BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN LỚP BÀI TẬP MÔN VẬT LÝ 2 Đề tài Sóng Radar và Ứng Dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NĂM HỌC 2021-2022 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN LỚP BÀI TẬP MÔN VẬT LÝ – HK212 Đề tài 9: Sóng Radar Ứng Dụng GVBT & HD : ThS Lê Quốc Khải LỚP BÀI TẬP: L03 NHÓM: 15 BẢNG THÀNH VIÊN NHÓM STT Họ & tên MSSV Nguyễn Phúc Toàn 1814370 Huỳnh Đắc Tín 2112445 Quan Ánh Tú 2115224 Nguyễn Chí Tài 2112214 Bùi Cao Mỹ Tâm 2110517 LỜI MỞ ĐẦU Vật Lý mơn học có tầm quan trọng sinh viên ĐH Bách Khoa TPHCM nói riêng sinh viên ngành khối khoa học kỹ thuật –cơng nghệ nói chung Do đó, việc dành cho môn học khối lượng thời gian định thực hành điều tất yếu để giúp cho sinh viên có sở vững môn KHTN làm tiền đề để học tốt mơn khác chương trình đào tạo Sóng Radar Ứng dụng đề tài thú vị, đóng vai trò quan trọng xã hội Như biết hệ thống định vị có mặt hầu hết lĩnh vực quân dân Trong hệ thống định vị, khơng nhắc đến radar Radar có nhiều ứng dụng thực tế Trong dân dung để dự báo thời tiết, đo nhiệt độ, áp suất, hàng không tàu biển Trong lĩnh vực quân sự, ứng dụng radar điều không cần phải bàn cãi công phát chống thiết bị tàng hình Chúng em cảm thấy vô may mắn được tìm hiểu và báo cáo đề tài này Trong suốt trình thực tập lớn nói trên, nhóm chúng em nhận nhiều quan tâm ủng hộ, giúp đỡ tận tình thầy cơ, anh chị bạn bè Ngồi ra, nhóm xin gửi lời tri ân chân thành đến Thầy Lê Quốc Khải và Thầy Lý Anh Tú - người truyền đạt tri thức quý báu giúp nhóm em hồn thành tập lớn tiến độ giải tốt vướng mắc gặp phải Sự hướng dẫn Thầy chìa khóa cho hành động nhóm phát huy tối đa mối quan hệ hỗ trợ thầy trị mơi trường giáo dục MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: SÓNG RADAR .5 1.1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG RADAR .5 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RADAR .5 1.3 TÌNH HÌNH RADAR Ở VIỆT NAM 1.4 CẤU TẠO CỦA RADAR 1.5 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 1.6 CÁC LOẠI RADAR CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG SÓNG RADAR .10 2.1 ỨNG DỤNG RADAR TRONG GIAO THÔNG 10 2.1.1 Trong lĩnh vực hàng hải: 10 2.1.2 Trong lĩnh vực giao thông đường 12 2.1.3 Tích hợp radar vào hệ thống giao thông thông minh 13 2.1.4 Cảm biến radar ô tô 14 2.1.5 Kiểm sốt khơng lưu 16 2.2 ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ .16 2.2.1 Radar cảnh giới 17 2.2.2 Radar dẫn đường .19 2.2.3 Radar hải quân 19 2.3 ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỒNG HÀNG NGÀY .21 2.3.1 Radar dự báo thời tiết 21 2.3.2 Ứng dụng Radar công nghiệp 22 2.4 ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA 24 KẾT LUẬN .28 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Lồi dơi sử dụng sóng siêu âm để định vị 10 Hình 1.2: Cá heo định hướng sóng siêu âm .11 Hình 2.1: Radar tàu biển & radar hàng hải 13 Hình 2.2: Radar NS200 13 Hình 2.3: Súng radar bắn tốc độ cầm tay 14 Hình 2.4: Cảm biến radar tuyến cao tốc M25 dài 188 km Anh 15 Hình 2.5: Cơng nghệ cảm biến cảnh báo điểm mù sử dụng sóng Radar 16 Hình 2.6:Cảm biến radar ô tô 17 Hình 2.7: Ứng dụng radar kiểm sốt khơng lưu 18 Hình 2.8:  Radar cảnh giới P12 phát B52 từ xa 18 Hình 2.9: P12 “mắt thần” Việt Nam 19 Hình 2.10: Radar cảnh giới tầm trung RV – 02 19 Hình 2.11: Radar P-35 20 Hình 2.12: Radar dẫn đường đầu đời Nga “Altai” .21 Hình 2.13: Hệ thống radar P18-M đảo Nam Yết (Trường Sa) 22 Hình 2.14: Radar cảnh giới bờ biển tầm trung VRS-CSX 22 Hình 2.15: Radar Scanter 5000 hãng Terma 23 Hình 2.16 : Tình hình thời tiết số tỉnh VN dự đốn Radar .23 Hình 2.17: Hình ảnh tâm bão lớn Radar ghi lại 24 Hình 2.18: Cảm biến radar tiếp xúc dùng để đo chất lỏng 24 Hình 2.19: Cảm biến radar khơng tiếp xúc dùng để đo chất lỏng 25 Hình 2.20 : Máy cảm biến sóng radar sử dụng cơng nghiệp .25 Hình 2.21: Diễn giải đo Radar xuyên đất 26 Hình 2.22: Thiết bị Radar xuyên đất 27 Hình 2.23: Màn hình điều khiển hiển thị vị trí độ sâu cơng trình ngầm 27 Hình 2.24: Cơng trình ngầm Giao thơng .28 Hình 2.25: Xây dựng dân dụng 28 Hình 2.26: Địa chất mơi trường 29 Hình 2.27: Khảo cổ di sản văn hóa .29 Hình 2.28: Pháp lý an ninh 29 CHƯƠNG 1: SÓNG RADAR 1.1 TỔNG QUAN VỀ SĨNG RADAR Radar gì? Một máy bay làm để hạ cánh, tàu thủy ngồi khơi mênh mơng hướng? Một cách “nhìn” sử dụng sóng vơ tuyến tần số cao Hiện sử dụng rộng rãi thứ Từ súng dò tốc độ cảnh sát, đến dự báo thời tiết, hay công nghiệp các Cảm biến radar đo mức Hãy tìm hiểu Radar ứng dụng chi tiết báo cáo này! Sóng Radar : Bức xạ điện từ ( sóng vơ tuyến, sóng radio ) siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dạng xung phát theo tần số lập xung định, nhờ vào ănten, sóng radar tập trung thành luồng hẹp phát vào không gian, sau lan truyền xung quanh, gặp mục tiêu nào, sóng bật lại phát tín hiệu hiển thị mục tiêu Nhờ có khả lan truyền cao mà sóng rađar có khả phát vật xa nên sử dụng việc phát vật mà người để tiến tới để tìm trước mặt tìm vị trí khác mà không cần thiết phải xa RADAR viết tắt từ “RAdio Detection And Ranging” Chúng có nghĩa tìm kiếm định vị sóng vơ tuyến Đây hệ thống dùng để phát vị trí khoảng cách từ Radar tới vật cần xác định Nó hoạt động dựa phát sóng lượng vào khơng gian theo dõi tín hiệu phản xạ lại từ vật thể 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA RADAR Những thử nghiệm phát vật thể với sóng radio thực vào năm 1904 nhà phát minh người Đức Christian Hülsmeyer Ông chứng minh khả phát tàu điều kiện sương mù dày đặc xác định khoảng cách so với máy phát Sáng chế sau Hülsmeyer cải tiến với khả ước lượng khoảng cách đến tàu Năm 1917, nhà phát minh Nikola Tesla đã đưa ý tưởng thiết bị giống radar Trong suốt năm 1920 đến 1930, Mỹ, Đức, Pháp, Liên Xô và đặc biệt là Anh đã tập trung nghiên cứu radar cơng nghệ xem bí mật qn Mặc dù bỏ nhiều thời gian nghiên cứu hệ thống radar tốt lúc cung cấp thơng tin phương hướng vật thể lớn xuất khoảng cách gần Những thông số khoảng cách độ cao so với mặt biển chưa thể tính tốn Robert Watson Watt - ơng phát minh thiết bị radar hoàn chỉnh, sử dụng quân ngày 26/2/1935 Ngay sau đời, radar phát huy tác dụng chiến lược trận khơng chiến Anh diễn năm 1940 Mặc dù có cự ly hoạt động 10 dặm (16 km) hệ thống có độ phân giải đủ lớn để phát máy bay ném bom hay tiêm kích đến gần Quan trọng hơn, hệ thống sử dụng để dẫn cho máy bay tiêm kích Anh chống lại không quân Đức từ mặt đất máy bay Đức phải "đi săn" mục tiêu không Bước đột phá thật xuất hệ thống radar nhận dạng đại tạo nhờ phát minh sóng cực ngắn (vi ba) sử dụng nhà hay xác từ thiết bị tạo sóng vi ba - magnetron Magnetron phát minh John Randall Harry Boot vào năm 1940 đại học Birmingham, vậy, cự ly radar chưa lớn, 80 km 1.3 TÌNH HÌNH RADAR Ở VIỆT NAM - Ngành radar Việt Nam trải qua hệ radar  Thế hệ thứ loại radar hệ cũ hầu hết Liên Xô sản xuất từ năm 60 kỷ trước  Thế hệ thứ hai loại radar cải tiến, nâng cấp sở loại radar có sử dụng cơng nghệ đại cơng nghệ bán dẫn, số hóa, tự động hóa xử lý tin; ngồi cịn số loại radar tiên tiến mua số nước giới Nga, Israel, Pháp  Thế hệ thứ ba radar “Made in Vietnam” triển khai biên chế quân đội Qua đó, thấy Việt Nam hồn tồn làm chủ cơng nghệ, kỹ thuật, sản xuất loại radar đại, đáp ứng yêu cầu ngày cao nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc xã hội chủ nghĩa - Với tảng hướng đầu tư đúng, tiến tới đến năm 2030, ngành radar nước đủ khả đáp ứng yêu cầu quân đội, bảo đảm khả tự chủ nghiên cứu, sản xuất, bảo đảm kỹ thuật, giữ bí mật tác chiến Với phát triển năm qua, ngành radar xứng đáng cờ đầu nghiên cứu làm chủ khoa học kỹ thuật Là mũi nhọn tiên phong tổ hợp CNQP Việt Nam 1.4 CẤU TẠO CỦA RADAR Hệ thống RADAR thường bao gồm máy phát tạo tín hiệu điện từ phát khơng gian ăng ten Khi tín hiệu bị chặn đối tượng nào, bị phản xạ dội lại theo nhiều hướng Tín hiệu dội lại phản xạ nhận ăng ten radar đưa đến máy thu, nơi xử lý để xác định số liệu thống kê địa lý vật thể Khoảng cách xác định cách tính thời gian tín hiệu để truyền từ RADAR đến mục tiêu quay lại Vị trí mục tiêu đo theo góc, từ hướng tín hiệu dội biên độ cực đại, ăng ten tới Để đo phạm vi vị trí vật thể chuyển động, người ta sử dụng hiệu ứng Doppler Các phần thiết yếu hệ thống bao gồm điều sau :  Máy phát: Đầu tiên, tín hiệu tạo cách sử dụng tạo dạng sóng sau khuếch đại khuếch đại cơng suất  Ống dẫn sóng: Các ống dẫn sóng đường truyền để truyền tín hiệu RADAR  Ăng-ten: Ăng-ten sử dụng phản xạ parabol, mảng phẳng mảng theo giai đoạn điều hướng điện tử  Bộ đảo mặt : hay gọi song công, cho phép ăng-ten sử dụng máy phát máy thu  Máy thu : Máy thu thực hạ tần khuếch đại tín hiệu thu gửi khối xử lý tín hiệu  Bộ xử lý tín hiệu : Khối xử lý tín hiệu thực tính tốn xác định thơng tin mục tiêu sau đưa đến khối hiển thị  Quyết định ngưỡng: Đầu thu so sánh với ngưỡng để phát diện đối tượng Nếu đầu thấp ngưỡng nào, diện nhiễu giả định 1.5 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG Dơi lồi vật sử hữu cơng nghệ siêu phàm, chúng phát sóng siêu âm với tần số 20.000Hz Miệng dơi thiết bị phát sóng siêu âm, cách quãng, khoảng thời gian lại phát lần Sóng siêu âm gặp vật cản phản xạ trở lại Tai dơi dạng thiết bị bắt sóng siêu âm cực nhạy, sử dụng sóng siêu âm để phân biệt xem mồi có phải lồi trùng ăn hay khơng Đó cơng nghệ mà người nhiều thời gian để phát triển Hình 1.1: Lồi dơi sử dụng sóng siêu âm để định vị Nguyên lý hoạt động Radar tương tự vậy  chùm sóng phản xạ ngược máy thu, máy tính tính khoảng cách từ vật phát đến mục tiêu Dựa vào góc phát, tính độ cao đối tượng Tuy nhiên, số loại sóng sóng radio khơng truyền xa mơi trường nước, đó, tùy mơi trường mà người ta sử dụng loại sóng siêu cao tần khác Chẳng hạn mặt biển sử dụng sóng siêu âm 10 2.1.5 Kiểm sốt khơng lưu Hàng khơng: ứng dụng Cơ quan Kiểm soát tiếp cận Hệ thống kiểm soát ko lưu cung cấp hướng dẫn bay chủ yếu thông qua hệ thống Ra đa dẫn dắt máy bay vào hạ cánh khởi hành, chịu trách nhiệm quản lý vùng trời có giới hạn ngang khoảng 40 dặm tính từ điểm quy chiếu quy định sân bay, giới hạn cao khoảng 3.000 mét tính từ mặt đất Đảm nhận việc thu nhận tín hiệu gửi hướng dẫn đến máy bay nhằm giúp máy bay tránh va chạm, đồng thời đảm bảo tính hoạt động hiệu tảng khơng lưu, đảm bảo cho máy bay bay an toàn, hỗ trợ Hệ thống kiểm sốt khơng lưu hoạt động điều phối từ lúc cất cánh đến hạ cánh Hình 2.7: Ứng dụng radar kiểm sốt khơng lưu 2.2 ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ Cùng nhớ lại lịch sử : Cha ông ta đại thắng chiến dịch Điện Biên Phủ Trên Không buộc Mĩ phải kí hiệp định Paris có đóng góp to lớn thiết bị đại hệ thống Rada 18 Hình 2.8:  Radar cảnh giới P12, phương tiện quan trọng để phát B52 từ xa  19 2.2.1 Radar cảnh giới Xác định khu vực lớn, tầm hoạt động rộng lên tới 450 km có tầm nhìn 360 độ bao qt Nhiệm vụ radar phịng khơng dùng để xác định vị trí tiếp cận máy bay kẻ thù từ vị trí xa, nhờ vào đưa chiến lược hợp lý cho việc phòng thủ phản công Radar cảnh giới mệnh danh “mắt thần” Việt Nam góp phần giúp quân đội ta chống lại tập kích Mỹ Hình 2.9: P12 phát triển điều hành Liên Xô, mệnh danh “mắt thần” Việt Nam Hình 2.10: Radar cảnh giới tầm trung RV – 02 20 Radar tầm trung RV – 02 sử dụng công nghệ tiên tiến radar để chế tạo Cấu tạo RV – 02 bao gồm:  Hệ thống angten  Hệ thống thu – phát tín hiệu  Hệ thống xử lý hóa tín hiệu  Hệ thống hiển thị tín hiệu  Hệ thống hiển thị thông tin  Hệ thống điều khiển Với khả cải tiến sử dụng đột phá công nghệ, RV – 02 phát mục tiêu cự ly xa mà bám mục tiêu có diện tích phản xạ radar nhỏ mục tiêu sử dụng công nghệ tàng hình Theo báo cáo cơng ty RV – 02 có khả phát mục tiêu bay độ cao 10.000m môi trường nhiễu mạnh máy bay ném bom tàng hình F-117A từ cự ly 72 km pháo đài bay B-52 từ 255 km; máy bay chiến đấu thông thường tự cự ly 360km khơng bị gây nhiễu Hình 2.11: Radar P-35 Cấu tạo Radar P-35 có cabin điều khiển thiết bị angten, thiết bị vận chuyển xe tải Hệ thống anten P-35 bao gồm hai khung parabol lớn Nó có máy phát máy thu tín hiệu, tạo cánh sóng chồng lên góc khác Radar P-35 sử dụng sóng ngắn cỡ centimet Ở chế độ cảnh giới nhìn vịng, 21 P-35 qt 360 độ hai tốc độ 20 10 giây/vòng, tương đương vòng/phút vòng/phút Cự ly phát P-35 đến 350km, tùy thuộc vào độ cao máy bay, độ cao phát mục tiêu tối đa 25.000m Hệ thống P-35 sử dụng trận địa Nghệ An năm 1972 giúp quân ta phát nhiều máy bay B-52 2.2.2 Radar dẫn đường Được sử dụng để dẫn đướng cho tên lửa, máy bay chiến đấu, UAV, ngư lơi… Tiêu diệt xác mục tiêu khơng mặt đất Việt Nam mua sử dụng nhiều loại tên lửa Nga, Uran, Ấn Độ, … sử dụng radar dẫn đường Radar Sam-2 , Radar96L6E, RadarRSBN 4N,…… Altai” radar dẫn đường điển hình Nga đầu thập kỷ 60 Nó gồm có kênh thu phát độc lập, hoạt động anten riêng Tỷ lệ cự ly hình “Altai” cho phép quan sát vùng trời tới cự ly 200, 300 tối đa 400 km Hình 2.12: Radar dẫn đường đầu đời Nga “Altai” 2.2.3 Radar hải quân Radar hải quân không giới hạn vấn đề quốc phòng mà việc quản lý tài nguyên biển; phát nhiễm dầu, bảo vệ mơi trường; tìm kiếm giải cứu thảm họa biển; quản lý biên giới, ngăn chặn nhập cảnh trái phép, buôn lậu 22 Hình 2.13: Hệ thống radar P18-M đảo Nam Yết (Trường Sa) Hình 2.14: Radar cảnh giới bờ biển tầm trung VRS-CSX VHT nghiên cứu, sản xuất Hai loại radar sử dụng hải quân radar cảnh giới bờ radar hàng hải Radar cảnh giới bờ (được lắp đặt bến cảng, đảo ngồi khơi) có khả phát mục tiêu tàu nhỏ 20m tàu đánh cá, thuyền điều kiện nhiễu địa vật biển, phải có khả hoạt động 24/7 điều kiện thời tiết khắc nghiệt, ra, hệ thống radar đại kết nối với sở huy điều khiển từ xa Một số radar cảnh giới bờ sử dụng như: Scanter 5000 hãng Terma, có kích thước nhỏ gọn (77kg) điều khiển từ xa với tầm bắt nhỏ 30m trang bị số cảng Việt Nam Hay radar Score 3.000 Thales có phạm vi phát tới 170km, phát tàu, thuyền biển máy bay tầm thấp hoạt động khu vực 23 Hình 2.15: Radar Scanter 5000 hãng Terma 2.3 ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỒNG HÀNG NGÀY 2.3.1 Radar dự báo thời tiết Radar thời tiết, gọi là radar giám sát thời tiết ( WSR ) và radar thời tiết Doppler , loại radar sử dụng để xác định vị trí lượng mưa, tính tốn chuyển động ước tính loại (mưa, tuyết, mưa đá, v.v.) Radar thời tiết đại chủ yếu radar Doppler xung, có khả phát chuyển động giọt mưa bên cạnh cường độ của lượng mưa Cả hai loại liệu phân tích để xác định cấu trúc bão khả gây thời tiết khắc nghiệt Hình 2.16: Tình hình thời tiết số tỉnh Việt Nam dự đốn Radar phân tích liệu 24 Hình 2.17: Hình ảnh tâm bão lớn Radar ghi lại 2.3.2 Ứng dụng Radar công nghiệp Cảm biến radar sử dụng nhiều ứng dụng đo đạc phát vật thể nhà máy Dựa vào đặc tính ưu điểm chúng mà chúng thích hợp cho nhiều ứng dụng khác Cảm biến đo mức radar đo đối tượng như: Chất lỏng, chất rắn dạng hạt, chất bột,…chúng cho kết đo có độ xác cao Và lựa chọn hàng đầu việc chọn giải pháp đo mức công nghiệp Cảm biến radar đo mức chia làm loại riêng biệt theo đặc tính Đó là:  Cảm biến radar đo mức tiếp xúc Hình 2.18: Cảm biến radar tiếp xúc dùng để đo chất lỏng 25 ... lưu 16 2. 2 ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ .16 2. 2.1 Radar cảnh giới 17 2. 2 .2 Radar dẫn đường .19 2. 2.3 Radar hải quân 19 2. 3 ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỒNG... SỒNG HÀNG NGÀY .21 2. 3.1 Radar dự báo thời tiết 21 2. 3 .2 Ứng dụng Radar công nghiệp 22 2. 4 ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA 24 KẾT LUẬN .28 DANH MỤC TÀI LIỆU... 27 Hình 2. 24: Cơng trình ngầm Giao thơng .28 Hình 2. 25: Xây dựng dân dụng 28 Hình 2. 26: Địa chất mơi trường 29 Hình 2. 27: Khảo cổ di sản văn hóa .29 Hình 2. 28: