Giáo trình khí tượng radar phần 1 nguyễn hướng điền (chủ biên)

đại học quốc gia hà nội trường đại học khoa häc tù nhiªn -nguyễn hướng điền (chủ biên) - Tạ văn đa khí tượng radar Hà Nội - 2007 lời nói đầu Giáo trình Khí tượng radar đời nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy môn học tên trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Toàn giáo trình gồm chương Bốn chương đầu bao hàm kiến thức sở khí tượng radar Chương cuối đưa số ảnh hiển thị radar mà thu thập phân tích chúng phần thực hành phân tích ảnh dựa kiến thức lí thuyết đà học Chương phần mở giáo trình, tức thay đổi, bổ sung theo ý người dạy Các ảnh chương ảnh màu cho nên, để thuận lợi cho việc in ấn, ghi đĩa CD kèm với giáo trình Chương TS Tạ Văn Đa viết thảo, chương lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền viết Việc sửa chữa biên tập lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền đảm nhiệm Tuy nhiên, trình biên soạn, tác giả có bàn bạc, góp ý cung cấp thêm tư liệu cho Một số hình ảnh sử dụng giáo trình TS Tạ Văn Đa sưu tầm thu thập từ trạm radar thời tiết Việt Nam Giáo trình dùng làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học nghiên cứu sinh muốn tìm hiểu khí tượng radar Khi biên soạn giáo trình, đà cố gắng trình bày theo phương châm bản, đại, Việt Nam Giáo trình đà qua số vòng giảng dạy, rút kinh nghiệm bổ sung Để hoàn thành giáo trình, đà nhận hỗ trợ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, giúp đỡ quí báu bạn đồng nghiệp trường Đài Khí tượng Cao không thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên Môi trường, đặc biệt TS Nguyễn Thị Tân Thanh, TS Trần Duy Sơn đà cung cấp nhiều hình ảnh tài liệu để hoàn thành giáo trình Chúng xin chân thành cảm ơn Giáo trình không tránh khỏi nhiều khiếm khuyết, mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Các tác giả Mục lục lời nói đầu .2 Môc lôc .3 Ch­¬ng Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 1.1 Sóng ®iƯn tõ vµ sù lan trun sãng ®iƯn tõ không gian .5 1.2 Radar ứng dơng cđa nã ®êi sèng 11 1.3 Giíi thiƯu vỊ cÊu t¹o thông số kĩ thuật radar thời tiết 12 1.4 Thể tích xung mật độ lượng sóng xung phát .20 1.5 Các kiểu phản hồi 22 1.6 Môc tiêu khí tượng 22 1.7 Phương trình radar mục tiêu điểm mục tiêu khí tượng môi trường không hấp thụ tán xạ sóng ®iÖn tõ 24 1.8 Phương trình radar Probert-Jones .28 1.9 Phương trình radar đơn giản Độ suy yếu độ truyền qua 29 1.10 Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến công suất 31 1.11 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất sãng thu .33 1.12 Quan hệ tần số lặp xung khoảng cách quan trắc tối đa 36 1.13 Hiện tượng khoảng cách ảo 37 1.14 HiƯu øng bóp sãng phơ 40 1.15 Khúc xạ tia quét radar tượng lớp dẫn sóng 41 1.16 Phương trình quĩ đạo sóng 42 1.17 Sai số khoảng cách độ phân giải khoảng cách .45 1.18 Sai số góc hướng độ phân gi¶i theo gãc h­íng .46 1.19 Dải sáng 48 Ch­¬ng 52 phân tích Gió Doppler sè s¶n phÈm cđa radar Doppler .52 2.1 Giíi thiƯu chung 52 2.2 Nguyên lí đo tốc độ giã b»ng radar Doppler 52 2.3 §é réng phỉ Doppler 56 2.4 Tốc độ ảo .60 2.5 D÷ liƯu Doppler khoảng cách ảo Nhận biết xử lí ảnh hưởng liệu khoảng cách ảo 62 2.6 Giải tình tiến tho¸i l­ìng nan” cđa radar Doppler 64 2.7 Mở rộng giới hạn đo xác tốc độ khoảng cách 65 2.8 Xác định hướng tốc độ gió 69 2.9 X¸c định vùng xoáy, phân kì hội tụ gió 74 2.10 QuÐt khèi sản phẩm radar Doppler 77 2.11 Các sản phẩm dẫn xuất cđa phÇn mỊm EDGETM 78 Ch­¬ng 93 Ước lượng m­a b»ng radar thêi tiÕt 93 3.1 Một số kiến thức vÒ m­a 93 3.2 Sử dụng radar để phát mưa 99 3.3 Sử dụng radar để ước lượng mưa 100 3.4 Dự đoán mưa đá radar có hai bước sóng 106 3.5 Các nguyên nhân gây sai sè ­íc l­ỵng m­a 107 3.6 Biến đổi profile độ phản hồi theo khoảng cách 111 3.7 HiƯu chØnh ­íc l­ỵng m­a b»ng radar theo sè liệu đo mưa mặt đất 113 Chương .117 nhËn biÕt mơc tiªu khÝ t­ỵng b»ng radar thêi tiÕt 117 4.1 Nhận biết loại mây qua độ phản hồi vô tuyÕn cña radar 117 4.2 NhËn biÕt tượng đứt thẳng đứng gió qua số liệu cđa radar kh«ng Doppler 121 4.3 Nhận biết tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (dông, tố, lốc, vßi rång) 122 4.4 NhËn biÕt b·o .131 Ch­¬ng .Error! Bookmark not defined phân tích ảNH HIểN THị RAĐA Error! Bookmark not defined 5.1 Phân tích ảnh mô hiển thị tốc độ gió Doppler Error! Bookmark not defined 5.2 Giới thiệu sản phẩm radar Doppler Error! Bookmark not defined 5.3 ảnh hiển thị mây mưa đối lưu radar Nha Trang Error! Bookmark not defined 5.4 ảnh hiển thị trường hợp xảy vào đầu mùa hè Guam Error! Bookmark not defined 5.5 H×nh thÕ giã biĨn Error! Bookmark not defined 5.6 Sự bùng phát gió mùa tây-nam Error! Bookmark not defined 5.7 Phân tích mặt cắt tốc độ giã Error! Bookmark not defined 5.8 Phân tích sản phẩm ETOP VIL Error! Bookmark not defined 5.9 Sù tan r· ®èi l­u diÖn réng Error! Bookmark not defined 5.10 ¶nh ph¶n håi tõ biĨn Error! Bookmark not defined 5.11 Xoáy thuận nhiệt đới Error! Bookmark not defined 5.12 B·o nhiÖt ®íi Error! Bookmark not defined 5.13 Lốc vòi rồng Error! Bookmark not defined 5.14 Front Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined Chương Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 1.1 Sóng ®iƯn tõ vµ sù lan trun sãng ®iƯn tõ không gian 1.1.1 Dao động điện từ sóng điện từ Chúng ta đà có khái niệm trường điện từ Muốn từ đến khái niệm sóng điện từ cần phải thông qua khái niệm dao ®éng ®iƯn tõ Ta cã mét m¹ch ®iƯn gåm tơ C cuộn dây L nối với (hình 1.1) Ta tích điện cho tụ C, hai tụ điện có điện trường tụ điện điện trường tác dụng triệt tiêu lẫn điện tích trái dấu hai Cuộn dây L vòng dây dẫn điện hợp thành Nó có tính chất là, có dòng điện qua, tạo nên từ trường tập trung lõi cuộn dây lan Khi nối công tắc K, tụ C phóng điện, điện tích chuyển động qua cuộn dây L tạo thành từ trường lõi cuộn dây Từ trường đạt giá trị cực đại toàn điện tích rời khỏi tụ điện, nghĩa điện trường tụ điện triệt tiêu Do chuyển dịch dòng điện, hai tụ điện C lại tích điện, trái dấu, điện trường hai tụ C đạt cực đại, từ trường cuộn dây triệt tiêu Sau tụ C lại phóng điện, điện tích lại tiếp tục chuyển động theo chiều ngược lại Đến ta thấy tượng trao đổi điện trường (của tụ) từ trường (của cuộn dây) giống tượng trao đổi động lắc Dòng điện chạy mạch, giả thiết tổn hao, biến thiên theo thời gian giống hình 1.2 tiếp tục mÃi mÃi Tương ứng với dòng điện, điện trường tụ từ trường cuộn dây biến thiên Đó dao động điện từ, mạch LC gọi mạch dao động Trong khoảng không gian hai tụ điện có điện trường biến đổi tuần hoàn theo lí thuyết điện trường biến đổi điểm tạo từ trường biến đổi điểm vùng lân cận, từ trường biến đổi đến lượt lại tạo điện trường biến ®ỉi ë vïng l©n cËn Cø nh­ vËy, ®iƯn tr­êng từ trường biến đổi qua lại lan rộng dần không gian từ tụ sang tụ Đó sóng điện từ Hình 1.1 Khung dao động Hình 1.2 Dao động điện từ khung dao động Hình 1.3 Minh hoạ phát sóng điện từ vào không gian Nếu hai tụ ®iƯn më réng dÇn ra, sãng ®iƯn tõ sÏ lan truyền từ sang qua khoảng không gian rộng (hình 1.3a) Khi hai tụ điện rời xa chúng trở thành anten phát anten thu (hình 1.3b) nơi phát, người ta phải có riêng phận tạo trì dao động (hình 1.3c) bù lại tổn hao mạch Một thông số đặc trưng dao động điện từ hay sóng điện từ chu kì dao động Trong vô tuyến điện, chu kì dao động thường thay đổi từ 10-6 đến 10-10 s Những dao động có chu kì ngắn thường gọi dao động cao tần, nghĩa có tần số cao Theo công thức (1.1), ứng với dao động có chu kì T = 10-6 s tần số f = 106 Hz hay MHz; øng víi dao ®éng có chu kì T = 10-7 s tần số f = 10 MHz Sãng ®iƯn tõ lan trun chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc độ tốc độ ánh sáng c ( 3.108 m/s) Sóng điện từ, chu kì dao động T tần số f, đặc trưng độ dài bước sóng Độ dài bước sóng khoảng cách mà sóng ®iƯn tõ lan trun ®­ỵc thêi gian mét chu k× Nh­ vËy: λ  cT  c f (1.1) Trong th«ng tin v« tun, ng­êi ta sư dơng sóng điện từ có tần số hàng ngàn Hz trở lên, gọi sóng vô tuyến Phổ tần sè sãng v« tun cã thĨ chia nh­ bảng 1.1 Bảng 1.1 Tên gọi, bước sóng tần số dải sóng vô tuyến TT Tên gọi B­íc sãng Sãng cùc dµi vµ dµi 100 km- km kHz - 100 kHz Sãng trung 50 m - km MHz - 100 kHz Sãng ng¾n 10 m - 50 m 30 MHz - MHz Sãng mÐt 1m - 10 m 300 kHz - 300 kHz Sãng ®Ị xi mÐt Sãng cen ti mÐt - 10 cm 30 GHz - GHz Sãng mi li mÐt - 10 mm 300 GHz – 30 GHz 0,1 m - m Tần số GHz -3 GHz Ngoài chiến tranh, để đảm bảo bí mật, dải sóng cực ngắn dùng cho radar, người ta dùng chữ để phân chia thành băng sóng L, S, X Sau nµy vÉn tiÕp tơc sư dụng phân chia (bảng 1.2) Bảng 1.2 Tên gọi, bước sóng tần số số dải sóng cực ngắn dùng cho radar TT Tên gọi Bước sóng Tần số Băng L 30 cm - 15 cm GHz - GHz Băng S 15 cm - cm GHz - GHz Băng C cm - cm GHz GHz Băng X cm - 2,5 cm GHz 12 GHz Băng Ku 2,5 cm - 1,7 cm 12 GHz 17 GHz Băng K 1,7 cm - 1,2 cm 17 GHz- 27 GHz 1.1.2 Sự tán xạ sóng điện từ Nếu đường lan truyền, sóng điện từ gặp vật thể mà tính chất điện (hằng số điện môi hệ số từ thẩm) khác với môi trường truyền bề mặt vật thể xuất dòng điện cảm ứng biến thiên mà tần số tần số sóng Các dòng điện tạo sóng điện từ thứ cấp lan truyền hướng phần theo hướng ngược lại phía sóng tới Đó tượng tán xạ phản xạ sóng điện từ Các vật thể nói gọi mục tiêu Với lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu không đổi, lượng phản xạ phía radar phụ thuộc vào kích thước, tính chất, hình dáng bố trí mục tiêu Thông thường để sử dụng tính toán đánh giá độ phản xạ mục tiêu người ta đưa đại lượng đo, diện tích tán xạ hiệu dụng Mỗi mục tiêu đặc trưng diện tích tán xạ hiệu dụng Diện tích tán xạ hiệu dụng mục tiêu diện tích mặt phản xạ lí tưởng đặt vuông góc với đường truyền sóng phản xạ lượng sóng chiếu vào hướng, tạo điểm thu lượng sóng điện từ lượng thực tế nhận điểm thu Diện tích tán xạ hiệu dụng đo m2 (hoặc cm2), phụ thuộc vào kích thước, hình dạng tính chất mục tiêu Nó không phụ thuộc vào lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu Thông thường diện tích tán xạ hiệu dụng xác định phương pháp thực nghiệm 1.1.3 Hiện tượng khúc xạ sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền chân không với quỹ đạo thẳng có tốc độ không đổi, tốc độ ánh sáng Nhưng môi trường không khí môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ lan truyền với tốc độ nhỏ quỹ đạo bị uốn cong Trong điều kiện bình thường khí quyển, sóng truyền ngang, quỹ đạo cong phía mặt đất độ cong 1/4 độ cong bề mặt trái đất Hiện tượng gọi tượng khúc xạ sóng điện từ Tỉ số tốc độ truyền sóng chân không tốc độ truyền sóng cho môi trường gọi số khúc xạ môi trường: n c v , (1.2) đó: n số khúc xạ thực (chiết suất) môi trường c tốc độ truyền sóng chân không v tốc độ truyền sóng môi tr­êng Trong lÝ thut, ng­êi ta th­êng sư dơng chØ số khúc xạ phức m môi trường tính công thức: m=n+ik, đó: i (1.3) , k - phần ảo số khúc xạ phức, đặc trưng cho mức độ hấp thụ sóng môi trường Trong môi trường không khí, độ cao mực nước biển số khúc xạ n có giá trị vào khoảng 1,0003 Trong điều kiện khí tượng bình thường, số khúc xạ n giảm dần từ 1,0003 sát mặt đất 1,000 tầng khí Thông thường có giảm độ cao tăng lên Để tiện tính toán, người ta chuyển đổi số khúc xạ sang khái niệm khác, độ khúc xạ (hay số khúc xạ qui đổi) N, xác định nh­ sau: N = (n-1) 106 (1.4) ChØ sè khúc xạ qui đổi độ khúc xạ khí tự phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ không khí áp suất nước khí nh­ sau: N 77,6 e (p  4810 ) , T T (1.5) đó: T nhiệt độ không khí tính độ Kelvin; p áp suất khí quyển, tính hPa; e áp suất nước, tính hPa Trong tầng đối lưu thường ta tính N nhờ số liệu thám không 1.1.4 Sự suy u sãng ®iƯn tõ lan trun khÝ qun Sù suy u sãng ®iƯn tõ khÝ qun chđ yếu tượng hấp thụ tượng tán xạ (bao gồm tượng phản xạ) gây dải sóng centimet trở lên, hấp thụ không khí không đáng kể, suy yếu mây giáng thuỷ cần phải tính đến toàn dải sóng có bước sóng 10 cm, đặc biệt sóng cm cm 1.1.4.1 Sự suy yếu không khí Không khí chứa nitơ, ôxy, hyđrô, nước khí khác Suy yếu sóng điện từ nitơ khí khác không đáng kể, suy yếu nước ôxy cần phải tính đến Hình 1.4 cho thấy suy yếu sóng điện từ ôxy nước, đồng thời cho thấy phụ thuộc vào tần sè cđa sãng Tõ h×nh vÏ thÊy r»ng, sù suy yếu không đáng kể dải tần số thấp 16 GHz Tất nhiên nước đậm đặc độ suy yếu lớn Chú ý ®é suy u ®­ỵc tÝnh dB/km, ®ã sãng lan truyền quÃng đường 100 km suy yếu đáng kể 1.1.4.2 Sự suy yếu mây Sự suy yếu mây dao động nhiều so với không khí thân mây thay ®ỉi B¶ng 1.3 cho ta thÊy ®é suy u sãng điện từ phụ thuộc vào bước sóng, nhiệt độ mây phụ thuộc vào trạng thái mây (nước hay mưa đá) Đối với trạng thái đá mây, suy yếu nằm dải 0,0006 đến 0,09 dB/km Hiển nhiên, ta thấy độ suy yếu sóng đá nhỏ nước Với mây nước, độ suy yếu sóng bỏ qua sóng dùng radar Độ suy yÕu (dB/km) 0 0 0 0, 0, 0, Hình 1.4 Suy yếu sóng điện từ khÝ qun: Suy u « xy; Suy5u nước với độ ẩm 7,5 g/cm áp suất không khí 1013,25 mb; (theo Bean Dutton, 1968) Bảng 1.3 Độ suy yếu mây (dB/km)/(g/m) Theo Gunn East, 1954 Pha mây Nhiệt độ (0C) Bước sóng (cm) 0,9 1,24 1,8 3,2 20 0,647 0,311 0,128 0,0483 M©y 10 0,681 0,401 0,179 0,0630 n­íc 0,99 0,532 0,267 0,0858 0,684 * -8 1,25 0,122* 0,34 M©y 0,00874 0,00635 0,00436 0,00246 băng -10 0,00291 0,00211 0,00146 0,00081 -20 0,00200 0,00145 0,00100 0,00056 * Giá trị ngoại suy 1.1.4.3 Sù suy yÕu m­a Sù suy yÕu cña sóng điện từ mưa lớn mây nhiều Bảng 1.4 cho ta thấy độ suy yếu phụ thuộc vào cường độ mưa tần số (hoặc bước sóng ): cường độ mưa tần số lớn (bước sóng nhỏ) suy yếu mạnh Bảng 1.4 Độ suy yếu (dB/km) sóng điện từ m­a ë 180C C­êng ®é m­a B­íc sãng (cm) (mm/h) 0,5 1,0 3,0 3,2 10 0,25 0,160 0,037 0,00224 0,0019 0,0001 1,25 0,72 0,228 0,0161 0,0117 0,00042 2,5 9,49 5,47 0,656 0,555 0,0072 50 16,6 10,7 1,46 1,26 0,0149 100 29,0 20,0 3,24 2,80 0,0311 §èi víi b­íc sãng tõ 3,2 cm trở xuống, suy yếu đáng kể loại mưa, mưa bÃo 1.2 Radar ứng dụng đời sống RADAR (viết tắt từ Radio Detection And Range) phương tiện kĩ thuật phát xác định vị trí mục tiêu xa sóng vô tuyến điện Có điều thú vị thân từ RADAR tiếng Anh đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà giữ nguyên âm tiết đọc xuôi, thể mang hàm ý sóng radar phát vào không gian lại quay trở vỊ radar Tr­íc chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø hai, nước có khoa học kĩ thuật tiên tiến đà bắt đầu nghiên cứu radar Mặc dù việc nghiên cứu giữ kín nước, radar đà gần phát triển nước tiên tiến Đến đầu chiến tranh giới lần thứ Liên Xô (cũ), Anh, Hoa Kì, Đức có radar Trong chiến tranh, radar sử dụng rộng rÃi cho mục đích quân Các radar hệ đầu radar định vị (xác định vị trí) Sau người ta phát triển loại radar có nhiều tính hơn: chúng phát sóng vào không gian, thu sóng phản hồi, phân tích sóng phản hồi so sánh với sóng phát, ta biết vị trí mục tiêu mà biết nhiều thông tin mục tiêu (hình dạng gần đúng, độ phản xạ sóng mục tiêu, tốc độ di chuyển, ) Các radar thời tiết thuộc loại Radar gắn máy bay, vƯ tinh …, song khÝ t­ỵng radar ng­êi ta nghiên cứu thông tin radar đặt mặt đất đem lại Mặc dù quan trắc từ vệ tinh có nhiều lợi quan sát vùng rộng lớn, sóng điện từ bị khí làm cho suy yếu, quan trắc radar đặt mặt đất lại có lợi khác Một lợi radar đặt mặt đất quan trắc tượng xảy mây khoảng cách gần, chẳng hạn giáng thuỷ Radar có tác dụng lớn quốc phòng ngành kinh tế quốc dân nghiên cứu khoa học Về mặt quân sự, radar định vị phát máy bay từ xa hàng trăm kilômét Nó tự động bám sát mục tiêu, ngắm mục tiêu để huy bắn trúng Ngoài ra, radar huy hàng loạt máy bay hạ cánh an toàn điều kiện khí tượng tầm nhìn xa Trong ngành kinh tế quốc dân khác hàng không, hàng hải, có trang bị radar Ngành hàng không sử dụng radar để quản lí hoạt động máy bay an toàn Ngành hàng hải đặt radar tàu để phát chướng ngại vật biển Ngành giao thông đường sử dụng radar để kiểm soát tốc độ phương tiện giao thông đường Ngành Khí tượng Thuỷ văn sử dụng radar định vị để theo dõi máy thám không vô tuyến thả theo bóng Pilot, nhận thông tin đo đạc yếu tố khí tượng cao, sử dụng radar thời tiết để theo dõi, phát thu sóng phản hồi từ vùng xảy tượng thời tiết kèm theo mây giáng thuỷ dông, bÃo, mưa, mưa đá Phân tích sóng này, ta biết nhiều thông tin quí giá tượng thời tiết đó, sử dụng cho mục đích nghiên cứu khí quyển, dự báo, phòng chống thiên tai 1.3 Giới thiệu cấu tạo thông số kĩ thuật radar thời tiết 1.3.1 Nguyªn lÝ chung Ng­êi ta sư dơng tÝnh chÊt trun thẳng với tốc độ không đổi tính chất phản xạ sóng điện từ để phát xác định vị trí mục tiêu Radar gồm máy phát để tạo sóng điện từ nhờ anten tạo tia sóng hẹp truyền vào không gian, máy thu radar thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Hướng mục tiêu xác định anten định hướng, khoảng cách từ radar đến mục tiêu xác định hệ thức: ct , (1.6) r r khoảng cách đến mục tiêu, t - thời gian từ lúc phát điện từ lúc ta thu sóng phản xạ, c - tốc độ truyền sóng Nguyên lí radar đơn giản đà nói trên, để làm cần kĩ thuật phức tạp có nhiều cách để làm Do radar có nhiều loại, tuỳ theo công dụng cần có khả công nghiệp kĩ thuật người chế tạo Ngày giới người ta đà sản xuất nhiều radar khác tầm hoạt động (xa, trung, gần, cực xa), bước sóng (sóng deximet, sóng cetimét) chế độ làm việc Theo chế độ làm việc, chia radar làm hai loại: radar phát liên tục radar phát xung Loại radar phát liên tục làm việc theo nguyên lí sau: Máy phát phát sóng liên tục suốt thời gian hoạt động radar, tần số phát thay đổi tuần hoàn theo thời gian theo qui luật đó, chẳng hạn quy luật cưa thẳng (hình 1.5) Sau máy thu thu sóng phản xạ, đem so sánh tần số sóng phản xạ với sóng phát ta thu độ chênh lệch tần số f Biết quy luật biến thiên tần số phát ta tính khoảng thời gian t kể từ thời điểm phát sóng thời điểm thu sóng, nhờ xác định khoảng cách đến mục tiêu Hình 1.5 Biến đổi tần số sóng theo thời gian dạng cưa thẳng Radar loại có nhược điểm đo khoảng cách mục tiêu Vì người ta thường đặt máy bay ®Ĩ ®o ®é cao cđa chÝnh m¸y bay ®ã Nhê độ phản xạ mặt đất lớn nên không cần máy phát mạnh mà đo cự li xa với độ xác cao Thiết bị radar đơn giản Loại radar xung loại phát sóng không liên tục mà phát gián đoạn Trong khoảng thời gian nhau, máy phát lượng sóng siêu cao tần cực mạnh khoảng khắc ngắn lại nghỉ (hình 1.6) Sóng điện từ phát khoảng khắc gọi xung phát Xung phát Hình 1.6 Các xung phát; T- chu kì lặp lại; độ rộng xung đặc trưng thông số: Công xuất xung Pu (thường hàng trăm đến hàng vài nghìn kW), độ rộng xung chu kì lặp lại T (hay tần số lặp F = 1/T) Radar xung loại sử dụng rộng rÃi phát triển tương đối hoàn chỉnh, ®ã chóng ta sÏ xem xÐt kÜ radar xung Vµ tõ vỊ sau nãi radar, ta hiĨu lµ radar làm việc theo chế độ xung (hay radar xung) 1.3.2 Các phận hệ thống radar Phân loại radar thêi tiÕt C¸c bé phËn chÝnh cđa hƯ thèng radar bao gồm: 1) Bộ phát tạo sóng điện từ với tần số cao; 2) Một anten xạ lượng điện từ nhận tín hiệu phản hồi; 3) Bộ thu nhận, khuếch đại, biến đổi tín hiệu phản hồi trở thành tín hiệu thị tần (tần số thấp); 4) Hệ thống thị (màn hình), tín hiệu phản hồi hiển thị Phần lớn radar thời tiết sử dụng anten làm việc chế độ phát chế độ thu Để đảm bảo an toàn người ta sử dụng khoá thu phát tự động đóng máy thu khoảng thời gian ngắn máy phát hoạt động để bảo vệ máy thu khỏi xung phát cùc m¹nh Radar thêi tiÕt cã rÊt nhiỊu chđng lo¹i, phân làm hai loại chính: số hoá không số hoá Các radar thời tiết trước thường loại không số hoá Các tín hiệu phản hồi chúng thu cho ta biết vị trí ảnh mục tiêu Dựa vào vị trí, hình dạng ảnh cường độ phản hồi, người ta biết số đặc điểm, tính chất mục tiêu Các radar cũ nhÃn hiệu MRL Nga chế tạo đặt Phù Liễn, Vinh thuộc loại Các radar thời tiết ngày thường loại đà số hoá Chúng phân làm ba loại: radar thường, radar Doppler radar phân cực Radar số hoá thường hay gọi NON COHERENT RADARS, CONVENTIONAL RADARS Chúng khác với loại không số hoá chỗ tín hiệu (ảnh) phản hồi số hoá, ta dùng phần mềm để lấy nhiều thông tin mục tiêu, xử lí, cho hiển thị với màu sắc ý lưu trữ dễ dàng Tuy nhiên, chúng đo cường độ phản hồi mà không đo độ lệch tần số tín hiệu phản hồi tín hiệu phát, không xác định tốc độ di chuyển mục tiêu qua lần đo (muốn xác định tốc độ di chuyển mục tiêu, cần phải quan trắc nhiều lần, theo dõi vị trí liên tiếp mục tiêu theo thời gian) Chúng không xác định mức độ phân cực sóng phản hồi Các radar loại TRS-2730 Pháp chế tạo đặt Phù Liễn, Việt Trì Vinh radar loại Các radar Doppler hay gọi COHERENT RADARS sử dụng nguyên lý Doppler (xét đến độ lệch tần số tín hiệu phản hồi tín hiệu phát) để đo tốc ®é di chun cđa mơc tiªu Chóng cịng cã thĨ đo cường độ phản hồi vô tuyến (PHVT) Các radar phân cực phát sóng phân cực hoàn toàn theo phương xác định, thu sóng phản hồi với mức độ phân cực Phân tích mức độ phân cực sóng phản hồi so sánh với sóng phát, ta biết số thông tin mục tiêu (như định hướng mục tiêu không gian) Chúng có khả đo cường độ PHVT tốc độ gió Các radar thời tiết số hoá đại thường có khả nêu (đo cường độ phản hồi vô tuyến, tốc độ di chuyển mục tiêu mức độ phân cực sóng phản hồi radar phân cực Các radar đặt Tam Kỳ, Nha Trang Nhà Bè (TP Hồ Chí Minh) radar Doppler với hai khả năng: đo cường độ phản hồi vô tuyến mục tiêu tốc độ gió Một số loại radar Doppler, chẳng hạn radar DWSR-2500C, hoạt động chế độ xung: chế độ xung dài với = 2.10-6s dùng đo cường độ phản hồi vô tuyến chế độ xung ngắn với = 0,8.10-6s dùng đo gió nhằm nâng cao độ xác Các loại radar Doppler phân cực có ba khả nêu 1.3.3 Hệ thống thị Hệ thống thị dùng để thị thông tin mục tiêu radar thu Nó cho phép ta quan sát mục tiêu nhiều dạng khác Loại thị biên độ, cho phép ta quan sát mục tiêu dạng tín hiệu phản hồi hình xung với biên độ khác (hình 1.7), xung mạnh tín hiệu phát, lại tín hiệu phản hồi Hệ thống thị loại không cho thấy hình ảnh mục tiêu nên không dùng radar thời tiết mà dùng radar định vị radar thời tiết có hai loại thị bản: - Loại thị quét tròn cho phép ta quan sát mục tiêu nằm mặt hình nón có trục thẳng đứng đỉnh nơi đặt radar anten quét theo góc phương vị giữ nguyên góc cao định Các hình ảnh mục tiêu chiếu lên mặt nằm ngang (hình 1.8) th Hình 1.7 Sơ đồ thị biên độ - Loại thị quét đứng hay cao-xa cho phép ta quan sát mục tiêu nằm mặt cắt thẳng đứng anten quét mặt phẳng thẳng đứng theo góc phương vị định (hình 1.9) Hình ảnh mục tiêu hiển thị ảnh gọi vùng phản hồi vô tuyến (vùng PHVT) Trước đây, radar chưa số hoá hình xuất thị với màu sắc đơn điệu (đen trắng); ngày nay, radar số hoá cho hiển thị phân bố không gian đặc trưng khác mục tiêu với nhiều màu sắc tuỳ chọn Hình 1.8 Màn thị quét tròn (Plan Position Indicator, PPI) Hình 1.9 Màn thị quét đứng hay cao-xa (Range-Height Indicator, RHI) 1.3.4 Các thông số kĩ thuật radar thời tiết Mỗi radar đặc trưng thông số kĩ thuật xác định Sự lựa chọn thông số phụ thuộc vào công dụng radar phù hợp với tính chất mục tiêu cần xác định Việc chọn lựa xác thông số bảo đảm nâng cao hiệu hoạt động radar Ta xem xÐt th«ng sè cđa radar th«ng qua th«ng sè cđa tõng bé phËn cđa nã 1.3.4.1 Th«ng sè kÜ tht hệ thống phát - Tần số phát f: Đây tần số siêu cao đèn phát tạo thời gian làm việc máy phát Việc chọn tần số phát dựa vào nhiều yếu tố như: tÝnh chÊt cđa mơc tiªu, kÝch th­íc cđa radar, yªu cầu độ xác việc xác định mục tiêu Trong thực tế giải tần làm việc radar thường chọn từ 100ữ10000 MHz ( = m3 cm) Các sóng vô tuyến tần số bị chất khí khí hấp thụ xuyên sâu vào mục tiêu khí tượng (các đám mây, vùng mưa), bị tán xạ hạt mây mưa chúng nằm sâu bên mục tiêu - Độ rộng xung phát : thời gian máy phát tạo đợt sóng siêu cao tần Việc chọn độ rộng xung phụ thuộc vào yêu cầu độ xa cực tiểu cần đo độ phân giải theo khoảng cách Trong thực tế, độ rộng xung thường chọn khoảng 0,115 s - Tần số lặp lại xung phát F: số lượng xung phát giây Vì radar xung sử dụng khoảng thời gian xung phát để thu sóng phản xạ từ mục tiêu, tần số xung chọn cho thời gian xung đủ để xác định khoảng cách cực đại radar Trong thực tế người ta chọn tần số lặp lại F khoảng từ 200 đến 1500Hz, tuỳ thuộc vào công dụng khoảng cách cực đại mà radar cần xác định - Công suất xung phát Pt: Đây công suất sóng điện từ thời gian đèn phát làm việc Vì máy phát phát khoảng thời gian ngắn, sau ngừng phát khoảng dài, công suất phát trung bình P cho chu kì thường bé nhiều so víi c«ng st xung ThËt vËy, tõ P  Pt  F , (1.7) nÕu Pt = 250 kw;  = s; F = 300 Hz ta cã P =150 W 1.3.4.2 Th«ng sè kÜ tht cđa hƯ thèng thu - Hệ số tạp âm N: Máy thu vô tuyến có tạp âm linh kiên điện tử mạch tạo Tín hiệu qua máy thu khuếch đại lên, tạp âm tăng lên Do hệ số tạp âm máy thu số nói lên tỉ số tín hiệu/ tạp âm đầu máy thu giảm lần so với tỉ số tín hiệu/ tạp âm đầu vào máy thu Trong m¸y thu radar hƯ sè N th­êng thay ®ỉi tõ ®Õn 25 Mét m¸y thu lÝ t­ëng N = công suất tạp am / công suất tín hiệu N công suất tạp am vào / công suất tín hiệu vào Trong số tài liệu, hệ số tạp âm tính đơn vị dB, gọi mức tạp ©m N’: N’[dB] = 10 lgN (1.8) - §é nhạy máy thu (MDS) Pw: Đây đại lượng nói lên chất lượng máy thu Độ nhạy máy thu mức công suất nhỏ sóng phản xạ đầu vào máy thu mà đầu có tín hiệu bảo đảm thiết bị thị phân biệt mục tiêu tạp âm Với kĩ thuật ngày nay, người ta chế tạo máy thu có độ nhạy từ 10-12 đến 10-14W - Tần số trung: Vì sóng siêu cao tần khó khuếch đại, máy thu người ta thường tìm cách giảm tần số xuống Hệ số khuếch đại máy thu chủ yếu tần số Trong radar tần số trung chọn 30 MHz - Dải thông tần máy thu: Hệ số khuếch đại máy thu nói chung, phụ thuộc vào tần số Dải thông tần giải tần số mà hệ số khuếch đại đồng tất tần số - Dải động máy thu: Hệ số khuếch đại máy thu nói chung, phụ thuộc tần số, phụ thuộc vào công suất tín hiệu vào Độ lớn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu khí tượng lại thay đổi khoảng rộng Dải động dải công suất vào máy thu mà hệ số khuếch đại ổn định Máy thu cần phải có hệ số khuếch đại ổn định, cần phải thiết kế cho có dải động thích hợp làm việc tần số nằm dải thông 1.3.4.3 Thông số cđa hƯ thèng anten anten cđa c¸c radar thêi tiÕt có nhiều dạng khác (hình 1.10) Loại anten thông dụng radar thời tiết có dạng chảo tròn parabol (hình 1.10a) Nó có tác dụng tập trung lượng sóng phát theo hướng định, thường trùng với trục chảo Mỗi anten có số đặc trưng sau đây: - Cánh sóng: Cánh sóng (hay búp sóng) thông số đặc trưng cho tính chất hoạt động có hướng (hướng tính) anten Đồ thị hướng tính anten trình bày hình 1.11 - Độ rộng cánh sóng : Độ rộng cánh sóng thông số đặc trưng cần quan tâm anten, định độ xác phép xác định toạ độ góc mục tiêu Độ rộng cánh sóng góc tạo hướng theo công suất (thực chất độ chói xạ) phát 50 % công suất cực đại ph¸t theo trơc c¸nh sãng anten parabol cho phÐp thu cánh sóng hẹp Người ta chứng minh độ rộng cánh sóng phụ thuộc vào bước sóng kÝch th­íc anten theo hƯ thøc sau: H×nh 1.10 Mét số dạng anten radar thời tiết kèm cánh sãng chÝnh cđa chóng   73 λ , Da đó: (1.9) độ rộng cánh sóng (độ) bước sóng (m) Da đường kính anten (m) Như vậy, ta thấy muốn tạo cánh sóng hẹp anten phải có đường kính lớn sư dơng b­íc sãng ng¾n VÝ dơ: Khi b­íc sãng  = 5,6 cm = 5,6.10-2 m, Radar cña Hoa K× cã anten parabol víi Da = 4,2 m   = Radar cđa Ph¸p cã anten parabol víi Da = 3,05 m   = 1,25 - Hệ số khuếch đại anten G: Hệ số khuếch đại anten G thông số đặc trưng cho tính chất hoạt động có hướng anten G cho ta biết công suất xạ anten vô hướng phải tăng lên lần so với anten có hướng để thu công suất sóng phản hồi từ mục tiêu với công suất mà anten có hướng thu Thực nghiệm chứng minh rằng: G π.A e λ2 , (1.10) ®ã Ae diện tích phản xạ hiệu dụng anten 0, P Hình 1.11 Đồ thị định hướng anten - Tèc ®é quay cđa anten: Cã hai tèc ®é quay anten, số vòng quay ngang số lần chúc gật (quay thẳng đứng) anten đơn vị thời gian (có thể phút giây) - Cánh sóng phụ anten: anten lí tưởng anten phát xạ sóng điện từ hướng với tia hẹp, không phát sóng theo hướng khác Nhưng thực tế, chế tạo anten Cánh sóng phụ phần lượng sóng điện từ xạ hướng khác với cánh sóng (hình 1.11) Thường anten parabol cánh sóng phụ có công suất xạ khoảng 10 % cánh sóng Sự diện cánh sóng phụ làm tăng vùng mù radar, đồng thời tạo mục tiêu giả thị Như đà nói việc giảm cánh sóng phụ đòi hỏi anten phải có kích thước lớn, làm cho việc chế tạo khó nhiều giá thành radar tăng lên đáng kể 1.4 Thể tích xung mật độ lượng sãng xung ph¸t M¸y ph¸t cđa radar thêi tiÕt phát lượng thành xung không liên tục, lan trun ®i xa tõ anten cđa radar víi tèc ®é xấp xỉ tốc độ ánh sáng (3.108m/s) Thể tích xung lượng tác động lên mục tiêu từ lượng phản hồi trở radar nhận sản phẩm khác radar cung cấp Hình dáng, kích thước anten radar, bước sóng lượng phát, thời gian ... khoảng cách 11 1 3.7 HiƯu chØnh ­íc l­ỵng m­a b»ng radar theo số liệu đo mưa mặt đất 11 3 Ch­¬ng .11 7 nhËn biÕt môc tiêu khí tượng radar thời tiết 11 7 4 .1 Nhận biết loại... Theo Gunn East, 19 54 Pha mây Nhiệt độ (0C) B­íc sãng (cm) 0,9 1, 24 1, 8 3,2 20 0,647 0, 311 0 ,12 8 0,0483 M©y 10 0,6 81 0,4 01 0 ,17 9 0,0630 n­íc 0,99 0,532 0,267 0,0858 0,684 * -8 1, 25 0 ,12 2* 0,34 Mây... yếu mạnh Bảng 1. 4 Độ suy yếu (dB/km) sóng điện tõ m­a ë 18 0C C­êng ®é m­a B­íc sãng (cm) (mm/h) 0,5 1, 0 3,0 3,2 10 0,25 0 ,16 0 0,037 0,00224 0,0 019 0,00 01 1,25 0,72 0,228 0, 016 1 0, 011 7 0,00042 2,5