NGHIÊN CỨU VỀ RADAR XUNG VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR 3 1 1 Định nghĩa radar 3 1 2 Nguyên lý cơ bản 3 1 3 Sự phản xạ 4 1 4 Phân cực 6 1 5 Hiện tượng nhiễu sóng 6 1 6 Nhiễu[.]
NGHIÊN CỨU VỀ RADAR XUNG VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR .3 1.1 Định nghĩa radar 1.2 Nguyên lý 1.3 Sự phản xạ 1.4 Phân cực 1.5 Hiện tượng nhiễu sóng .6 1.6 Nhiễu 1.7 Bước sóng CHƯƠNG RADAR XUNG 2.1 Nguyên lý radar xung 2.1.1 Xung điện: 2.1.2 Nguyên lý phát xung radar xung: .10 2.1.3 Cơ cấu ảnh radar: 10 2.1.4 Nguyên lý đo khoảng cách: 11 2.1.5 Nguyên lý đo góc 13 2.2 Ứng dụng radar sử dụng hiệu ứng Doppler 14 2.2.1 Trong quân 14 2.2.2 Trong y tế .16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 Định nghĩa radar Radar (Radio Detection and Ranging) có nghĩa dị tìm định vị sóng vơ tuyến hay Radio Angle Detection and Ranging - dị tìm định vị góc sóng vơ tuyến Đây hệ thống sử dụng để định vị đo khoảng cách lập đồ vật thể máy bay hay mưa Được sử dụng phổ biển hàng hải, hàng không quân 1.2 Nguyên lý Radar hoạt động tần sơ vơ tuyến 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 Trong q trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỵ mục tiêu bị phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ trở lại chuyển sang tín hiệu điện Nhờ biết vận tốc sóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên biết khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu Sóng radio dễ dàng tạo với cường độ thích hợp, phát lượng sóng cực nhỏ sau khuếch đại vài lần Vì radar thích hợp để định vị vật khoảng cách xa mà phản xạ khác âm hay ánh sáng yếu không đủ để định vị Tuy nhiên, sóng radio khơng truyền xa mơi trường nước, đó, mặt biển, người ta không dùng radar để định vị mà thay vào máy sonar dùng siêu âm Để đo khoảng cách, radar xung sử dụng nguyên lý sau: dùng sóng điện từ siêu cao tần (sóng radio) phát vào không gian dạng xung radio thu lại sóng phản xạ từ mục tiêu trở Cơng thức tính: D= C∗t đó: - D: khoảng cách từ radar đến mục tiêu - C: tốc độ truyền sóng (3*108 m/s) - t: thời gian truyền sóng (đi phản xạ trở về) Tính chất sóng radio: - Lan truyền không gian theo đường thẳng - Tốc độ lan truyền không đổi: C = 3*108 m/s - Mang lượng lớn, gặp mục tiêu phản xạ trở Mô tả nguyên lý chung radar theo sơ đồ khối: Khố i đồ ng Má y phá t Khố i chuyể n mạch Khố i chỉbá o Anten Má y thu Diễn giải: máy phát tạo xung điện từ siêu cao tần, qua chuyển mạch, tới anten, xạ vào không gian Xung radio gặp mục tiêu phản xạ trở về, qua mạch vào máy thu, qua khuếch đại sửa đổi tín hiệu cho ta tín hiệu quan sát hình 1.3 Sự phản xạ Đặc trưng vật lý cho khả mà vật phản xạ hay tán xạ sóng radio diện tích phản xạ hiệu dụng Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ bề mặt nơi có thay đổi lớn số điện mơi hay số nghịch từ Có nghĩa chất rắn khơng khí hay chân khơng, thay đổi định mật độ ngun tử vật thể với mơi trường ngồi, phản xạ sóng radar Điều đặc biệt với vật liệu dẫn điện kim loại hay sợi cacbon, làm cho radar đặc biệt thích hợp để định vị máy bay hay tàu thuyền Các vật liệu hấp thụ radar, gồm có chất có điện trở có từ tính, dùng thiết bị qn để giảm phản xạ radar, giúp cho chúng khó bị phát radar Phương pháp kỹ thuật sóng vơ tuyến tương đương với việc sơn vật thể màu tối sóng ánh sáng Sóng radar tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ kích thước vật thể tán xạ với bước sóng sóng radio hình dạng vật Nếu bước sóng ngắn nhiều so với kích thước vật, tia sóng dội lại tương tự tia sáng phản chiếu gương Nếu bước sóng lớn so với kích thước vật, vật thể bị phân cực, giống ăngten phân cực Điều miêu tả tượng tán xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm bầu trời có màu xanh lam) Khi tia có cường độ có tượng cộng hưởng Bước sóng radar ngắn độ phân giải hình ảnh radar rõ Tuy nhiên sóng radar ngắn cần nguồn lượng cao định hướng, chúng dễ bị hấp thụ vật thể nhỏ (như mưa sương mù ), khơng dễ dàng xa sóng có bước sóng dài Các radar hệ dùng sóng có bước sóng lớn mục tiêu nhận tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không nhận diện được, trái lại hệ thống đại sử dụng sóng ngắn (vài xentimét hay ngắn hơn) họa lại hình ảnh vật nhỏ bát cơm hay nhỏ Sóng radio phản xạ từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự tia sáng phản chiếu từ gương cầu Ví dụ, tia sóng radio ngắn, hai bề mặt tạo góc 90° có khả phản chiếu mạnh Cấu trúc bao gồm mặt phẳng gặp góc, góc hình hộp vuông, phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn Thiết kế áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích làm vật khó tìm trở nên dễ dàng định dạng, thường tìm thấy tàu để tăng dị tìm tình cứu nạn giảm va chạm Cùng lý đó, để tránh việc bị phát hiện, người ta làm cho bề mặt có độ cong thích hợp để giảm góc tránh bề mặt góc vng góc với hướng định vị Các thiết kế kiểu thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ máy bay tàng hình Các thận trọng khơng hồn tồn loại bỏ phản xạ gây nhiễu xạ, đặc biệt với bước sóng dài Để giảm tín hiệu phản xạ, máy bay tàng hình tung thêm mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài nửa bước sóng, gọi miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao khơng trực tiếp phản hồi lượng trở lại nguồn 1.4 Phân cực Sự phân cực thể hướng dao động sóng; với sóng điện từ, mặt phẳng phân cực mặt phẳng chứa vector dao động từ trường Radar sử dụng sóng radio phân cực ngang, phân cực dọc, phân cực tròn tùy theo ứng dụng cụ thể để định vị tốt loại phản xạ Ví dụ, phân cực trịn dùng để làm giảm thiểu độ nhiễu xạ tạo mưa Sóng phản xạ bị phân cực phẳng thường cho biết sóng dội lại từ bề mặt kim loại, giúp radar tìm kiếm vượt trở ngại mưa Các sóng radar có tính phân cực ngẫu nhiên thường cho biết bề mặt phản xạ đất đá, sử dụng radar cho tàu bè 1.5 Hiện tượng nhiễu sóng Hệ thống radar phải vượt qua số nguồn sóng khác để tập trung mục tiêu thật Các sóng làm nhiễu bắt nguồn từ nguồn bên bên ngoài, gồm chủ động bị động Khả vượt qua sóng khơng mong đợi định nghĩa tỉ số tín hiệu nhiễu (signal-to-noise ratio hay SNR) Trong môi trường nhiễu, tỉ số SNR lớn, hệ thống radar dễ định vị vật 1.6 Nhiễu Sóng nhiễu ln phát kèm theo tín hiệu từ nội nguồn sóng, thường gây thiết kế điện tử không thực đồng sử dụng linh kiện điện tử chưa tối ưu Nhiễu chủ yếu xuất sóng dội nhận từ đầu thu vào thời điểm thật sóng radar nhận Vì thế, hầu hết nhiễu xuất đầu thu nỗ lực để giảm thiểu yếu tố tập trung thiết kế đầu thu Để lượng hóa độ nhiễu, người ta đưa số nhiễu, tỷ số cường độ sóng nhiễu thu đầu nhận so với đầu nhận lý tưởng Chỉ số cần giảm thiểu 1.7 Bước sóng Tên HF VHF P UHF Dải tần số 3–30 MHz 30–300 M Hz sóng 10–100 m Ghi hệ thống radar ven biển, đường chân trời,over-the-horizon radar (OTH), 'high frequency' phạm vi dài, xâm nhập, xâm 1–10 m nhập mặt đất, 'very high frequency' 1 m HF + VHF 300–1000 0.3–1 cảng báo sớm tên lửa đạn đạo, MHz m 'ultra high frequency' 15–30 c kiểm sốt khơng lưu giám sát, m 'long' 7.5–15 kiểm sốt khơng lưu, tầm xa thời cm tiết, radar hàng hải, 'short' L 1–2 GHz S 2–4 GHz C Bước 4–8 GHz 3.75– 7.5 cm truyền hình vệ tinh, X S, kiêm dân quân sự, thời tiết, theo dõi tầm xa radar dẫn hướng tên lửa, radar biển, thời tiết, đồ giám sát mặt X 8–12 GHz 2.5– 3.75 cm đất; Mỹ thu hẹp phạm vi 10,525 GHz ± 25 MHz sử dụng cho radar sân bay; theo dõi phạm vi ngắn Đặt tên X band tần số bí mật TC2 Ku K 12–18 GH 1.67– Độ phân giải cao, sử dụng z 2.5 cm cho thu vệ tinh 18–24 GH 1.11– Từ Kurz Đức, có nghĩa z 1.67 cm 'ngắn'; hạn chế sử dụng hấp thụ nước, Ku Ka sử dụng thay cho giám sát K-band sử dụng để phát đám mây, khí tượng học, cảnh sát để phát người lái xe tốc độ Súng radar K-band hoạt động 24,150 ± 0,100 GHz lập đồ, tầm ngắn, giám sát sân bay; tần số K (thêm 'a') Ka 24–40 GH 0.75– ảnh radar, sử dụng để kích z 1.11 cm hoạt máy ảnh mà chụp ảnh biển số xe ô tô chạy đèn đỏ, hoạt động 34,300 ± 0,100 GHz mm V Millimetre band, Các dải tần số 40–300 G 1.0–7.5 Hz mm 40–75 GH 4.0–7.5 hấp thụ mạnh ơxy z mm khí quyển, tiếng vang 60 GHz phụ thuộc vào kích thước ống dẫn sóng Được sử dụng cảm W 75–110 G 2.7–4.0 biến hình ảnh cho xe thử nghiệm Hz mm tự động, độ phân giải cao quan sát khí tượng, hình ảnh CHƯƠNG RADAR XUNG 2.1 Nguyên lý radar xung • s(t) = a(t)cos(ω0t+φ0) • a(t): đ ng bao xung - “pulsed radar” Radar trang bị cho ngành hàng hải, hàng không loại dùng nguyên lý radar xung Radar có nhiệm vụ phát xác định tọa độ mục tiêu so với trạm radar hàng hải, tọa độ xác định hệ tọa độ cực thơng qua khoảng cách góc 2.1.1 Xung điện: Là đại lượng biến thiên nhanh theo qui luật định (chu kỳ định), đặc trưng tần số f bước sóng Công thức: f= C λ Hiện xung điện dùng radar có loại sau: - xung nhọn - xung cưa - xung vuông - xung siêu cao tần (xung radio) Các đặc trưng xung radio xạ vào không gian thám sát mục tiêu: - chiều dài xung: x - chu kỳ lập xung: Tx Thơng thường nay: - x = 0.01 ÷ s - Tx = 1000 ÷ 4000 s Ta nhận thấy x