báo cáo tiểu luận hệ thống radar

Ang ten Antenna Nhận xung từ máy phát và truyền ra môi truờng  Tập trung năng lượng thành một chùm tia  Tăng năng lượng  Xác định hướng của mục tiêu.. Khối hiển thị Display Rất đa d

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Điện Tử-Viễn Thông

Đề Tài: Hệ Thống Radar

Giáo Viên Hướng Dẫn: Đào Ngọc Chiến

Sinh viên thực hiện : Ngô Minh Đức

Lớp : ĐT8-K48

Nội Dung Chính

1 Lý Thuyết Radar

2 Mô hình của hệ thống radar

3 Tham số ảnh hưởng hoạt động của rada

4 RSC- radar cross section

5 Một số loại radar và ứng dụng

1 Lý thuyết radar

1.1 Nguyên lý hoạt động

1.2 Khoảng cách của mục tiêu phát hiện1.3 Sự phát xung trong radar

Target Cross Section

Propagation

Reflected Pulse (“echo”)

1.2 Khoảng cách của mục tiêu phát hiện

Tra nsm

itte d Pul se

Ref lec

ted Pul se

Ran ge

Target

• Target range =

cΔt 2

1.2 Khoảng cách của mục tiêu phát hiện

 2R=cΔt

 c = 3 m/s Vận tốc lan truyền sóng điện từ

 Δt : khoảng thời gian trễ từ lúc phát xung đến lúc nhận được xung phản xạ trở lại

 Ta có: R=cΔt/2

10 8

1.3 Sự phát xung trong radar

 Chuỗi xung là dạng điều chế biên độ của sóng

mang tần số Radio

 Giống với điều chế biên độ trong viễn thông

 Thông tin rất đơn giản: một xung đơn được lặp lại tạo thành chuỗi xung

1.3 Sự phát xung trong radar

1.3 Sự phát xung trong radar

 PW: pulse width(µs)_ Thời gian phát xung

 RT : Reset time(µs)_khoang thời gian giữa 2

2 Mô hình của hệ thống radar

2.1 Sơ đồ khối

2.2 Khối phát sóng (Transmitter)

2.3 Khối thu (Receiver)

2.4 Khối Nguồn (Power Supply)

2.5 Khối đồng bộ (Synchronizer)

2.6 Bộ chuyển mạch(Duplexer)

2.7 Ang ten (Antenna)

2.8 Khối hiển thị (Display)

2.1 Sơ đồ khối

2.3 Khối thu (Receiver)

 Rất nhạy với khoảng tần số máy phát

 Khuyết đại tín hiệu phản hồi trở lại

 Khi dải tần lớn càng lớn máy thu phải rất nhạy

nhưng không được nhầm với nhiễu

 Phát hiện tín hiệu phản hồi nhờ Background noise (nhiễu nền) thông qua tỉ số signal-to-noise (S/N)

 Background noise được xác định bằng giá trị

noise-equivalent-power (NEP) NEP là năng lượng trung bình của nhiễu

 Tiêu chuẩn xác định mục tiêu:

Pr >(S/N)NEP với Pr: năng lượng sóng phản hồi

2.3 Khối thu (Receiver)

 Năng lượng nhỏ nhất để phát hiện

 S/N lớn: ít có cảnh báo sai nhưng không phát hiện được 1

số mục tiêu thật

2.3 Khối thu (Receiver)

 S/N nhỏ: có nhiều cảnh báo sai – high flase alarm rate (FAR)

 Máy thu CFAR (constant flase alarm rate) sẽ điều chỉnh S/N để giữu tỉ số cảnh báo sai là không đổi

 Đặc tính máy thu:

 Tích hợp xung: lấy giá trị trung bình của nhiều xung Nhiễu ngẫu nhiên không xuất hiện trong mỗi xung -> xác định được nhiễu với mục tiêu (xuất hiện trong mỗi xung)

2.3 Khối thu (Receiver)

 Điều khiển thời gian nhạy(STC): giảm bớt sự tác động

tử trạng thái biển

 Hắng số thời gian nhanh (FTC): giảm bớt hiệu ứng thời gian phản xạ trong mưa

2.4 Khối Nguồn (Power Supply)

 Cung cấp năng lượng cho tất cả các khối khác

 Nguồn cung cấp một năng lương tiêu thụ nhỏ hơn năng lượng phát xung

 Năng lượng cần cho khối phát xung là lớn (vài kw).

 Năng lượng sẽ được tích trong tụ trong khoảng thời gian Reset Time Sử dụng trong phát xung.

2.5 Khối đồng bộ (Synchronizer)

 Kết hợp sự tính toán thời gian cho xác định phạm

vi (PW-Rmin, PRF-Rmax)

 Điều chỉnh tốc độ xung gửi

 Tín hiệu từ bộ dồng bộ gửi tới máy phát

 Gửi một xung mới đến màn hình để reset lại quét màn hình

 Khi phát giữ kết nối máy phát với ăngten trong

thời gian phát xung (PW)

 Sau đó nó kết nối máy thu tới ăngten

 Khi phát dãy xung mới thì kết nối phát-ăngten lại thiết lập

2.6 Bộ chuyển mạch(Duplexer)

 Khi năng lượng phát sóng thấp thì bộ chuyển mạch là không cần thiết

2.7 Ang ten (Antenna)

 Nhận xung từ máy phát và truyền ra môi truờng

 Tập trung năng lượng thành một chùm tia

 Tăng năng lượng

 Xác định hướng của mục tiêu

 Có Nhiều hệ thống ăngten không thay đổi hướng

về vật lý nhưng có hệ thống lái tia điện tử

 Beam-width (độ rộng tia): phạm vi góc của năng lượng bức xạ lớn nhất

 Độ rộng tia theo trục ngang

 Độ rộng tia theo trục đứng

2.7 Ang ten (Antenna)

 θ = λ/L

 θ : beam-width theo phương ngang (rad)

 λ : bước sóng ca rada

 L : kích thước của ăngten trong hướng kho sát

 Trong ăngten 1 hướng của chùm tia θ = 2 λ /L

 Hệ số hướng (Gdir) được tính bằng sự đo đạc để

sự ttập trung của tất cả các tia là tốt

 Trong 1 mặt phẳng : Gdir=2Π / θ

 Trong không gian: Gdir=4Π /( θΦ)

θ,Φ: beam width theo phương ngang và phương đứng

2.7 Ang ten (Antenna)

 Ví Dụ1: θ=0.15 độ hay 0.025rad, Φ=20 độ hay

2.7 Ang ten (Antenna)

 Φ =λ/w=0.33/4.3=0.076 rad hay 4 độ

 Gdir=4Π / (θΦ)=3638

 Gdir(dB)=10log(3638)=35.6 dB

2.8 Khối hiển thị (Display)

 Rất đa dạng nhưng mục đích chính là thể hiện thông tin nhận được

 Dạng thể hiện cơ bản là A-scan

 Mối quan hệ giữa biên độ với thời gian

 Trục đứng là biên độ tín hiệu phản hồi, trục ngang là thời gian

 Không cho biết hướng của mục tiêu

2.8 Khối hiển thị (Display)

A-scan

2.8 Khối hiển thị (Display)

 Sự thể thể hiện chung nhất là PPI (plane position indicator – chỉ vị trí trên mặt phẳng)

 Thông tin của A-scan được thể hiện thành độ sáng cùng với hướng của ămgten

 Cho ta quan sat từ đỉnh xuống: khoảng cách từ gốc đến đối tượng

 Màn hình tự nhiên nhất cho sự điều hành (định hướng)

 Ứng dụng rộng dãi

 Bộ đồng bộ khởi tạo lai vệt quét bằng cách gửi

một xung

2.8 Khối hiển thị (Display)

Thông tin bắt đầu từ gốc

3 Tham số ảnh hưởng hoạt động của rada

3.1 Độ rộng xung (PW)

3.2 Tần số lặp lại xung (PRF)

3.3 Một số chú ý

3.4 Tần số radio

Có nhiều tham số ảnh hưởng đến hoạt động của

hệ thống radar Ở đây, chúng ta chỉ xét 1 vài tham

số chính:

3.1 Độ rộng xung (Pulse width)

 Khoảng thời gian của xung và khoảng cách của mục tiêu sẽ xác định thời gian xung phản hồi:

 xung phản hồi có độ rộng như xung phát

 Khối hiển thị sẽ biến đổi xung trả về (theo thời gian) thành xung theo khoảng cách

 Khoảng cách (xung quanh đích radar) không xác định được mục tiêu Rres

 Rres tương đương với khoảng cách của độ rộng xung

 Rres= c PW/2

3.1 Độ rộng xung (Pulse width)

Xung phát lý tưởng

3.1 Độ rộng xung (Pulse width)

3.1 Độ rộng xung (Pulse width)

khong được hiển thị chính xác.

 Khi bộ đếm khởi tạo màn hình khởi tạo lại ->

khoảng cách hiển thị nhỏ hơn khoảng cách thực

3.2 Tần số lặp lại xung (PRF)

3.2 Tần số lặp lại xung (PRF)

 Khoảng cach cách chính xác cự đại mà có thể hiển thị là Runamr

 Runamr = cPRT/2 = c/(2PRF)

3.3 Một số chú ý

 Khi quét, radar cần điều chỉnh tỉ lệ quét -> sẽ có 1

số xung được truyền để sự phát hiện là tin cậy

 Ít xung: khó phân biệt mục tiêu sai với mục tiêu thật

 Mục tiêu sai: có thể hiển thị trong 1 hay 2 xung nhưng không thể trong 10 hay 20 xung

 Để tỉ lệ phát hiện sai nỏ số xung phát lớn khoảng trên 10 xung

3.4 Tần số radio

 Tần số sóng màn radio cũng có ảnh hưởng đến sự phát xạ của chùm tia radar

 Tần số cực thấp: chùm tia radar bị khúc xạ ở tầng khí quyển và bị giữ lại trong “duct” lam tăng

khoang cách

 Tần số cực cao: Chùm tia như là ánh sáng nhìn thấy

và mất năng lượng -> không phù hợp cho rada tầm xa

 Tần số củng ảnh hưởng đến beam-width

3.4 Tần số radio

Atmospheric Effects

Radar beams can be attenuated, reflected and

bent by the environment

Radar beams can be attenuated, reflected and

bent by the environment

3.4 Tần số radio

4.RSC- radar cross section

4.1 Định nghĩa

4.2 RSC của một số vật thể

4.1 Định nghĩa

 RSC (mặt phẳng cắt ngang radar) của một mục tiêu là sự so sánh năng lượng sóng phản xạ của mục tieu với sự phản xạ của một hình cầu trơn tuyệt đối xét trên một 1m2 nằm

ngang

 không bao gồm tất cả năng lượng bức xạ rơi của mục tiêu

4.1 Định nghĩa

4.1 Định nghĩa

 RSC của một đích tính bằng:

 б = Projected cross section x Reflectivity x Directivity

 Reflectivity: phần trăm năng lượng bức xạ của mục tiêu

 Directivity: tỷ số giữa năng lượng bức xạ về hướng của radar trên năng lượng bức xạ theo tất cả các hướng

 Projected cross section: diện tích mặt cắt ngang của đối tượng

4.2 RSC của một số vật thể

 Sự trở lại của một radar từ một mục tiêu có thể so sánh với sự phản xạ mặt trước của một hình cầu (diện tích của một đơn vị m2 trên hướng tới)

 Sử dụng dạng hình cầu sẽ giúp cho phép đo

phương hướng và vị trí của hình cầu sẽ không bị ảnh hưởng bởi phép đo cường độ phản xạ như

một mặt phẳng (tấm thép)

 Nếu đo các nguồn khác có thể sử dụng phép đo so sánh

4.2 RSC của một số vật thể

4.2 RSC của một số vật thể

 Hướng phản xạ điện trường của một số vật thể (theo góc)

 Sự phản xạ của một góc cũng lớn như của mặt

phẳng nhưng theo góc rộng hơn ± 60 độ Sự phản

xạ của góc sẽ tượng tự như sự phản xạ của mặt

phẳng được đặt vuông góc với hướng máy thu

4.2 RSC của một số vật thể

 Các mục tiêu như tàu biển, náy bay sẽ có hiệu ứng góc

 Sự phản xạ của góc có thể được dùng để xác định kích thước của mục tiêu

 Sự phản xạ của một máy bay rất phức tạp Nó có nhiều hình dáng và thành phần phản xạ RSC thay đổi theo hướng chiếu của radar

 RSC đặc trưng của một máy bay theo góc nâng 0

độ được minh họa dưới đây:

5.1 Vai trò của radar

 radar đóng một vai trò quan trọng trong ngành hàng không và hàng hải, trong dân sự lẫn quốc phòng

 Trong dự báo thời tiết : có thể dự báo lượng mưa cùng sức gió

 Ngoài ra radar còn có một số ứng dụng khác: đo nhiệt độ, áp suất,sức gió, thăm dò địa chất…

Incoherent Scatter Echo

5.2 Đo áp suất

 Cường độ sóng dội lại (echo) thu được từ tầng điện ly sẽ đo được số electrons có khả năng phát xạ sóng radio Từ đó ta tính được

áp suất.

5.3 Đo nhiệt độ

 Các electrons khi chuyển động sẽ mang theo nhiệt

- trong trường hợp này echo(replected pulse) là sự phát xạ

 Sự dội lại này(Echo) sẽ chứa một khoảng tần số

phát gần với tần số của máy phát

 Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ chuyển động của các electrons cũng tăng

 Radar sẽ hoạt động như là một cảm biến nhiệt để

đo nhiệt độ của tầng điện ly

5.4 Đo tốc độ gió

 Khi một electron di thoát ra khỏi một nguyên tử nó

sẽ làm cho nguyên tử tích điện dương

 Các ion ở thể khí này có nhiệt độ khác nhau

 Hỗn hợp electron/ion này được gọi là một plasma và

nó luôn luôn di chuyển (gió mà ta cảm nhận)

 Do vậy radar phát xạ rời rạc (incoherent scatter

radar) có thể đo được tốc độ gió