Nghiên cứu mô phỏng cự ly phát hiện mục tiêu radar hàng hải

Trong suốt Thế chiến hai, các hệ thống radar được sử dụng một cách có hệ thống như một công cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu chiến q

i

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè, gia đình đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án này Đặc

biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy Ts Phạm Văn Phước đã nhiệt tình hướng

dẫn một cách khoa học, luôn luôn động viên và luôn theo sát tiến trình hoàn thành đồ án Đồ án này được thực hiện trong điều kiện hạn chế về nhiều mặt nên không tránh khỏi những sai sót kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến để đồ

án hoàn chỉnh hơn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đồ án tốp nghiệp của tôi với sự hướng dẫn của

Ts.Phạm văn Phước Nếu có xuất hiện sai sót hay vấn đề gì về đồ án tôi xin

chịu mọi trách nhiệm

Phạm Văn Lễ

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ MỤC TIÊU RADAR 2

1.1 Khái quát về Radar 2

1.2 Chức năng và phân loại của Radar 3

1.2.1 Chức năng của Radar 3

1.2.2 Phân loại radar 3

1.3 Cấu trúc chung của radar hàng hải 5

1.3.1 Sơ đồ khối cấu tạo của radar hàng hải đơn giản 5

1.3.2 Phần phát của Radar 5

1.3.3 Phần thu 7

1.4 Mục tiêu Radar hàng hải 9

1.4.1 Mục tiêu của Radar 9

1.4.2 Các tham số cơ bản xác định vị trí mục tiêu của Radar 10

1.4.3 Qũy đạo mục tiêu 14

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ

ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR HÀNG HẢI 15

2.1 Nguyên lý phát xung trong Radar xung 15

2.1.1 Tính toán cự ly mục tiêu 17

iv

2.1.2 Cự ly phân giải mục tiêu 18

2.2 Nguyên lý xác định vân tốc mục tiêu theo hiệu ứng Doppler 19

2.2.1 Hiệu ứng Doppler 19

2.3 Phương trình xác định cự ly của Radar hàng hải 20

2.3.1 Phương trình xác định tầm xa cực đại của radar hàng hải 20

2.3.2 Phương trình radar đối với tần số lặp xung PRF thấp 24

2.3.3 Phương trình radar với tần số lặp xung PRF cao 25

2.4 Ảnh hưởng của các thông số tới mục tiêu trong radar hàng hải 25

2.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật 25

2.4.2 Ảnh hưởng của tầm nhìn thẳng trên biển 27

2.4.3 Ảnh hưởng của bề mặt nước biển (mặt đất) 27

2.4.4 Ảnh hưởng của hiện tượng suy hao thấu kính 28

2.4.5 Sự suy giảm tín hiệu trong bầu khí quyển 29

2.4.6 Suy giảm do ảnh hưởng của sương mù 30

2.4.7 Suy giảm do ảnh hưởng của mưa 31

2.4.8 Ảnh hưởng suy hao do tuyết rơi 32

2.4.9 Ảnh hưởng của sóng biển 32

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CỰ LY MỤC TIÊU RADAR 33

3.1 Tính toán cự ly phát hiện mục tiêu radar 33

3.2 Mô phỏng xác định cự ly phát hiện mục tiêu của Radar 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 49

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 50

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

RADAR Radio Detection And Ranging

SAR Search and Rescue – Tìm kiếm cứu nạn

HF High Frequency – Tần số cao

VHF Very High Frequency – Tần số siêu cao

PRF Pulse Repetition Frequency - Tần số lặp xung

CW Continuos Wave – Phát sóng liên tục

AGL Average Ground Level – Mức trên bề mặt đất

MSL Mean Sea Level – Mức trên bề mặt biển

PPI Plan Position Indicator

PRT Pulse Repetition Time - Chu lỳ lặp xung

IHO International Hydrographic Organnization – Tổ chức khí

tƣợng quốc thế

IMO International Maritime Organnization - Tổ chức hàng hải

quốc thế

Bảng 3.6 Tổng suy hao và tạp âm áp dụng cho Radar JMA-625 39

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

H1.2 Phân chia các loại radar theo sóng điều chế 5

H1.5a Mây, mưa trên biển gây nhiễu cho mục tiêu radar 10

H1.5b Nhiễu ảnh hưởng tới búp sóng phát của radar 10 H1.6 Vị trí mục tiêu theo độ cao của địa hình 11 H1.7 Độ cao của mục tiêu radar trong không gian 12 H1.8 Xác định vị trí mục tiêu trong hệ tọa độ Oxyz 13 H1.9 Vị trí mục tiêu hiển thị trên màn hình Radar 13

H2.1 Nguyên lý xác định mục tiêu của radar phát xung 15 H2.2 Tín hiệu xung phát đi và xung phản xạ về 17

H2.5 Quá trình phát tín hiệu từ radar và nhận tín hiệu phản xạ từ

H3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa xung đập vào mục tiêu và

tỉ số S/N tín hiệu trên tạp âm khi Công suất đỉnh và diện

tíchphản xạ hiêu dụng thây đổi

45

1

MỞ ĐẦU

Trải qua quá trình từ khi ra đời đến nay, radar ngày càng được cải tiến và không ngừng hoàn thiện Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, được ứng dụng thành tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện, cùng với sự phát triển của vô tuyến điện tử, tính năng kỹ thuật, khai thác và hoạt động của radar được cải thiện không ngừng Đến nay với tính ưu việt của nó mà radar được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như: Trong quân sự radar nổi bật với khả năng phát hiện mục tiêu Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, giúp cho việc dự báo thời tiết được chính xác và thuận lợi hơn rất nhiều Trong ngành hàng không radar dùng để kiểm soát không lưu (ATC) và quản lý không lưu (ATM), dẫn đường và điều khiển cất cánh và hạ cánh máy bay Trong lĩnh vục hàng hải, radar sẵn sàng cung cấp những thông tin một cách chính xác và nhanh chóng trong khoảng thời gian ngắn để tránh va đập, xác định vị trí của tàu… Từ những vấn đề đó mà radar trở thành phương tiện dẫn đường chủ yếu và đảm bảo an toàn cho tàu biển khi tham gia hàng hải

Vì những lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng cự ly phát hiện mục tiêu Radar hàng hải”

tỏ rằng các sóng điện từ phản xạ lại bởi các chất dẫn điện và điện môi Các phát hiện này chưa được ứng dụng cho đến những năm 1900 khi một kỹ sư người Đức sáng chế một thiết bị để nhận dạng tàu và các chướng ngại vật bằng sóng điện từ Tuy nhiên, do cự ly phát hiện nhỏ (cỡ một dặm) nên thiết bị này chưa được thành công lắm Một vài năm trước khi Thế chiến thứ hai bùng nổ các hệ thống radar phát sóng liên tục CW được thử nghiệm ở nhiều quốc gia Các hệ thống radar này hoạt động chủ yếu ở băng tần HF (high frequency: 3 đến 30MHz) và VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) và đạt cự ly phát hiện lên đến 50 dặm Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịch chuyển của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không

có thêm bất kì thông tin nào về cự li hay vị trí Trong suốt Thế chiến hai, các hệ thống radar được sử dụng một cách có hệ thống như một công cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu chiến quân địch, Trong thời kỳ đó, các radar xung cũng được phát minh để cung cấp thông tin về cự ly dựa trên việc đo lường thời gian trễ giữa xung phát và xung phản xạ về từ mục tiêu Từ đó, các hệ thống radar được phát hiện và cải tiến liên tục cả vế phần cứng (máy phát, máy thu, anten radar v.v.) lẫn phần mềm (khi máy tính xuất hiện làm công cụ cho việc phân tích và biểu diễn dữ liệu radar) Hiện nay, radar đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực của đời sống như điều khiển không lưu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, các ứng dụng trong đời sống như radar phát hiện mỏ khoáng sản, mỏ dầu… radar kiểm tra các công trình xây dựng, radar đo tốc độ xe lưu thông và các ứng dụng quân sự như giám sát, định

vị, điều khiển, và dẫn đường cho các loại vũ khí

3

1.2 Chức năng và phân loại của Radar

1.2.1 Chức năng của Radar

Chức năng của radar:

- Đo khoảng cách và xác định vị trí của mục tiêu (tính toán khoảng thời gian thu được tín hiệu sóng phản xạ trễ so với tín hiệu phát)

- Xác định vận tốc của mục tiêu (dựa vào tần số Doppler)

- Xác định góc phương vị (dựa vào hướng mũi tàu, xung phương vị đã được đánh dấu radar phát)

- Xác định độ lớn của mục tiêu (dựa vào độ lớn của tần số sóng phản xạ thu được)

- Xác định nhận dạng mục tiêu và một số thành phần khác(thông qua tần số sóng phản xạ thu được như một hàm có phương hướng)

- Xác định và nhận biết các mục tiêu di chuyển (dựa vào sự thay đổi của tín hiệu phản xạ thu được)

- Xác định mục tiêu có cấu tạo và vật liệu gì (thông qua tính chất của vật liệu khi phản xạ)

Hiện nay các hệ thống radar dùng cho ngành hàng hải chỉ có chức năng từ 1 đến 3 nêu ở trên Hệ thống radar SAR (Search and Rescue) đây là hệ thống radar tìm kiếm cứu nạn sử dụng hệ thống vệ tinh quan sát trái đất và với nhiều mục đích khác như, phục vụ cho nghiên cứu trái đất, khí hậu, thủy văn,…

1.2.2 Phân loại radar

Các hệ thống Radar nói chung sử dụng các dạng sóng điều chế và anten định hướng để phát năng lượng điện từ vào một thể tích nhất định trong không gian nhằm phát hiện mục tiêu Các vật thể (mục tiêu) nằm trong không gian tìm kiếm

sẽ phản xạ lại một phần năng lượng (tín hiệu phản xạ) trở lại đài radar Các tín hiệu phản xạ này sẽ được máy thu của đài radar xử lý để tách các thông tin về mục tiêu như cự ly, vận tốc, góc phương vị, và một số đặc tính khác Radar có thể được phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar như mặt đất, máy bay, không gian hay tàu thủy Ngoài ra, hệ thống radar cũng có thể phân ra thành nhiều loại

4

khác nhau dựa vào các đặc tính của radar như băng tần số, loại anten và dạng sóng phát Ta cũng có thể phân loại radar theo chức năng nhiệm vụ của đài radar như radar khí tượng, radar cảnh giới, radar dẫn đường

H1.1 Phân loại theo chức năng của radar

Thông thường radar được phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động Theo dạng sóng, radar có thể được phân thành hai loại là phát sóng liên tục (CW) và phát xạ xung Radar phát sóng liên tục là loại radar phát năng lượng điện từ liên tục và sử dụng hai anten phát và thu riêng biệt Radar phát xạ xung liên tục không điều chế có thể đo được chính xác vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (độ dịch Doppler) và góc phân vị Thông tin về cự ly của mục tiêu chỉ có thể biết được khi sử dụng điều chế Radar xung sử dụng chuỗi các xung (chủ yếu được điều chế) Trong kiểu radar này hệ thống được phân loại dựa theo tần số lặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với các dạng là PRF thấp, PRF trung bình, PRF cao Các radar PRF thấp được sử dụng để đo cự ly khi không cần quan tâm đến vận tốc của mục tiêu (độ dịch Doppler) Radar PRF cao chủ yếu được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu Radar phát sóng liên tục cũng như radar phát xạ xung đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế

5

H1.2 Phân chia các loại radar theo sóng điều chế

1.3 Cấu trúc chung của radar hàng hải

1.3.1 Sơ đồ khối cấu tạo của radar hàng hải đơn giản

H1.3 Sơ đồ khối đơn giản của radar

1.3.2 Phần phát của Radar

Sơ đồ khối của máy phát radar được chia làm 3 phần chính:

- Mạch tạo sóng siêu cao tần là bộ phận tạo ra các sóng điện từ ở giải siêu

cao tần và đưa sóng siêu cao tần đến chuyển mạch anten và được anten phát ra ngoài không gian Mạch tạo sóng siêu cao có khả năng tự kích công suất Trong thực tế hiện nay người ta sử dụng đèn điện tử Magnetron, bằng cách sử dụng điện áp để điều khiển khống chế 2 cực anot và katot của đèn Magnetron ta có thể điều khiển quá trình làm việc của đèn Khi ta ngừng cấp áp cho 2 cực anot và katot thì đèn Magnetron cũng ngừng hoạt động

6

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đèn magnetron

H1.3a Cấu tạo đèn Magnetron

Anode được làm bằng đồng trụ, trên đó có khoét 1 số chẵn các hốc cộng hưởng Các hốc cộng hưởng này được thông với khoang bên trong của anode bởi các khe hẹp vuông góc

Cathode, ở bên trong, cũng có hình trụ và là loại được đốt gián tiếp Để tăng cường sự bức xạ điện tử ở cathode, trên bề mặt của cathode người ta phủ một lớp oxit

Khoảng cách giữa anode và cathode được hút chân không Tất cả được bọc kín và được đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu NS Nam châm vĩnh cửu này được chế tạo đặc biệt để tạo ra cường độ từ trường lớn

Cathode bắn ra các điện tử khi bị nung nóng Nếu bỏ nam châm vĩnh cửu NS thì hệ thống giống đèn điện tử 2 cực, các điện tử sau khi thoát khỏi cathod sẽ bắn thẳng về anode dưới tác dụng của điện trường E Nhưng do có từ trường của nam châm, Quỹ đạo của các điện tử bị thay đổi Chúng chuyển động theo đường xoắn ốc về phía anode Sự chuyển động này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường

H

+ Khi H = 0 (không có nam châm): các điện tử bắn thẳng về anode

+ Khi H < Htới hạn: các điện tử chuyển động đập vào anode không trở về

+ Khi H = Htới hạn: các điện tử chuyển động tiếp xúc với anode rồi trở về

- Mạch điều chế xung là mạch điều chế biên độ xung điện áp đƣợc lấy từ

nguồn nuôi Tín hiệu xung điện áp đƣợc điều chế này sẽ đƣợc sử dụng để điều khiển và duy trì hoạt động cho đèn Magnetron

- Nguồn nuôi là nguồn cung cấp cho máy phát hoạt động ngồn này bao gồm 2

phần: Nguồn cấp áp cho mạch điều chế xung và một phần nguồn dùng để nung nóng sợi đốt cho đèn Magnetron

1.3.3 Phần thu

Yêu cầu đối với máy thu của radar hàng hải ở dải sóng cm và mm

- Có độ nhạy cao, dải thông đủ lớn để thu đƣợc sóng dạng xung mà không gây méo cho tín hiệu

- Có hệ số khuếch đại lớn để đảm bảo cho quá trình quan sát và báo theo mục tiêu một cách tự động

- Hệ số khuếch đại của máy thu có thời gian phục hồi ngắn để đảm bảo yêu cầu cho giá trị định danh của hệ số khuếch đại, mục đích là để thu đƣợc tín hiệu sóng phản xạ ngay lập tức sau khi xung phát kết thúc ở trạm radar gần nhất

8

- Có khả năng tự động điều chỉnh tần số của tín hiệu sóng phát khi xảy ra sai lệch, có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo sao cho tín hiệu thu được là chính xác nhất

- Có thể thay đổi hệ số khuếch đại, các thông số kỹ thuật, hằng số thời gian,

để hạn chế tối đa nhiều do mưa, nước biển,… đặc biệt là khi biên độ sóng phản

xạ bị dao động lớn

- Đảm bảo làm việc ổn định trong môi trường không ổn định

- Ngoài ra phải đảm bảo nhiều yêu cầu khác của ngành hàng hải đặt ra

Mạch đổi tần

Bao gồm 2 thành phần chính là: Mạch trộn tần và bộ tạo dao động nội

- Mạch trộn tần có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về (qua chuyển mạch anten) và tín hiệu từ bộ dao động nội đưa sang để kết hợp tạo ra tín hiệu trung tần

- Bộ tạo dao động nội có nhiệm vụ tạo ra dao động siêu cao tần với công suất nhỏ đưa sang bộ trộn, với tần số cao nó trừ đi tín hiệu phản xạ trở về thì bằng tấn

số trung tần chuẩn Công suất do bộ dao động nội tạo ra khoảng 5W

Mạch khuếch đại trung tần

Tầng khuếch đại trung tần trong máy thu (KĐTT) là bộ khuếch đại chọn lọc đặt ngay sau bộ đổi tần và trước bộ tách sóng của máy thu radar Tầng này quyết định đến độ nhạy và độ chọn lọc tần số của máy thu KĐTT thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần lên mức đủ lớn để bộ tách sóng làm việc bình thường, đảm bảo việc chọn lọc tần số lân cận và thực hiện điều chỉnh hệ số khuếch đại

Do mạch KĐTT làm việc ở một tần số cố định lên việc điều chỉnh để dung hòa mâu thuẫn giữa giải thông và độ chọn lọc đồng thời vẫn đảm bảo có hệ số khuếch đại tín hiệu lớn và ổn định điểm làm việc

H1.4 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần

9

Mạch tách sóng và tầng khuếch đại thị tần

Bộ tách sóng: là một nhiệm vụ cơ bản trong máy thu Tầng tách sóng nằm giữa tầng trộn tần và khuếch đại âm tần, làm nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần ra khỏi tín hiệu cao tần đã được điều chế (thực hiện giải điều chế) Tín hiệu âm tần này phải trung thực với tín hiệu âm tần đã được điều chế ở máy phát Do nhiều yếu tố tác động và do đặc điểm phi tuyến của các phần tử khuếch đại trong các tầng và tầng tách sóng mà tín hiệu sau giải điều chế có thể bị méo Do vậy, bộ tách sóng phải đảm bảo hiệu suất tách sóng và phối hợp trở kháng tốt để ít ảnh hưởng đến tầng sau và hạn chế méo phi tuyến ở mức thấp nhất

Tương ứng với các loại điều chế, thì mạch tách sóng (giải điều chế) cũng phải thực hiện chức năng và nhiệm vụ tương đương: mạch tách sóng biên độ, tách sóng pha…

Tầng khuếch đại thị tần: là tầng khuếch đại tín hiệu được đưa đến từ tầng khuếch đại trung tần Trong radar hàng hải thì tầng khuếch đại trung tần không đòi hỏi yêu cầu quá cao Vì thế, mạch RC thường được sử dụng trong radar hàng hải

1.4 Mục tiêu Radar hàng hải

1.4.1 Mục tiêu của Radar

Khái niệm về mục tiêu radar

Mục tiêu của radar là khả năng quan sát tất cả các vật thể trong phạn vi và tầm quan sát của radar Đối với ngành hàng hải thì mục tiêu của radar có thể là thuyền, tàu, mốc hàng hải, đảo, vịnh, bờ biển, mây… Các thông tin về mục tiêu

sẽ được cung cấp nhờ tín hiệu sóng phản xạ mang lại

Phân loại mục tiêu radar

- Mục tiêu riêng biệt là các mục tiêu nằm riêng biệt với nhau và ảnh của chúng lằm riêng biệt với nhau trên màn hình hiển thị của radar

- Mục tiêu nhóm là cụm mục tiêu không phân biệt được về góc và khoảng cách Những mục tiêu này trên màn ảnh sẽ chập lại với nhau không phân biệt được

10

- Mục tiêu khối hiện tượng này do các đám mây huyền phù, mây tích điện gây

ra ảnh các mục tiêu này trên màn ảnh tương đối lớn biên mờ và biến đổi theo thời gian

- Ngoài ra còn phân loại mục tiêu radar theo: Mục tiêu nhân tạo là các mục tiêu do con người làm ra như tàu, thuyền… Mục tiêu tự nhiên là do thiên nhiên tạo ta như bờ biển, bờ sông, núi,… Mục tiêu giả là những mục tiêu không cần quan sát mà vẫn gây ảnh hưởng cho mục tiêu quan sát

H1.5a Mây, mưa trên biển gây nhiễu cho mục tiêu radar

H1.5b Nhiễu ảnh hưởng tới búp sóng phát của radar

1.4.2 Các tham số cơ bản xác định vị trí mục tiêu của Radar

- Vị trí tuyệt đối của một mục tiêu được xác định khi ta biết được vị trí kinh

độ và vĩ độ của nó Nếu radar có kết nối GPS ta có thể xác định được vị trí tuyệt đối của mục tiêu Vị trí này được xác định theo không gian 2D mục tiêu có vị trí trên bề mặt mặt đất hoặc trên mặt biển và được gọi là vị trí mặt phẳng chân trời

(Horizontal Position) với độ cao trung bình(AGL - Average Ground Level và MSL - Mean Sea Level) Trong không gian 3D vị trí của mục tiêu bao gồm kinh

độ vĩ độ và độ cao của mục tiêu so với AGL/MSL ngoài ra còn có thể xác định

11

vị trí mục tiêu thông qua xác định khoảng cách , góc nghiêng, góc phương vị tới mốc cố định trong không gian

- Vị trí tương đối của mục tiêu được xác định bằng khoảng cách và góc

phương vị tới một vị trí đã biết trước trên bản đồ hoặc hải đồ

- Khoảng cách nghiêng của mục tiêu đối với trạm radar xảy ra khi có 2 mục

tiêu song song trên mặt phẳng thẳng đứng chúng có cùng khoảng cách về địa hình, nhưng khoảng cách nghiêng của chúng lại khác nhau (h1.6 trái) việc tìm được khoảng cách nghiêng khá khó khăn cần sử dụng phần mềm hiện đại, việc tính toán cũng khá phức tạp và mất thời gian

H1.6 Vị trí mục tiêu theo độ cao của địa hình

- Xác định hướng của mục tiêu: nhờ độ định hướng của anten ta có thể xác

định được hướng của mục tiêu Độ định hướng nói lên khả năng tập trung năng lượng của anten radar phát hướng tới mục tiêu ảnh hưởng tới tầm xa cực đại của của radar và thông qua đó ta xác định được góc phương vị và góc nâng của mục tiêu, xác định khoảng cách nhờ tín hiện sóng phản xạ từ mục tiêu lại Độ chính xác của các phép đo sẽ phụ thuộc vào độ định hướng của anten radar

- Phương vị thực của mục tiêu là góc tạo bởi hình chiếu ngang đường thẳng

từ radar tới mục tiêu với hướng Bắc thực Góc này sẽ được xác định theo mặt phẳng chân trời với hướng Bắc thực theo chiều kim đồng hồ Góc phương vị này cũng có thể được xác định hướng của tàu tới đường nối giữa tàu với mục tiêu và hay được gọi là góc mạn

- Hướng mũi tàu được xác định theo chỉ báo của la bàn hoặc con quay.Trên

màn hình hiển thị của radar hướng múi tàu được chỉ báo và đánh dấu (SHM – Ship Handing Marker)

12

- Góc nâng là góc được tạo bởi giữa tầm nhìn thẳng tới mục tiêu của radar

với mặt phẳng chân trời theo mặt phẳng thẳng đứng Được ký hiệu là ε nó có giá trị dương khi nằm trên mặt phẳng chân trời và có giá trị âm khi nằm dưới mặt phẳng chân trời

- Độ cao của một mục tiêu bao gồm độ cao trên mặt biển MSL và độ cao trên

mặt đất AGL và được ký hiệu là H Độ cao thực của mục tiêu là khoảng cách thực tế của mục tiêu đó so với MSL/AGL Thông số này được tính toán theo giá trị R và góc nâng ε, h1.7

H1.7 Độ cao của mục tiêu radar trong không gian

Độ chính xác của phép đo nói lên độ chính xác của các phép đo radar để định

vị mục tiêu như Độ chính xác của phép đo xác định vị trí ước tính mục tiêu với

vị trí thực tế của mục tiêu mà máy thu radar đo được hoặc độ chính xác vận tốc của mục tiêu so với vận tốc thực tế đo được Độ chính xác được thể hiện bằng các phép đo thống kê sai số của hệ thống được dẫn đường vô tuyến và chúng không bị nhầm lẫn với các tín hiệu khác Độ chính xác là giá trị được đưa ra thể hiện sự sai lệch của giá trị thực tế đặc trưng cho sự không chắn của giá trị đo

Nó chỉ ra sai số trong phép đo Xác suất của phép đo yêu cầu cần đạt 95% trở lên tương ứng với độ lệch chuẩn ở mức 2 trong phân bố chuẩn Gausian giá trị trung bình

13

H1.8 Xác định vị trí mục tiêu trong hệ tọa độ Oxyz

Mục tiêu tại vị trí P được xác định thông qua các thông số P(Ф, λ, r) hoặc P(H, Ф, r) trong không gian 3 chiều Oxyz (3D)

Góc Φ tính từ trục x và theo chiều ngược kim đồng hồ

Vị trí mục tiêu điểm trong hệ tọa độ tuyệt đối Oxy

H1.9 Vị trí mục tiêu hiển thị trên màn hình Radar

Vị trí Mục tiêu P(r, β) được xác định trong hệ tọa độ tương đối Oxy hay trong không gian 2D

Với r = range, là khoảng cách từ trậm radar đến mục tiêu P, góc mạn β

14

1.4.3 Qũy đạo mục tiêu

Qũy đạo mục tiêu là tập hợp tấp cả các vị trí vết của mục tiêu theo thời gian Vết của mục tiêu cho thấy sự di chuyển của mục tiêu thay đổi so với tàu quan sát được hiển thị trên màn ảnh radar

Có thể chỉ báo Mục tiêu radar theo như h1.10 Đối với radar sử dụng trong hàng hải chỉ báo PPI là thích hợp nhất với mục đích quan sát tàu và dẫn tàu tránh các chướng ngại vật trên biển hay chạy trong luồng một cách thuận tiện nhất

H1.10 Một số loại chỉ báo mục tiêu radar

15

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR HÀNG HẢI

Radar được trang bị cho ngành hàng hải, là loại dùng nguyên lý radar xung Rdar có nhiệm vụ phát hiện và xác định tọa độ mục tiêu so với trạm radar trong hàng hải, tọa độ xác định bằng hệ tọa độ cực thông qua khoảng cách và góc

2.1 Nguyên lý phát xung trong Radar xung

Radar phát các xung radio theo chu kỳ thời gian, có độ rộng xung là  ,sau khi xung thăm dò mục tiêu được phát đi và chờ tín hiệu xung phản xạ trở về anten thu thì mới phát xung thăm dò tiếp theo với chu kỳ lặp xung là T Tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu, tín hiệu này được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu điện, bộ xử lý khuếch đại và tách sóng tín hiệu đưa tín hiệu đến bộ chỉ báo và hiển thị Để quá trình hoạt động của radar ổn định và đồng bộ nhất, người ta tạo ra các xung đồng bộ từ bộ điều khiển và điều khiển trạm radar

Để giúp anten có thể dùng chung cho cả phần phát và phần thu, người ta sử dụng bộ chuyển mạch anten để tách riêng máy phát và máy thu sao cho phù hợp lúc phát và thu: Ngắt phần thu khi phần phát hoạt động (phát tín hiệu) với mục đích an toàn cho máy thu khi công suất phát lớn Ngắt phần phát khi phần thu hoạt động (thu tín hiệu) mục đích đảm bảo có công suất đủ lớn để hiển thị được mục tiêu quan sát

H2.1 Nguyên lý xác định mục tiêu của radar phát xung

16

Tín hiệu sóng điện từ có dạng:

 00

Với a(t) là xung vuông Đây là dạng điều chế ASK

S(t) là tín hiệu được phát ra ngoài anten tới mục tiêu, s’(t) là tín hiệu phản xạ thu được

Các thông số của radar phát xung

- Độ rộng xung phát là khoảng thời gian phát xung bức xạ trong một chu kỳ bức xạ Thông số này ảnh hưởng đến tầm xa của radar và độ phân giải khoảng cách được lý hiệu là τ hay PW (Pulse Width)

- Chu kỳ lặp xung là khoảng thời gian giữa hai lần phát xung kế tiếp của

Radar và được ký hiệu là T hay PRT (Pulse Repetition Time) PRT= 1/ PRF

- Tần số lặp xung là lượng xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, phụ

thuộc vào tốc độ quay của anten và được ký hiệu là PRF (Pulse Repetition Frequency)

- Độ trễ thời gian là khoảng trễ thời gian giữa tín hiệu phát và tín hiệu phản xạ thu được và được dùng để xác định khoảng cách từ Radar tới mục tiêu được ký hiệu Δt

- Công suất phát xung của Radar P(W) là công suất phát phát xung tín hiệu trong một khoảng thời gian

- Hệ số công suất: dt = PW/PRT đơn vị %

17

2.1.1 Tính toán cự ly mục tiêu

Để tính toán được cự ly của mục tiêu ta dựa vào khoảng thời gian trễ tính từ thời điểm phát xung tín hiệu đi cho đến khi thu tín hiệu xung phản xạ trở lại (TR)

H2.2 Tín hiệu xung phát đi và xung phản xạ về

t

  là độ trễ thời gian

Rt là khoảng cách từ máy phát radar tới mục tiêu

Rr là khoảng cách mục tiêu đến máy thu

TR là thời gian trễ của tín hiệu sóng truyền lan từ máy phát đến mục tiêu và đến máy thu

C = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng

Trong quá trính xác định cự ly của mục tiêu thường hay xảy ra sự nhầm lẫn khoảng cách, nguyên nhân gây ra sự nhầm lẫn khoảng cách là do khi có hai hay nhiều mục tiêu cùng được chỉ báo lên màn ảnh radar và có khoảng cách không đúng với giá trị thực tế

18

2.1.2 Cự ly phân giải mục tiêu

Độ phân giải cự ly ký hiệu là ΔR là một thông số của radar mô tả khả năng

phát hiện các mục tiêu nằm gần nhau thành các vật thể phân biệt

Xét hai mục tiêu nằm tại cự ly R1 và R2, tương ứng với thời gian trễ t1 và t2 Công thức tính độ sai biệt cự ly giữa hai mục tiêu là

Trong đó: B là băng thông, τ là độ rông xung thăm dò

H2.3 Phân biệt mục tiêu theo cự ly

Trên hình vẽ :

Rmin là tầm xa cự tiểu, Rmax là tầm xa cực đại, Khoảng cách từ Rmin đến Rmaxđược chia thành nhiều khoảng nhỏ có độ rộng bằng ΔR Nhóm mục tiêu 1 cần được phân giải về góc phương vị, nhóm mục tiêu 2 cần phân giải về cả phương

vị và khoảng cách, nhóm mục tiêu 3 cần phân giải về khoảng cách để ảnh các mục tiêu không chông lần trên màn hình

H2.4 Phận biệt cự ly hai mục tiêu M1,M2

19

Đầu tiên, giả sử rằng hai mục tiêu tách biệt nhau bởi cτ/4, τ là độ rộng xung Trong trường hợp này, khi cạnh xuống của xung đập vào mục tiêu hai thì cạnh lên của xung sẽ đi ngược về một khoảng cách là cτ , và xung phản xạ sẽ là tổng hợp của các xung phản xạ từ cả hai mục tiêu (số phản xạ không phân giải) Tuy nhiên, nếu hai mục tiêu cách nhau ít nhất cτ/2 thì khi cạnh xuống của xung đậpvào mục tiêu thứ nhất, cạnh lên của xung mới bắt đầu phản xạ từ mục tiêu thứ hai, nên sẽ xuất hiện hai xung phản xạ tách biệt như trong hình Do vậy, ΔR phải lớn hơn hoặc bằng cτ/2, và vì vậy băng thông B của radar bằng 1/τ

2.2 Nguyên lý xác định vân tốc mục tiêu theo hiệu ứng Doppler

2.2.1 Hiệu ứng Doppler

Các radar sử dụng tần số Doppler để tách ra vận tốc xuyên tâm của mục tiêu cũng như để phân biệt giữa mục tiêu đứng yên và mục tiêu di động Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng dịch tần số trung tâm của sóng tới theo sự chuyển động của mục tiêu so với nguồn phát Tùy theo hướng chuyển động của mục tiêu mà giá trị tần số dịch này có thể dương hay âm Hiệu ứng Doppler chỉ xảy ra khi mục tiêu chuyển động so với đài, tần số Doppler fD là độ dịch tần giữa tần số sóng phát xạ f t và tần số sóng phản xạ f r , trong radar, hiệu ứng Doppler xuất hiện 2

lần:

H2.5 Quá trình phát tín hiệu từ radar và nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

Lần đầu: Do mục tiêu chuyển động so với đài nên tần số dao động điện từ

“nhận được” bởi mục tiêu chuyển động f r (tần số của tín hiệu phản xạ), khác với tần số dao động bức xạ f t

Lần thứ hai: Tần số dao động nhận được bởi máy thu của đài radar (tần số của

tín hiệu thu f‘ t , lúc này đài radar được coi là chuyển động so với mục tiêu) khác

với tần số tín hiệu phản xạ

Suy ra:

'

Dấu (+) tương ứng trường hợp radar và mục tiêu dịch lại gần nhau

Dấu (–) tương ứng trong trường hợp ngược lại

độ di chuyển của mục tiêu

2.3 Phương trình xác định cự ly của Radar hàng hải

2.3.1 Phương trình xác định tầm xa cực đại của radar hàng hải

Tầm xa cực đại của radar hàng hải là khoảng cách lớn nhất mà trong giới hạn

đó radar có thể phát hiện được mục tiêu, tức là ảnh của mục tiêu còn xuất hiện

21

PD = 𝐶ô𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 đỉ𝑛ℎ(𝑊)

Mật độ công suất tại cự ly R (bán kính mặt cầu) so với radar (giả sử không suy

hao trên môi trường truyền) là:

2

4

t D

P P

R



Trong đó Pt là công suất phát đỉnh và 4πR2 là diện tích của mặt cầu bán kính

R Hệ thống radar sử dụng các anten định hướng để tăng cường mật độ công

suất theo một hướng nhất định Các anten định hướng thường có độ lợi anten là

Gt và diện tích hiệu dụng anten là Ae

Trong đó λ là bước sóng Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng anten là Ae và

diện tích vật lý A là A e  A., ρ là hiệu suất diện tích (0 ≤ 𝜌 ≤ 1), anten càng

tốt thì ρ →1 Trong thực tế, giá trị ρ = 0.7 thường được sử dụng

Mật độ công suất tại khoảng cách R so với radar, dùng anten định hướng có

độ lợi G cho bởi:

2

ERP

Khi năng lượng bức xạ của radar đập vào mục tiêu, bề mặt dẫn của mục tiêu

sẽ bức xạ năng lượng điện từ theo mọi hướng Lượng năng lượng bức xạ sẽ tùy

thuộc vào kích thước, hướng, hình dạng vật lý và vật liệu của mục tiêu Các

nhân tố đó được kết hợp lại theo một thông số đặc trưng của mục tiêu gọi là diện

tích phản xạ hiệu dụng (RCS – Radar Cross Section), kí hiệu là δ

Diện tích phản xạ hiệu dụng được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được

phản xạ trở về đải radar trên mật độ công suất tới mục tiêu

PD (m

2

Trong đó Pr là công suất phản xạ từ mục tiêu

Gọi tổng suy hao trong hệ thôngs radar là L: