Kythuatradar p1 358

• • • • ê Đỗ TRỌNG TUẤN (Chủ biên), HÁN TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRUNG, PHƯƠNG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN 〇 http://tieulun.hopto.org • ĐỎ TRỌNG TUẤN (Chủ biên) HÁN TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRUNG PHƯƠNG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN KỸ THUẬT RADAR V A ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI http://tieulun.hopto.org Bản quyền thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội M ọi h in li thức xuất bản, chụp mà khơng có cho phép văn trường v i phạm pháp luật Mã số: 809 - 2012/CXB/02 - 38/BKHN Biên mục xuất phẩm Thư viện Quốc gỉa Việt Nam K ỹ thuật Radar định vị vộ tinh / Đỗ Trọng Tuấn (ch.b.), Hán Trọng Thanh, Hà Duyên Trung - H : Bách khoa Hà N ội, 2 -180ír : hình vẽ, bảng ; 24cm ISBN 9786049111341 Rađa Đ ịn h v ị vệ tinh K ĩ thuật Giáo trình 621.3848-d c !4 BKB0049p-CIP http://tieulun.hopto.org LỜI NĨI ĐÀU Giáo trình “ K ỹ thuật Radar định vị vệ tinh” bao gồm hai phần Phần trình bày kỹ thuật Radar, tập trung giới thiệu vấn đề Radar: đặc điểm mục tiêu Radar, phương pháp xác định tham số mục tiêu Radar, kỹ thuật quan sát không gian, cấu trúc, nguyên lý hoạt động trạm Radar ứng dụng Giáo trinh cung cấp kiến thức tàng lý thuyết phân tích thiết ke hẹ thống Radar cho sinh viên ngành điện tử viễn thơng Ngồi giáo trình cịn đưa ví dụ tập dạng tốn học sử dụng phần mềm Matlab giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận lý thuyết thực hành qua phần mềm mơ Phần hai giáo trình giơ i thiệu hệ thống định v ị vệ tinh toàn cầu gồm hộ thống GPS hệ thống G ALILEO Phần cung cấp kiến thức tảng kỹ thuật định vị sử dụng vệ tinh hệ thống tăng cường định v ị vệ tinh bố trí mặt đất, máy bay khơng gian Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật thông tin , Viện Điện tử Viễn thông giúp đỡ tạo điều kiện để hồn thành giáo trình Trong lần xuất nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo chuyên ngành Điện từ Hàng Không V ũ trụ Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà N ội, giáo trình khơng tránh khỏi số hạn chế ^hung xin cảm ơn trân trọng tiếp thu ý kiến đóng góp phản biện nội dung hình thức giáo trình M ọi ý kiến đóng góp xin gửi Viện Điện tử Viễn thơng, trưịrng Đại học Bách Khoa Hà N ội, số Đại Cồ V iệt, Hà Nội Các tác giả http://tieulun.hopto.org M ỤC LỤ C L i n ó i đ ầ u PHÀN I KỸ THUẬT RADAR C h n g TỔ NG Q UAN VÈ R A D A R 1.1 Khái nỉệm 1.2 Mục tỉêu Radar 2.1 Khái niệm 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều 1.2.3 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ ba chiều 1.3 Tằn số Radar 10 1.4 Cự ly Radar .14 1.5 Độ phân giải cự ly 17 1.6 Tần số Doppler 19 1.7 Phân loại Radar .25 1.7.1 Phân loại theo tính ứng dụng 25 1.7.2 Phân loại theo cách thu thập thơng tin từ phía mục tiê u 25 1.7.3 Phân loại theo phương thức xạ tín hiệu .26 1.7.4 Phân loại theo vị trí điểm đặt máy phát máy thu hệ thống Radar : .27 1.7.5 Phân loại theo ứng dụng 28 1.8 Nguyên lý nhận tin tức mục tiêu Radar 29 1.8.1 Xử lý cấp - Phát mục tiêu 29 1.8.2 Xử lý cấp - Đo đạc tham số mục tiêu Radar 31 1.8.3 Xử lý cấp - Phân biệt mục tiêu 33 1.8.4 Xử lý cấp - Hỏi đáp, nhận biết mục tiêu 34 1.9 Tính ứng dụng kỹ thuật cùa trạm Radar 35 1.9.1 Tính ứng dụng 35 1.9.2 Tính kỹ thuật 36 1.10 ứng dụng kĩ thuật Radar ngành điện tử hàng không 36 1.10.1 Nhiệm vụ chức điện tử hàng khồng 36 1.10.2 Mơ hình tuyến b a y 38 Bài tậ p .40 C h n g PH Ư Ơ N G TRÌNH R A D A R 41 2.1 Hiện tượng xạ thứ cấp 41 2.2 Đặc trưng mục tiêu Radar 42 2.3 Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS 43 2.4 Diện tích phản xạ hiệu dụng Radar số đối tượng b ả n .46 2.4.1 Bề mặt hình cầu 46 2.4.2 Bề mặt Ellipsoid 48 http://tieulun.hopto.org 2.4.3 Khảo sát RCS phẳng trịn 49 2.4.4 Hình nón cụt 50 2.4.5 Hình trụ 53 2.5 Đức xạ thứ cấp mục tiêu thực tế 54 2.6 Phương trình Radar .55 2.6.1 Phương trình Radar chủ động sơ cấp .55 2.6.2 Khảo sát phương trình Radar băng mô 59 2.6.3 Một số ví dụ tính tốn 60 Bài tập 62 C h n g KIẾN TRÚC V À NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG R A D A R 64 3.1 Radar sơ cấp 64 3.1.1 Mơ hình, sơ đồ khối Radar sơ cấp tập trung bứcxạ xung 64 3.1.2 Biểu đồ thời gian nguyên lý làm việc Radar 66 3.2 Radar thứ c ấ p 69 3.2.1.Sơ đồ khối hệ thống 70 3.2.2 Nguyên lý làm việc 71 3.3 Quan sát mục tỉêu Radar .75 3.3.1 Không gian quan sát 75 3.3.2 Chu kỳ quét cánh sóng Tqcs vận tốc quét cánh sóng Vqcs 77 C h n g XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC T IÊ U 80 4.1 Đo tham số cự ly .80 4.1.1 Các phương pháp đo cự ly 80 4.1.2 Phương pháp pha 82 4.1.3 Phương pháp tần s ố 83 4.1.4 Đo cự ly phương pháp xung 90 4.1.5 So sánh phương pháp đo cự ly 98 4.2 Đo vận tốc xuyên tâm .98 4.2.1 Đo vận tốc xuyên tâm máy đo vận tốc theoquán tính 98 4.2.2 Đo vận tốc xuyên tâm từ Radar 98 PHÀN íi KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BÀNG VỆ TINH C h n g CÁC PH Ư Ơ N G PHÁP ĐỊNH VỊ BẢNG VỆ T IN H 100 5.1 Sơ lư ợ c phép định vị vệ tin h 101 5.2 Nguyên lý đo cự ly phép định vị vệ tinh 103 5.2.1 Các khái niệm nguyên lý 103 5.2.2 Phương pháp trnyền sóng điện từ 104 5.2.3 Phương pháp đo giả cự ly 106 5.2.4 Phương pháp đo sóng mang liên tục 108 5.2.5 Phương pháp đo pha phách sóng mang 111 5.3 Các nguồn sai số 113 5.3.1 Đồng hồ vệ tinh 114 5.3.2 Đồng hồ máy thu 114 5.3.3 Sai số quĩ đạo vệ tinh 115 http://tieulun.hopto.org 5.3.4 Sai số tầng điện ly 115 5.3.5 Sai số tầng đối lưu 116 5.3.6 Nhiễu đa đường 116 5.3.7 Các sai số máy thu 116 5.3.8 Mức suy giảm độ xác hình học (GDOP) 116 5.3.9 Sai số nhân tạo sử dụng tính chọn lọc (Selective Availablility) 117 5.4 Câu hỏi ôn tậ p 117 C h n g HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TO ÀN CẢU G P S 118 6.1 Khái quát hệ thống GPS 118 6.2 Chức quỹ đạo vệ tin h 120 6.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 120 6.4 Đặc tính tín hiệu GPS 121 6.5 Phương pháp tạo mã C/A 122 6.6 Bản tin dẫn đường GPS 123 6.7 Dịch ỉần Doppler …126 6.8 Câu hỏi ôn ỉậ p 127 C h n g HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CÀU G A L IL E O 128 7.1 Giới thiệu hệ thống 128 7.1.1 Khái quát chung .； 128 7.1.2 Các dịch vụ cho người sử dụng 129 7.2 Tín hiệu Galileo 129 7.3 Phương thức điều chế BOC 132 7.4 Cấu trúc tin G alileo 134 7.5 Câu hỏi ôn tập 135 C h n g CÁC HỆ TH Ố N G TĂNG CƯ ỜNG ĐỊNH VỊ VỆ T IN H …136 8.1 Khái quát chung 136 8.2 Hệ thống tăng cường máy bay ABAS 136 8.2.1 Chức hệ thống ABAS 136 8.2.2 Đánh giá hệ thống ABAS 137 8.3 Hệ thống tăng cường mặt đắt GBAS 137 8.3.1 Chức nă n g 137 8.3.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 138 8.3.3 Cấu trúc liệu GBAS 139 8.3.4 Đánh giá hệ thống GBAS 140 8.4 Hệ thống tăng cường không gian SBAS 140 8.4.1 Chức nă n g 141 8.4.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 141 8.4.3 Cấu trúc liệu 154 8.4.4 Các phương thức áp dụng liệu SBAS 156 8.4.5 Đánh giá hệ thống 171 8.4.6 Việc thực áp dụng hệ thống SBAS giới .172 TÀI LIỆU TH AM K H À O .175 DANH MỤC C H Ử V IẾ T T Á T 176 http://tieulun.hopto.org PHẦN I - KỸ THUẬT RADAR Chương TỎNG QUAN VÈ RADAR 1.1 KHÁI NIỆM Radar kỹ thuật hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vơ tuyến để phát xác định v ị trí vật thể, mục tiêu vùng ktiong gian quan sát Thuật ngữ Radar, viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, vớ i nghĩa tìm kiếm đo đạc sóng vơ tuyến điện, sử dụng hài quân M ĩ vào năm 1940 Từ Thế chiến II khoa học Radar bắt đầu phát triển, chủ yếu phục vụ cho chiến tì*anh Ngày nay, Radar ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực dân điều khiển không lưu ngành hàng không, giám sát tốc độ giao thông giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết Hiện nay, Radar hiểu thuật ngữ chung cho hệ thống phát hiện, dò tim , thăm dị v ị trí vật thể hay mục tiêu dạng lượng khác nhau, không thiết sóng điện từ sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng lượng nhiệt K ỹ thuật Radar ngày mở rộng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, dùng sóng điện từ thăm dò lòng đất (Radar địa thám), thăm dị dự báo thời tiết (Radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dò thể người (Sieu 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 ưong 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 K ill khuếch đại thiết b ị 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 v ị trí mục tiêu thơng tin khác mục tiêu (như vận tốc, quỷ đạo ) http://tieulun.hopto.org Trạm Radar Hình 1.1 Nguyên lý Radar 1.2 MỤC TIÊU RADAR 1.2.1 Khái niệm M ục tiêu Radar bao gồm tất đối tượng có khả phản xạ sóng điện từ nằm vùng không gian quan sát hệ thống Radar M ục tiêu Radar đa dạng phân thành hai loại tổng quát mục tiêu nhân tạo: mục tiêu không (như máy bay, tên lửa ), mục tiêu mặt đất (như xe ôtô, xe tăng), mật nước (như loại tàu, thuyền ) mục tiêu có nguồn gốc ưr thiên nhiên (như đám mây, đàn chim, hành tinh ) Hình 1.2 minh họa mục tiêu Radar không phát vùng không gian quan sát cùa hệ thống Radar lắp đặt tàu thủy Hình 1.2 Minh họa mục tiêu Radar http://tieulun.hopto.org 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều Xét mặt phằng phương v ị mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc vớ i bề mặt trái đất nơi đặt Radar M ặt phẳng phương v ị chứa bốn phương Đông, Tây, Nam, Bắc tương ứng vớ i bốn chữ viết tắt E (East), w (W est), s (South), N (North) V ị trí toạ độ mục tiêu M mặt phăng phương v ị, xác định bời thông số: N M Hình 1.3 Tọa độ mục tiêu không gian hai chiều - Cự ly R :là khoảng cách mục tiêu trạm Radar theo tầm nhìn thẳng LOS (Light O f Sight); - Góc phưorng v ị Ọm ' góc tạo bời hướng mục tiêu hướng chuẩn hướng Bắc Tọa độ mục tiêu Radar M tham chieu với gốc tương ứng với v ị trí đặt trạm Radar xác định sau: M(R,cp)ị R = OM (p°M = NÔM (l.l) Sau đo đạc hai thông số ưên ta xác định vị trí M ưong mặt phẳng phương vị Mục ticu M xác định hệ thống Radar Đất - Đất, Biển - Biển sử dụng hệ toạ độ Decartes hai chiều Bộ tham số (R, q>M) tham số toạ độ chưa xác định tính động mục tiêu Đẻ xác định tính động mục tiêu cần bồ sung thêm thông số chuyển động vận tốc xuyên tâm vxt 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 phăng phương vị, 'trên mặt phăng phương v ị trạm Radar đặt gốc o, hướng chuẩn hướng Bắc (N) Các mặt phẳng vuông góc vớ i mặt phẳng phương v ị gọi mặt phẳng tà (hay mặt phằng đứng) http://tieulun.hopto.org Hình 1.4 Toạ độ mục tiêu không gian ba chiều V ị trí hay toạ độ mục tiêu M xác định bời 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 v ị (azimuth angle): (Ọ° = NOM, góc hợp bời hướng mục tiêu hướng Bắc mặt phẳng phương vị Góc tà (elevation angle): p° = MOM; góc hợp đường cự ly R hình chiếu đường cự ly ừên mặt phẳng phương vị Bộ tham số (ọ °; p°) gọi toạ độ góc hay hướng mục tiêu M Độ ca〇 H = MM' = D.sin/?° Neu biết góc ngẩng p° ta xác định độ cao H ngược lại Vậy v ị trí mục tiêu xác định ba thông số (D, cp°, p°) (D, (p°, H) Bộ tham số (D, cp°, p°) dùng để xác định vị trí mục tiêu nằm xa trái đất H lớn khó xác định xác cịn tham số (D, cp°, H) dùng để xác định v ị 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) Vxt 1.3 TÀN SỐ RADAR Các hệ thống Radar thu phát sóng điện từ hay sóng vơ tuyến tần số từ khoảng 220 M Hz đến 35 GHz, trải dài tương ứng khoảng octave Tuy nhiên g iơi hạn bắt buộc hệ thống Radar có thề mở rộng tần số làm việc phạm v i Radar chân trờ i O T H 〈Over-The-Horizon Radarノ sừ dụng sóng trờ i băng HF vận hành tần số đén M Hz sừ dụng sóng đất băng HF hoạt động tần số MHz Tại đầu cuối băng tần, Radar m ilim et vận hành tần số 94 GHz Radar sử dụng laser vận hành tần số cao 10 http://tieulun.hopto.org f(M H z) C=fX (m/s) Điện báo vô tuyến 0,3 km Quảnq bả Sổng ngắn 1m Radar truyền thống Băng tần Radar HF = - 30 MHz VHF = 30 - 300 MHz UHF = 0 - 1000 MHz Băng L = - GHz Băng s = - GHz Băng c = - GHz Băng x = - 12 GHz Băng Ku = 12 - 18 GHz BăngK = -2 GHz Băng Ka = 27 - 40 GHz Băng w = - 110 GHz 3xio5 Radar milimet Hồng ngoại |im Anh sáng Tư ngoại TiaX Tia Gama Hình 1.5 Vị trí băng tàn Radar V ị trí băng tần vơ tuyến cho hệ thống Radar dài phổ tần số thể trẽn hình l M ột số ký tự sử dụng để đặt tên cho dai tân 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 l lli ệ t kê danh sách băng tần đặt tên theo ký tự chữ đưa bời tổ chức 1TU Các băng tần có mối liên hệ với băng tẩn ấn định rru cho hệ thống Radar Chẳng hạn như, tần số danh định băng L từ 1000 M Hz đến 2000 M Hz, tần số Radar băng L g iớ i hạn phạm v i 1215 M Hz đến 1400 M Hz 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 v i tần số Radar thề giá trị cụ thể nên dùng thích hợp, nhiên ký hiệu ấn định ưên 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 11 http://tieulun.hopto.org Bảng 1.1 Bảng ấn định bảng tần Radar tương ứng với tên đặt theo ký tự Tầĩt số Radar ẩtt định ITU STT Tên băng tần Phạm vi tần số HF - M Hz VHF -3 0 M Hz - 144 MHz; -2 MHz UHF 0 - 1000 MHz 420 - 450 MHz; 890 - 942 MHz L 一 GHz - 1400 M Hz -4 G H Z 2300 - 2500 M Hz; 2700 - 3700 M Hz s c - GHz 5250 - 5925 M Hz X -1 GHz 8500 - 10680 M Hz Ku -1 GHz 13,4 - 14,0 G H z ;15,7 - 17,7 GHz K -2 GHz 24,05 - 24,25 GHz 10 Ka - 40 GHz 33,4- 6,0 GHz 11 V 40 - 75 GHz 59,0- GHz 12 w -1 GHz 76,0 - 81， GHz; 92,0 -1 0 GHz 13 mm 100 - 300 GHz 126.0 — 142 G H z ;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: K h i tần số thấp ăngten phải có kích thước lớn V í dụ kích thước anten hệ thống Radar làm việc tần số M Hz tương ứng với 1/4 bước sóng có độ lớn 75 m 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 phàn xạ ỉchong mong muốn Ngồi chuyển động tầng điện ly có thê làm Radar hiểu nhầm mục tiêu chuyển động Để hạn chế ảnh hường 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 bời thay đồi cùa tần số sóng phản xạ gây nên hiệu ứng dịch tần Doppler K hi tần số thấp bước sóng lớn, thay đổi tần số sóng phản xạ từ mục tiêu nhị, 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 vỏ tuyến thích hợp Ngồi mức nhiễu cao mà hệ thống Radar có băng tần hẹp dẫn tớ i hạn chế độ phân giải hệ thống 12 http://tieulun.hopto.org Mặc dù có nhiều hạn chế trên, trường hợp yêu cầu phạm vi phát mục tiêu xa không gian quan sát rộng, hệ thống Radar hoạt động dải tần số thấp đặc biệt dải sóng cao tần HF (từ - 30 M H z) ưu tiên lựa chọn Tần số hoạt động thực cao Radar bị hạn chế hấp thụ khí quyển, có tần số vào khoảng 35 GHz gần 94 GHz Tần số Radar phạm vi có giá trị bước sóng nhỏ centimet (cm) gọi Radar milimet Phạm v i Radar m ilim et nhỏ, chúng sử dụng thièt bị đặc biệt, ví dụ thiết b ị định v ị cho tên lừa Hiện vớ i phát triển cơng nghệ quang học vớ i bước sóng mm thiết bị thấu kính radio hệ thống hinh 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 Radar hàng 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 m ilim et Các hệ thống Radar cảnh g iớ i tầm xa làm việc băng tần UHF tần số thấp khả sử dụng anten lớn, khắc phục ảnh hường suy hao khí nhiễu 180 (b) Hình 1.6 Minh họa anten Radar giản đồ hướng Kích thước anten yêu cầu tỷ lệ vớ i độ dài bước sóng hay tỷ lệ nghịch vớ i tần số làm việc ừạm Radar Khả tập trung lượng chiếu xạ lượng nhận ứng vớ i búp sóng Radar phụ thuộc vào kích thước anten tần số làm việc V i tần số làm việc xác định, anten có kích thước lớn cho phép tạo búp sóng hẹp hay ửng vớ i lượng chiếu xạ Radar tập trung thể qua giản đồ 13 http://tieulun.hopto.org hướng xạ ứng với khả khuếch đại anten theo phương phương v ị 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 không chi phục thuộc vào tần số làm việc mà cịn phụ thuộc vào kích thước góc mờ hiệu dụng anten Radar V i tần số làm việc, anten có kích thước góc mờ lớn (hình 1.6a) tạo kích thước búp sóng mức nửa cơng suất hẹp ngược lại, anten có kích thước góc mờ 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 khoi đơn giản cùa Radar xung tập trung sử dụng chung anten thu/phát K hối 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 bời khối ghép song công (Duplexer) K hối ghép song công cho phép hệ thống Radar phát thu tín hiệu sừ 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 ừong thời gian thu tín hiệu trạm Radar M áy thu thực hạ tần khuếch đại tín hiệu thu rồ i gửi knoi xử lý tín hiệu K hối 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 tiêu R (Range) tính tốn cách đo thời gian trễ A t ứng với thơi gian để xung lượng cao tần xạ từ máy phát Radar gặp mục tieu phản xạ máy thu Radar V ỉ sóng điện từ lan tìnyền thẳng v i vận tốc không đổi c = X 108 m /s, nên ta có: cAt ( 2) 14 http://tieulun.hopto.org vớ i R tính mét A t tính giây (s) Phân số - tính với độ trễ thời gian hai chiều Hệ thống Radar xung phát nhận chuỗi xung lượng cao tần, m inh họa hình 1.8 Khoảng thời gian xung (IPP - Inter Pulse Period) ký hiệu T, độ rộng xung ký hiệu T IPP gọi chu kỳ lặp xung hay khoảng lặp xung (PRI - Pulse Repetition Interval) Nghịch đảo PRJ PRP - tần số lặp xung, ký hiệu fr : fr=ề r ị (13) Miền thời gian Miền tần 8ổ Trong khoảng lặp xung PRI, Radar xạ lượng T(s) lắng nghe tín hiệu phản hồi phần thời gian lại PRI Hệ số làm việc hay hệ số chu kỳ phát Radar ký hiệu dt xác định theo biểu thức: (1.4) C-ông suất phát trung bình Radar xác định tương ửng frên sờ công suất phát đỉnh hệ số chu kỳ phát sau: Pav ^ Pt x Pd (1.5) vớ i Pt công suất đinh Radar Năng lượng xung xác định theo biểu thức: Ep = pt て = PavT Pav ( 1.6) 15 http://tieulun.hopto.org Cự ly tương ứng với thời gian trễ hai chiều T gọi “ cự ly đơn trị Radar lớn nhất” hay cự ly làm việc lớn trạm Radar ký hiệu Ru X ét trường hợp hình 1.9, tín hiệu echo biểu diễn tín hiệu Radar phản xạ gây nên xung từ mục tiêu cự ly R1 = cAt/2 Tín hiệu echo biểu diễn phản hồi từ mục tiêu gây xung 2, tín hiệu phản xạ từ mục tiêu phía xa cự ly R2 gây nên xung Trong trường hợp này: r2 Xung phát cầ t c(T + Aủ) = — R2 = - n ĩ (1.7) Thời gian / cự ly n Xung thu Thời gian / cự ly Ã7 心 Hình 1.9 Minh họa cự ly đon trị tối đa trạm Radar Rõ ràng, tín hieu echo kèm VƠI không ro ràng cự ly Do ao, xung phát đi, Radar phai aợi thơi gian đủ dài phản hoi từ mục tiêu cự ly xa trờ ve trước xung phát đ i i suy cự ly đơn tri lớn phải tương ứng VƠI thơi gian nửa PRI Ru xác định sau: T Ru c ( 1.8) 2fr V í dụ: M ột trạm Radar xung có cơng suất đinh KW , sử dụng hai tần số lặp xung PRF, fri = K H z fr2 = 20 KHz Xác định độ rộng xung cho moi tần số lặp xung để ừạm Radar có cơng suất phát trung bình khơng đơi 1000 w Tính tốn lượng xung moi trường hợp tương ứng Lời giải: ĩa có hệ số chu kỳ phát Radar là: d Pạ^ 一1000 xl0 = 0,2 16 http://tieulun.hopto.org Khoảng lặp xung tương ứng hai tần số lặp xung PRFi PRF2là: 7Ỉ = t2 = PRFl = x l 〇3 = 0,2 (ms) =0,05 (m^) PRFl = 20xl03 Độ rộng xung phát ứng với hai tần số lặp xung để có cơng suất trung bình xác định sau: Tị = ^ 7] = 0,2 X 0,2 (ms) = 40 (fjs) 『 = ゴ, ァ2 = ,2 x ,0 (W5")= 10(/^) Ta có lượng xung tương ứng với hai trường hợp tần sổ lặp xung là: E p] = ptzx = x l 〇 x 〇 x l 〇 -6= 〇,2(yơwto) Ep2 = PtT2 = x l 〇 x lO x lO '6 =0,05 ( v/ơm/ổ5) 1.5 Đ ộ PHÂN GIẢI C ự LY Độ phân giai cự ly, ký hiệu AR, thong số Radar mô tả khả nang phát mục tiêu xuất gần đối tượng riêng biệt Các hệ thống Radar thiet kế để làm viẹc giưa cự ly toi thieu Rmịn cự ly tối đa RmaxKhoảng each giưa Rmin Rmax chia M ngăn hay cửa cự ly (range bins/gates), moi ngarí có độ rộng AR K hi số ngăn cự ly xác định theo (1.9): Hình 1.10 Phân giai mục tiêu mặt cự ly cự ly ngang Các mục tieu cách nhat khoảng AR phân giai hoàn toàn mặt cự ly, minh họa hình 1.10 Các mục tiêu phạm v i ngăn pnan giai theo tham số góc theo cự ly phương ngang (góc phương v ị) sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu 17 http://tieulun.hopto.org X ét hai mục tiêu định v ị bời cự ly R2, tương ứng vớ i thời gian trễ t x t K ý hiệu độ chênh lệch hai cự ly AR: ầR = R2 - R = c to 一 St = c— (1.10) Ta cần xác định giá trị nhỏ AR bao nhieu để đảm bảo khả phân biệt mục tieu Radar N oi cách khác, khoảng cách ỗ t nhỏ bao nhieu để mục tiêu Rx mục tiêu R2 cỏ thể hiển th ị phân giải hoàn toàn mặt cự ly (nằm ngăn cự ly khác nhau)? Hình 1.11(a) thể giả thiết hai mục tieu cự ly R I R2 cách tương ứng môt khoảng —，trong T độ rộng xung Trong trường hơp này，khi sườn xung sau xung chieu xạ chạm vào mục tieu 2, sườn xung trước phản xạ trờ lại khoảng cách CT xung phản hoi tổ hợp phản hoi từ hai mục tieu Điều đồng nghĩa VƠI viẹc hai mục lieu không tne phân biệt được, hay noi cách khác, hai mục tieu ao Radar nhận biết mục tiêu cự ly R l T u y nhien, hai mục tiêu cách xa khoảng —, thi sườn xung sau chạm vào mục tiêu thứ nhat, sườn xung trước bắt đầu phản xạ lại từ mục tieu thứ hai nai xung phản hoi riêng Diẹt tạo ra, minh họa hình 1.1lb Do do, AR phải lớn — R, Rj Xungtớt ct ct Xung phản xạ Phểnhồl mur Héti (a) mvc tlẽu tg ti tgt2 Vùng tốl lả phin hò* trờ vê ' tircả2m vctlẽu L t R丨 ct Phinhồi mục á^ l J1 tiéu1 cx -^ Xung phi PhẨnhồi mụctiỉti (b) cĩ ỉg tl tgt2 Hình 1.11.(a) Hai mục tiêu phân giải (b) phân giải Băng thơng Radar ky hiẹu B xác định theo bieu thức (1.11): B= T ( 11) 18 http://tieulun.hopto.org Ta có độ phân giai cự ly xác định theo (1.12): ầR CT c 2B (1.12) Nhìn chung, để nâng cao hiệu Radar cần tìm cách làm giảm AR Như phương trình 1.12, để nâng cao độ phân giải cự ly, ta cần giảm độ rộng xung Tuy nhiên, điều làm giảm cơng suất phát trung bình tăng băng thông làm việc Việc thu độ phân giải cự ly tốt trì cơng suất phát trung bình cần thiết đạt cách sử dụng kỹ thuật nén xung 1.6 TÀN SỐ DOPPLER Hướng phản xạ ► Hướng tớ i — — — Hình 1.12 Hiệu ứng chuyền động mục tiêu Các hệ thống Radar sử dụng tần số Doppler để tách thông tin vận tốc xuyên tâm (tốc độ thay đổi cự ly), để phân biệt mục tiêu cố định chayển động đối tượng nhieu Hiện tượng Doppler miêu tả dịch tần số trung tâm sóng phản xạ chuyển động cùa mục tiêu so với nguồn bứ: xạ Tùy thuộc vào hướng chuyển động mục tiêu mà độ dịch tần Doppler dương hay âm tương ứng vói tần số phản xạ hướng máy thu tăng lên hay giảm với tần số sóng xạ M ột dạng sóng tớ i mục tiêu pha với đầu sóng cách khoảng bước sóng Ằ M ột mục tiêu tiến lại gần (mục tiêu hướng tân ) tạo đầu sóng phản xạ đồng pha gần hom (bước sóng nhỏ hơn) 19 http://tieulun.hopto.org