tính toán và mô phỏng matlab

- Năm 1904, kỹ sư lĩnh vực tần số cao người Đức, Christian Hülsmeyer sáng chế ra “Telemobiloskop” cho giám sát lưu lượng trên mặt nước, đã đo được thời gian chạy của sóng điện từ tới mục

PHẦN MỞ ĐẦU

Việt Nam đang hướng tới là một quốc gia kinh tế biển, thu nhập từ nguồn lợi hải sản và khai thác tài nguyên trên biển chiếm tỷ trọng lớn nền kinh tế quốc gia Nước ta có chiều dài bờ biển lớn, nhiều đặc khu kinh tế và vùng lãnh thổ trên biển cần bảo vệ Tuy nhiên, tình hình biển Đông ngày càng phức tạp, số lượng cũng như tính chất các vụ “va chạm” trên biển ngày càng tăng Trước những mối đe dọa tiềm tàng trên biển, Hải Quân Nhân Dân Việt Nam đã và đang được xây dựng hiện đại với rất nhiều vũ khí trang bị mới, trong đó có các trang thiết bị ra đa hiện đại Việc khai thác, làm chủ những vũ khí trang bị này hiện nay rất khó khăn, do yêu cầu kỹ thuật, chiến thuật của các loại ra đa cảnh giới, điều khiển hỏa lực là rất phức tạp Việc hiểu nguyên lý hoạt động cũng như các tham số ảnh hưởng đến cự ly phát hiện mục tiêu của ra đa, nhằm phát huy tốt hiệu quả trong quá trình khai thác, vận hành các đài ra đa cảnh giới, điều khiển hỏa lực của các trắc thủ ra đa đang là nhu cầu cấp thiết của Hải quân Nhân Dân Việt Nam

Do tính chất bí mật quân sự nên các công trình nghiên cứu của các nước tiên tiến về lý thuyết và công nghệ mới không được phổ biến, chủ yếu là thông tin thương mại Đối với Việt Nam đây là lĩnh vực mới, hiện có rất ít các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này Nền tảng về lĩnh vực này của ta là những du học sinh, nghiên cứu sinh đã học tập ở Liên Bang Nga cùng những kiến thức, tài liệu thu thập được

Vì vậy mục đích nghiên cứu của đê tài là nêu ra được những đặc trưng của đài

ra đa cảnh giới, phân loại các đài ra đa, đưa ra được những phương pháp phân tích tính toán đo cự ly, các yếu tố ảnh hưởng đến cự ly phát hiện mục tiêu của ra đa trong các chế độ quan sát Căn cứ theo các số liệu nghiên cứu, đề tài tính toán và

mô phỏng Matlab một số mục tiêu điển hình

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR 1.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống radar

- Năm 1886, Nhà vật lý người Anh, James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết

mô tả sóng điện từ và truyền lan của sóng điện từ

- Năm 1904, kỹ sư lĩnh vực tần số cao người Đức, Christian Hülsmeyer sáng chế ra

“Telemobiloskop” cho giám sát lưu lượng trên mặt nước, đã đo được thời gian chạy của sóng điện từ tới mục tiêu kim loại (con tàu) và phản xạ về, do đó có thể tính khoảng cách từ nơi phát sóng tới mục tiêu Đây là việc thử nghiệm radar thực

tế đầu tiên Ông đã đăng ký phát minh tại Vương quốc Anh và Đức

RADAR

RAdio Detection And

Ranging:

Việc dùng sóng điện từ để định

vị các con tàu đã được đăng

ký cho kỹ sư người Đức

Düsseldor Christian

Hülsmeyer vào năm 1904 tại

Anh và Đức như một bằng

công nhận sáng chế

Hình 1.1 Ảnh trang bìa Bằng sáng chế radar

- Năm 1937, Sir Watson-Watt Vương quốc Anh đã phát triển hệ thống radar xác định máy bay

- Ngày 28/3/1938, radar tạo ảnh đầu tiên trên máy bay đã nhận biết tín hiệu phản

xạ từ tàu trên mặt biển ở khoảng cách hàng chục dặm

- Năm 1940, các loại radar khác nhau được phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và Nhật Bản

1.2 Khái niệm Radar

1.2.1 Khái niệm radar-PPI (Position Plan Indication)

Radar chủ động sơ cấp phát xung không điều chế (Primary pulsed radar, P0N) Là loại Radar phổ biển, thông thường dùng cho quan sát ảnh mục tiêu; đo khoảng cách, phương vị, xác định vị trí tương đối của nó so với trạm radar và sự

chuyển động của mục tiêu Ảnh mục tiêu trên màn hình là các đốm hay vệt sáng Xét trên khía cạnh tín hiệu, mức tín hiệu ảnh mục tiêu tại cửa ra máy thu radar lớn hơn tổng mức nhiễu và tạp âm nền

RADAR - RAdio Detecting And Ranging:

Radar là hệ thống thiết bị tìm kiếm (searching), phát hiện (detecting), xác định vị trí (ranging, bearing) và truy bám (tracking) đối tượng hay mục tiêu (object/target/aim) thông qua việc phát-thu, và xử lý sóng điện từ

- Vị trí tương đối của mục tiêu so với trạm radar được xác định bằng khoảng cách

và góc phương vị hoặc góc mạn giữa radar và mục tiêu

Đối với tàu thuyền trên biển góc mạn là góc giữa hướng mũi của phương tiện (heading) và vị trí mục tiêu về hai mạn trái/phải

- Hướng mũi của tàu được đánh dấu bằng cơ khí hoặc vạch dấu điện tử

- Đối với mục tiêu trên không như máy bay, ngoài thông số đã nêu trên, cân phải xác định góc nâng hay góc tà của mục tiêu so với mặt phẳng ngang

Hình 1.2 Quá trình phát –thu sóng radar

Hình 1.3 Đồ thị thời gian tín hiệu xung phát và thu của radar

- Đối với các loại Radar đặt cố định trên mặt đất, góc phương vị tới mục tiêu được gọi là phương vị thực, tính từ hướng Bắc thực tới mục tiêu theo chiều kim đồng hồ

- Khi mất xung đánh dấu hướng mũi tàu hoặc phương Bắc thực dẫn tới Radar sẽ cho ảnh sai hướng còn gọi là mất đồng bộ ảnh địa hình dẫn tới khó khăn trong việc phát hiện và xác định mục tiêu (phương vị thực và góc phương vị đã được nêu trong chương I)

1.2.2 Mục tiêu Radar

• Mục tiêu radar là tất cả các đối tượng có khả năng phản xạ sóng điện từ nằm trong tầm phát hiện (hay phủ sóng theo búp sóng phát) của trạm radar

Hình 1.4 Mục tiêu nằm trong búp sóng phát của radar

Radar có thể bị nhiễu do phản xạ từ vật không muốn quan sát hoặc đa đường từ mặt đất, hoặc mặt biển

Hình 1.5 Bức xạ đa đường trong radar

• Phân loại mục tiêu Radar:

+ Mục tiêu quan sát: Là mục tiêu cần quan sát cho mục đích của người quan

sát

+ Mục tiêu nhân tạo: Là các phương tiện trên biển và trên không; Ví dụ tàu

thuyền, máy bay, vệ tinh, dàn khoan, phao luồng, công trình trên biển

+ Mục tiêu tự nhiên: Do thiên nhiên tạo ra; Ví dụ bờ biển, bờ sông, lùm cây, đồi

núi, mây, cơn bão, dòng thủy triều, lũ, sóng thần,

+ Mục tiêu giả: là những đối tượng không cần quan sát nhưng xuất hiện trong

vùng phủ sóng của trạm radar, gây nhiễu đối với các mục tiêu cần quan sát Ví dụ

ảnh của các đám mây, sóng biển, đồi núi trên màn hình radar

Nhiễu nhân tạo: Là các dây kim loại được máy bay thả ra

Hình 1.6 Mục tiêu và nhiễu trong radar

1.2.3 Tham số xác định vị trí mục tiêu radar

Vị trí mục tiêu: có thể được xác định trong hệ tọa độ tuyệt đối hoặc tương đối

- Trong không gian 3D: Vị trí mục

tiêu tại P được đo bằng các tham số: P(r, Ф, λ ) hoặc P(H, r, Ф),

trong đó: H = r*sin (λ)

- (trong hệ tọa độ tuyệt đối: vị trí điểm P

P ( XP, YP, ZP) )

Hình 1.7 Vị trí điểm trong hệ tọa độ tuyệt đối

- Trong hình vẽ: mặt phẳng X-O-Y là mặt phẳng chân trời, Radar đặt trên mặt đất; θ=900- λ

Góc phương vị α tính từ hướng Bắc thực theo chiều kim đồng hồ α = 3600

- Φ Góc Φ tính từ trục X ngược chiều kim đồng hồ

Hình 1.8 Vị trí tương đối của mục tiêu trên màn hình radar

- Trong không gian 2D: Vị trí mục tiêu P(target) được xác định theo hệ tọa độ tương đối

- P(r, β)

Trong đó r = range, là khoảng cách từ tàu chủ đến mục tiêu, β là góc mạn

Quỹ đạo mục tiêu: Là tập hợp các vị trí của mục tiêu theo thời gian

Hình 1.9 Các loại chỉ báo mục tiêu radar

Vết mục tiêu cho biết chuyển động của mục tiêu so với radar tại tâm màn hình

1.3 Sơ đồ khối Radar

1.3.1 Radar chủ động sơ cấp

Radar chủ động sơ cấp là loại máy thu và máy phát dùng chung ăng ten

Hình 1.10 Sơ đồ khối radar chủ động sơ cấp

Khối Duplexer chuyển đổi ăng ten; khi phát xung, năng lượng sóng từ máy phát

được đưa ra ăng ten và ngắt máy thu, ngược lại khi thu ăng ten nối tới máy thu

Máy thu sử dụng bộ siêu tạo phách để trộn tần số (superheterodyne) tạo ra tần số

trung tần (IF) đưa tới các khối lọc (Matched Filter) và khuếch đại thị tần Tần số giao động nội do khối (Local Oscillator) tạo ra cho cả máy phát và máy thu Bộ khuếch đại thị tần (Video Amplifier) khuếch đại tín hiệu ảnh đưa ra khối chỉ báo (Display)

1.3.2 Radar kỹ thuật số

Đó là Radar chủ động sơ cấp máy thu/phát chung ăng ten, sử dụng kỹ thuật

xử lý tín hiệu và xử lý ảnh nhờ máy tính ở phía máy thu nhằm cải thiện chất lượng ảnh

Hình 1.11 Sơ đồ chức năng radar kỹ thuật số

Hình 1.12 Sơ đồ khối Radar kỹ thuật số

1.3.3 Radar tần số kép

Đây cũng là loại Radar chủ động sơ cấp Hệ thống sử dụng hai máy thu và hai máy phát hoạt động ở hai tần số F1 và F2, với mục đích xác định các mục tiêu

có diện tích phản xạ hiệu dụng biến thiên, như máy bay bay lượn trên bầu trời

Hình 1.13 Sơ đồ khối Radar tần số kép

1.3.4 Radar thứ cấp – Secondary Radar (SSR)

Radar thứ cấp còn có tên gọi là radar giám sát thứ cấp (Secondary Surveillance Radar – SSR) có tên ban đầu là Hệ thống xác định bạn-thù (Identification Friend or Foe –IFF) Hệ thống Radar đặt tại trạm mặt đất phối hợp với radar trên máy bay Radar mặt đất đóng vai trò như một „‟Máy hỏi –

Interrogator” và Radar trên máy bay là một bộ phát đáp – Transponder để trả lời khi nhận được tín hiệu yêu cầu

Radar mặt đất là loại chủ động sơ cấp, máy phát và thu sử dụng chung ăng ten Khối mã hóa (Coder) mã hóa số hiệu và các yêu cầu khác (gồm tên quốc gia, hãng và số chuyến bay, thông số vị trí, độ cao, tình trạng ) để đưa vào điều chế máy phát Khối giải mã (Decoder) làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu phát đáp thu được từ máy bay được yêu cầu Radar trên máy bay sử dụng chung ăng ten Bộ giải mã làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu thu được để chuyển thông tin tới khối mã hóa Khối này mã hóa các thông số yêu cầu và đưa vào điều chế máy phát để phát trả lời trạm mặt đất trong vùng quản lý không lưu

Hình 1.14 Sơ đồ khối radar hàng không

Tần số hoạt động 1030MHz được dùng cho phát hỏi và 1090MHz được dùng phát trả lời Các xung phát P1, P3 cho việc hỏi và xung P2 (phát sau P1) dùng cho điều khiển Khoảng thời gian giữa P1-P3 xác định chế độ hỏi như sau:

Mode A: 8 0, 2  μs; Mode C: 21 0, 2  μs Thời gian giữa P1 –P2 là 2,0μs Khoảng thời gian của các xung P1, P2 và P3 là 0,8 0,1 

Chế độ phát: Sáu tổ hợp xung hỏi được chuẩn hóa, mỗi tổ hợp có ý nghĩa riêng và chúng được gọi là MODES trong hệ thống SSR Các chế độ gồm mode A,

B, C và D

Mode A: yêu cầu bộ phát đáp máy bay cho biết nhận dạng và giám sát

Mode C: yêu cầu bộ phát đáp cho biết áp suất-độ cao và giám sát

Mode A/C/S all-call: Yêu cầu trả lời để giám sát của mode A/C và cho nhận biết mode S

Mode A/C-only all-call: Yêu cầu trả lời để giám sát của mode A/C, Bộ phát đáp mode S không trả lời

Mode S gồm:

- Mode S-only all-call: yêu cầu trả lời để nhận biết của mode S

- Broadcast: quảng bá thông tin cho tất cả bộ phát đáp mode S Không cần trả lời

- Selective: Phát lựa chọn cho giám sát của, và thông tin với các bộ phát đáp mode

S riêng Mỗi lần hỏi một bộ phát đáp duy nhất trả lời

Hình 1.15 Đồ thị thời gian xung tín hiệu radar thứ cấp

Kết nối dữ liệu loại có thể thao tác cho phép trao đổi dữ liệu mặt đất-máy bay sử

dụng mode S như một mạng chuyển mạch gói

Hình 1.16 Tương thích các chế độ hỏi-đáp của radar hàng không

1.3.5 Radar hiệu ứng Dopller phát sóng liên tục – CW Doppler Radar

Radar phát sóng liên tục sử dụng hiệu ứng Doppler để đo vận tốc của mục tiêu dựa trên tần số phát và thu Một trong ứng dụng tiêu biểu của loại này là đo vận tốc xe với mục đích tăng cường an toàn giao thông

CW-Doppler Radar

Hình 1.17 Sơ đồ khối radar Doppler phát sóng liên tục

Bộ tạo giao động (G1-generator) tạo ra tần số phát (fS) để phát đi Bộ tạo giao động thứ hai (G2) tạo giao động nội để trộn tần cho ra tần số trung gian (fZF+FS) Bộ trộn M1 và lọc băng hẹp (BPF) tạo ra tần số ổn định (f S +fZF) Bộ trộn thứ 2 (M2) trong máy thu tạo phách biến đổi tín hiệu thu được ở tần số fS+fD thành tần số trung tần –IF Máy thu có độ nhậy cao để thu tín hiệu phản xạ yếu từ mục tiêu Bộ trộn thứ 3 (M3) cho ra tần số dịch chuyển Doppler (fD) để tính toán ra vận tốc của mục tiêu Độ chính xác tùy thuộc vào góc xuyên tâm tạo ra bởi hướng chuyển động của mục tiêu và đường thẳng nối từ radar đến mục tiêu

1.3.6 Radar lập ảnh địa hình - Imaging Radar system

Hệ thống Radar này được đặt trong không gian để ghi hoặc chụp ảnh địa hình D) quan sát và nghiên cứu trái đất

(3-Đây là loại radar điều chế xung trong khoảng thời gian hạn chế - độ rộng xung rất hẹp Nó cho phép tương tác với cả các phong cảnh thiên nhiên Hệ thống dùng tần số lặp xung (pulse repetition frequency) có thể rất nhỏ khi cự ly ảnh ở xa Độ rộng xung phát hẹp quyết định độ phân giải ảnh Điều quyết định chất lượng hệ thống là khối Định thời

và điều khiển tần số (Timing and frequency control) Xung tri-gơ tạo ra ở khối này được đưa vào Bộ điều chế (Pulse generation and modulation) của máy phát Cả máy phát và thu cùng chung ăng ten Bộ giải điều chế tách tín hiệu trực pha (I và Q) đưa tới khếch đại

và chuyển đổi tương tự-số đối với tín hiệu tạo ảnh thu nhận được Dữ liệu nhận được đưa tới máy tính xử lý ảnh

Hình 1.18 Sơ đồ khối radar tạo ảnh địa hình

1.4 Chức năng của Radar

1.4.1 Chức năng của Radar thông thường (PPI)

1 Đo khoảng cách (range) của mục tiêu (nhờ việc xác định khoảng thời gian trễ của tín hiệu phản xạ thu được)

2 Đo vận tốc của mục tiêu (dựa vào dịch chuyển tần số Doppler)

3 Góc phương vị (dựa vào xung đánh dấu phương vị hoặc hướng mũi tàu)

4 Xác định kích thước mục tiêu (nhờ vào độ lớn tín hiệu phản xạ thu được)

5 Xác định hình dạng của mục tiêu (nhờ tín hiệu phản xạ như một hàm phương hướng)

6 Xác định các mục tiêu chuyển động (nhờ sự thay đổi của sóng phản xạ)

7 Xác định cấu tạo vật liệu của mục tiêu (dựa vào tính chất phản xạ của vật liệu)

1.4.2 Chức năng của Radar SAR

Hệ thống radar SAR dùng để tạo ảnh cho mục đích quan sát trái đất từ xa hoặc

nghiên cứu trái đất, định vị tâm bão, dòng hải lưu, lũ, mực nước sông,

1.5 Tần số Radar

1.5.1 Bảng phân loại theo phổ tần và chức năng Radar của Hoa Kỳ

Bảng 1.1 Bảng phân loại theo phổ tần và chức năng Radar

5-25 MHz Radar cảnh báo sớm (Over The Horizon Radar)

420-450 MHz Radar hàng không - space search, airborne search

902-928 MHz Radar hàng không - air search

1215-1400 MHz Radar hàng không cự ly xa - long range air search

2700-2900 MHz Radar điều khiển không lưu - air traffic control (terminals)

2900-3100 MHz Radar hàng hải và hàng không, thời tiết-air & marine search, weather 3100-3700 MHz Radar hàng không - air search

5250-5925 MHz Radar hàng không, thời tiết - air search, weather

8.5-10.5 GHz Radar hàng không - airborne functions

13.4-14.0 GHz Radar hàng không - airborne functions

15.7-17.7 GHz Radar hàng không - airborne functions

24.05-24.25 GHz Radar cảnh sát công suất thấp - low power (e.g., police radars)

Radar loại “Over The Horizon Backscatter” ((U.S) OTH/B) ( cảnh báo sớm mục tiêu tán xạ) của Mỹ hoạt động ở 5-28MHz, Radar loại “Navy Relocatable Over The Horizon Radar (ROTHR)” ( tái định vị radar và mục tiêu) của Mỹ và Woodpecker của Nga hoạt động ở băng HF

Radar cảnh báo sớm – Early Warning Radars (EWR) hoạt động ở băng tần VHF và UHF Radar cảnh báo sớm cho tên lửa (BMEWS) nhằm tìm và truy bám mục tiêu hoạt động ở 245MHz

Hệ thống radar dàn pha đa chức năng trên tàu hải quân Mỹ - AEGIS hoạt động ở băng S (2-4GHz)

1.5.1 Phân loại theo phổ tần radar của EU:

Hình 1.19 Dải tần số Radar A và B băng HF và VHF Vạch màu Lục là phổ tần radar

Các băng tần radar dưới 300MHz được dùng cho radar cảnh báo sớm (Over The Horizon -OTH Radars) Sử dụng tần số thấp phù hợp khi thiết kế máy phát công suất cao Suy giảm sóng điện từ thấp hơn so với tần số cao Mặt khác, độ chính xác

bị giới hạn vì tần số thấp yêu cầu ăng ten kích thước vật lý rất lớn để xác định độ phân giải và sự chính xác góc Những tần số này cũng dùng cho thông tin và phát thanh do đó băng thông của radar bị giới hạn

Băng C (UHF radar): Một số radar riêng dùng băng tần 300MHz – 1GHz Đây là

băng tần tốt cho các radar nhận biết và truy bám của các vệ tinh và tên lửa đạn đạo trên cự ly xa Những radar này hoạt động cho việc cảnh báo và nhận biết mục tiêu sớm giống như radar giám sát cho Hệ thống phòng không mở rộng (Medium Extended Air Defense System - MEADS) Một số radar thời tiết, ví dụ quan sát gió, hoạt động ở các tần số này vì sóng điện từ ít bị ảnh hưởng bởi các đám mây và mưa Công nghệ mới – Radar băng thông siêu rộng (Ultrawideband (UWB) Radars) sử dụng tất cả băng tần từ A tới C Radar UWB phát xung rất hẹp đồng thời trên tất cả các tần số Chúng được dùng để kiểm tra vật liệu về mặt kỹ thuật như là radar nhìn thấu mặt đất (Ground Penetrating Radar -GPR) cho khám phá khảo cổ

Băng D (L-Band Radar): Băng tần 1-2GHz dùng cho radar giám sát hàng không

cự ly xa khoảng 400km Các radar phát xung công suất lớn băng rộng và thường được điều chế mã trước đèn công suất – magnetron Do bề cong của trái đất, cự ly cực đại bị giới hạn khi mục tiêu bay ở độ cao thấp, sẽ biến mất nhanh sau đường chân trời Trong các radar giám sát không lưu cự ly xa (Air Traffic Management (ATM) long-range surveillance radars) như Radar hàng tuyến (Air Route Surveillance Radar (ARSR)) hoạt động trong băng tần này Kết hợp với radar giám sát thứ cấp đơn xung ( Secondary Surveillance Radar (MSSR)) chúng sử dụng ăng ten kích thước lớn có vòng quay chậm hơn

Băng E/F (S-Band Radar): Trong băng này, suy giảm sóng điện từ cao hơn so với

băng D Trạm radar này cần công suất phát cao hơn so với các băng tần thấp để có

cự ly cự đại So với radar công suất trung bình (Medium Power Radar (MPR)) nó cần một công suất phát xung tới 20 MW Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết cao hơn so với băng D Do đó, một cặp radar thời tiết hoạt động ở băng E/F, nhưng cần phải nhiều radar hơn cho điều kiện khí hậu của vùng nhiệt đới, vì ở đây radar có

thể quan sát vượt ra ngoài phạm vi một cơn bão Các trạm radar giám sát hàng không đặc biệt (Special Airport Surveillance Radars (ASR)) được dùng tại các sân bay để nhận biết và hiển thị vị trí máy bay trong khu vực cảng với cự ly khoảng 100km Một radar giám sat ASR nhận biết vị trí máy bay và điều kiện thời tiết trong khu vực lân cận của sân bay dân sự và quân sự Băng tần này dùng ăng ten nhỏ và cự ly ngắn hơn ngược hẳn với băng L

Băng G (C-Band Radar): Băng này có nhiều phương tiện chiến đấu lưu động của

quân sự, điều khiển tên lửa và radar giám sát mặt đất với cự ly ngắn hoặc trung bình Kích thước ăng ten đủ lớn sẽ cho ra độ phân giải và độ chính xác vượt trội, nhưng các ăng ten kích thước nhỏ cũng không làm ảnh hưởng việc định vị Thời tiết xấu ảnh hưởng mạnh ở băng này Do vậy các radar giám sát hàng không thường dùng ăng ten phân cực tròn

Băng I/J (X- & Ku- Band Radars): Trong băng 8 và 12GHz, quan hệ giữa độ dài

bước sóng và kích thước ăng ten tốt hơn đáng kể so với băng tần thấp hơn Đây là băng tần radar phổ biến cho quân sự, giống như radar hàng không cho việc thực hiện các vai trò của đánh chặn, chiến đấu và tấn công máy bay đối phương và của các mục tiêu mặt đất Một ăng ten kích thước nhỏ cũng hoạt động tốt ở băng tần này Các hệ thống hướng dẫn tên lửa ở băng này có kích thước thuận tiện và băng tần này ứng dụng cho các hoạt động lưu động và trọng lượng nhẹ Băng này được dùng rộng rãi cho radar hàng hải và hải quân Các ăng ten kích thước nhỏ và rẻ với tốc độ quay cao (khoảng 24 vòng/phút) phù hợp cho cự ly khá xa (đến 120NM) và

độ chính xác tốt Các ăng ten dùng ống dẫn sóng hoặc cáp đồng trục nối với thiết

bị, và được bọc trong vỏ bảo vệ Băng này cũng phổ biến cho radar hàng không hoặc radar tạo ảnh lắp trên máy bay (SAR) cả cho tình báo điện tử quân sự và tạo ảnh địa lý trong dân sự Radar đặc biệt (Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR)) được dùng như thiết bị hàng hải-hàng không kiểm soát ô nhiễm

Băng K (K- and Ka- Band Radars): Băng tần này bị suy hao cao hơn với bầu khí

quyển Radar băng này cung cấp cự ly ngắn, độ phân giải rất cao và tốc độ cập nhật ảnh dữ liệu cao Trong quản lý không lưu-ATM, các bộ radar này được gọi là

radar quan sát chuyển động bề mặt (Surface Movement Radar (SMR)) hoặc thiết bị nhận dạng mục tiêu trên sân bay (Airport Surface Detection Equipment (ASDE))

Sử dụng xung phát xạ rất ngắn cỡ nano giây để đạt phân giải cự ly và cho thấy rõ máy bay trên màn hình radar

Băng V: Bởi sự phân tán do độ ẩm không khí, băng này bị suy giảm mạnh Các

radar chỉ dùng cho cự ly ngắn một vài mét

Băng W: Có hai hiện tượng: suy giảm cực đại ở khoảng 75GHz và cực tiểu ở

khoảng 96GHz Băng 75-76GHz dùng cho radar hỗ trợ dừng đỗ trên ô tô Dải tần này suy hao lớn do các phân tử ô xy, tạo nên nhiễu cho radar

1.6 Ăng ten Radar

1.6.1 Chức năng của ăng ten

- Chuyển đổi năng lượng phát thành sóng điện từ trong không gian với sự phân bố

và hiệu quả theo yêu cầu

- Đảm bảo rằng tín hiệu đáp ứng theo yêu cầu trong không gian Đó là búp sóng phải đủ hẹp để cho độ phân giải theo yêu cầu

- Cung cấp tần suất mong muốn khi cập nhật các vị trí mục tiêu Trong trường hợp ăng ten quét cơ khí nó cân bằng với tốc độ quay Tốc độ quay cao là một vấn đề cơ khí quan trọng Ăn ten ở những băng tần nhất định là một gương phản xạ với kích thước rộng và có thể nặng vài tấn

- Đo điểm hướng với độ chính xác cao Cấu trúc ăng ten phải đảm bảo duy trì hoạt động dưới mọi điều kiện môi trường Nó được bọc vỏ trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Hiện nay có hai loại ăng ten mang lại hiệu quả đó là: Ăng ten đĩa pa-ra-bol và ăng ten dàn

1.6.2 Thông số ăng ten:

- Độ rộng búp sóng tại mức nửa công suất - Half power beamwidth, HPBW (θ B )

- Sự phân cực của ăng ten - Polarization

- Mức công suất của búp phụ - Sidelobe level

- Tạp âm nhiệt của ăng ten - Antenna noise temperature ( TA)

- Băng thông - Operating bandwidth

- Diện tích phản xạ hiệu dụng và đặc trưng của mục tiêu- Radar cross section and other signatures

- Độ lợi của các loại ăng ten – Gain

1.6.3 Các loại ăng ten radar

Ăng ten ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của radar Khi thiết kế radar, nhà sản suất

sử dụng ăng ten phản xạ có cấu trúc phù hợp để cung cấp vùng bao phủ theo yêu cầu Năng lượng cao tần được đưa từ loa tiếp sóng tới một bộ phản xạ tạo nên búp sóng Ba loại mặt phản xạ ăng ten cơ bản được nêu trong hình vẽ (a), (b) và (c) dưới đây

Hình 1.20 Mẫu búp sóng ăng ten radar

Hình (a) là loại ăng ten đĩa parabol dùng mặt phản xạ tròn, tạo ra búp sóng hẹp, gọi là búp bút chì Mặt phản xạ được quay tới tọa độ góc sao cho búp sóng hướng tới mục tiêu Nó phù hợp cho truy bám và quan sát các mục tiêu riêng Do búp sóng hẹp và lướt nhanh được giới hạn bởi quét cơ khí, nó không hiệu quả để giám sát vùng rộng

Ăng ten phản xạ parabol (hình b) thường có mép hình chữ nhật hoặc ô-val Mép

bề ngang dạng parabol, tạo ra búp sóng hội tụ hẹp theo phương vị Hình mặt phản ảnh và ống dẫn sóng chiếu theo mặt đứng để tạo nên góc nâng rộng giống cánh quạt Radar loại này luôn quay để quét búp sóng theo trục phương vị Mẫu ăng ten theo góc nâng được làm thích ứng để tạo nên vùng bao phủ độ cao mong muốn Thể tích quét của radar tỷ lệ với chu kỳ lặp và theo vòng quay ăng ten Chu kỳ này

khoảng 5 đến 20 giây, radar loại này được giới hạn khả năng truy bám các mục tiêu có điều khiển và tạo ra tỷ lệ quan sát cao các mục tiêu

Ăng ten dàn pha (hình c) áp dụng kỹ thuật mới, giá thành cao hơn 2 loại trên Chúng tạo nên sự mềm dẻo hơn cho các ứng dụng đa chức năng Radar loại này sử dụng mặt phẳng gồm một dàn các chấn tử bức xạ Pha của sóng bức xạ RF từ mỗi chấn tử có thể được điều khiển bằng điện tạo nên một búp sóng rọi tới nơi mong muốn trong khoảng 60 độ trên hướng bề mặt dàn Điều này cho phép nhanh chóng lái búp sóng điện tử Dàn phẳng thường tạo ra búp sóng bút chì, mặc dù diện tích hiệu dụng của búp sóng có thể là hình elip nếu dàn không tròn hoặc vuông Các ăng ten dàn pha tuyến tính, trong đó tạo ra búp sóng hình cánh quạt đôi khi được

sử dụng

Ăng ten dàn pha trên mặt đất thường được đặt hướng cố định Do vùng bao phủ của dàn phẳng được giới hạn trong một hình nón có nửa góc khoảng 60 độ, nên cần từ 3 bề mặt dàn bao phủ nửa bán cầu

Ăng ten dàn pha cho vệ tinh hoặc máy bay và một số radar mặt đất có thể được đặt hướng bằng cơ khí để tạo ra vùng bao phủ theo hướng mong muốn

Do tái định vị búp sóng nhanh, các ăng ten dàn pha có thể hỗ trợ cả giám sát vùng rộng và quan sát mục tiêu với tốc độ dữ liệu cao và truy bám nhiều mục tiêu Hầu hết ăng ten loại này được điều khiển bằng máy tính, nhiều loại cho phép sử dụng nhiều dạng sóng, chế độ hoạt động và xử lý tín hiệu Chúng có khả năng hoạt động đa chế độ có thể đan xen việc tìm mục tiêu, truy bám và chức năng đo xác định, có thể phản ứng nhanh chóng trong tình huống chiến thuật và nhu cầu khác Tuy nhiên có nhiều loại ăng ten lai kết hợp đặc trưng của ăng ten phản xạ và ăng ten dàn để cung cấp vùng bao phủ theo yêu cầu

Ăng ten radar hàng hải có độ rộng búp sóng chiều nâng khoảng 20 độ, trong khi đó độ rộng theo phương vị khoảng 1 độ để tăng phân giải ngang của mục tiêu

Búp sóng đặc trưng của ănten radar hàng hải được nêu trong hình sau:

Hình 1.21 Búp sóng ăng ten Radar JMA 625

1.6.4 Mẫu bức xạ ăng ten

-Hệ tọa độ cực: Hầu như các ăng ten radar bức xạ có định hướng Mẫu bức xạ là

một cách đánh dấu năng lượng bức xạ từ một ăng ten Năng lượng được đo ở các góc khác nhau ở cùng một khoảng cách từ ăng ten Có hai loại hệ được dùng đó là

hệ tọa độ vuông góc và hệ tọa độ cực Đồ thị hướng trong hệ tọa độ cực được dùng phổ biến hơn, trong đó các điểm được xác định dọc theo bán kính quay giao cắt với các vòng tròn đồng tâm

Hình 1.22 Đồ thị hướng của ăng ten trong hệ tọa độ cực

- Búp chính (main beam) là vùng quanh hướng bức xạ cực đại trong phạm vi

(-3dB) từ đỉnh búp chính

Độ lợi tại mức nửa công suất:

0,5 10log 10 * ( 0,301029995663981) 3,01

-Hệ tọa độ vuông góc: Trong hệ này các điểm được xác định theo hai trục vuông

góc Trục hoành tương ứng với các đường tròn của hệ tọa độ cực, trục tung tương ứng với bán kính quay của hệ tọa độ cực Thang tỷ lệ có thể tuyến tính hoặc theo tỷ

lệ logarit Từ đó có thể xác định tỷ lệ độ lợi của búp chính và các búp phụ Trong hình vẽ sau đây cho thấy búp phụ theo hướng 180 độ đạt -34dB, hướng 6 độ đạt -20dB

Hình 1.23 Đồ thị mẫu bức xạ ăng ten

- Sóng mặt và chùm tia

Hình 1.24 Đồ thị bề mặt sóng trong không gian 3-D

Trong trường xa của ăng ten (ở khoảng cách R>2D2/λ)., các sóng là mặt cầu Mặt sóng ở khoảng cách xa là mặt phẳng cục bộ Bức xạ sóng có thể được mô hình hóa chính xác bằng một sóng mặt cục bộ

Đặc trưng quan trọng nhất đối với ăng ten là độ rộng búp sóng, độ lợi và mức búp phụ Mẫu bức xạ ăng ten được định nghĩa theo trường xa của ăng ten Đây là

khoảng cách mà ở đó các tia từ ăng ten song song nhau (gọi là vùng Fraunhofer)

Hình 1.25 Mô tả trường xa của ăng ten

Khoảng cách trường xa bắt đầu:

2

2w

F R



Trong đó: RF khoảng cách trường xa; w là kích thước ăng ten trong mặt phẳng

mà các mẫu được đo; λ là độ dài bước sóng

Tại khoảng cách này, độ lợi ăng ten khoảng 99% so với độ lợi tại khoảng cách không xác định

Độ rộng búp sóng được tính theo đỉnh búp chính ở mức -3dB, gọi là độ rộng

Độ rộng búp sóng bao gồm hai mặt cắt vuông góc theo phương ngang – trục x

và phương đứng-trục y Do đó góc: θy (hay θE) là độ rộng búp sóng mặt đứng, θx(hay θA) là độ rộng búp sóng theo mặt ngang

Đối với ăng ten hai góc trên tương ứng với độ rộng búp sóng trong mặt phẳng đứng θE và độ rộng búp sóng trong mặt phương vị θA

Đối ăng ten vuông hoặc tròn, các độ rộng búp sóng vuông góc này bằng nhau Đối với các ăng ten hình chữ nhật hoặc oval, hai góc này không bằng nhau Đối với radar quay bám và giám sát, ví dụ radar hàng hải góc búp sóng đứng lớn hơn góc búp sóng theo phương ngang (ví dụ radar 625 có góc búp sóng đứng 20 độ, góc ngang 1 độ)

Độ lợi búp chính của ăng ten được định nghĩa là cường độ bức xạ cực đại chia bởi cường độ bức xạ từ một nguồn đẳng hướng không suy hao, ký hiệu G

1.6.5 Độ lợi của ăng ten

- Độ lợi-Gain: Là tỷ số giữa năng lượng bức xạ theo một hướng nhất định so với

năng lượng bức xạ đẳng hướng tương đương của một ăng ten

Nguồn năng lượng bức xạ của một ăng ten theo mọi hướng là tương đương nhau được gọi là bức xạ đẳng hướng tương đương (isotropic radiation) Ăng ten định hướng là loại có năng lượng bức xạ theo một hướng nào đó lớn hơn các hướng khác Một ăng ten phát có độ lợi nhất định nếu được dùng làm ăng ten thu thì sẽ có cùng độ lợi

Hình 1.26 Độ lợi ăng ten phụ thuộc độ mở hay kích thước ăng ten

- Độ lợi của một ăng ten thu được định nghĩa tại điểm cực đại:

G = (Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten)/(Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten đẳng hướng)

- Độ lợi ăng ten phát định nghĩa tương tự nhưng thay Mật độ công suất phát cho Công suất tín hiệu ở công thức G trên

- Độ lợi bao gồm cả suy hao giữa các điểm đầu vào và ra

+ Nếu không tính tới suy hao, độ định hướng của ăng ten được định nghĩa:

Directivity=D = (Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten)/(Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten đẳng hướng)

- Ăng ten đẳng hướng- isotropic antenna: bức xạ hoặc thu công suất tín hiệu như nhau theo mọi hướng

- Nếu trong một ăng ten được chọn, tất cả tín hiệu bức xạ được ép vào trong một góc khối Ώ(radian) thì phương trình thể tích cầu và hình nón như sau:

- Cách khác để tính độ định hướng D: đó là so sánh diện tích một ăng ten là

AA và một ăng ten đẳng hướng có diện tích λ2/4П, ta có:

Hình 1.27 So sánh ăng ten đẳng hướng và ăng ten định hướng

+ Từ đó tính Độ lợi ăng ten: G D. 4 * 2A

Trong đó: A A A*là diện tích hiệu dụng của ăng ten

AA là diện tích của ăng ten

 = 1/LA.LE hệ số hiệu dụng, 0   1 (khoảng 0,6-0,7)

LA - là suy hao thuần trở của ăng ten,

LE - là suy hao do hiệu suất độ mở

- Đối với Radar, độ lợi cao và búp sóng hẹp là mong muốn với việc nhận biết

và truy bám mục tiêu ở xa và đo hướng chính xác

- Độ lợi là một hàm của kích thước vật lý của ăng ten, độ dài bước sóng và suy hao ăng ten

- Ăng ten có mặt phản xạ (khẩu độ) chữ nhật: chiều ngang w, và cao h có

- Độ lợi của ăng ten Pa-ra-bol:

Hình 1.28 Diện tích mặt cắt tại mức nửa búp sóng (HPBW hay θ3dB)

Hình ABCD là mặt cắt tại mức nửa công suất có diện tích tương ứng là S Góc

quét ngang búp sóng υ nhỏ, góc quét đứng búp sóng β nhỏ (tương tự ở mục 4 trên

θy là độ rộng búp sóng mặt đứng, θx là độ rộng búp sóng theo mặt ngang)

- Nhiễu mục tiêu với búp sóng ăng ten:

Ăng ten có vai trò như bộ lọc đầu tiên trong một chuỗi lọc của radar, búp chính được dùng để định hướng và tập trung năng lượng từ máy phát và chọn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu mong muốn Mỗi búp phụ cũng phát và thu năng lượng tín hiệu nhiễu và tạp âm môi trường Nếu búp chính không quét vào mục tiêu thì các búp phụ có thể gây ra các vấn đề nhiễu

Nhiễu với các radar quân sự hay hàng không được mô tả theo hình vẽ sau:

Hình 1.29 Nhiễu địa hình và nhiễu mục tiêu do đặc điểm bức xạ của ăng ten

Trong tình huống quân sự, máy bay tấn công được bay kèm các máy bay gây nhiễu Khi nó đi vào vùng giám sát của radar, máy bay hộ tống có gắn thiết bị điện

tử chống radar (ECM) sẽ gây mù tín hiệu phản xạ từ máy bay tấn công bằng cách phát tín hiệu gây nhiễu đủ lớn để tạo nhiễu xung quanh đội hình khi tín hiệu này đi vào búp phụ ở gần Máy bay gây nhiễu xa hoạt động ngoài cự ly của radar phòng không tạo nên hàng rào tín hiệu nhiễu sử dụng nhiễu công suất lớn xâm nhập vào búp phụ ăng ten

Để chống nhiễu các radar quân sự thường thiết kế với búp chính hẹp, giảm công suất búp phụ để giảm nhiễu chủ động ở các góc nâng ngoài búp chính đồng thời tăng độ phân giải cho radar

1.6.6 Các thông số ăng ten

- Kích thước, trọng lượng, Công suất tiêu thụ của ăng ten,

-Xử lý công suất,

- Vị trí nơi đặt ăng ten và trường quan sát yêu cầu,

- Nhiều hệ thống hoạt động trên một phổ tần,

- Độ cách ly và nhiễu,

- Độ tin cậy và khả năng duy trì hoạt động,

- Tầm phủ sóng của ăng ten.,

- Nơi đặt ăng ten càng nhiều hệ thống càng tốt để tránh giới hạn hoạt động

- Các tiêu chuẩn phải được kiểm soát: Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu(RCS), sóng dội và tầm nhìn

- Cấu trúc và công nghệ ăng ten mới,

- Bao phủ của ăng ten và độ tích hợp,

- Ăng ten số thông minh đa tia,

- Băng thông của ăng ten

1.7 Phân loại Radar

Các loại radar có thể được phân loại theo chức năng, dạng sóng, tính chất hoạt động và nhu cầu thông tin

1.7.1 Phân loại theo chức năng

Hình 1.30 Phân loại radar theo chức năng

1.7.2 Phân loại theo dạng sóng

Hình 1.31 Phân loại radar theo sóng điều chế

Đây là cách phân loại thường được sử dụng, gồm radar phát sóng liên tục hoặc điều chế xung Radar CW liên tục phát sóng và sử dụng riêng ăng ten phát và thu Radar CW không điều chế có thể đo chính xác vận tốc xuyên tâm và vị trí góc của mục tiêu dựa vào hiệu ứng Doppler, nó không đo được khoảng cách mục tiêu trừ khi phải sử dụng thêm kỹ thuật điều chế

Radar điều chế xung gồm loại đồng bộ và không đồng bộ Radar phát xung đồng bộ phân loại theo tần số lặp xung (PRF thấp, trung bình và cao) nhằm đo các

cự ly xa, trung bình hoặc gần

1.6.3 Phân loại theo tính chất hoạt động:

- Chủ động : Trạm radar thực hiện cả phát, thu và xử lý sóng điện từ phản xạ

từ mục tiêu radar

- Bị động : Radar chỉ thu và xử lý sóng điện từ bức xạ từ mục tiêu

- Thứ cấp : Radar trên máy bay dùng bộ phát đáp, chỉ trả lời khi có yêu cầu phát đi từ radar quản lý không lưu mặt đất

- Radar mặt đất, radar máy bay, radar không gian, radar hàng hải

1.8 Sóng điện từ và phân cực

Sóng điện từ chuyển động trong không gian tự do với vận tốc ánh sáng (c)

Hình 1.32 Đồ thị sóng trong không gian 3D

Phân cực sóng trong hệ thống Radar

Năng lượng sóng điện từ có 2 thành phần – điện và từ trường, đó là các trường mặt phẳng của giao động vuông góc nhau Sự phân cực chỉ ra hướng không gian của mặt phẳng giao động, gồm mặt ngang, mặt đứng hoặc các góc khác kết hợp của cả hai loại Có hai loại phân cực sử dụng trong Radar: Phân cực tuyến tính

- HV: Phát theo phân cực ngang, thu theo phân cực đứng

- VH: Phát theo phân cực đứng, thu theo phân cực ngang

Phân cực tròn:

Hệ thống Radar kết hợp ăng ten thu-phát cả phân cực đứng và ngang

Chương 2 NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU 2.1 Nguyên lý xác định mục tiêu của Radar phát xung

2.1.1 Phổ của tín hiệu radar điều chế xung và thông số

Radar hoạt động dựa trên việc sử dụng sóng điện từ Xung điều chế radar là các xung hình chữ nhật hay đường bao của sóng phát cao tần

Hình Hình 2.1 Phổ của xung vuông có dạng Sinx/x

Hình 2.2 Dạng sóng radar phát xung

Giao động sóng điện từ được biểu diễn theo hàm:

u=Um.Cos(ωt+υ0), với ω = 2π f0

- trong đó u, Um, ω, f0, và υ0 là giá trị tức thời, biên độ, tần số góc, tần số giao động và pha ban đầu Tần số f0 phụ thuộc vào đèn công suất (ví dụ Magnetron )

- Khi điều chế xung vuông a(t), tín hiệu ra của bộ điều chế: ( Um = 1 đơn vị) S(t) = a(t) Cos(ωt+υ0)

S(t) được phát đi tới mục tiêu, tín hiệu phản xạ - echo thu về có dạng s‟(t)

Các thông số của hoạt động của radar:

- Độ rộng xung phát - τ hay (Pulse width - PW), là thời gian bức xạ tín hiệu

trong một chu kỳ bức xạ Thông số này ảnh hưởng cự ly phát hiện mục tiêu của rada và độ phân giải khoảng cách

- Chu kỳ lặp xung của Radar - T hay (Pulse repetition Time – PRT):

PRT=1/PRF Nó tỷ lệ thuận với cự ly phát hiện mục tiêu (tầm xa)

- Tần số lặp xung (Pulse repetition frequency – PRF) xác định cự ly tối đa của trạm radar Nó tỷ lệ nghịch với cự ly phát hiện mục tiêu

- Độ trễ thời gian - Δt là thời gian được dùng xác định khoảng cách từ Radar tới mục tiêu

- Cự ly mục tiêu: R=c Δt/2 = c.TR/2 (trong đó Δt = tthu-tphát = T vòng)

- Công suất phát của Radar: P(W)

• được tính toán theo đơn vị tuyệt đối Watts, W, nW, pW

 hoặc tính theo đơn vị tương đối: dBW, dBm

2.1.2.1 Radar chủ động sơ cấp: Primary Monostatic Radar

1 Xác định cự ly mục tiêu:

Công thức tính: R = c.TR/2 = TR 1,5.105(km/s) = TR.0,15.106 (km/s) (2.1) Theo km: R(km) = 0,15.TR (TR tính theo μs); (2.2) Theo hải lý: R(NM) = 0,081.TR (TR tính theo μs); (2.3)

R = 1km tương ứng với thời gian TR = 1/0,15 ~ 6,67 μs

R = 1NM tương ứng với thời gian TR=1/0,081 ~12,35 μs

R = c.TR/2 (với Rt = Rr = R) Trong đó: TR/2 = Δt

Rt là khoảng cách máy phát đến mục tiêu

Rr là khoảng cách mục tiêu đến máy thu

Thời gian trễ vòng-TR: là thời gian trễ sóng truyền lan từ máy phát-mục tiêu-máy thu Với C = 3.108m/s

Hình 2.4 Diễn tả nguyên lý xác định mục tiêu của radar chủ động sơ cấp

2 Khả năng phát hiện nhầm mục tiêu – sự nhầm lẫn khoảng cách

Sự nhầm lẫn khoảng cách – Ambiguous range: xảy ra khi có hai hay nhiều mục

tiêu được chỉ báo trên màn hình không đúng với khoảng cách thực tế

Ta xét trường hợp: Hai máy bay cách trạm Radar 6km và 18km, trạm Radar chủ động sơ cấp có tần số lặp xung PRF=10kHz

Chu kỳ lặp xung: PRT = 1/104

= 100μs = 0,1ms

Từ công thức tính khoảng cách (theo mục 1 ở trên), tính được TR cho 2 máy bay: Mục tiêu 1, R1 = 6km, hiện trên màn hình sau khoảng TR = 40μs, và

Mục tiêu 2, R2 = 18km, hiện trên màn hình sau khoảng TR =120 μs

Chu kỳ lặp xung PRT = 100μs nhỏ hơn TR = 120 μs của mục tiêu thứ hai Vì vậy mục tiêu này sẽ hiện trên màn hình sau chu kỳ phát xung thứ hai Nó nằm cách chu

kỳ phát xung thứ hai 20 μs tương đương với khoảng cách 3 km Đây là ảnh nhầm lẫn của Radar

Hình 2.5 Radar xác định khoảng cách hai máy bay

Hình 2.6 Hình vẽ biểu diễn khoảng cách nhầm lẫn của mục tiêu M2

Hình 2.7 Ảnh mục tiêu trên màn hình

Hình trái cho thấy ảnh nhầm lẫn của M2 nêu ở ví dụ trên nằm gần tâm màn hình radar

Loại bỏ nhầm lẫn khoảng cách:

Để loại bỏ sự nhầm lẫn khoảng cách, cần phải tăng chu kỳ lặp xung PRT lớn hơn TR = 120μs của mục tiêu thứ hai

3 Phân giải cự ly mục tiêu:

Độ phân giải cự ly là khoảng cách của các mục tiêu sao cho ảnh của chúng không bị chập vào nhau trên màn hình chỉ báo radar

Giả sử R1 và R2 là khoảng cách từ radar đến 2 mục tiêu: Ri = cti/2 với i =1~2

Hình 2.8 Phân giải cự ly với các mục tiêu

Số cổng cự ly M = (Rmax-Rmin)/ ΔR

Trong thiết kế và sử dụng radar đều mong muốn ΔR nhỏ để tăng độ phân giải cự ly, đồng nghĩa với giảm độ rộng xung (τ) nhưng làm băng thông (B) tăng,

do đó làm giảm công suất trung bình và làm tăng tạp âm theo B tăng Để đạt được

độ phân giải tốt trong khi duy trì được công suất phát trung bình thì cần phải sử dụng kỹ thuật nén xung

Hình 2.9 Phản xạ xung của hai mục tiêu bị chập ảnh trên radar

Hình 2.10 Hai mục tiêu có thể phân biệt rõ trên màn hình radar

4 Ảnh hưởng của tham số đài Radar đến cự ly phát hiện của Radar:

5 Bức xạ trong radar hàng hải

Trong Radar hàng hải, cự ly phát hiện mục tiêu cực đại phụ thuộc nhiều tham số, trong đó có độ cao ăng ten và độ cao mục tiêu Hơi nước trên mặt biển tạo nên hiện tượng đường ống (duct), chùm tia radar sẽ bức xạ uốn cong và cự ly phát hiện mục tiêu có thể tăng lên

Hình 2.11 Cự ly phát hiện mục tiêu phụ thuộc độ cao ăng ten

Trong điều kiện bức xạ trên mặt biển, khoảng cách D (distance) của sóng radar lớn hơn khoảng 10% so với tầm nhìn theo mặt phẳng chân trời Công thức tính khoảng cách tương đối không bị uốn cong: D R 2,23.( h1  h NM2) , trong đó h1(m) và h2(m) là độ cao của radar và mục tiêu so với mặt biển

6 Ảnh hưởng của địa hình và mặt biển:

 Ảnh hưởng của khúc xạ đến cự ly phát hiện mục tiêu

Bề mặt cong của trái đất ảnh hưởng tới hoạt động của radar vì chắn tầm nhìn thẳng làm khuất mục tiêu Năng lượng radar có thể bị tán xạ từ mặt biển và quay trở lại ăng ten thu gây nhiễu với tín hiệu từ mục tiêu được gọi là nhiễu bề mặt, địa

hình và nhiễu biển Năng lượng radar có thể bị tán xạ về phía trước từ bề mặt trái đất và đi tới mục tiêu gây bức xạ đa đường Chắn do địa hình ít ảnh hưởng hơn đối với máy bay hoặc radar trên không

Trên mặt biển khúc xạ do bầu khí quyển có thể tính toán bằng bán kính hiệu dụng của trái đất tương đương với 4/3 bán kính trung bình thực 6371km (rE=4/3*6371=8485km) Đường truyền trong bầu khí quyển lúc này được biểu diễn bằng đường thẳng theo hình sau:

Khoảng cách từ radar tới điểm tiếp tuyến:

R  h  r h (2.5) Trong đó hT là độ cao mục tiêu Tổng lại, cự ly cực đại của radar: RR R R T

 Nhiễu bề mặt đối với radar đặt trên không:

Ngoại trừ radar đặt trên vệ tinh địa tĩnh, radar đặt trên vệ tinh quĩ đạo dưới 800km có chu kỳ quĩ đạo khoảng 90 phút chỉ có thể quan sát một điểm trên trái đất

từ 15-20 phút Radar vệ tinh SEASAT và SIR-C được dùng cho quan trắc và lập bản đồ trái đất Đối với radar hàng hải, bề mặt biển có sóng tạo nên nhiễu đáng kể

Hình 2.13 Ảnh hưởng bề mặt tới độ phân giải mục tiêu đối với radar trên không

Từ hình vẽ cho thấy: kích thước vùng nhiễu nằm trong cùng tế bào phân giải

cự ly (ΔR) và trong cùng góc nâng búp sóng của mục tiêu (γ) Kích thước này được xác định bởi độ rộng búp sóng theo phương vị θA và cự ly mục tiêu R và bằng RσA, (σA là diện tích phản xạ hiệu dụng của vùng nhiễu) Diện tích vùng

nhiễu:

os

A S

A c

Với góc tà lớn, E có thể xác định kích thước vùng nhiễu Vì vậy:

2

sin

A E S

sử dụng công thức (2.6)

Trong trường hợp radar Doppler phát xung: nhiễu búp phụ đáng kể và cần

xem xét vùng nhiễu từ sự nhầm lẫn khoảng cách

Sự phản xạ của vùng nhiễu đặc trưng bởi diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) trên một đơn vị diện tích, ký hiệu 0(m2 RCS/m2 diện tích bề mặt), thường nhỏ hơn đơn vị, do đó có giá trị âm (-dB) Diện tích phản xạ hiệu dụng của vùng nhiễu được tính:

S C

BS

A L



Trong đó LBS là suy hao do hình dạng búp sóng khi radar đang quét vùng nhiễu, As

là diện tích vùng nhiễu Khi vùng nhiễu giới hạn theo công thức (2.6), L BS  1,6dB,

và theo công thức (2.7) thì L BS  3, 2dB

Giá trị 0 phụ thuộc vào tần số, phân cực, góc tà, loại địa hình, trạng thái mặt biển Nó sẽ tăng theo tần số, góc tà, địa hình và độ cao sóng biển

Bảng 2.2 Bảng phân loại nhiễu theo bang tần, địa hình và sóng biển (-dB)

Giá trị tiêu biểu sự phản xạ của vùng nhiễu (σ 0

) (dB)

Băng tần Nhiễu mặt đất

(vùng núi)

Nhiễu biển (sóng cấp 4)

Sự biến đổi của σ0 theo góc tà  được tính: σ0 = a.sin

Trong đó a là bề mặt tán xạ hiệu dụng Đối với mặt đất, a nằm trong khoảng 20dB đến -5dB và hầu như không phụ thuộc tần số Đối với mặt biển, a tỷ lệ với tần số và nó tăng theo mức sóng biển

- Nhiễu đối với radar sử dụng hiệu ứng Doppler:

Tín hiệu phản xạ nhiễu được đặc trưng bởi sự thay đổi tần số Doppler do vận tốc xuyên tâm của nhiễu nằm trong tế bào phân giải Nó được xác định bởi loại địa hình và tốc độ gió Đối với radar mặt đất, nhiễu tạo ra một phổ hẹp tương ứng xung quanh vận tốc bằng không Đối với địa hình, trung bình bình phương của vận tốc nhiễu (rms) biến đổi từ giá trị gần bằng không đối với địa hình núi đá tới khoảng 0,33m/s đối với địa hình có cây khi gió mạnh Thay đổi vận tốc của nhiễu biển σv được tính xấp xỉ:

W

0,125

  (2.8) Trong đó, Vw là tốc độ gió Tốc độ quay của ăng ten cộng thêm vào thành phần vận tốc mở rộng σVR, bằng với vận tốc xuyên tâm của mép ăng ten

.w 2

A VR



  (2.9) Trong đó, ωA là vận tốc quay của ăng ten, w bề rộng kích thước ăng ten

Với radar máy bay, phổ nhiễu tùy thuộc vào vận tốc máy bay và góc quan sát địa hình, có thể tạo ra phạm vi rộng

Các mục tiêu có vận tốc xuyên tâm lớn hơn vài mét/giây có thể được tách riêng từ phổ tần số Doppler Nhiễu quay về có thể được làm suy giảm bằng xử lý tần số Doppler mà không làm ảnh hưởng lớn tới phản xạ của mục tiêu

Hai kỹ thuật loại bỏ nhiễu:

- Chỉ báo mục tiêu chuyển động (MTI): được dùng cho radar mặt đất, từ hai xung trở lên phản xạ trở về được xử lý để tăng vùng rỗng (null) xung quanh điểm dịch chuyển Doppler bằng không, để loại bỏ phổ nhiễu

- Xử lý xung Doppler: Một chuỗi xung được xử lý đồng thời bằng thuật toán biến đổi Fourier để chia tín hiệu thu được thành một loạt băng phổ hẹp Sau

đó mục tiêu được tách cả từ nhiễu búp chính vận tốc bằng không và từ hầu hết nhiễu búp phụ có thể xuất hiện ở các vận tốc khác với radar chuyển động Kỹ thuật này được dùng cho radar máy bay và một số radar mặt đất

+ Giảm nhiễu:

Tỷ lệ giảm nhiễu (clutter rate-CR) đặc trưng cho mức độ giảm của tín hiệu nhiễu so với tín hiệu mục tiêu Nó tùy thuộc vào thiết kế bộ khử, số xung xử lý, phổ của tín hiệu nhiễu, sự ổn định của máy phát và phạm vi động của máy thu radar Giá trị tiêu biểu của CR trong khoảng từ 20 đến 40dB

Hoạt động của radar trên nhiễu bề mặt được mô tả bởi tỷ số tín hiệu/nhiễu (S/C):

0

.

độ rộng búp sóng và tỷ lệ khử nhiễu

Kết hợp công suất nhiễu tín hiệu với công suất tạp âm thành công suất nhiễu

N+C (Noise +Clutter power) cần phải xem xét cả thống kê biên độ và tương quan

thời gian của tín hiệu nhiễu Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể dùng để nhận biết xác định mục tiêu chính xác thay cho S/N:

 Ảnh hưởng do truyền đa đường:

Khi búp sóng radar rọi địa hình, mặt biển và mục tiêu, năng lượng radar bị phản xạ từ mặt biển có thể đập tới mục tiêu tạo ra phản sạ thứ cấp với đường truyền dài hơn gọi là bức xạ đa đường

Hình 2.14 Nhiễu đa đường do bề mặt và vật xung quanh mục tiêu

Đối với bề mặt xấp xỉ phẳng và góc tà nhỏ, sự khác nhau về cự ly giữa đường truyền trực tiếp và đa đường δR được tính xấp xỉ:

2 T R

R

h h R

  (2.12) Trong đó, hT và hR là độ cao của radar và mục tiêu so với điểm phản xạ thứ cấp Trong nhiều trường hợp đường truyền thẳng và phản xạ không tìm được theo cự ly hoặc góc nâng bởi radar

Khi có phản xạ thứ cấp, tín hiệu đa đường được kết hợp trong máy thu và tạo ra nhiễu do sự lệch pha tín hiệu Với bề mặt phản xạ hoàn toàn, tỷ số công suất tín hiệu phản xạ về radar so với tổng tín hiệu đa đường ηM được cho:

4 2 16.sin ( )

.

T R M

h h R







 (2.13) Khi góc tà gần bằng không, độ dài của 2 loại đường truyền coi là bằng nhau

Tín hiệu phản xạ từ địa hình bị đảo pha do quá trình nhiễu, nếu hệ số phản xạ bằng

1 và độ lợi ăng ten như nhau với cả 2 đường truyền thì tín hiệu trực tiếp và phản xạ

từ nhiễu khử nhau và không có tín hiệu về radar Với một góc tà mà đường truyền trực tiếp và phản xạ từ nhiễu khác nhau λ/2 thì hai tín hiệu cộng nhau tạo ra một mật độ công suât tại mục tiêu tăng 4 lần Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu đập về radar theo cả 2 đường Các tín hiệu này cộng về pha tạo ra một công suất tín hiệu thu tăng 16 lần so với đường trực tiếp Kết quả là một loạt búp bị tách ra theo góc nâng

ΔфE:

2

E

R h





  (2.14) Góc nâng cực tiểu фEM tại đó cự ly radar bằng với cự ly trong không gian tự do:

12

E M

R h



  (2.15)

Với radar băng L (λ=0,23m) với ăng ten cao 20m, фEM=0,20

Khi bề mặt phản xạ hoàn toàn như mặt biển với góc nâng nhỏ, cự ly radar tại đỉnh búp sóng tăng gấp đôi và khoảng trống giữa các búp sóng cho cự ly bằng không

Sai số đo và suy giảm tín hiệu do đa đường cần được tránh bằng cách không

để búp sóng rọi xuống mặt đất Tâm búp sóng cần được giữ trên mặt phẳng chân trời của radar một lượng bằng độ rộng búp sóng theo góc nâng

7 Đặc trưng nhiễu mục tiêu của radar hàng không và radar vệ tinh

Các radar máy bay và radar vệ tinh quan sát mục tiêu bề mặt trên nền địa hình hoặc mặt biển, ứng dụng các kỹ thuật AMTI và GMTI để giảm nhiễu Nhiễu địa hình quan sát từ các radar này khác so với radar đặt trên mặt đất theo hai loại:

- Vận tốc xuyên tâm của nhiễu thay đổi trong phạm vi V p (Vp là vận tốc của radar) Với radar mặt đất vận tốc bằng không, và vận tốc của nhiễu được xác định bởi chuyển động nội tại khoảng vài mét/giây

- Cự ly trải rộng của radar tính theo mặt phẳng chân trời Radar máy bay có thể kéo dài tới 300km hoặc hơn, với radar vệ tinh có thể kéo dài hơn rất nhiều, trong khi đó radar mặt đất cự ly đó khoảng 20km

Hệ quả của cự ly rộng và trải vận tốc của nhiễu làm cho dạng sóng radar có thể gây nhầm lẫn cự ly và vận tốc trong các vùng nhiễu