PHẦN I–KỸTHUẬT RADAR Chương TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 KHÁI NIỆM Radar kỹ thuật hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vơ tuyến để phát xác định vị trí vật thể, mục tiêu vùng không gian quan sát Thuật ngữ Radar,viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, với nghĩa tìm kiếm đo đạc sóng vơ tuyến điện, sử dụng hải quân Mĩ vào năm 1940 Từ Thế chiến II khoa học Radar bắt đầu phát triển, chủ yếu phục vụ cho chiến tranh Ngày nay, Radar ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực dân điều khiển không lưu ngành hàng không, giám sát tốc độ giao thơng giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết Hiện nay, Radar hiểu thuật ngữ chung cho hệ thống phát hiện, dị tìm, thăm dị vị trí vật thể hay mục tiêu dạng lượng khác nhau, khơng thiết sóng điện từ sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng lượng nhiệt Kỹ thuật Radar ngày mở rộng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, dùng sóng điện từ thăm dị lịng đất (Radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (Radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dị thể người (siêu âm), thăm dò lòng nước sử dụng kỹ thuật SONAR Hệ thống Radar phát đo đạc tham số mục tiêu từ xa thông qua hệ thống phát, thu xử lý sóng điện từ Nguyên lý Radar phát sóng xạ sóng điện từ định hướng vùng không gian quan sát Nguồn lượng sóng điện từ gặp đối tượng (mục tiêu Radar) phản xạ phần lượng hướng thiết bị thu sóng điện từ trạm Radar Sau khuếch đại thiết bị thu, tín hiệu phản xạ cần thiết tách để đưa vào khối phân tích xử lý tín hiệu Radar thu Căn vào thay đổi thơng số hai tín hiệu phát tín hiệu thu được, hệ thống Radar xác định vị trí mục tiêu thơng tin khác mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo ) Mục tiêu R Radar Năng lư ượng phản xạ x Năng lư ượng chiếu xạ Trạm Radar Hình 1.1 Nguyên lý ý Radar 1.2 MỤC TIÊU RADA AR niệm 1.2.1 Khá Mục tiêu Raddar bao gồm tất t đối tượng có khảả phản xxạ sóng điện từ nằm tronng vùng khơng gian quan sát s hệ thố ống Radar Mục M tiêu Radarr đa dạng đư ược phân thànnh hai loại tổổng quát mục m tiêu nhân tạo: mục tiêuu không (như máy bay, b tên lửa ), mục tiêu t mặt đất (như xe ôtô, xe tăng), trêên mặt nước (như looại tàu, thuyềền ) mục tiêu có nguồ ồn gốc từ thiên nhiên (nhhư đám mây, đàn chim, c hành tinhh ) Hình 1.22 minh họa mục m tiêu Raddar khônng phát vùng v không gian g quan sát hệ thống g Radar lắp đặặt tàu thủủy Hình 1.2 Minh M họa mục c tiêu Radar 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều Xét mặt phằng phương vị mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc với bề mặt trái đất nơi đặt Radar Mặt phẳng phương vị chứa bốn phương Đông, Tây, Nam, Bắc tương ứng với bốn chữ viết tắt E(East), W (West), S (South), N (North) Vị trí toạ độ mục tiêu M mặt phẳng phương vị, xác định thông số: Hình 1.3 Tọa độ mục tiêu khơng gian hai chiều – Cự ly R: khoảng cách mục tiêu trạm Radar theo tầm nhìn thẳng LOS (Light Of Sight); – Góc phương vị M: góc tạo hướng mục tiêu hướng chuẩn hướng Bắc Tọa độ mục tiêu Radar M tham chiếu với gốc O tương ứng với vị trí đặt trạm Radar xác định sau: , (1.1) Sau đo đạc hai thông số ta xác định vị trí M mặt phẳng phương vị Mục tiêu M xác định hệ thống Radar Đất – Đất, Biển – Biển sử dụng hệ toạ độ Decartes hai chiều Bộ tham số (R,M) tham số toạ độ chưa xác định tính động mục tiêu Để xác định tính động mục tiêu cần bổ sung thêm thông số chuyển động vận tốc xuyên tâm V 1.2.3 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ ba chiều Mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc với bề mặt đất chứa đài Radar gọi mặt phẳng phương vị, mặt phẳng phương vị trạm Radar đặt gốc O, hướng chuẩn hướng Bắc (N) Các mặt phẳng vng góc với mặt phẳng phương vị gọi mặt phẳng tà (hay mặt phẳng đứng) Hình 1.4 Toạ độ mục tiêu khơng gian ba chiều Vị trí hay toạ độ mục tiêu M xác định thông số sau : Cự ly (Range) R OM : xác định khoảng cách từ trạm Radar đến mục tiêu M theo tầm nhìn thẳng Góc phương vị (azimuth angle): hướng Bắc mặt phẳng phương vị NOM góc hợp hướng mục tiêu Góc tà (elevation angle): MOM góc hợp đường cự ly R hình chiếu đường cự ly mặt phẳng phương vị Bộ tham số (;) gọi toạ độ góc hay hướng mục tiêu M Độ cao H MM D.sin Nếu biết góc ngẩng ta xác định độ cao H ngược lại Vậy vị trí mục tiêu xác định ba thông số (D,,) (D,,H) Bộ tham số (D,,) dùng để xác định vị trí mục tiêu nằm xa trái đất H lớn khó xác định xác tham số (D,,H) dùng để xác định vị trí mục tiêu nằm gần trái đất đám mây, vùng khí áp, máy bay… Để xác định tính động mục tiêu ta dùng thông số vận tốc xuyên tâm khối mục tiêu (hướng xuyên tâm hướng chuyển động thực mục tiêu) V 1.3 TẦN SỐ RADAR Các hệ thống Radar thu phát sóng điện từ hay sóng vơ tuyến tần số từ khoảng 220 MHz đến 35GHz, trải dài tương ứng khoảng octave Tuy nhiên giới hạn bắt buộc hệ thống Radar mở rộng tần số làm việc phạm vi Radar chân trời OTH (Over-The-Horizon Radar) sử dụng sóng trời băng HF vận hành tần số đến MHz sử dụng sóng đất băng HF hoạt động tần số MHz Tại đầu cuối băng tần, Radar milimet vận hành tần số 94 GHz Radar sử dụng laser vận hành tần số cao f (MHz) c=fλ (m/s) Điện báo vô tuyến 0,3 Quảng bá Sóng ngắn 300 Băng tần Radar HF = – 30 MHz VHF = 30 – 300 MHz UHF = 300 – 1000 MHz Băng L = – GHz Băng S = – GHz Băng C = – GHz Băng X = – 12 GHz Băng Ku = 12 – 18 GHz Băng K = 18 – 27 GHz Băng Ka = 27 – 40 GHz Băng W = 75 – 110 GHz 3x105 λ km 1m Radar truyền thống Radar milimet mm Hồng ngoại Ánh sáng μm Tử ngoại Tia X Tia Gama Hình 1.5 Vị trí băng tần Radar Vị trí băng tần vơ tuyến cho hệ thống Radar dải phổ tần số thể hình 1.5 Một số ký tự sử dụng để đặt tên cho dải tần số khác Thời kỳ đầu trình phát triển Radar, mã ký tự S, X, L… sử dụng để đặt tên cho băng tần Radar Hiện cách đặt tên trì chấp nhận thực tế kỹ sư Radar với nguyên nhân thói quen ngắn gọn mục đích ban đầu nhằm đảm bảo tính bảo mật quân Bảng 1.1 liệt kê danh sách băng tần đặt tên theo ký tự chữ đưa tổ chức ITU Các băng tần có mối liên hệ với băng tần ấn định ITU cho hệ thống Radar Chẳng hạn như, tần số danh định băng L từ 1000MHz đến 2000 MHz, tần số Radar băng L giới hạn phạm vi 1215 MHz đến 1400 MHz Cách đặt tên băng tần theo ký tự mục đích thay cách biểu diễn giới hạn tần số Radar giá trị số cụ thể Phạm vi tần số Radarthể giá trị cụ thể nên dùng thích hợp, nhiên ký hiệu ấn định bảng 1.1 sử dụng cần biểu diễn cách ngắn gọn Hiện nay, tần số Radar có xu hướng dịch chuyển lên miền tần số siêu cao nhằm tăng cường độ xác đo đạc tham số mục tiêu tận dụng nguồn phổ tần số trống Bảng 1.1 Bảng ấn định băng tần Radar tương ứng với tên đặt theo ký tự STT Tên băng tần Phạm vi tần số Tần số Radar ấn định ITU HF – 30 MHz VHF 30 – 300MHz 138 – 144 MHz; 216 – 225 MHz UHF 300 – 1000 MHz 420 – 450 MHz; 890 – 942 MHz L –2 GHz 1215 – 1400 MHz S – GHz 2300 – 2500 MHz; 2700 – 3700 MHz C – GHz 5250 – 5925 MHz X – 12 GHz 8500 – 10680 MHz Ku 12 – 18 GHz 13,4 – 14,0 GHz; 15,7 – 17,7 GHz K 18 – 27 GHz 24,05–24,25 GHz 10 Ka 27– 40 GHz 33,4–36,0 GHz 11 V 40 – 75 GHz 59,0 – 64 GHz 12 W 75 – 110 GHz 76,0 – 81,0 GHz; 92,0 – 100 GHz 13 mm 100 – 300 GHz 126,0 – 142 GHz; 144,0 – 149 GHz 231,0 – 235 GHz; 238,0 – 248,0 GHz Các hệ thống Radar làm việc tần số thấp gặp phải số hạn chế sau: Khi tần số thấp ăngten phải có kích thước lớn Ví dụ kích thước anten hệ thống Radar làm việc tần số MHz tương ứng với 1/4 bước sóng có độ lớn 75m Việc xây dựng anten có hệ số khuếch đại lớn với độ kích thước khơng thực tế Sóng có tần số thấp bị phân tán mạnh tầng điện ly tạo sóng phản xạ khơng mong muốn Ngồi chuyển động tầng điện ly làm Radar hiểu nhầm mục tiêu chuyển động Để hạn chế ảnh hưởng tầng điện ly, ta sử dụng anten tạo búp sóng hẹp nhờ giảm độ lớn bước sóng tần số Radar Thông thường mục tiêu bị phát thay đổi tần số sóng phản xạ gây nên hiệu ứng dịch tần Doppler Khi tần số thấp bước sóng lớn, thay đổi tần số sóng phản xạ từ mục tiêu nhỏ, Radar tần số thấp làm việc không hiệu việc phát mục tiêu di chuyển chậm Tần số thấp khó khăn q trình truyền sóng tìm kênh vơ tuyến thích hợp Ngồi mức nhiễu cao mà hệ thống Radar có băng tần hẹp dẫn tới hạn chế độ phân giải hệ thống Mặc dù có nhiều hạn chế trên, trường hợp yêu cầu phạm vi phát mục tiêu xa khơng gianquan sát rộng, hệ thống Radar hoạt động dải tần số thấp đặc biệt dải sóng cao tần HF (từ 3–30MHz) ưu tiên lựa chọn Tần số hoạt động thực cao Radar bị hạn chế hấp thụ khí quyển, có tần số vào khoảng 35GHz gần 94GHz Tần số Radartrong phạm vi có giá trị bước sóng nhỏ centimet(cm) cịn gọi Radar milimet Phạm vi Radar milimet nhỏ, chúng sử dụng thiết bị đặc biệt, ví dụ thiết bị định vị cho tên lửa Hiện với phát triển cơng nghệ quang học với bước sóng mm thiết bị thấu kính radio hệ thống hình ảnh Radar cho phép xác định mục tiêu cách xác Tần số sóng vơ tuyến sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng Radar Hầu hết hệ thống Radarhàng không vận hành băng tần L Ka ứng với vùng tần số vi ba Nhiều hệ thống Radar thám tầm gần làm việc băng sóng milimet Các hệ thống Radar cảnh giới tầm xa làm việc băng tần UHF tần số thấp khả sử dụng anten lớn, khắc phục ảnh hưởng suy hao khí nhiễu Hình 1.6 Minh họa anten Radarvà giản đồ hướng Kích thước anten yêu cầu tỷ lệ với độ dài bước sóng hay tỷ lệ nghịch với tần số làm việc trạm Radar Khả tập trung lượng chiếu xạ lượng nhận ứng với búp sóng Radar phụ thuộc vào kích thước anten tần số làm việc Với tần số làm việc xác định, anten có kích thước lớn cho phép tạo búp sóng hẹp hay ứng với lượng chiếu xạ Radar tập trung thể qua giản đồ hướng xạ ứng với khả khuếch đại anten theo phương phương vị phương góc ngẩng Radar làm việc dựa nguyên tắc xạ sóng điện từ định hướng vào khơng gian quan sát Kích thước búp sóng Radar khơng phục thuộc vào tần số làm việc mà cịn phụ thuộc vào kích thước góc mở hiệu dụng anten Radar Với tần số làm việc, anten có kích thước góc mở lớn (hình 1.6a) tạo kích thước búp sóng mức nửa cơng suất hẹp ngược lại, anten có kích thước góc mở nhỏ (hình 1.6b) tạo kích thước búp sóng mức nửa cơng suất rộng 1.4 CỰ LY RADAR Hình 1.7 thể sơ đồ khối đơn giản Radar xung tập trung sử dụng chung anten thu/phát Khối điều khiển thời gian tạo tín hiệu đồng cho tồn hệ thống Tín hiệu điều chế tạo sau khối máy phát gửi đến anten Chuyển mạch anten máy thu máy phát thực khối ghép song công (Duplexer) Khối ghép song công cho phép hệ thống Radar phát thu tín hiệu sử dụng chung anten Trong thời gian xạ tín hiệu, tín hiệu Radar từ máy phát kết nối đến anten để xạ định hướng vào không gian quan sát Ngược lại tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Radar thu anten chuyển đến máy thu thời gian thu tín hiệu trạm Radar Máy thu thực hạ tần khuếch đại tín hiệu thu gửi khối xử lý tín hiệu Khối xử lý tín hiệu thực tính tốn xác định thơng tin mục tiêu sau đưa đến khối hiển thị Hình 1.7 Sơ đồ khối giản lược hệ thống Radar xung Cự ly mục tiêuR (Range) tính tốn cách đo thời gian trễ∆t ứng với thời gian để xung lượng cao tần xạ từ máy phátRadar gặp mục tiêu phản xạ máy thu Radar Vì sóng điện từ lan truyền thẳng với vận tốc không đổi làc 10 m/s, nên ta có: ∆ (1.2) với R tính mét ∆t tính giây (s) Phân số tính với độ trễ thời gian hai chiều.Hệ thốngRadar xung phát nhận chuỗi xung lượng cao tần, minh họa hình 1.8 Khoảng thời gian xung (IPP – Inter Pulse Period) ký hiệu T, độ rộng xung ký hiệu τ IPP gọi chu kỳ lặp xung hay khoảng lặp xung (PRI – Pulse Repetition Interval) Nghịch đảo PRI PRF – tần số lặp xung, ký hiệu f : 1 (1.3)