BÁO CÁO ĐỀ TÀI CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH RADAR TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT

Để sử dụng radar một cách hiệu quả, người dùng cần nắm được các kiếnthức cơ bản về các loại phương trình radar khác nhau trong chế độ quan sát.. Các dạng phương trình radar trong chế độq

B Ộ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH

RADAR TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Phạm Hồng Dũng

SINH VIÊN: ĐOÀN PHƯỚC LƠỊ

MÃ SỐ SV: 2053020070LỚP:20ĐHĐT02

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2023

B Ộ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH

RADAR TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Phạm Hồng Dũng

SINH VIÊN: ĐOÀN PHƯỚC LƠỊ

MÃ SỐ SV: 2053020070LỚP:20ĐHĐT02

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2023

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

HỌ VÀ TÊN: Đoàn Phước Lợi

MSSV: 2053020070

LỚP: 20ĐHĐT02

1 Tên đề tiểu luận: Các dạng phương trình radar trong chế độ quan sát

2 Họ tên người hướng dẫn: ThS Phạm Hồng Dũng.

3. Kế hoạch tiến độ

Thời gian Công việc thực hiện Xác nhận GVHD Ghi chú

25/10-9/11 Thực hiện đề tài

16/11/2023 Hiệu chỉnh và hoàn thành đề tài

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 11 năm 2023

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Phạm Hồng Dũng

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Giáo viên hướng dẫn

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin khẳng định rằng đề tài tiểu luận này là kết quả của sự nỗ lực học tập vànghiên cứu sâu sắc các giáo trình liên quan trong suốt quá trình học tại trường Tôicũng xin đảm bảo rằng tất cả các thông tin và số liệu được trích dẫn và sử dụng trong

đề tài thực tập tốt nghiệp này là chính xác và trung thực

TP.Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 11 năm 2023

Sinh viên thực hiện

(ký và ghi họ tên)

Đoàn Phước Lợi

LỜI CẢM ƠN

Thầy Phạm Hồng Dũng - người thầy đã dạy cho chúng tôi bộ môn hệ thốngđịnh vị vô tuyến hàng không một cách nhiệt tình và chuyên nghiệp Thầy đã giúpchúng tôi nắm vững những kiến thức quan trọng về hệ thống định vị vô tuyếnhàng không, cách hoạt động và ứng dụng của nó trong thực tế Thầy không chỉ làmột giảng viên xuất sắc, mà còn là một người bạn thân thiết, luôn quan tâm vàgiúp đỡ sinh viên Những lời dạy và lời khuyên của Thầy sẽ là nguồn động lực vàđịnh hướng cho chúng tôi trong tương lai

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Phạm Hồng Dũng đã chia sẻ cho chúngtôi những kiến thức, kinh nghiệm và tình cảm của mình.Tôi xin trân trọng cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

Sinh viên thực hiện

(ký và ghi họ tên)

Đoàn Phước Lợi

LỜI NÓI ĐẦU

Radar là công nghệ dùng sóng điện từ xác định vị trí và chuyển động của cácvật thể trong không khí, trên mặt đất hoặc trên biển Radar có ứng dụng rộng rãitrong nhiều lĩnh vực như quân sự, hàng hải, hàng không, khí tượng học và quản lýđịa chất Để sử dụng radar một cách hiệu quả, người dùng cần nắm được các kiếnthức cơ bản về các loại phương trình radar khác nhau trong chế độ quan sát

Radar dùng sóng điện từ để tính khoảng cách, tốc độ và hướng của vật thể Có

ba loại phương trình radar cơ bản trong chế độ quan sát Phương trình cho khoảngcách dựa trên thời gian và độ trễ của sóng phản xạ Phương trình cho tốc độ dùngtần số sóng radar và tốc độ tương đối Phương trình cho hướng dùng sóng radar vàkích thước anten Hiểu rõ các phương trình này giúp sử dụng radar tốt hơn Ví dụ,radar giám sát tàu biển, máy bay và thời tiết, giúp phòng ngừa va chạm và cảnhbáo nguy hiểm

Ngoài các ứng dụng trong quân sự, hàng hải, hàng không và khí tượng học, radarcòn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như quản lý địa chất, giám sát môitrường, giám sát lưu lượng giao thông và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực quản

lý địa chất, radar được sử dụng để đo độ cao, độ dốc, độ lún và độ nghiêng của cácđịa hình và cấu trúc Trong lĩnh vực giám sát môi trường, radar được sử dụng đểphát hiện và đánh giá các hiện tượng môi trường như sạt lở đất, núi lửa, động đất,rừng cháy, nhiễm dầu và rác thải Trong lĩnh vực giám sát lưu lượng giao thông,radar được sử dụng để theo dõi và điều khiển các phương tiện giao thông trên đường

bộ, đường sắt và đường thủy Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, radar được sửdụng để nghiên cứu các đối tượng và hiện tượng vật lý, hóa học và sinh học như cáchạt nano, các phân tử, các tế bào và các vi sinh vật Để sử dụng radar hiệu quả trongcác ứng dụng này, người dùng cần nắm được các kiến thức cơ bản về các dạngphương trình radar trong chế độ quan sát Các dạng phương trình radar trong chế độquan sát là những công cụ quan trọng để tính toán khoảng cách, tốc độ và hướng dichuyển của các đối tượng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

CHƯƠNG 2:CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH RADAR 2

TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT 2

2.1 Phương trình radar tổng quát đối với mọi dạng vùng quan sát 2

2.2 Cự ly phát hiện các mục tiêu ở góc tà bé 19

2.3 Cự ly tác dụng của radar khi có tác động của nhiễu tích cực 21

2.3.1 Khi có nhiễu tích cực ngụy trang 21

2.3.2 Khi có nhiễu xung 26

2.4 Cự ly tác dụng của đài radar khi có nhiễu tiêu cực 27

CHƯƠNG 3:BÀI TẬP VẬN DỤNG CÁC PHƯƠNG 33

TRÌNH RADAR TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT 33

3.1 Xác định cự ly phát hiện tối đa của radar 33

3.2 Xác định tốc độ mù thấp nhất của radar 34

3.3 Xác định công suất phát của radar 35

CHƯƠNG 4:TỔNG KẾT 35

4.1 Tầm quan trọng của các dạng phương trình radar trong chế độ 35

4.2 Triển vọng phát triển của công nghệ radar trong tương lai 36

CHƯƠNG 1:ĐẶT VẤN ĐỀ1.1 Lý do chọn đề tài

Đề tài “Các dạng phương trình radar trong chế độ quan sát” giúp người đọchiểu rõ hơn về công nghệ radar và các ứng dụng của nó Radar là công nghệquan trọng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, hàng hải, hàng không, khí tượnghọc và quản lý địa chất Để sử dụng radar hiệu quả, cần nắm vững các phươngtrình cơ bản để tính khoảng cách, tốc độ và hướng của các đối tượng Đề tàinày sẽ trình bày về các dạng phương trình radar trong chế độ quan sát và cách

áp dụng chúng trong các ứng dụng thực tế

1.2 Mục tiêu đề tài

Với khả năng phát hiện và theo dõi các đối tượng từ khoảng cách xa, radar

đã trở thành công cụ không thể thiếu trong các lĩnh vực quân sự, hàng hải,hàng không, khí tượng học và quản lý địa chất Tuy nhiên, để sử dụng radarhiệu quả, cần phải có kiến thức cơ bản về các dạng phương trình radar trongchế độ quan sát

Các dạng phương trình radar trong chế độ quan sát là những phương trình

cơ bản được sử dụng để tính toán khoảng cách, tốc độ và hướng di chuyển củacác đối tượng

Đề tài này sẽ trình bày chi tiết về các dạng phương trình radar, cách tínhtoán các thông số trong các phương trình và cách áp dụng chúng trong các ứngdụng thực tế, cung cấp cho người đọc những ví dụ cụ thể về cách sử dụngradar trong các lĩnh vực khác nhau, như giám sát tàu thuyền, máy bay, thời tiết

và địa chất

Ngoài ra đề tài cũng sẽ giới thiệu về các ứng dụng mới của radar trongtương lai, như radar thông minh, radar mạng và radar đa năng, có thể mang lạinhiều tiện ích và có tầm ảnh hưởng rộng lớn trong các lĩnh vực khác nhau

Đề tài mong muốn đem lại cho người đọc kiến thức cơ bản và sâu sắc vềcông nghệ radar và các ứng dụng của nó trong đời sống và kinh tế Nghiên cứu

và hiểu rõ các dạng phương trình radar này sẽ giúp người đọc có thể áp dụngchúng vào thực tiễn và tạo ra những giá trị tốt hơn cho xã hội

CHƯƠNG 2:CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH RADAR

TRONG CHẾ ĐỘ QUAN SÁT

2.1 Phương trình radar tổng quát đối với mọi dạng vùng quan sát

và phương pháp quan sát

2.1.1 Thiết lậpphương trình radar

Có thể thiết lập phương trình radar theo các cách sau: Giả sử đài radarphát năng lượng ECS(β, ε) vào góc khối cánh sóng ΩCS(β, ε) để chiếu

xạ mục tiêu nằm ở hướng góc tà ε và phương vị β cách đài một khoảng

r(β, ε) (hình 1) và có bề mặt phản xạ hiệu dụng trung bình (BPHT) là

℺ Nếu anten thu có diện tích hiệu dụng ở hướng mục tiêu là Ath(β, ε)thì năng lượng phản xạ từ mục tiêu vào anten thu là:

Hình 1: Thiết lập phương trình radar

Tức năng lượng thu được bằng:

r (β, ε)

r ch (β , ε ) = R : giá trị chuẩn hóa của cự ly tác dụng của

đài radar ở hướng

ΩCS(β, ε): góc khối của búp sóng anten phát ở hướng (β, ε)

“Góc khối” Ω được biểu diễn như góc nhìn không gian chắn bởi diện

tích S của mặt cầu bán kính r có tâm tại điểm nhìn 0 (hình 2).

Hình 2: Xác địnhgóc khối

“Góc khối” được xác định bởibiểu thức: Ω =

Góc khối nguyên tố: dΩ = dSr2 , dS là diện tích nguyên tố trên mặt cầubán kính r

dS ≈ AD AB = rdε.rCosεdβ ≈ r2Cosεdεdβ Do đó: dΩ = Cosεdεdβ

Góc khối toàn không gian (hình cầu):

π

Điều kiện để phát hiện được mục tiêu với chất lượng cho trước là:

Eth(β, ε) ：Eng (2.3)Trong đó:

Eng = 人N0: mức năng lượng tối thiểu (ngưỡng) cần để phát hiệnđược mục tiêu

N0: mật độ phổ năng lượng tạp âm tính quy đổi ở đầu vào máy thu

人= Eng/N0: tỉ số năng lượng tín/tạp tối thiểu cần để phát hiện đượcmục tiêu, gọi là hệ số phân biệt

Từ (2.1) và (2.3) suy ra mật độ năng lượng tối thiểu chiếu xạ trong mộtđơn vị góc khối cần để phát hiện được mục tiêu bằng:

Phương trình (2.6) cho phép xác định cự ly tác dụng cực đại của radartheo các tham số của hệ “Mục tiêu – Không gian – Đài radar – Trắcthủ” Khi thiết lập nó, chúng ta không hề đưa ra một giả thiết cụ thể

2

nào về hình dạng vùng quan sát và các phương pháp quan sát vùng đó,

do vậy (2.6) chính là phương trình radar tổng quát ở chế độ quan sátđối với mọi dạng vùng phát hiện và phương pháp quan sát vùng đó.Phương trình đó cho thấy, khi cho trước các giá trị của năng lượng bức

xạ toàn vùng trong một lần quan sát và diện tích hiệu dụng cực đại củaanten thu trong vùng đó thì cự ly tác dụng cực đại của radar đối vớimục tiêu có BPHT ℺ phụ thuộc vào hình dạng vùng quan sát thôngqua hàm rch(β, ε) (trong hệ tọa độ cầu, hàm này xác định bề mặt giớihạn vùng quan sát với độ chính xác đến một hệ số hằng) và phươngpháp quan sát (quét) vùng đó bằng anten thu của radar thông qua hàmath_ch(β, ε)

Năng lượng bức xạ trong vùng quan sát có thể biểu thị qua công suấtbức xạ trung bình và thời gian chiếu xạ mục tiêu:

Trong đó:

Ptb(β, ε): công suất trung bình của radar, bức xạ ở hướng (β, ε)

tCX(β, ε): thời gian chiếu xạ mục tiêu ở hướng (β, ε)

Từ (2.7) suy ra, có thể phân phối lại năng lượng bức xạ trong vùngquan sát bằng các cách sau:

- Thay đổi công suất trung bình trong quá trình quan sát

- Thay đổi thời gian chiếu xạ mục tiêu

- Chọn hình dạng giản đồ hướng anten phát

2.1.2 Các đại lượng chuẩn hóa và quan hệ giữa chúng

Để thuận tiện cho việc cụ thể hóa phương trình radar (2.6) đối với cácdạng vùng quan sát đẳng cự ly, đẳng cao và các phương pháp quan sátkhác nhau, ta đưa ra khái niệm các đại lượng chuẩn hóa và xét mốiquan hệ giữa chúng

Ngoài 2 đại lượng chuẩn hóa rch(β, ε) và ath_ch(β, ε) đã xét ở mục tiêutrên, ta sử dụng thêm các đại lượng chuẩn hóa Pch( β , ε), tch( β , ε),

ecs_ch(β, ε), ap_ch(β, ε), fch(β, ε), Ωcs_ch(β, ε) được xác định theo các hệthức sau:

Tính đến các hệ thức (2.9) đến (2.16), có thể viết (2.4) dưới dạng sau:E

r4

ch(β, ε)

Có thể chứng minh K ≤ 1 Thật vậy, vì hệ số K là hằng số không thayđổi đối với mọi hướng (β, ε) nên có thể tính giá trị của nó tại hướng(βo, εo) nào đó mà đài radar đạt được cự ly tác dụng xa nhất.

r(βo, εo) = R

Do đó tại hướng này rch(βo, εo) = 1

Sau này để dễ xét mối quan hệ giữa dạng vùng quan sát với phân bốcông suất phát và dạng giản đồ hướng của anten phát, anten thu, ta giảthiết trong quá trình quan sát vùng đó thời gian chiếu xạ mục tiêu vàtần số phát xạ không thay đổi: tch(β, ε) = 1, fch(β, ε) = 1, đồng thời chọn

K = 1, khi đó (2.18) thành:

2.1.3 Phương trình radar viết cho vùngphát hiện đẳng cự ly

Vùng đẳng cự ly, ký hiệu là vùng Ⓡ:

Hình 3: Vùngphát hiện đẳng cự ly Hình 3 cho thấy: r(β, ε) = R, do đó:

Rch(β, ε) = 1

(2.20)

Giả sử trong quá trình quan sát vùng này, anten thu không thay đổi độrộng cánh sóng:

Khi đó điều kiện (2.19) trở thành:

Từ (2.22) ta thấy có thể hình thành vùng phát hiện dạng đẳng cự lybằng cách dùng chung anten thu phát có độ rộng cánh sóng không đổitrong quá trình quan sát và thực hiện bức xạ đều:

(2.23)Trong thực tế, các radar cảnh giới đo cao có anten chúc ngẩng bằng cơkhi trong mặt phẳng đứng thỏa mãn được điều kiện (2.22)

Thay (2.20) và (2.21) vào tích phân ở mẫu số của vế phải chương trình(2.6) ta được:

Tức giá trị của tích phân này đúng bằng góc khối vùng quan sát đẳng cự

ly, và có thể biểu diễn nó qua giá trị của các góc giới hạn vùng trong cácmặt phẳng phương vị và tà:

(2.24)Thay giá trị của I vào (2.6) ta được phương trình radar viết cho vùng pháthiện đẳng cự ly:

(2.25)

2.1.4 Phương trình radar viết cho vùngphát hiện đẳng cao

Vùng phát hiện đẳng cao, ký hiệu là vùng Θ:

Hình 4: Vùngphát hiện đẳng cao Hình 4 cho thấy:

T β, ε = RVới β ∈ [ β1, β2]

ε ∈ [ε min , ε max ]Căn cứ vào phương pháp quan sát vùng đó bằng anten thu, có thể chiathành 3 trường hợp sau:

a) Trường hợp 1: Gỉa thiết trong quá trình quan sát vùng, anten thukhông thay đổi độ rộng cánh sóng:

- Trong quá trình quan sát, thay đổi độ rộng cánh sóng anten phát

và công suất trung bình bức xạ theo qui luật:

Thay (2.26) và (2.27) vào tích phân I ở mẫu số vế phải của (2.6)được:

(2.29)Tương tự như đối với vùng phát hiện đẳng cự ly ( xem công thức(2.24)), ở đây đói với vùng phát hiện đẳng cao có thể xem rich phân I ởmẫu số vế phải của phương trình radar ( 2.6) như là góc khối của vùngđẳng cự ly nào đó tương đương với vùng đẳng cao Vì thế sau này ta kýhiệu chung tích phân đó là Ωvtd

Đối với vùng 。, theo (2.29) có:

(2.32b + 2.33 )b) Trường hợp 2: Gỉa thiết trong quá trình quan sát, anten thu thay đổi

độ rộng cánh sóng theo qui luật tương ứng T2

cℎ(β, ε):

(2.34)Vùng đẳng cao trong trường hợp này ký hiệu là vùng H2 Điều kiện(2.19) trở thành:

(2.35)

Từ đó suy ra có thể có 2 phương án hình thành vùng H2:

- Trong quá trình quan sát, công suất trung bình bức xạ khôngthay đổi Pcℎ β, ε = 1 còn anten phát thay đổi độ rộng cánhsóng theo qui luật giống như khi thu ( cho phép dùng chunganten thu phát):

- Trong quá trình quan sát, anten phát không thay đổi độ rộngcánh sóng tức aPcℎ β, ε = 1 còn công suất trung bình bức xạthay đổi theo qui luật:

Thay (2.26) và (2.34) vào (2.30) được:

(2.37)

c) Trường hợp 3: Gỉa thiết trong quá trình quan sát, anten thu thay đổi

độ rộng cánh sóng theo qui luật tương ứng với:

(2.38)Vùng đẳng cao trong trường hợp này ký hiệu là vùng H3

2.1.5 So sánh các phương án hình thành vùng quan sát theo quan

điểm tiết kiệm năng lượng chiếu xạ toàn vùng trong một lần quan sát

Với giả thiết rằng ngoài 2 đại lượng Ev và Ωvtđ ra, tất cả các tham

số còn lại của phương trình radar và các tham số của vùng phát hiệntrong các phương án đều như nhau, từ các kết quả tính toán ở trên

Trên màn hiện sóng hình vòng điểm dấu tín hiệu phản xạ từcác mục tiêu ở vùng một độ cao thì có cùng cường độ sángnhư nhau, không gây hiện tượng các điểm dấu mục tiêu ởcùng một độ cao ( nhưng khác cự ly ) lại có độ sáng khôngđều, hoặc bị bão hòa ở các góc tà lớn

- Chính vì vậy nên thực tế các đài radar cảnh giới đo xa thường hìnhthành vùng quan sát dạng Cosec hôn hợp ( hình)

- Riêng đối với các đài radar đo cao, lẽ ra nên hình thành vùng quansát dạng H1, nhưng trên thực tế các đài đo cao chúc ngẩng anten bằng

cơ khí thường thực hiện quan sát đẳng cự ly để tránh khó khan về kếtcấu anten và phân bố công suất phát xạ khi chúc ngẩng ( quét ) búpsóng trong mặt phẳng tà

2.1.6 Phương trình radar khi tính đến các tổn hao của hệ “không

gian đài radar trắc thủ ”

Các tổn hao của hệ “ không gian – đài radar – trắc thủ ” làm giảm cự lyphát hiện của đài, tương đương như làm giảm tỉ số năng lượng tín/tạp ởđầu vào thiết bị phát hiện hoặc làm tăng mức ngưỡng phát hiện lên Dovậy khi kể đến các tổn hao này cần đưa vào mẫu số của phương trìnhradar ( 2.31) một thừa số với tên gọi là “ hệ số tổn hao ” L có giá trị lớnhơn đơn vị ( L > 1):

(2.42)

2.1.7 Phương trình radar viết dưới dạng thuận tiện cho tính toán

Phương trình (2.42) khi viết kèm thứ nguyên của các tham số vẽ códạng:

Khi sử dụng phương trình radar để tính toán các tham số của đài radarthường dùng hệ đơn vị đo hỗn hợp Thứ nguyên của các tham số trong

hệ đơn vị đo hỗn hợp cần phù hợp với các thứ nguyên thường dùngnhất trong thực tế Ngoài ra để thuận tiện cho tính toán cần gộp cácthừa số hằng thành một số

Nếu tính cự ly tác dụng của đài ra Km, diện tích hiệu dụng của antenthu và bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu ra m2 , đồng thời biểudiễn mật độ phổ năng lượng tập âm qui đổi ở đầu vào máy thu (N0 )qua hệ số tạp âm của máy thu (NMT):

N0= k.T0.NMT

Với k = 1,39.10-23(Jul/K) ( Jul = W.S )