Giáo trình nguyên lý hoạt động Radar ( Phần 2)

Sơ đồ khối hình 2-21 : Ta biết rằng sóng điện từ phát xạ từ đài radar và tín hiệu phản xạ nhận được từ mụctiêu cả mục tiêu chuyển động và mục tiêu cố định khác nhau về pha, và sự khác b

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CỰ LY :

Ta đã biết, trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, sóng điện từ truyền theođường thẳng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng c Tín hiệu phản xạ về đài bị giữ chậm lại

so với tín hiệu phát xạ một thời gian tr do truyền trên quãng đường 2r (từ đài đến mục tiêuvà trở về)

c

2r

tr Nếu trên mục tiêu có đặt máy trả lời, thời gian giữ chậm của tín hiệu trả lời

τ - Thời gian chậm của tín hiệu trong mạch máy trả lời

Như vậy, thực chất của việc xác định cự ly bằng radar là đo thời gian giữ chậm tr

Về mặt định lượng, để có thể xác định sai số trong các phương pháp đo cự ly, trướchết phải chia cự ly phát hiện của đài radar thành từng phần rất nhỏ, hay nói cách khác là talấy vi phân toàn phần của cự ly đó, nghĩa là từ phương trình của hàm cự ly: r ct2r

sau khi lấy vi phân ta được : dt

t

rdcc

rdr

t

Trong đó : c - Sai số đo tốc độ truyền sóng

tr - Sai số đo thời gian giữ chập tr

Vậy sai số đo cự ly phụ thuộc vào sự thay đổi tốc độ truyền sóng trung bình và cácquy tắc, phương pháp kỹ thuật để đo thời gian tr của đài radar Do tính chất của môi trườngluôn thay đổi một cách ngẫu nhiên nên việc xác định tốc độ truyền sóng trung bình là không

thể được Nhưng với điều kiện ta có một đài radar hoàn hảo đang hoạt động trong môitrường không có nhiễu, tức là không có sai số về phép đo thời gian giữ chậm tr, hay nói cáchkhác là tr = 0, như vậy lúc đó vẫn tồn tại sai số đo cự ly là:

2.4.1 Phương pháp đo cự ly bằng pha: cự ly được xác định bởi hiệu pha sóng phát xạ và phản xạ

Sơ đồ khối ( hình 2-21) :

Ta biết rằng sóng điện từ phát xạ từ đài radar và tín hiệu phản xạ nhận được từ mụctiêu (cả mục tiêu chuyển động và mục tiêu cố định) khác nhau về pha, và sự khác biệt vềpha này phụ thuộc vào cự ly của mục tiêu so với đài, do đó để đo được cự ly mục tiêu, trongđài radar có thể dùng một pha kế để so sánh độ lệch pha giữa dao động chuẩn của tín hiệuphát xạ và pha của tín hiệu phản xạ để tính ra được cự ly của mục tiêu Trong phương pháp

Máy phát tần

kế

HÌNH 2-21 : Đo cự ly bằng phương pháp pha

này việc đo cự ly của mục tiêu được tương ứng với việc đo độ dịch pha r = c  tr của daođộng tín hiệu nhận được so với dao động của máy phát tần số chuẩn c Ta có :

Dao động của máy phát tần số chuẩn :

U1 = Um1sin [ct + c ] ( 2-64 )

Dao động của tín hiệu nhận được :

U2 = Um2sin[c.(t-tr )+ c - px - t ] ( 2-65 )

ở đây : c - Pha ban đầu của dao động chuẩn

t - Dịch pha trong các mạch của đài radar

px - Dịch pha dao động chuẩn trong các mạch máy trả lời hay do phản xạ của mụctiêu

Hiệu pha dao động U1, U2 :

ωc

)t

c(

Vậy theo công thức này ta thấy nếu biết độ dịch pha của tín hiệu phản xạ px và độdịch pha trong các mạch của đài radar thì có thể tính được cự ly của mục tiêu khi dùng phakế để đo hiệu pha h Còn máy phát tần số chuẩn có thể là máy phát chủ yếu ở tần số manghay bộ điều chế

Mặt khác độ chính xác đo cự ly còn phụ thuộc vào tần số của dao động chuẩn nên khigiảm tần số chuẩn cω độ chính xác đo cự ly giảm (sai số pha kế giữ nguyên) Vì vậy trongcác hệ thống pha người ta thường dùng một vài tần số chuẩn, tức là dùng phương pháp nhiềuthang để thay đổi tần số chuẩn cho phù hợp Nghĩa là khi thay đổi một tần số chuẩn thì ta sẽđược một tần số hiệu khác nhau, làm cho việc đo cự ly sẽ có nhiều kết quả hơn dẫn đến xácsuất đo sẽ chính xác hơn, đây chính là ưu điểm của việc đo cự ly bằng phương pháp pha

Nhược điểm của phương pháp pha: Hệ thống đo cự ly bằng phương pháp pha dùng

bức xạ sóng điện từ liên tục nên sóng phản xạ trở về cũng liên tục, các tín hiệu của các mụctiêu ở các cự ly khác nhau đều phản xạ trở về chồng lên nhau tạo nên ở đầu vào máy thumột tín hiệu tổng hợp phức tạp không thể tách riêng thành từng tín hiệu riêng rẽ (trừ trườnghợp có mục tiêu mà biên độ tín hiệu phản xạ trở về đầu vào máy thu đài radar lớn hơn hẳncác tín hiệu phản xạ khác) nên không thể phân biệt các mục tiêu này theo cự ly được Do đóđể khắc phục nhược điểm này, trong phương pháp pha để phân biệt được tín hiệu của cácmục tiêu di động so với đài người ta dựa vào hiệu ứng doppler, lúc này tần số của tín hiệu

nhận được khác với tần số của sóng bức xạ một lượng dịch tần doppler, độ dịch tần này domục tiêu chuyển động so với đài gây ra và nó tỷ lệ với tốc độ mục tiêu (theo công thức 1-7),nên với các mục tiêu có tốc độ khác nhau thì lượng dịch tần doppler cũng khác nhau, vàđiều này được ứng dụng để phân biệt được mục tiêu chuyển động so với đài radar trongphương pháp pha Còn để có thể phân biệt được các mục tiêu không chuyển động đôi khingười ta còn dùng phương pháp điều chế manip tần số pha, tuy nhiên phương pháp này vẫncòn những nhược điểm cơ bản của hệ thống đo cự ly bằng phương pháp pha.

2.4.2 Phương pháp đo cự ly bằng tần số :

Cũng tương tự như khi đo cự ly của mục tiêu bằng phương pháp pha, trong phươngpháp tần số để xác định cự ly mục tiêu đài radar cũng phát xạ ra không gian sóng điện từmột cách liên tục nhưng tần số đã được điều chế trong máy phát, lúc này đối với mục tiêu diđộng thì ngoài sự thay đổi tần số giữa sóng phát xạ và sóng phản xạ ra do độ dịch tầndoppler ra còn có thêm sự thay đổi tần số do được điều chế trước nên làm tăng khả năngphân biệt về cự ly đối với mục tiêu di động, còn đối với loại mục tiêu không di động thì docó sự khác nhau về tần số giữa sóng phát xạ và sóng phản xạ nhờ được điều tần nên cũngphân biệt được cự ly của các mục tiêu khác nhau, mà do có sự khác nhau về tần số này nênkhi sóng tới mục tiêu và sóng phản xạ về từ mục tiêu khi gặp nhau trên quỹ đạo truyền sẽgây nên hiện tượng tần số phách, do đó việc đo cự ly được xác định với tần số phách, tần sốnày được tạo ra khi sóng phản xạ tác dụng với sóng phát xạ Vì vậy để xác định cự ly bằngphương pháp này cần phải đo lượng thay đổi tần số dao động bức xạ sau thời gian sóngtruyền tới mục tiêu và phản xạ ngược lại

Nếu tần số f thay đổi liên tục theo quy luật tuyến tính với tốc độ 

với: γ dfdt thì biến thiên tần số dao động bức xạ f sau thời gian lan truyền tín hiệuc

2r

r

t  là :

f = tr = 2rc  r c2γΔcf ( 2-69 )

Do hiệutần số dao động bức xạ và dao động nhận được là Fr = f

nên ta xác định được cự ly mục tiêu :

2γ

F c

Tuy nhiên trên thực tế ta không thể điều tần tuyến tính liên tục nghĩa là không thểđiều chế tần số tăng liên tục hoặc giảm liên tục được mà chỉ có thể điều tần theo quy luậttuần hoàn Trong thực tế người ta thường áp dụng 2 dạng điều chế: điều chế hình răng cưavà điều chế hình sin để đo cự ly của mục tiêu trong phương pháp điều tần

* Ta xét nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo cự ly theo phương pháp tần số trong trường hợp điều tần dạng răng cưa đối xứng , theo sơ đồ khối (hình 2-22):

Để đơn giản ta xét trong trường hợp mục tiêu không chuyển động so với đài radar, lúcnày chỉ có sự thay đổi về tần số giữa sóng tới và sóng phản xạ từ mục tiêu do việc điều chếtần số (trong trường hợp này là điều chế tần số theo dạng răng cưa tuần hoàn theo chu kỳ Tm

) chứ không có sự thay đổi tần số do hiệu ứng doppler

Ta có giản đồ thời gian của sóng tới và sóng phản xạ từ mục tiêu không di động ở cự

ly r và thời gian giữ chậm tr như sau ( hình 2-23):

Trong hình vẽ trên ta thấy sóng bức xạ từ đài radar đến mục tiêu (gọi là tín hiệu trựctiếp ftt ) biến thiên theo quy luật tuần hoàn với tốc độ biến thiên là  , nên ta được :

ftt = f1 + t

với : nTm  t  nTm + T2m n là một số nguyên , không âm

Như vậy theo quy luật biến đổi tần số của tín hiệu phản xạ thì :

2γ

cF 2γ

m

T

f 2Δc2

f 4Δc

cT

Tm- chu kỳ lặp lại của xung răng cưa

fm- Độ lệch tần

Fph- Tần số phách của hai tín hiệu Trong trường hợp này Fph = fh

* Ta xét nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo cự ly theo phương pháp tần số trong trường hợp điều tần dạng hình sin:

Trong trường hợp này xung phát xạ từ đài radar được điều chế tần số theo dạng hìnhsin và sóng điện từ này được phát ra không gian một cách liên tục, như vậy sóng phản xạ từmục tiêu cũng có dạng điều tần hình sin nhưng có độ dịch tần so với tần số phát là fm Tacó giản đồ thời gian của sóng tới và sóng phản xạ như sau (hình 2-24) :

f 0

Như vậy trong phương pháp đo cự ly mục tiêu bằng cách điều chế tần số tín hiệu phát theodạng hình sin có tần số góc là m , thì tần số của sóng bức xạ từ đài radar (còn gọi là tínhiệu trực tiếp) có dạng là :

tΩcos2

ff

Trong đó : f0 - Giá trị tần số trung bình

m = 2fm - tần số góc điều chế

Nếu mục tiêu không di động thì tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trong phương pháp này códạng :

)t-(tΩcos2

fffpx

r m

[cosΩ2

Δcf//

2[sin2

Δcf

m m

2

t - (t sinΩ 2 sin f

2

t - (t sinΩ 2

t sin f /

m r

m m

Người ta tìm được giá trị trung bình của tần số phách :

2

tωsinπ

Δcf2

cT

với fph = /fh / và fm - là độ dịch tần (hay độ lệch tần)

Nên ta thấy cự ly r phụ thuộc chính vào độ lệch tần f m , và muốn xác định cự ly mục tiêu ta chỉ cần sử dụng tần số kế để đo tần số phách của tín hiệu

Qua hai công thức (2-80) và (2-81) ta thấy muốn giảm sai số đo cự ly (hay tăng cự lyphát hiện mục tiêu) thì cần phải tăng độ lệch tần fm Ngoài ra hệ thống trên còn có các saisố như : tần kế không chính xác, độ lệch tần và tần số điều chế không ổn định, do ảnhhưởng của điều biên ký sinh, do hiệu ứng doppler khi mục tiêu chuyển động Do đó trongtừng điều kiện mà cự ly của mục tiêu khi đo được sẽ không hoàn toàn chính xác mà có mộtsai số cho phép nhất định nào đó

Ví dụ : Nếu khi đo cự ly của mục tiêu mà mục tiêu này di chuyển so với đài radar thi khi

tính cự ly của nó ta phải tính đến hiệu ứng doppler Giả sử trong trường hợp đo cự ly mụctiêu chuyển động bằng phương pháp điều tần hình sin thì tần số của tín hiệu phản xạ là :

Δcf0f

Δcff)2

t(t)sinΩ2

tsin(ΩΔcf

ff

/

r m

m 0

r m

r m m

/ px tt

h/ >> Fm thì ta có thể coi F/

ph = / f/

h / , tức làtần số phách sẽ bằng hiệu hai tần số của tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ trong điềukiện là mục tiêu chuyển động

Vậy :

/c

2v)t(tcosΩ2

Δcff

)2

t(t)sinΩ2

tsin(Ω

Δcf

r m

m 0

r m

r m m

/fh/

f ' px

F1

F2HÌNH 2-25 : Giản đồ thời gian hình răng cưa

t f

HÌNH 2-26 Giản đồ thời gian hình sin

) 2

t (t )sinΩ 2

t sin(Ω Δcf

m

r m m

Còn thành phần thứ hai là tần số sinh ra do hiệu ứng doppler khi mục tiêu chuyển động :

c

2v)t(tcosΩ2

Δcff

r m

m 0

Trên đây ta mới xét trường hợp, khi ở đầu vào máy thu ngoài tín hiệu trực tiếp chỉ cótín hiệu phản xạ từ một mục tiêu Trường hợp này được áp dụng ở máy đo cao phục vụ chomáy bay hạ cánh Đo độ cao của máy bay bằng phương pháp tần số tương đối đơn giản, vìtrong trường hợp này chỉ có một mục tiêu phản xạ đứng yên là mặt đất, ta có thể chọn quyluật điều chế bất kỳ, nhưng thông thường người ta chọn điều chế hình sin vì dễ thực hiệnhơn

Nếu đồng thời có nhiều mục tiêu, ở đầu vào máy thu ngoài tín hiệu trực tiếp còn cónhiều tín hiệu phản xạ từ các mục tiêu khác nhau Do các tín hiệu này tác dụng lẫn nhaunên sẽ có hiện tượng giao thoa giữa tín hiệu trực tiếp với từng tín hiệu phản xạ, cũng nhưgiữa các tín hiệu phản xạ với nhau Vì các tín hiệu phản xạ yếu hơn nhiều so với tín hiệutrực tiếp nên ta có thể bỏ qua sự giao thoa giữa các tín hiệu phản xạ với nhau Trường hợpnày không thể dùng phương pháp điều chế hình sin được vì tần số phách Fph của tín hiệuphản xạ từ mỗi mục tiêu sẽ biến đổi theo chu kỳ khác nhau

Khi điều chế theo quy luật đường gấp khúc tam giác cân, sau tách sóng, tín hiệu tổngsẽ gồm nhiều tần số phách, mỗi tần số tương ứng với cự ly một mục tiêu Các tần số đó cóthể xác định bằng máy phân tích phổ một đường hoặc nhiều đường Loại máy phân tích phổnhiều đường có thể quan sát tất cả các tần số phách cùng một lúc Loại máy phân tích phổmột đường quan sát liên tiếp trong các dãy tần số phách

Sơ đồ khối của máy phân tích phổ nhiều đường (hình 2-27):

Sơ đồ gồm một dãy bộ lọc, mỗi bộ lọc cho qua một dãy hẹp tần số phách tương ứngvới một dãy cự ly nào đó Ở đầu ra bộ lọc có các bộ chỉ thị Số đường của máy phân tích

Máy thu

Bộ lọc 1 Bộ lọc 2

Bộ lọc n

Chỉ thị 1 Chỉ thị 2

Chỉ thị n

HÌNH 2-27

phổ phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác, khả năng phân biệt về cự ly, và phải bao trùmphạm vi hoạt động của đài (cự ly gần nhất rmin đến cự ly xa nhất rmax ) Nếu các đường cókhả năng phân biệt về cự ly rmin như nhau thì công thức để tính số đường n cần có là :

min

min max

Δcr

rr

Máy phân tích phổ càng nhiều đường thì độ chính xác và khả năng phân biệt càngcao, nhưng kết cấu của máy sẽ càng phức tạp và cồng kềnh

Ví dụ : rmax=150km, rmin=300m , rmin=300m, thì phải có n=500 đường

Máy phân tích phổ một đường đơn giản hơn và có nhiều phương án thực hiện khácnhau Phương án đơn giản nhất là dùng một bộ lọc điều chỉnh bắt tất cả các tần số pháchtrong đài và chỉ thị dãi rộng Bộ lọc có thểû là khung cộng hưởng Theo phương pháp này,khi điều chỉnh khung dao động dãi thông thay đổi, làm khả năng phân biệt thay đổi Phươngán khác là cho bộ lọc cộng hưởng có dãi thông không đổi (ở một tần số nhất định), lúc nàycần phải có thêm hai khâu nữa: Bộ trộn tần và bộ dao động tại chỗ điều tần trong một dãytương ứng

Ta có sơ đồ sau ( hình 2-28):

Trong phương pháp này dao động tần số phách và dao động tại chỗ được đưa vào bộtrộn tần

Biết quy luật biến đổi tần số dao động tại chỗ và tần số cộng hưởng của bộ lọc ta cóthể xác định tần số phách Nếu dao động tại chỗ được điều tần đồng bộ với dao động quét,

ta có thể dùng đèn hiện sóng làm máy chỉ thị

Khuyết điểm chung của máy phân tích phổ một đường là: Thời gian quan sát và xácđịnh cự ly tăng, vì phải điều chỉnh liên tiếp nhiều tần số mà mỗi tần số cần có thời gian nhấtđịnh để hình thành điện áp ở đầu ra khung cộng hưởng

* Ưu khuyết điểm của phương pháp tần số :

-Ưu điểm: Độ chính xác và khả năng phân biệt về cự ly cao (có thể đạt tới vài mét); Đo được cự ly rất ngắn; Nếu chỉ đo cự ly một mục tiêu thì kết cấu của đài tương đối đơn giản

- Khuyết điểm: Khó thực hiện đo cự ly nhiều mục tiêu cùng một lúc Khi có ảnh hưởng của địa vật và hiệu ứng Doppler thì khó đo đạc, nếu cần khử các ảnh hưởng đó thì kết cấu của hệ thống sẽ phức tạp

Dao động tại chỗ HÌNH 2-28

Do đó phương pháp này không được dùng rộng rãi mà thường dùng ở radar đo cao trên máybay khi hạ cánh

Ghi chú:

Qua nghiên cứu phương pháp pha và phương pháp tần số ta thấy khuyết điểm chủ yếu của chúng là khó thực hiện quan sát đồng thời nhiều mục tiêu

2.4.3 Đo cự ly mục tiêu bằng phương pháp xung :

Để khắc phục khuyết điểm của các phương pháp đo cự ly bằng pha và bằng tần số,người ta dùng phương pháp đo cự ly mục tiêu bằng phương pháp xung Hiện nay phươngpháp xung được áp dụng rộng rãi nhất

2.4.3.1 Nguyên tắc hoạt động và sơ đồ khối của phương pháp xung

Nguyên tắc hoạt động chủ yếu của phương pháp xung như sau:

Dao động cao tần của máy phát, nhờ có anten được phát xạ ra không gian dưới dạngsóng điện từ theo từng xung ngắn có độ rộng x với chu kỳ lặp lại Tl Trong đó  x <<Tl

Trong khoảng thời gian không phát xạ: anten sẽ tiếp nhận sóng phản xạ từ các mụctiêu về với năng lượng rất bé và hình dáng xung vẫn giống như khi phát xạ (nếu không bịcác ảnh hưởng khác), nhưng có pha và tần số khác với xung phát xạ (nếu mục tiêu chuyểnđộng so với đài) Mỗi mục tiêu phản xạ về một tín hiệu xung, xung này chậm so với xungphát xạ một thời gian là tr 2rc phụ thuộc vào cự ly của mục tiêu Do đó phương pháp xungxác định được cự ly nhiều mục tiêu đồng thời tương đối đơn giản và có thể dùng một antenchung cho cả hai hệ thống phát và thu Trong trường hợp này ta cũng chỉ xét radar phát xạxung đơn và nhận xung phản xạ trở về từ mục tiêu để đo cự ly

Sơ đồ khối đơn giản của phương pháp xung ( hình 2-29):

Hệ thống phát

Hệ thống đồng bộ

Hệ thống nguồn

Chuyển mạch anten

Hệ thống thu

Hệ thống chỉ thị

HÌNH 2-29

 Hệ thống phát tạo ra dao động siêu cao tần công suất lớn, ở dạng xung, sau khi đưaqua chuyển mạch anten và phi đơ (feeder) đến anten, anten biến dòng điện siêu cao tầnthành năng lượng sóng điện từ và bức xạ ra không gian, giữa 2 đợt bức xạ, năng lượng tínhiệu phản xạ được nhận qua chuyển mạch anten và đưa vào hệ thống thu

 Chuyển mạch anten làm nhiệm vụ đóng - mở mạch máy phát và máy thu; Khi máyphát tạo ra dao động, nó mở mạch từ hệ thống phát đến anten và đóng mạch vào máy thuđể bảo vệ máy thu trong thực tế chuyển mạch anten không đóng kín đường vào máy thuhoàn toàn, do đó một phần nhỏ năng lượng phát xạ lọt vào máy thu và phần nhỏ này đượcdùng làm xung chuẩn để tính cự ly mục tiêu Khi tín hiệu phản xạ về, chuyển mạch antenmở mạch từ anten đến máy thu và đóng mạch vào hệ thống phát để năng lượng chỉ vào máythu, không gây tổn hao trong các mạch khác

 Hệ thống thu khuếch đại và biến đổi tín hiệu phản xạ từ hệ thống siêu cao tần thànhxung thị tần rồi đưa sang hệ thống chỉ thị

 Hệ thống chỉ thị gồm các thiết bị cuối: Nếu cần quan sát mục tiêu về cự ly và toạ độgóc thì thiết bị cuối là các đèn hiện sóng Mục tiêu hiện trên màn hình là những vệt sángnhô lên hoặc những chấm sáng Đối với các đài radar hiện đại thì thiết bị cuối có thể lànhững máy tính liên tục hoặc rời rạc ( số hóa)

 Hệ thống đồng bộ có nhiệm vụ phối hợp về thời gian giữa các hệ thống Điểm quantrọng nhất là bảo đảm điểm bắt đầu xung phát (xung thăm dò) trùng với điểm đầu đườngquét đèn hiện sóng, tức là bảo đảm sự đồng bộ của xung phát với dao động tạo đường quét

Do đó nhiệm vụ của nó là tạo ra xung kích phát có chu kỳ lặp Xung này đồng thời đưa đếnhệ thống phát để tạo dao động phát và hệ thống hiện sóng để tạo đường quét

 Hệ thống nguồn bảo đảm cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống Radar có thể lấy nguồntừ mạng điện công nghiệp hoặc từ máy phát điện riêng

Ngoài các hệ thống chính nói trên, tùy theo nhiệm vụ của đài mà còn có thêm những hệthống khác (Hệ thống điều khiển anten, hệ thống đồng bộ anten và thiết bị cuối, Hệ thốngtự động bám sát mục tiêu về cự ly, hướng, Hệ thống chống nhiễu )

Trường hợp đơn giản nhất là hệ thống radar xung đơn, nghĩa là trong một chu kỳ xungkích phát chỉ có một xung được tạo ra và phát xạ ra không gian tự do, xung phản xạ trở vềtừ các mục tiêu (máy bay, hoặc các nguồn nhiễu) cũng là những xung có hình dạng nhưxung phát xạ (không kể đến các tác động khác của môi trường ), các xung này khác vớixung phát xạ về pha, nếu mục tiêu chuyển động thì còn thêm sự khác nhau về tần số (vì cóthêm hiệu ứng doppler), được đưa đến đầu vào máy thu để xử lý tín hiệu, sau đó các tínhiệu này được đưa đến đèn hiện sóng, nhờ có tia quét trên đèn hiện sóng hoặc thiết bị máytính đầu cuối, ta có thể quan sát được các mục tiêu này

Giản đồ biểu diễn nguyên tắc hoạt động của đài như sau :( hình 2-30)

Xung phát xạ

Xung phản xạ

Đèn hiện sóng

HÌNH 2-31

Tl

Xung tạo đường quét là điện áp răng cưa được đưa đến phiến làm lệch ngang của đèn hiện sóng, chiều thuận của diện áp răng cưa ứng với chiều quét của tia từ trái sang phải; chiều nghịch sẽ làm tia quét quay về vị trí ban đầu Để số đo cự ly được đơn trị cần có xung rọi sáng đưa vào lưới điều khiển của đèn hiện sóng, do độ rộng xung rọi sáng bằng thời gian quét thuận của điện áp răng cưa Tthuận nên đèn chỉ mở trong thời gian Tthuận Hình ảnh minh hoạ cho hoạt động của radar bức xạ xung ra không gian tự do (hình 2-31): t t t Xung kích phát Tthuận T nghịch Xung rọi sáng sáng Xung tạo đường quét Tín hiệu ra máy thu Tín hiệu vào máy thu Xung bức xạ Xung điều chế

t

t

t

t

HÌNH 2-30

2.4.3.2 Các loại hiện sóng cự ly :

Để đo được cự ly của mục tiêu trên các đài radar sử dụng hiện sóng cự ly Hiện sóngcự ly thường có 2 kiểu: Biên độ và Độ sáng

- Trong hiện sóng biên độ, tại điểm đầu của đường quét (vạch sáng là đường năømngang trên màn hiện sóng, điểm bắt đầu từ mép của đèn hiện sóng, chiều dài của tia quét làđường kính của đèn), người ta tạo ra một điểm dấu chuẩn, khi có tín hiệu phản xạ xuất hiệntrên màn hiện sóng, đo khoảng cách từ điểm dấu chuẩn đến điểm dấu mục tiêu, tính theo tỷlệ sẽ được cự ly của mục tiêu so với đài Về mặt kỹ thuật, điện áp tín hiệu từ đầu ra máy thuđược đưa đến phiến làm lệch dọc của đèn hiện sóng Do tác dụng của tín hiệu, vệt sáng lúcđó nhô lên Nếu tốc độ quét không đổi thì khoảng cách giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu phảnxạ trên đèn hiện sóng :

c

2r v t v

l

l

max

max thuan

rmax - Cự ly lớn nhất ứng với lmax

c

2v r

l

max

max

  : Tỷ lệ xích của đường quét

Qua đó ta thấy nếu biết tỷ lệ xích của đường quét m và đo được khoảng cách l thì tasẽ xác định được cự ly r của mục tiêu (hình 2-32)

- Hiện sóng độ sáng : Đối với loại hiện sóng này, tia quét được bắt đầu từ tâm củađèn hiện sóng, chiều dài của tia quét là bán kính của đèn, tia quét quay tròn đồng bộ vớihướng và tốc độ quay của anten đài radar Trên mặt đèn hiện sóng có các vòng tròn đồngtâm có khoảng cách được chia theo tỷ lệ cự ly phát hiện của đài, khi có tín hiệu mục tiêuxuất hiện trên màn huỳnh quang của đèn được thể hiện là những chấm sáng (hoặc những

HÌNH 2-32

vệt sáng tùy theo dãi tần công tác của đài là sóng mét (vệt sáng) hay sóng cm, mm,… (điểmsáng)), đọc giá trị vị trí của tín hiệu theo tỷ lệ ta sẽ có được cự ly của mục tiêu Về mặt kỹthuật, trong hiện sóng độ sáng tín hiệu từ đầu ra máy thu được đưa đến lưới điều khiển củađèn hiện sóng Do tác dụng của tín hiệu trên đường quét sẽ xuất hiện điểm dấu mục tiêu.Tín hiệu mục tiêu càng lớn thì điểm dấu càng rõ.

Trên hình vẽ của hiện sóng độ sáng (hình 2-33) ta thấy tia quét của đèn hiện sóngđược tạo ra từ tâm của đèn và nó xoay tròn theo chiều kim đồng hồ, đồng bộ với anten đàiradar, khi có tín hiệu phản xạ trở về từ mục tiêu thì tín hiệu này sẽ hiện lên màn hình là mộtchấm sáng hoặc một vệt sáng gọi là điểm dấu mục tiêu, kích thước điểm dấu này phụ thuộcvào năng lượng sóng phản xạ

2.4.3.3 Các phương pháp đọc cự ly trên màn hiện sóng :

Phương pháp đọc cự ly đơn giản nhất là dùng các vạch dấu cơ khí hoặc vạch dấu điệnđã vạch sẳn trên mặt đèn hiện sóng để quy ra cự ly r

 Nếu dùng vạch dấu cơ khí ta cho sườn trước xung chuẩn trùng với vạch dấu 0,cự ly mục tiêu sẽ đọc ở vạch tương ứng với sườn trước của xung phản xạ

Vạch dấu cơ khí đơn giản nhưng có nhiều khuyết điểm:

- Độ chính xác kém, khi mục tiêu ở giữa hai vạch dấu sẽ có sai số nội suy

- Khi nguồn thay đổi, các tham số mạch tạo đường quét thay đổi gây ra sai số do tỷ lệ đườngquét không giống tỷ lệ thước cơ khí

- Nếu tư thế nhìn không đúng cũng gây ra sai số do vạch dấu cơ khí và mặt đèn hiện sóngkhông cùng nằm trên mặt đèn

- Thước cơ khí gây trở ngại cho việc quan sát tín hiệu

HÌNH 2-33: HIỆN SÓNG ĐỘ SÁNG

Điểm dấu mục tiêu

W

HÌNH 2-34

Do đó phương pháp này chỉ dùng ở những đài radar loại cũ không cần độ chính xáccao

 Các đài radar loại mới thường dùng các vạch dấu điện để làm các điểm dấu cự

ly Dao động từ bộ dao động hình sin rất ổn định qua các khâu biến đổi thành các xung cựchẹp, các xung này được đưa đến các phiến làm lệch dọc trong hiện sóng biên độ hay đưavào lưới điều khiển trong hiện sóng độ sáng thành các điểm dấu cự ly

Khoảng cách của hai điểm dấu kề nhau được xác định bởi chu kỳ của bộ dao động (ví dụđiểm dấu 10km tương ứng với tần số dao động 75khz, chu kỳ dao động là 66,7s)

Vạch dấu điện có ưu điểm :

-Không gây thêm sai số khi nguồn điện biến đổi cũng như tốc độ quét không đều vì đườngquét và điểm dấu cùng chạy chung bởi điện áp quét

- Không có sai số do tư thế nhìn vì điểm dấu và tín hiệu cùng nằm trên mặt đèn

- Dễ quan sát

Nhược điểm của phương pháp này là còn tồn tại sai số nội suy và kết cấu của đài phức tạphơn (phải thêm mạch tạo điểm dấu).

Khi cần đo độ chính xác hơn, cách đọc được cải tiến lại hoặc tự động truyền số liệu từ radarsang máy tính

2.4.3.4 Những nguyên nhân gây sai số đo cự ly , độ chính xác đo cự ly trong phương pháp xung

Đối với các radar cần có độ chính xác đo cự ly cao, sai số đo thời gian rất nhỏ khôngquá 10-7s Do đó cần phải nghiên cứu nguyên nhân gây sai số để tìm cách loại trừ hoặc giảmsai số tới mức thấp nhất Nguyên nhân gây sai số có những loại sau:

- Tốc độ truyền sóng thay đổi : Do tính chất bất đồng nhất của khí quyển nên quỹ đạotruyền sóng của sóng điện từ trong không gian không còn là đường thẳng và tốc độ truyềnkhông phải là một hằng số nữa, mà tốc độ truyền sóng sẽ thay đổi và quỹ đạo truyền sóngsẽ bị uốn cong Độ cong của quỹ đạo truyền sóng phụ thuộc vào sự thay đổi chiết suất củakhí quyển theo độ cao so với mặt đất Trong tầng đối lưu, chiếm độ cao từ mặt đất khoảng10km  12km, chiết suất trung bình là n>1, tia sóng bị uốn cong xuống mặt đất Trong tầngbình lưu, ở độ cao khoảng từ 12km80km, chiết suất khí quyển n=1, tia sóng truyền thẳng(không bị uốn cong) Trong tầng điện ly , chiếm độ cao từ 80km1.300km, chiết suất khíquyển n<1, tia sóng bị uốn cong lên trời Do đặc tính uốn cong tia sóng như vậy nên giá trị

đo được về cự ly và góc tà lớn hơn giá trị thật Trong tầng đối lưu sai số đo càng tăng khigiảm góc tà và độ ẩm Đối với radar kiểm soát không lưu, sai số trung bình bình phương đocự ly trong phạm vi góc tà từ 50  250, độ ẩm 0  100% (với giả thiết mục tiêu xuất hiện vớixác suất đều nhau tại bất kỳ góc tà nào trong phạm vi đó) không quá 10 12m

Ngoài ra, có thể thêm sai số ngẫu nhiên đo cự ly do sự xuất hiện ngẫu nhiên các vùngbất đồng nhất trong khí quyển sai số ngẫu nhiên loại này tương đối nhỏ, cỡ một phần mườimét

HÌNH 2-35

- Tín hiệu bị giữ chậm trong các mạch, đồng bộ không ổn định: Sai số do thời gian giữ chậmtín hiệu khi tín hiệu truyền qua tuyến thu đài radar Cự ly được tính từ sườn trước của xungphát đến sườn trước của xung phản xạ, nếu sự giữ chậm 2 tín hiệu trong mạch khác nhau sẽgây ra sai số, xung phát lọt qua chuyển mạch anten vào ngay máy thu, còn xung tới mụctiêu và phản xạ về phải 2 lần đi qua phi đơ (feeder)(tuyến phát và tuyến thu) Hiệu số thờigian giữ chậm của hai tín hiệu đó tương ứng với sai số cự ly

Nếu trong hệ thống của đài radar xảy ra hiện tựơng mất đồng bộ, giả sử như điểm đầuđường quét của tia sáng trên màn hiện sóng chậm hơn sườn trước của xung phát thì trên đènhiện sóng cự ly sẽ không thấy sườn trước của xung phát, mà cự ly của mục tiêu thì lại được

đo từ sườn trước của xung phát đến sườn trước của xung phản xạ nên lúc này sẽ có sai số đocự ly Ta có hình vẽ minh hoạ như sau (hình 2-36 )

- Đường quét không tuyến tính: Khi đo cự ly r ta dùng điện áp răng cưa để biểu thị tr Nếuvạch khắc cơ khí có tỷ lệ đều, điện áp răng cưa cũng cần có tỷ lệ đều (tốc độ quét khôngđổi) Nhưng trong thực tế thì điện áp quét răng cưa không hoàn toàn thẳng nên điều này đãgây ra sai số khi đo cự ly r ( hình 2-37 )

- Các tham số của đèn điện tử không ổn định (đối với các hệ thống còn sử dụng đèn điệntử), mạch điện không ổn định, làm cho tỷ lệ xích cũng không ổn định: Trong quá trình hoạt