LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về RADAR và ỨNG DỤNG TRONG dự báo THỜI TIẾT

Phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ.. Những thành tựu khoa học đó đã được đúc kết và kế thừa từ kho tàng tri thức của nhân

TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Thầy HỒ HỮU HẬU THẠCH THỊ THU NGUYÊN

Giáo viên phản biện: MSSV:1090212 Thầy Phạm Văn Tuấn Lớp: SP Vật Lý K35

Thầy Dương Quốc Chánh Tín

Cần Thơ 5 - 2013

Đạt được kết quả như ngày hôm nay, ngoài sự nổ lực của bản thân, em còn nhận được sự dạy bảo tận tình, sự động viên, an ủi và khích lệ rất nhiều từ phía nhà Trường, Thầy Cô, Gia đình và Bạn bè

Trong quá trình thực hiện đề tài “ Tìm hiểu về radar và ứng dụng trong dự

báo thời tiết ” bản thân em đã gặp không ít khó khăn, vướng mắc Trước tiên, em xin

bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn chân thành, sâu sắc tới các Thầy Cô Trường Đại học Cần Thơ nói chung, Thầy Cô Khoa Sư Phạm, cũng như quý thầy cô trong thư viện khoa, thư viện trường, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn sư phạm vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho em tìm kiếm tài liệu tham khảo, nghiên cứu, học hỏi Em

xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồ Hữu Hậu, người thầy đã tận tình chỉ bảo,

hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm đề tài

Bên cạnh những gì đạt được trong quá trình thực hiện đề tài thì tất yếu sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót vì kiến thức của em còn hạn chế Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để em bổ sung kiến thức

và đề tài được hoàn thiện tốt hơn

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã nhiệt tình giúp

đỡ em trong suốt những năm vừa qua Em xin chúc tất cả quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe và thành công trong cuộc sống

Sinh viên thực hiện

Thạch Thị Thu Nguyên

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày …Tháng … Năm

GVHD: Thầy Hồ Hữu Hậu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHẦN MỞ ĐẦU 5

1 Lý do chọn đề tài 5

2 Các giả thuyết của đề tài 6

3 Các bước thực hiện đề tài 6

4 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 6

PHẦN NỘI DUNG 7

CHƯƠNG 1 7

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR 7

1.1 Sóng điện từ - Lý thuyết bức xạ 7

1.1.1 Điện từ trường tự do Sóng điện từ trong môi trường đồng chất Sóng phẳng 7

1.1.1.1 Điện từ trường tự do 7

1.1.1.2 Sóng điện từ trong môi trường đồng chất 8

1.1.1.3 Sóng phẳng 8

1.1.2 Sóng điện từ phẳng đơn sắc 10

1.1.3 Sóng điện từ trong chất dẫn điện 13

1.1.4 Phản xạ và khúc xạ của sóng điện từ ở mặt giới hạn của hai điện môi 15

1.1.4.1 Điều kiện biên đối với vector sóng điện từ 15

1.1.4.2 Tần số của các tia phản xạ và khúc xạ 16

1.1.4.3 Các góc phản xạ và khúc xạ 17

1.1.4.4 Biên độ của sóng phản xạ và khúc xạ 18

1.1.4.5 Hệ số phản xạ và khúc xạ 19

1.1.5 Bức xạ sóng điện từ 21

1.1.5.1 Thế vector và thế vô hướng 22

1.1.5.2 Các phương trình của thế vector và thế vô hướng 22

1.1.5.3 Nghiệm của các phương trình thế Thế trễ 23

1.1.5.4 Bức xạ của lưỡng cực 25

1.1.5.5 Điện từ trường của dao động tử tuyến tính 28

1.1.5.6 Tính chất điện từ trường của dao động tử tuyến tính 31

1.1.5.7 Lưỡng cực bức xạ tuần hoàn 32

1.1.6 Sự suy yếu sóng điện từ khi lan truyền trong khí quyển 33

1.1.6.1 Sự suy yếu trong không khí 33

1.1.6.2 Sự suy yếu trong mây 34

1.1.6.3 Sự suy yếu trong mưa 35

1.1.7 Hiệu ứng Doppler 35

1.2 Giới thiệu chung về radar 37

1.2.1 Lịch sử phát hiện sóng Radar 37

1.2.2 Khái niệm Radar 40

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động 41

1.2.4 Phân loại radar 43

1.2.5 Phương trình radar đối với mục tiêu điểm trong chân không 44

1.2.6 Tính năng kĩ thuật – chiến thuật của Radar 45

1.2.6.1 Tính năng kĩ thuật 45

1.2.6.2 Tính năng chiến thuật 46

1.3 Thông số khai thác và kỹ thuật của radar 46

1.3.1 Thông số khai thác 46

1.3.1.1 Tầm xa cực đại của radar: (tầm xa tác dụng ) D max 46

1.3.1.2 Tầm xa cực tiểu của radar (vùng chết của radar ): D min 48

1.3.1.3 Độ phân giải theo khoảng cách: 49

1.3.1.4 Độ phân giải theo góc: 50

1.3.2.2 Chiều dài xung phát x 51

1.3.2.3 Chu kỳ lặp xung T x Tần số lặp xung 51

1.3.2.4 Công suất phát xung: 52

1.3.2.5 Độ nhạy máy thu P th.min : 53

1.3.2.6 Hệ số định hướng của anten G a : 53

1.3.2.7 Tốc độ vòng quay của anten: n (vòng /phút) 54

1.4 Mục tiêu, nguyên tắc nhận tin tức về mục tiêu và ảnh hưởng của môi trường tới tầm tác dụng của radar 54

1.4.1 Mục tiêu radar 54

1.4.1.1 Mục tiêu riêng biệt: 54

1.4.1.2 Mục tiêu nhóm: 54

1.4.1.3 Mục tiêu khối: 55

1.4.2 Nguyên tắc nhận tin tức về mục tiêu: 55

1.4.3 Phân loại hệ thống radar và dải tần làm việc 58

1.4.3.1 Radar thụ động: 58

1.4.3.2 Radar chủ động: 58

1.4.3.3 Radar liên tục 60

1.4.3.4 Radar xung: 61

1.4.3.5 Dải tần làm việc 63

1.4.4 Tầm xa tác dụng của radar 63

1.4.4.1 Tầm xa tác dụng của radar khi không có tác động của môi trường: 63

1.4.4.2 Tầm xa tác dụng của radar khi có tác dụng của môi trường: 65

CHƯƠNG 2 66

ỨNG DỤNG CỦA RADAR TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT 66

2.1 Ứng dụng của Radar 66

2.2 Giới thiệu về cấu tạo và các thông số kĩ thuật của Radar thời tiết 67

2.2.1 Nguyên lý radar thời tiết 67

2.2.2.Các bộ phận chính của hệ thống radar Phân loại radar thời tiết 67

2.2.3 Các thông số kĩ thuật của radar thời tiết 69

2.2.3.1 Thông số kĩ thuật của hệ thống phát 69

2.2.3.2 Thông số kĩ thuật của hệ thống thu 70

2.2.3.3 Thông số của hệ thống anten 71

2.3 Hệ thống chỉ thị 73

2.4 Thể tích xung và mật độ năng lượng sóng trong xung phát 75

2.5 Các kiểu phản hồi 77

2.6 Mục tiêu khí tượng 77

2.6.1 Khái niệm về mục tiêu khí tượng 77

2.6.2 Tính chất của mục tiêu khí tượng 78

2.7 Phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ 78

2.8 Ảnh Radar 81

2.8.1 Đặc điểm của Ảnh radar 81

2.8.2 Nguyên lý 82

2.8.3 Đặc điểm hình học của ảnh radar 83

2.8.4 Đặc điểm tương tác của sóng radar và bề mặt vật thể 84

2.9 Sử dụng vệ tinh radar để dự báo thời tiết 87

2.9.1 Nguyên lý đo lượng mưa bằng radar 87

2.9.2 Nhận biết dông 90

2.9.3 Nhận biết đường tố 90

2.9.4 Nhận biết lốc và vòi rồng 91

2.9.5 Nhận biết bão 93

2.9.5.1 Cấu trúc của trường PHVT mây và mưa trong bão 93

2.9.5.2 Quan hệ giữa đặc điểm PHVT mây bão với cường độ bão 94

2.10 Những sai số xuất hiện khi dùng radar, đặc điểm và vị trí đặt radar 94

2.10.1 Những sai số xuất hiện từ việc sử dụng rađa 95

2.10.2 Mức độ sai số khi dùng số liệu rađa 96

2.11 Sự cần thiết việc sử dụng rađa kết hợp với các số liệu quan trắc ở các trạm đo 97

2.12.Trạm Radar thời tiết ở Việt nam 98

PHẦN KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay con người đã đưa những thành tựu khoa học kỹ thuật, những phát minh, phát kiến mới ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ… nhằm phục vụ cho cuộc sống của con người ngày một tiến bộ hơn Những thành tựu khoa học đó đã được đúc kết và kế thừa từ kho tàng tri thức của nhân loại, đó là kết quả nghiên cứu của cả một quá trình lao động không mệt mỏi của biết bao thế hệ các nhà khoa học thuộc mọi lĩnh vực; trong đó vật lý học đã góp phần không nhỏ cho sự phát triển chung của nền khoa học hiện đại

Chúng ta được sinh ra và lớn lên trong hoà bình nhưng dư âm của cuộc chiến tranh vẫn vang mãi trong chúng ta qua những lời kể của những người đã trực tiếp tham gia cuộc chiến tranh bảo vệ tổ quốc này hay qua những thước phim tư liệu lịch

sử Dù không ít thì nhiều nhưng trong những trận đánh bảo vệ vùng trời tổ quốc chúng ta đều nghe đến hai từ “Radar” Và với nhiệm vụ to lớn của nó chúng ta còn

đã mường tượng ra nó là một chiếc máy gì đó to lớn và vĩ đại mới có thể phát hiện

ra máy bay, tàu chiến ở cách xa hàng trăm thậm chí hàng nghìn km Nhưng càng lớn lên được tiếp thu thêm nhiều kiến thức chúng ta mới hiểu Radar là gì, nó hoạt động theo nguyên tắc nào và nó được ứng dụng như thế nào

Hiện nay trái đất của chúng ta đang phải đối mặt với nhiều thiên tai, động đất, sóng thần, biến đổi khí hậu,… để phòng tránh và làm giảm thiệt hại do thiên tai gây ra đòi hỏi công việc dự báo thời tiết phải chính xác và hiện đại Thời tiết ảnh hưởng rất lớn đến đời sống kinh tế – xã hội của loài người Việc dự báo một cách chính xác các hiện tượng thời tiết ngày càng trở nên cần thiết và trở thành mối quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới Do vậy việc nghiên cứu, phát triển Radar được các nước trên thế giới đặc biệt quan tâm và chú trọng Vì vậy tôi quyết định chọn đề

tài: “Tìm hiểu về Radar và ứng dụng trong dự báo thời tiết” Việc chọn đề tài này

cũng nhằm để bổ sung thêm kiến thức khoa học đồng thời giúp ích phần nào cho công tác giảng dạy của tôi sau này

2 Các giả thuyết của đề tài

- Cơ sở lý thuyết liên quan đến radar? Radar là gì? Nó hoạt động theo nguyên tắc nào ? Radar được phân loại ra sao?

- Ứng dụng của radar trong đời sống? Radar được ứng dụng như thế nào trong dự báo thời tiết?

Do đó, nội dung nghiên cứu của tôi gồm 2 phần:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về radar

- Nghiên cứu ứng dụng của radar trong đời sống, đặc biệt là trong dự báo thời tiết

3 Các bước thực hiện đề tài

- Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt của đề tài

- Tìm các tài liệu liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu

- Tiến hành viết đề cương và trao đổi với giáo viên hướng dẫn để tham khảo

ý kiến và chỉnh sửa

- Viết luận văn hoàn chỉnh

- Báo cáo luận văn

4 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài

4.1 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tổng quan về radar

 Đọc, tra cứu và tổng hợp về hệ thống radar thời tiết và ứng dụng của nó

 Tìm hiểu tình hình sử dụng radar của các nước trên thế giới hiện nay Đặc biệt thực trạng sử dụng radar ở Việt nam

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài

 Các giáo trình chuyên ngành Vật lý như Điện Động Lực Học, Quang

 Các tài liệu tham khảo: Luận văn tốt nghiệp đại học, sách, bài giảng, các trang web khoa học và công nghệ

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR

Các phương trình của điện từ trường tự do là các phương trình Maxwell trong đó ta đặt điều kiện ρ=0 và 0



j (chỉ có trường không có điện tích và dòng

điện) Các điều kiện này có thể được thỏa mãn trong một môi trường đồng chất và

Faraday (1.1) và do tác dụng của dòng điện dịch (1.2) Có thể nói rằng từ trường

biến thiên sinh ra điện trường và ngược lại điện trường biến thiên sinh ra từ trường Điện trường và từ trường ở đây đều là trường xoáy

1.1.1.2 Sóng điện từ trong môi trường đồng chất

Muốn xét kỹ hơn các tính chất của trường tự do, ta thực hiện một số phép biến đổi Lấy rota hai vế của (1.1) và kết hợp với (1.2), ta được:

t rot

0

2

2 2

nhau Phương trình đó là phương trình D’Alembert hay phương trình sóng Điện từ trường tự do tồn tại dưới dạng sóng điện từ

2

2 2



 hoặc



 Nghiệm của (1.7) là:

x t

f1 Đây là sóng điện

từ truyền đi theo chiều dương của trục x

Trong mặt phẳng x = x1, trường biến

thiên theo thời gian Tại cùng một thời điểm t1,

trường ở mọi điểm trên mặt phẳng đó đều có

giá trị như nhau và bằng const

v

x t

x

1 2

1 1 2 1

v

x x t

Vậy, pha của sóng đã truyền theo chiều dương của trục x với vận tốc

f2 cũng là một sóng điện từ phẳng (sóng nghịch) truyền theo chiều âm của trục x với vận tốc bằng –v

1.1.2 Sóng điện từ phẳng đơn sắc

Giả sử điện từ trường là một sóng phẳng truyền theo chiều dương của trục x

và biến thiên tuần hoàn với tần số vòng

T



  2 Khi đó, nghiệm của phương trình

sóng phải kết hợp được tính chất sóng phẳng với tính chất dao động tuần hoàn:

x t

x t



 Những kết luận rút ra đối với

cos

0 (1.10) Hay dưới dạng phức:

Trong đó, k là số sóng và



n là vector đơn vị theo phương truyền sóng Do

đó, ktrùng phương với phương truyền sóng

Gọi



r là bán kính vector của điểm quan sát, ta có:

z y

x yk zk xk

 dưới dạng (1.12) vào các phương trình Maxwell của điện trường tự do

Có thể chứng minh được rằng nếu

Ta nhận được kết quả tương tự đối với



 và



đều vuông góc với k tức là vuông

góc với phương truyền Sóng phẳng đơn sắc là sóng ngang

Từ (1.13) hoặc (1.14) ta thấy là các vector k,



,



 theo thứ tự tạo thành một tam diện thuận

E H H E E EH

2

2 2

Vậy, năng lượng truyền đi với vận tốc bằng vận tốc pha của sóng

Sóng điện từ phẳng và sóng điện từ đơn sắc là những khái niệm được lý tưởng hóa Trong thực tế, không có những sóng là hoàn toàn phẳng và đơn sắc Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, ta có thể coi một sóng nhất định gần như là phẳng và đơn sắc Vì thế, việc nghiên cứu các sóng phẳng đơn sắc có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn

Trong trường hợp tổng quát (ví dụ như sóng ánh sáng tự nhiên), các vector

e được gọi là vector phân cực

1.1.3 Sóng điện từ trong chất dẫn điện

Xét một sóng điện từ phẳng đơn sắc truyền trong một vật dẫn đồng chất và

có kích thước lớn vô hạn Trong vật dẫn đó, μ, ε và λ đều là những hằng số khác không Do đó có dòng điện dẫn tuân theo định luật Ohm:







 j

j rot

kkis

trong đó k và s là những số thực Ta có:

k s  iks   i 

k 2  2  2 2  2 tách phần thực và ảo:



2 2 2

2

1 1





 k

2

1 1





 s

Đối với kim loại ta có ε ≈ ε0 và λ 7 1 1

Đưa số sóng phức vào phương trình của sóng phẳng đơn sắc, ta viết được:

k t

i exp exp

0

Vậy, sóng điện từ truyền trong vật dẫn có biên độ giảm theo hàm mũ khi

sóng truyền sâu vào vật dẫn:



j

trong các phương trình trên là mật độ dòng điện dẫn do sóng điện từ gây ra, không phải là mật độ dòng điện gây ra trường như trường hợp trường dừng

1.1.4 Phản xạ và khúc xạ của sóng điện từ ở mặt giới hạn của hai điện môi

1.1.4.1 Điều kiện biên đối với vector sóng điện từ

Giả sử có hai điện môi 1 và 2 giới hạn bằng một mặt phẳng và có một sóng điện từ phẳng đơn sắc truyền từ môi trường 1 tới P trên mặt giới hạn Ta gọi sóng

đó là sóng tới và biểu diễn nó bằng vector sóng

 1

k (hình 1.2) Tới điểm P, một phần của sóng tới bị phản xạ lại môi trường 1 (sóng phản xạ

 ' 1

k ) và một phần khác truyền sang môi trường 2 (sóng khúc xạ k2 )

Vì ta đã biết được sự liên hệ giữa các thành phần điện và từ của sóng điện từ phẳng đơn sắc, sau đây ta chỉ xét vector điện trường





Gọi



r là bán kính vector của điểm P ( chú ý rằng gốc O là bất kỳ) và chọn gốc thời gian thích hợp để pha ban đầu α = 0, ta viết được phương trình của các sóng k1,



 tại điểm P là:

E1t+E’1t=E2t (1.25) 1.1.4.2 Tần số của các tia phản xạ và khúc xạ

Chọn mặt giới hạn làm mặt xOy (gốc O bất kỳ và không trùng với P), ta viết được điều kiện biên (1.25) bằng cách chiếu (1.22), (1.23) và (1.24) xuống mặt xOy:

1texpi  t xk cosa yk cosb

 '1texpi'1txk'1cosa'1yk'1cosb'1

2texpi  txk cosa yk cosb

trong đó cosa1, cosb1,… là những cosin chỉ phương của các vector sóng

Ta biết rằng điều kiện biên (1.25) không phụ thuộc thời gian và tọa độ điểm quan sát Muốn cho điều kiện viết dưới dạng (1.26) được nghiệm đúng với mọi giá trị của t, x, và y, ta phải có:

k cũng nằm trong mặt phẳng xOz

Vậy, sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ cùng nằm trên một mặt phẳng

Theo hình 1.2, đẳng thức a1 = a’1 có thể viết lại thành:

hay:

1 1

2 2 2 1 2

Vì đối với các điện môi thông thường ta có μ0, nên:

12 1 2 2

Vậy, tỉ số các sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng chiết suất của môi

trường 2 đối với môi trường 1

Trường hợp 1: vector ánh sáng của sóng tới nằm trong mặt phẳng tới

Vector 1



 hướng theo chiều dương của trục y (vuông góc mặt phẳng

hình vẽ và hướng từ ngoài vào trong)

Vector từ trường luôn luôn song song với

mặt giới hạn Vì vậy, khi phản xạ và khúc xạ nó không đổi phương và chiều '1

y H H

H1  '1  2

Vì đối với điện môi, ta có μ0 nên

điều kiện trên có thể viết thành:

Hình 1.3

Hình 1.4

 1 2 2

' 1

' 1 1

1  sin cos  sin cos

2 ' 1

tg

R (1.38)

Đối với trường hợp thứ hai, từ (1.37), ta rút ra:

2 1 2

2 1

2 2

2 2 1 2

cossin

sinsin

sin

sinsin

Đó là những công thức Fresnel của sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Các

công thức trên đối xứng với α1 và α2 nên chúng không phụ thuộc sóng truyền từ môi trường 1 đến môi trường 2 hay ngược lại

Khi α1 = 0 thì α2 = 0 và các biểu thức (1.38), (1.39) có dạng

0

0

Ta tính giới hạn của các biểu thức đó:

sin

cos

cos sin

sin

cos sin cos

sin

cos sin cos

sin sin

sin

12

12 0 , 0

2 1 2

1

2 1 2

1

1 2 2

1

1 2 2

1 2

1

2 1

Khi

2

1



  thì theo (1.38) và (1.39), R// và Rđều có cùng giá trị bằng 1

Khi α1 tăng dần từ 0 tới

2



thì Rtăng dần từ R0 tới 1 Tuy nhiên, R// biến

thiên từ R0 đến 1 qua cực tiểu bằng 0 khi α1 + α2 =

2



(hình 1.4) Khi đó α1 = α0 ứng với:

12

0 n

tg  

Góc α1 = α0 gọi là góc phân cực hoàn toàn hay góc Brewster

Vậy, trong trường hợp vector ánh sáng nằm trong mặt phẳng tới và khi góc

tới bằng góc Brewster thì toàn bộ ánh sáng truyền qua môi trường 2, trong môi trường 1 không có ánh sáng phản xạ

Ta có các trường hợp sau:

- Trong trường hợp tổng quát, phương của vector ánh sáng là bất kỳ, ta nói rằng sóng ánh sáng chưa phân cực Ta phân tích vector ánh sáng thành hai thành phần, một nằm trong mặt phẳng tới (E// ) và một thẳng góc mặt phẳng tới (E) Độ phân cực của ánh sáng phân cực được định nghĩa bằng hệ thức:

//

//

2 ' //

2 ' //

2 ' 2 '

R R

R R E E

E E P

- Khi α1 tăng dần thì P cũng tăng dần Và khi α1 = α0, ta có R//= 0 và P = 1

Ta rút ra được các kết quả sau:

+ Ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn

+ Trong ánh sáng phản xạ, vector điện trường thẳng góc mặt phẳng tới + Tia phản xạ và tia khúc xạ vuông góc nhau Chính vì thế mà góc α0 gọi là góc phân cực hoàn toàn

Khi α1 tiếp tục tăng thì P giảm dần Và khi

Muốn nghiên cứu sự bức xạ sóng điện từ, tức là xét cả nguyên nhân phát sinh

ra sóng điện từ, ta áp dụng những phương trình Maxwell tổng quát nhất:

t

D j rot

Trong trường hợp sóng điện từ, ta cũng định nghĩa thế vector và thế vô hướng giống như đối với trường chuẩn dừng:

gradu A

 (1.46) 1.1.5.2 Các phương trình của thế vector và thế vô hướng

Nhân hai vế của (1.41) với μ, ta được:

t j

j rotrot   

hay:

t t

grad j

grad



2 2

Kết hợp với điều kiện định cỡ (1.46), ta được:

div t divgrad 2

Theo điều kiện định cỡ (1.46):

1.1.5.3 Nghiệm của các phương trình thế Thế trễ

Các phương trình (1.47) và (1.48) có thể viết lại như sau:

f r t = 0 trong toàn thể không gian, ta

được phương trình D’Alembert không có vế phải

Đó là phương trình của điện từ trường tự do

Nếu  ' 

,

f r t ≠ 0 trong một miền V hữu hạn

nào đó của không gian thì được nghiệm của

phương trình D’Alembert đối với toàn thể không

gian có dạng:

dV r

v

r t r f t

r là bán kính vector của yếu tố thể tích dV, r là khoảng cách từ dV tới điểm quan sát và

 ở trên biểu diễn trạng thái của điện từ

f ', là hàm biểu diễn trạng thái của nguồn tạo ra điện từ trường

Nếu xét nghiệm có dấu (-) trước r

v, ta thấy giá trị của thế tại điểm quan sát ở

thời điểm t phụ thuộc vào giá trị của nguồn ở thời điểm t r

khoảng thời gian bằng r

v Thời gian đó chính là thời gian cần thiết để sóng truyền được từ dV đến điểm quan sát Trong trường hợp này, sự biến thiên của thế tại điểm

Hình 1.5

quan sát xảy ra muộn hơn sự biến thiên của nguồn, nên thế tại điểm quan sát gọi là

thế trễ Thế trễ truyền đi từ nguồn theo mọi phương của không gian

Nếu xét nghiệm có dấu (+) trước r

v, ta thấy giá trị của thế tại điểm quan sát ở

thời điểm t phụ thuộc vào giá trị của nguồn ở thời điểm t r

khoảng thời gian bằng r

v Trong trường hợp này, sự biến thiên của thế tại điểm quan sát xảy ra sớm hơn sự biến thiên của nguồn, nên thế tại điểm quan sát gọi là

thế sớm Thế sớm truyền từ mọi phương của không gian về nguồn Nó không có ý

nghĩa vật lý như thế trễ nên ít được dùng

j ,'

Nhưng không có điện tích và dòng điện đi ra khỏi hoặc vào trong miền V Một hệ như vậy là một nguồn bức xạ ra sóng điện từ Vì ta có thể coi hệ đó như một

lưỡng cực biến thiên theo thời gian, nên nó được gọi là lưỡng cực bức xạ

Xét điểm P ở rất xa lưỡng cực và chọn gốc tọa

độ trong miền V, ta có:

R >> r’

r >> r’

R ≈ r Nếu lưỡng cực đặt trong chân không hoặc

trong không khí, các đại lượng 0 và 0 thay cho 

và  trong các công thức

a Thế vô hướng của lưỡng cực bức xạ

Từ công thức (1.50), ta có:

Hình 1.6

r t r t

R

,' 4

1 ,

0





 (1.51) Triển khai lượng trong dấu tích phân theo chuỗi Taylor, ta có:

'

' '

,' ,'

r R r

R c

r t r r

c

r t r

dV r R

dV R t

1,

0 0

b Thế vector của lưỡng cực bức xạ

c

r t r j t

R

,' 4





(1.54) Khai triển lượng trong dấu tích phân theo chuỗi Taylor:

' '

,' ,'

r t r j r

c

r t r j

Lưỡng cực bức xạ đơn giản nhất là dao động tử Hertz Nó gồm hai hòn bi nhỏ bằng kim loại được nối với nhau bằng một dây dẫn Truyền cho hai hòn bi đó hai điện tích bằng nhau và ngược dấu Sau đó, ta dùng dây nối chúng lại sẽ xuất hiện quá trình dao động điện Điện tích trên mỗi hòn bi sẽ giảm dần tới 0, đổi dấu, tăng dần lên cực đại, rồi lại giảm dần tới 0, đổi dấu,…Trong dây dẫn có một dòng điện biến thiên tuần hoàn Nếu điểm quan sát ở xa dao động tử, điện từ trường của dao động tử có thể được coi như điện từ trường của một lưỡng cực điện có momen

biến thiên tuần hoàn Dao động tử tuyến tính là dao động tử mà momen lưỡng cực

có phương cố định, biến thiên theo quy luật:

f t t



 

Vì:

p p grad

p n Rc

p n R

n p n Rc f

p n Rc p

n Rc

R

p

0 0

1 1

Rc2

1

Vì 12 0 0

c   , ta được :

p R p

n n

Dấu ngoặc có thể biến đổi thành :





4

0 (1.57)

1.1.5.6 Tính chất điện từ trường của dao động tử tuyến tính

Căn cứ vào (1.56) và (1.57), ta thấy rằng tại một điểm quan sát P bất kỳ, điện

p Như vậy, điện từ trường ở đây là sóng điện từ truyền

từ nguồn đi mọi phương trong không gian với vận tốc bằng c

Nếu xét miền ở xa nguồn, ta thấy trên một mặt cầu có tâm tại nguồn sóng và bán kính R, thì điện từ trường tại mọi điểm vào thời điểm t đều phụ thuộc một giá

p Mặt cầu đó là một mặt đồng pha và sóng được gọi là sóng

0

 (1.58) hay:

xa nguồn bức xạ, điện từ trường có tính chất sóng cầu Trong một khoảng không gian tương đối nhỏ tại đó, nó có tính chất của sóng phẳng

Theo (1.56) và (1.57) thì điện từ trường phụ thuộc vào phương truyền sóng Đối với mỗi phương truyềnn, điện trường và từ trường tỷ lệ với sin



p (hình vẽ) Khi



n cùng phương với

 0

p thì sin 0 và  0, 0

Khi n vuông góc với p0 thì

1 sin

Xét một lưỡng cực bức xạ là một dao động tử tuyến tính dao động theo quy luật:

t p

p 2 0cos

Do đó:

Hình 1.7

p p

sinsin

4

2 0

0 0

p p

4

(1.63)Như vậy, tần số của bức xạ bằng tần số dao động của lưỡng cực Biên độ của

từ trường và điện trường tỉ lệ thuận với 2

 và tỉ lệ nghịch với khoảng cách R từ điểm quan sát tới nguồn Mật độ năng lượng tỉ lệ thuận với 4

 và tỉ lệ nghịch với

R2, tức là sóng điện từ có tần số càng lớn thì năng lượng càng lớn và sóng càng truyền xa nguồn thì năng lượng của nó càng giảm

1.1.6 Sự suy yếu sóng điện từ khi lan truyền trong khí quyển

Sự suy yếu sóng điện từ trong khí quyển chủ yếu do hiện tượng hấp thụ và hiện tượng tán xạ (bao gồm cả hiện tượng phản xạ) gây ra Ở dải sóng centimet trở lên, sự hấp thụ của không khí là không đáng kể, nhưng sự suy yếu trong mây và giáng thủy cần phải được tính đến trong toàn bộ dải sóng có bước sóng dưới 10cm, đặc biệt là đối với các sóng 1cm và 3cm

1.1.6.1 Sự suy yếu trong không khí

Không khí chứa nito, oxy, hydro, hơi nước và các khí khác Suy yếu sóng điện từ trong nito và các khí khác là không đáng kể, trong đó suy yếu trong hơi nước và trong oxy cần được tính đến Hình (1.8) Cho thấy sự suy yếu sóng điện từ trong oxy và trong hơi nước, đồng thời cho thấy sự phụ thuộc của nó vào tần số của sóng Từ hình vẽ thấy rằng, sự suy yếu không đáng kể đối với dải tần số thấp hơn 16GHz Tất nhiên khi hơi nước đậm đặc hơn độ suy yếu sẽ lớn hơn

Hình 1.8 Suy yếu sóng điện từ trong khí quyển: — Suy yếu trong oxy;…Suy

yếu do hơi nước với độ ẩm 7,5g/cm 3 và áp suất không khí 1013,25mb; (theo Bean

và Dutton, 1968)

Chú ý rằng độ suy yếu được tính ra dB/km, do đó sóng lan truyền trên quãng đường 100km thì sự suy yếu sẽ là đáng kể

1.1.6.2 Sự suy yếu trong mây

Sự suy yếu trong mây dao động nhiều so với không khí vì bản thân mây cũng rất thay đổi Bảng 1.1 Cho ta thấy độ suy yếu sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng, nhiệt độ mây và phụ thuộc vào trạng thái mây (nước hay mưa đá) Đối với trạng thái đá của mây, sự suy yếu nằm trong dải 0,0006 đến 0,09 dB/km Hiển nhiên, ta thấy độ suy yếu sóng trong đá nhỏ hơn nước Với mây nước, độ suy yếu sóng không thể bỏ qua đối với các sóng dùng trong radar

Bảng 1.1 Độ suy yếu trong mây (dB/km)/(g/m), theo Gunn và East, 1954

Pha của

mây

Nhiệt độ ( 0 C)

1.1.6.3 Sự suy yếu trong mưa

Sự suy yếu của sóng điện từ trong mưa lớn hơn trong mây nhiều Bảng 1.2 cho ta thấy độ suy yếu phụ thuộc vào cường độ mưa và tần số (hoặc bước sóng): cường độ mưa và tần số càng lớn (bước sóng càng nhỏ) thì sự suy yếu càng mạnh Bảng 1.2 Độ suy yếu (dB/km) của sóng điện từ trong mưa ở 180C

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản

xạ bởi mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ

bị thay đổi, sự thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler Dịch tần Doppler có thể làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của sóng, vận tốc chuyển động của mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi Đối với sóng chuyển động trong một môi trường, như sóng âm, nguồn sóng

và người quan sát đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường Hiệu ứng Doppler lúc đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này

0

r s

Tần số tăng lên khi nguồn tiến về phía người quan sát, và giảm đi khi nguồn

đi ra xa người quan sát (với điều kiện chuyển động giữa nguồn và người không phải

là chuyển động đều)

Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn

là f0, một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số f :

0

1 1

Tương tự, khi nguồn đứng yên còn người quan sát chuyển động :

Hiệu ứng này đã được sử dụng trong các thiết bị radar dân dụng và quân sự

để xác định tốc độ, hướng và khoảng cách từ radar tới các vật đang di chuyển Không chỉ như vậy, hiệu ứng Doppler còn cho phép bạn có thể theo dõi hướng đi của các cơn bão và giúp cho việc chuẩn bị đối phó với bão dễ dàng hơn

Các radar áp dụng hiệu ứng Doppler phát sóng để xác định các vât thể di chuyển (ví dụ một chiếc máy bay đang bay trên không trung) Sự khác nhau giữa sóng phản xạ lại và sóng ban đầu được phát ra sẽ giúp cho radar xác định khá chính xác được vận tốc của vật thể di chuyển Để xác định được các cơn bão, radar phát sóng điện từ lên trên không trung Các sóng điện từ này khi đập vào cơn bão (các

hạt nước nhỏ hoặc băng trên không trung) sẽ phản xạ lại Radar ở nơi khác sẽ nhận lại sóng phản xạ này và phân tích dữ liệu để xác định xem liệu có cơn bão nào hay không và mức độ tàn phá của nó là như thế nào

Hiệu ứng Doppler cũng được sử dụng trong các máy đo tốc độ của cảnh sát trên đường Trong tự nhiên, dơi là loài vật sử dụng hiệu Doppler để “nhìn” và định hướng trong khi bay

1.2 Giới thiệu chung về radar

1.2.1 Lịch sử phát hiện sóng Radar

Radar là sản phẩm của sự phát triển kỹ thuật vô tuyến và điện tử học hiện đại, nó được đưa vào sử dụng từ trước chiến tranh thế giới lần thứ II ở các nước có nền khoa học tiên tiến Radar được sử dụng cho mục đích quân sự, dùng để phát hiện máy bay khi chúng vẫn nằm ngoài vùng nhìn thấy được, rồi hiển thị lên màn hình radar Công cụ này ngày càng được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho mục đích quân sự Ngày nay, khi công nghệ khoa học kỹ thuật phát triển, radar có tác dụng lớn trong quốc phòng, kinh tế quốc dân và cả trong nghiên cứu khoa học Nhờ những ưu điểm nổi bật mà radar được sử dụng rộng rãi trong ngành khí tượng nhằm phát hiện, theo dõi, nghiên cứu mục tiêu, trong đó có các mục tiêu khí tượng

Từ xa xưa, tạo hóa đã ban cho chúng ta những cỗ máy “radar” kì diệu Chú dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi, nhận tiếng vọng tại hai “ăng-ten” ở hai tai, qua đó phân tích để tìm kiếm và định vị mồi

 Những ngày đầu tiên thí nghiệm và khám phá của con người

Năm 1865 nhà bác học Macxoen đã dự đoán ra lý thuyết về sóng điện từ Lịch sử của Radar bắt đầu vào năm 1886 khi Heinrich Hertz (1857 - 1894), một nhà vật lý người Đức, đã chứng minh rằng radio (sóng điện từ) có thể được phản xạ

từ các vật thể rắn Với cống hiến tuyệt vời này, Hertz được nhân loại tôn vinh và lấy

tên ông làm đơn vị tần số sóng vô tuyến

Heinrich Hertz là người làm sáng tỏ và mở rộng lý thuyết điện từ của ánh

sáng đã được đề ra bởi James Clerk Maxwell Ông là người đầu tiên chứng minh thỏa đáng sự tồn tại của sóng điện từ bằng cách chế tạo một thiết bị để phát và thu sóng vô tuyến