Giới thiệu về Radar

Viết tắt của Radio Detection And Ranging :là 1bộ cảm biến sóng vô tuyến ,nói chung(nhưng không hoàn toàn ) hoạt động ở dải tần số microwave ( 1 GHz), và là 1 bộ cảm biến cực “nhạy” .

Giới thiệu về Radar

Nguyễn Hồng Quang

ĐT6-K48

Radar

Radar

1bộ cảm biến sóng vô tuyến ,nói chung(nhưng không hoàn toàn ) hoạt động ở dải tần số

microwave (> 1 GHz), và là 1 bộ cảm biến cực

“nhạy” Ở đây từ “nhạy” chỉ ra rằng : bộ cảm biến phát năng lượng (sóng điện từ) vào môi trường xung quanh và thu về thông tin thông qua phân tích phản xạ trở lại

truyền thông chỉ trên 1 đường ,với kết nối trở

về là sóng phản xạ

và tín hiệu thu là tín hiệu phản xạ

là nó phát đồng nhất về mọi hướng Năng

lượng phát tại 1 khoảng cách d từ máy phát ,là được trải rộng đồng nhất trên bề mặt của 1 quả cầu có bán kính là d ,với mật độ năng

lượng :

:hệ số tăng ích của ăngten (G) là thước đo tính hiệu quả của ăngten trong tập trung năng

lượng phát xạ của ăngten theo 1 hướng xác

định.Mật độ năng lượng sẽ là :

Ăngten Radar

Send the signal (electromagnetic pulse)

Hệ số phản xạ

Forward signal

Signal scatted by small particles

Hệ thống Radar điển hình bao gồm :1 máy phát

và thu sóng vô tuyến đặt cùng vị trí ,thường sử dụng chung 1 ăngten

hiệu trở về

khoảng cách tới đích và kích cỡ(điện) của nó

trễ thời gian từ khi phát cho tới khi nhận được sóng phản xạ lại

Truyền trong không gian tự do

nhận sẽ là tích số của mật độ năng lượng tại điểm đó với diện tích có ảnh hưởng của

ăngten

Truyền trong không gian tự do

chúng ta có thể sử dụng phương trình quan hệ giữa diện tích chịu ảnh hưởng và hệ số tăng ích

Truyền trong không gian tự do

bằng phương trình tổn hao năng lượng trong không gian tự do Friis

Radar cross-section

area) của ăngten nhận ,trong Radar ,tín hiệu được xác định bởi RCS

(electrical) của mục tiêu

Phương trình Radar

bằng mật độ năng lượng tại mục tiêu nhân với RCS

phản xạ là:

Phương trình Radar

Radar Ta có :

Phương trình tầm xa của Radar

có thể xác định được phương trình cho d và tìm được khoảng cách lớn nhất mà thiết bị có thể dò được

thế cho d - khoảng cách

SNR(Signal Noise Ratio)

• Năng lượng nhiễu tại đầu vào bộ thu là :

• Pn = kT B F

• Trong đó :

• k :hằng số Boltzmann’s

• T:nhiệt độ máy thu(Nhiệt độ Kelvin)

• B:Dải thông của nhiễu máy thu(có thể xem như bằng

dải thông của tín hiệu)

• Noise Figure F ,số hạng lớn hơn 1 so sánh với trường

hợp lí tưởng =1

• Sau đó ta có thể tính được SNR = Pr/Pn.

Xung Radar(Pulse Radar)

phát 1 xung RF ngắn và đo thời gian trễ trở về

1/ với là độ rộng xung

range) của Radar :

Xung Radar

• Các xung ngắn hơn yêu cầu dải thông nhận là lớn hơn

(nhiều nhiễu hơn) ,cung cấp năng lượng trung bình

thấp hơn (tín hiệu yếu hơn) nhưng cung cấp độ phân giải tầm xa (resolution range) tốt hơn.

• “Matched filter” có đáp ứng xung phù hợp với xung

phát đi

• Tầm xa tới mục tiêu sẽ là :

Xung Radar

này được gọi là PRI hoặc PRT

unambiguos maximum) của hệ thống

Xung Radar

(unambigous range) có thể hiểu như mục tiêu đóng (close target)

Xung Radar

phản xạ ở xa thường phải lớn

khoảng dò được lớn nhất của Radar

ứng của những lần quay trở lại này

Đo tầm xa(Range Measurement)

chính xác tốt hơn độ rộng xung bằng việc sử dụng “bộ theo dõi chia cổng”(split-gate-

tracker)

và Late Gate  ước lượng được vị trí của mục tiêu

Radar clutter(“Tạp âm- Nhiễu”Radar )

Radar không mong muốn

ground clutter (area clutter)

hiện volume clutter

Area Clutter

cross-section trung bình trên 1 đơn vị diện tích ,

diện tích mặt đất (ground area) được chiếu sáng là bao nhiêu

Area clutter

độ rộng góc phương vị của ăngten ( antenna

azimuth beamwidth) và tầm xa hoặc khoảng cách tới clutter patch

o The range gate size (shallow grazing angle-góc sượt qua nông )

o Hoặc độ rộng góc nâng (elevation beamwidth) cho các góc sượt qua dốc hơn( steeper grazing angles) như Radar không vận chiếu sáng mục tiêu dưới đất.

Góc phương vị

Góc nâng

Area Clutter

và là độ rộng góc phương vị theo Radian

Area Clutter

định bởi phần nhỏ hơn của :

Range gate phóng trên mặt đất.

Độ rộng của góc nâng nhân với “ The total range “ phóng trên mặt đất.

Area clutter

biểu diễn như sau :

Area Clutter

grazing angles ) ,khi xung bị giới hạn :

Area Clutter

area là gần giống diện tích hình elip

Clutter Cross-section

clutter patch area nhân với hệ số backscatter

phía mà góc lướt qua thấp

Năng lượng Clutter quay về

là:

Năng lượng Clutter quay về

theo 1/R^3 ,trong khi năng lượng mục tiêu

giảm theo 1/R^4

cách làm tăng số lượng clutter quan sát được

case),diện tích clutter là hàm của R^2 vì thế năng lượng clutter quay về tỉ lệ với 1/R^2 ,so với 1/R^4 cho năng lượng của mục tiêu

Volume Clutter(Thể tích Clutter)

Range gate length

Range to range gate of interest

Độ rộng góc nâng và góc phương vị của ăngten

Volume Clutter

• Thể tích clutter được mô tả bởi tiết diện backscatter

trên đơn vị thể tích, , có đơn vị là

• Tổng clutter cross section là :

• Vì vậy ,phương trình tầm xa được áp dụng , chúng ta

sẽ thấy clutter return chỉ giảm theo R^2 bởi vì sự phụ thuộc thể tích clutter theo R^2

Volume Clutter Cell

Kết luận

• Hệ thống Radar chiụ tổn hao đường truyền tỉ lệ với R^4 lớn

hơn R^2 trong truyền dẫn 1 đường của hệ thống thông tin.

• Phương trình tầm xa của Radar cung cấp 1 năng lượng (power)

nghĩa là dự đoán cường độ tín hiệu quay về.

• Clutter có thể là diện tích (mặt đất-ground) hoặc thể tích (thời

tiết –weather).

• Diện tích hoặc thể tích clutter tăng theo R hoặc R^2 ,Clutter

không giảm theo khoảng cách nhanh như cường độ tín hiệu.

• Cường độ tín hiệu tỉ lệ với 1 tham số -được gọi là radar cross

section –cái được áp dụng với clutter hoặc các mục tiêu

Một số ứng dụng của Radar

• Radar phát hiện ra vị trí ,vận tốc của vật thể Trong 1 số hệ

thống tiên tiên còn xác định được hình dạng của chúng

Trong hàng không dân dụng

• 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.

Ứng dụng trong quân sự

tàu của đối phương

oanh tạc các mục tiêu không nhìn thấy được

Ứng dụng trong quân sự

• 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

Ứng dụng trong quân sự

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

Ứng dụng của Radar

địa lý ,tìm và định vị ngoài khơi

hành tình và tầng điện ly thuộc hệ mặt trời ,

phát hiện các tia sáng và các vật thể di chuyển ngoài không gian

Ứng dụng trong khí tượng

• 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 ảnh Radar WSD-88D

CASA

Một vài hình ảnh

Lốc xoáy

Hình ảnh các đám mây tích mưa

Xin chân thành cảm ơn thầy

giáo và các bạn.