hoàn (periodic train of pulses) Độ rộng xung là τ , chu kỳ là T Chuỗi xung này có thể được biểu diễn bằng chuỗi Fourier

mũ Vạch quang phổ trung tâm của chuỗi xung này chứa hầu hết công suất tín hiệu giá trị đó là

r

t t

d

d G

P SNR

.B.F.L.R k.T

) 4 (

.

e 3

2 2

π

σ λ

=

Trong trường hợp này không thể bỏ qua hệ số nhận sử dụng (receive duty factor), từ đó có thể so sánh với hệ số truyền sử dụng d r ≈d t ≈τf r Thêm vào đó, băng thông hoạt động của radar bây giờ tương ứng với thời gian tích hợp radar

i

T

B= 1

4 e

3

2 2

.F.L.R k.T

) 4 (

.

π

σ λ

τ f T G P

SNR =

⇒

đặt 4

e 3

2 2

.F.L.R k.T

) 4 (

.

.

π

σ λ

τ f SNR P T G P

r t

1.4.4.3 PHƯƠNG TRÌNH RADAR GIÁM SÁT MỤC TIÊU

(SURVEILLANCE RADAR EQUATION)

Radar giám sát hoặc tìm kiếm liên tục quét một thể tích trong không gian để tìm mục tiêu.chúng thường được sử dụng để trích xuất các thông tin của mục tiêu như phạm vi, vị trí góc, và vận tốc của mục tiêu Tuỳ thuộc vào thiết kế và anten của radar mà có các mẫu tìm kiếm khác nhau

Hình 1.4.4.3.1 góc quét theo phương ngang và phương dọc

Kích thước mẫu tìm kiếm chùm tia hình quạt như hình vẽ (a) trong trường hợp này, độ rộng chùm tia có góc nâng đủ rộng để bao phủ thể tích tìm kiếm mong muốn dọc theo toạ độ đó Tuy nhiên nó phải được lái trong góc phương vị

ở hình (b) thì chùm tia được xếp thành chồng,chùm tia phải quay theo góc nâng và góc phương vị theo cách này có thể xác định độ cao mục tiêu

Hình 1.4.4.3.2 góc quét theo phương ngang và phương dọc

Vùng tìm kiếm thì thường đặc trưng bởi góc khối tìm kiếm Ω trong đơn vị góc khối chiều rộng chùm tia 3dB của anten thường được biểu thị dưới góc phương

θθθ

2

D

T n

T

B

sc i

)4(

F.L.R

.k.T)4(

2

2 4 e

3

2 2 4

e 3

2 2

D

T G

P SNR

T G

σλ

.k.T16.R

4

:

;

2 2

sc av

e

T A

P SNR

D A hay

G

πλ

Từ công thức trên ta thấy Pav.A thì được biết như là sản phẩm công suất khẩu độ.trong thực tế, sản phẩm công suất khẩu độ được sử dụng rộng rãi để phân hạng khả năng hoàn thành sứ mệnh của radar Thông thường, sản phẩm công suất khẩu

độ được tính toán dựa vào SNR và tiết diện radar (RCS) cho vùng tìm kiếm xác định

1.4.4.4 PHƯƠNG TRÌNH RADAR SONG ĐỊA TĨNH HAY RADAR THU PHÁT RIÊNG (BISTATIC RADAR EQUATION)

Một hệ thống radar sử dụng cùng một anten để phát và thu thì được gọi là radar đơn tĩnh Radar song địa tĩnh sử dụng anten phát và thu ở hai vị trí khác nhau với một khoảng cách đáng kể

Hình 1.4.4.4.1 Radar song địa tĩnh

ở đây β là góc song địa tĩnh (hay là góc giữa anten phát và thu) mối liên kết đồng

bộ hoá giữa máy phát và máy thu là cần thiết để tăng tối đa sự nhận biết của tín hiệu thu để máy thu có thể lấy được thông tin tối đa từ đối tượng đường đồng bộ hoá có thể cung cấp cho máy thu những thông tin như:

• tần số phát để tính toán sự dịch chuyển Doppler

• thời gian truyền hoặc pha chuẩn để đo đường tán xạ tổng (Rt+Rr) Tần số tham chiếu và các giai đoạn đồng bộ hoá có thể được duy trì thông qua đường dây thông tin liên lạc giữa bộ phát và thu Tuy nhiên nếu điều này không xảy ra, bộ thu có thể sử dụng một bộ tạo dao động mẫu ổn định cho sự đồng bộ hoá

Sự khác biệt chính giữa hoạt động của radar đơn tĩnh và song địa tĩnh là phải

đo chính xác vùng tín dội thu phát đích(σ ).Trong trường hợp góc song địa tĩnh Bnhỏ thì vùng tín dội song địa tĩnh(bistatic RCS) giống như vùng tín dội đơn tĩnh (monostatic RCS) Nhưng khi góc song địa tĩnh tiếp cận 180o thì vùng tín dội song địa tĩnh trở nên rất lớn và có thể được xấp xĩ bởi công thức sau: 4 2

Phương trình radar thu phát riêng có nguồn gốc giống như phương trình của radar thu phát chung.mật độ công suất

4

.

t

t t D

R

G P P

'

4

.

B D r

refl

R

P R

P P

2

) 4 (

.

r t

B t t refl

R R

G P P

2

)

4 (

.

r t

e B t t Dr

R R

A G

P P

4

.

r t

B r

t t Dr

r r e

R R

G G P P

G A

π

σ

λ π

B r

t t Dr

L L L R R

G G P P

)4(

2 2 3

2

π

σ λ

=

Lp suy hao lan truyền trong môi trường

Như đã biết từ phương trình radar, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ở máy thu thì tỷ lệ ngược lại với suy hao radar Do vậy, bất kỳ sự tăng suy hao radar nào cũng làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu(SNR).do đó giảm xác suất phát hiện, một khi đó là chức năng của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu Thông thường sự khác nhau chủ yếu giữa một radar có thiết kế tốt và thiết kế kém là sự suy hao radar Sự suy hao radar bao gồm suy hao thuần trở (ohmic or resistance losses) và suy hao thống kê (statistical losses) Trong phần này, sẽ nói ngắn gọn về sự suy hao radar

1.4.5.1 SỰ SUY HAO TRUYỀN VÀ NHẬN

Sự suy hao truyền và nhận xảy ra tương ứng giữa radar phát và ngõ vào anten, giữa ngõ ra anten và đầu trước (frond end) máy thu Những suy hao như vậy thường được gọi là suy hao ống dẫn sóng (slumping losses).thường suy hao từ 1dB đến 2dB

1.4.5.2 ĐỒ THỊ SUY HAO ANTEN (ANTENNA PATTERN LOSS) Trước đó, ta xem độ lợi của anten là cực đại, điều này chỉ đúng khi mục tiêu được định vị dọc theo tầm ngắm của anten (antenna’s boresight) Tuy nhiên khi radar quét ngang qua mục tiêu thì độ lợi của anten theo hướng của mục tiêu sẽ nhỏ hơn cực đại được định nghĩa bởi đồ thị bức xạ của anten Sự suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) do không có độ lợi anten tối đa trên các mục tiêu ở tất cả các lần thì được gọi là đồ thị suy hao anten Khi một anten đã được chọn cho một radar thì

số lượng suy hao của đồ thị anten được tính toán bằng công thức

Ví dụ, xét đồ thị bức xạ anten của tín hiệu

36

.1

2 2

θ λ

với r là bán kính (aperture radius)

Trong thực tế, đồ thị bức xạ Gaussian thương được sử dụng trong trường hợp này, nếu hướng góc 3dB của anten (the antenna 3dB beam width)là θ3dB, thì độ lợi của anten có thể được xấp xĩ bởi công thức sau:

dB

G

θθθ

Hình 1.4.4.2.1 Đồ thị suy hao anten

xĩ này dẫn tới sự suy hao công suất tín hiệu, thông thường là từ 0,5 đến 1dB

¾ (constant false arlam rate loss CFAR)

Trong nhiều trường hợp, ngưỡng dò tìm của radar liên tục được điều chỉnh mức độ nhiễu nhận được để duy trì tỷ lệ hằng số báo động sai Đối với mục đích này, bộ xử lý tỷ lệ hằng số báo động sai được sử dụng để giữ số lượng báo động sai dưới mức mức kiểm soát trong sự chuyển dịch và unknown background của giao thoa Có 3kiểu xử lý CFAR chủ yếu được sử dụng

• Ngưỡng thích ứng CFAR (Adaptive threshold CFAR)

• Không có tham biến CFAR (Nonparametric CFRA)

• Kỹ thuật thu không tuyến tính (Nonlinear receiver techniques)

¾ Suy hao lượng tử (Quantization loss)

độ dài chuỗi ký tự hạn chế (số bit) và nhiễu lượng tử làm tăng nhiễu mật độ công suất ở ngõ ra chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC) mức độ nhiễu ADC là

¾ (Range gate straddle)

1.4.6.1 ĐỘ LỢI ANTEN (ANTENNA GAIN)

Độc lập trong việc sử dụng anten để truyền và nhận, một đặc tính quan trọng của anten này là độ lợi Một số anten có độ định hướng rất cao, có nghĩa là năng lượng được tập trung truyền vào một hướng xác định nhiều hơn các hướng khác Tỷ

lệ giữa năng lượng truyền lan trong những hướng đơiso với năng lượng được truyền

đi mà anten không có hướng (bức xạ đẳng hướng), đó được biết là độ lợi Khi anten phát với độ lợi xác định thì được sử dụng như một anten thu Và cũng nhận được độ lợi giống nhau

1.4.6.2 ĐỒ THỊ BỨC XẠ ANTEN (ANTENNA PATTERN)

Hầu hết các vật bức xạ phát ra sự bức xạ mạnh hơn trong một hướng so với các hướng khác Năng lượng bức xạ từ anten tạo nên trường được xác định như đồ thị bức xạ Đồ thị bức xạ là cách vẽ năng lượng bức xạ từ anten Năng lượng này được đo ở những góc khác nhau trong khoảng cách xác định từ anten Hình dạng của đồ thị này phụ thuộc vào loại anten được sử dụng

Có 2 loại đồ thị thường được sử dụng:

¾ Đồ thị toạ độ cực (polar coordinated graph): được sử dụng nhiều trong việc

nghiên cứu các mẫu bức xạ chùm tia chính (main beam) là vùng xung quanh

hướng bức xạ cực đại sidelobes là năng lượng của chùm tia chài ra ngoài

chùm chính

θ θ

2160

=

Hình 1.4.6.3.1 anten parabol

Hình 1.4.6.3.2 Đồ thị bức xạ anten parabol

Hình 1.4.6.3.3 Horizontal Cross Section of a real measured radiation pattern of a

parabolic antenna

Hình 1.4.6.3.4 A truncated paraboloid reflector

1.4.6.4 ANTEN ĐIỀU KHIỂN PHA.(Phased Array Antenna)

phased array antenna bao gồm nhiều phần tử bức xạ theo bộ dịch pha Chùm tia được hình thành bằng cách chuyển pha của tín hiệu được phát ra từ mỗi phần tử bức xạ nhờ đó có thể điều khiển chùm tia theo hướng mong muốn

Hình 1.4.6.4.1 Đồ thị bức xạ của hai phần tử cùng pha

Hai phần tử anten được cấp cùng pha Tín hiệu được khuyếch đại bởi sự giao thoa tăng trong phương hướng chính Sự tập trung của chùm tia được cải thiện bởi

sự giao thoa giảm

Hình 1.4.6.4.2 Đồ thị bức xạ của hai phần tử khác pha

Tín hiệu được phát đi bởi phần tử bức xạ bên dưới nhanh hơn 10o so với phần tử bức xạ bên trên Bởi vì hướng chính của tín hiệu phát tổng được dời lên trên

Chùm tia chính luôn chỉ theo hướng tăng độ dịch pha, vậy nếu tín hiệu bức

xạ được đưa qua một bộ dịch pha điện tử thì ta có thể điều chỉnh chùm tia theo hướng mong muốn Tuy nhiên nó có hạn chế là không mở rộng tầm quan sát được, tầm quan sát tối đa của anten mảng điều khiển pha là 120o bên trái 60o và bên phải

60o Có thể tính toán độ dịch pha cần thiết dựa vào định luật sin

Possible Arrangements (có thể điều chỉnh)

Linear array (mảng tuyến tính)

1.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA RADAR

• Máy bay dân dụng được trang bị các thiết bị Radar để cảnh báo chướng ngại vật , thăm dò đường đi và đưa ra độ cao chính xác

• Máy bay có thể hạ cánh trong sương mù tại các sân bay được trang bị

hệ thống điều khiển mặt đất được hỗ trợ bởi Radar.Trong đó đường bay được theo dõi trên màn hình Radar

• Hệ thống Radar dẫn đường điều khiển từ xa cho máy bay được phát triển vào năm 1960

• Radar được sử dụng để phát hiện máy bay và tàu của đối phương

• Radar điều khiển hoả lực để tiêu diệt mục tiêu

• Radar dẫn đường cho không quân tiêm kích , oanh tạc các mục tiêu không nhìn thấy được

• Các hệ thống giám sát và dẫn đường Radar được sử dụng cho nghiên cứu khoa học và phòng thủ

• Cho hệ thống phòng thủ phía Bắc nước Mỹ chính phủ phát triển (c.1950-63) 1 hệ thống Radar được xem như hệ thống cảnh báo sớm tên lửa đạn đạo-BMEWS(Ballistic Missile Early Warning System ) , được lắp đặt ở Thule, Greenland; Clear, Alaska; and Yorkshire, England

• Một hệ thống Radar được xem như hệ thống dẫn đường và kiểm soát không gian - Space Detention and Tracking System (SPADATS), hoạt động cộng tác giữa Canada và Mỹ , để dẫn đường vệ tinh nhân tạo quan sát trái đất

• Mưa là mục tiêu lí tưởng cho S-Band Radar (~10cm)

• Đơn vị Radar thời tiết được thành lập ở Mĩ vào thập kỉ 60.(WSR-57

Hình 1.5.3 ứng dụng của radar trong khí tượng.

Chương 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI

2.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG RADAR HỒNG

NGOẠI

Hình 2.1 Sơ đồ khối của Hệ Thống Radar Hồng Ngoại

• Nguyên lý hoạt động của Hệ Thống Radar Hồng Ngoại

Động cơ quét có gắn bộ thu phát hồng ngoại sẽ quét năm góc nhỏ trong khoảng từ 0o đến 90o ứng với 5dãy LED để hiển thị kết quả bộ thu phát hồng ngoại

sẽ truyền dữ liệu thu được về vi điều khiển xử lý để hiển thị kết quả ra các dãy LED mỗi dãy LED có 7mức hiển thị, mỗi mức ứng với 10cm Khi đó động cơ và

bộ thu phát hồng ngoại quét tới đâu thì sẽ hiển thị chính xác vị trí góc quét và khoảng cách vật thể nếu vật đó nằm trong tầm quét

2.2 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN CỨNG VÀ TRÌNH BIÊN DỊCH

2.2.1.1 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F452

Vi điều khiển được chọn dùng trong đề tài là loại vi điều khiển Pic 18F452 của công ty Micro chip Sau đây là vài nét chính của vi điều khiển này:

VI ĐIỀU KHIỂN PIC

ĐỘNG CƠ

QUÉT

HIỂN THỊ KẾT QUẢ

BỘ THU PHÁT HỒNG NGOẠI

Hình 2.2.1.1.1 Sơ đồ chân của PIC 18F452

• Bộ xử lý chính:

Loại bộ xử lý RIST CPU Tần số hoạt động tối đa 40MHz Lưu được 32K lệnh trong bộ nhớ chương trình

• Thiết bị ngoại vi:

3 cổng ngắt ngoài

Timer 0: 8bit/16bit timer/counter với bộ chia trước 8bit Timer 1: 8bit/16bit timer/counter

Timer 2: 8bit timer/counter với chu kì thanh ghi 8bit

Timer 3: 16bit timer/counter

2 bộ tích hợp Capture, Compare, PWM Capture 16bit, độ phân giải tối đa 6,25ns

Compare 16bit, độ phân giải tối đa 100ns

PWM có độ phân giải tối đa 10bit tần số PWM tối đa

8 kênh biến đổi Analog to Digital 10bit

Programmable Low Voltage Detection (PLVD) Supports interrupt on-Low Voltage Detection Programmable Brown-out Reset (BOR)

• Bộ tạo xung

Bộ tạo xung dùng để cấp xung cho vi điều khiển hoạt động PIC18F452 và vi điều khiển nói chung cho phép nhiều cách cung cấp xung hoạt động khác nhau Tuy

nhiên ở đây dùng thạch anh làm nguồn xung vì nó ổn định và đơn giản Vì sử dụng thạch anh nên ta chỉ quan tâm các mode LP, XT và HS

XT

4.0 MHz 15 pF 15 pF 4.0 MHz 15 pF 15 pF 8.0 MHz 15-33 pF 15-33 pF 20.0 MHz 15-33 pF 15-33 pF

Có nhiều cách để reset lại vi điều khiển, trong đó có hai nguồn quan trọng nhất, đó là reset khi vừa cấp nguồn (Power on reset - POR), và reset lại bởi chân MCLR

• Interrupt

Ngắt trong vi xử lý luôn thực hiện một chương trình mà ta thường gọi là chương trình chính, khi có một sự tác động từ bên ngoài bằng phần cứng hay sự tác động bên trong làm cho vi xử lý ngừng thực hiện chương trình chính để thực hiện một chương trình khác (còn gọi là chương trình phục vụ ngắt) và sau khi thực hiện