Kỹ thuật định vị và dẫn đường điện tử ppsx

Hãy xác định cự ly làm việc tối đa và tối thiểu và độ phân giải về mặt cự ly của trạm Radar trên ?... Tần số thu được tại trạm Radar sai lệch so với tần số phát, gây nên do sự chuyển độ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Khoa Điện tử Viễn thông

Kỹ thuật định vị

và dẫn đường điện tử Electronics Positioning and Navigations

TS Đỗ Trọng Tuấn

Bộ môn Kỹ thuật thông tin

Hà Nội, 8-2010

Phần 1

Kỹ thuật Radar

ξ 1 Khái niệm và phân loại

• s(t) = a(t)cos( ω0t+ φ0)

• a(t) : đường bao xung - “pulsed radar”

Nguyên lý cơ bản của Radar xung

1 km  6.67 µs

1 nmi  12,34 µs

Xác định cự ly theo đơn vị km và nmi tương ứng với độ trễ thời gian 27 µ s?

Tính toán cự ly Range Calculation

R(km) = 0.15TR( µ s) hay R(nmi) = 0.081 TR ( µ s) = 0.15 × 27 hay = 0.081 × 27 = 4.05 km hay = 2.187 nmi

Tính toán cự ly Range Calculation

tạo nên cự ly không chính xác là 3 km

ambiguous range : cự ly xảy ra nhầm lẫn

Tính toán cự ly Range Calculation

Ví dụ 2

Giả sử một trạm Radar giám sát hàng không có công suất đỉnh là 100 KW, bức xạ tín hiệu theo kiểu xung với độ rộng 10

µs và chu kỳ lặp xung là 1 ms Hãy xác định cự ly làm việc (tối

đa và tối thiểu) và độ phân giải về mặt cự ly của trạm Radar trên ?

Độ phân giải cự ly - Range Resolution

ΔR: độ phân giải cự ly

Độ phân giải cự ly - Range Resolution

a Hai mục tiêu không thể phân biệt về cự ly

b Hai mục tiêu có thể phân biệt về cự ly

unresolved return

t

c

∆ +

2

τ

Ví dụ

Một hệ thống Radar xung có cự ly làm việc tối đa 3000

km và băng thông là 3.33 kHz Hãy xác định:

a Tần số lặp xung PRF (fr) yêu cầu

b Chu kỳ lặp xung PRT ( IPP = T)

c Độ rộng xung phát τ

d Cự ly phân giải mục tiêu ΔR

e Hãy cho biết ảnh hưởng của các tham số đến cự ly

làm việc tối đa của một hệ thống Radar.

) (

50 10

3 , 20

1

1

3 Hz T

45 ,

45 )

10 3

3 ( 2

) / (

s

km B

33 3

1 1

3 , 20 10

3

0 10

3

10 3

=

=

% 5 , 1 0148 ,

0 10

3 , 20

10 3

Ảnh hưởng của các tham số đến cự ly làm việc

của hệ thống Radar xung

ξ 2 Cơ sở vật lý của Radar

4 Tần số thu được tại trạm Radar sai lệch so với tần số phát, gây

nên do sự chuyển động tương đối giữa mục tiêu và trạm Radar

và được xác định thông qua hiệu ứng Doppler.

theo phương góc phương vị ∆φ

Kích thước búp sóng tại mức

nửa công suất

( công suất đỉnh giảm đi một

nửa  suy hao – 3 dB)

Mẫu bức xạ Radiation pattern

HPBW: half power beam width

Mẫu bức xạ Radiation pattern

HPBW: half power beam width

600

d

λ β

∆

)

(rad d

λ β

∆

Anten Parabol

d: độ mở anten (m) - apeture λ: bước sóng làm việc (m)

(From Understanding Radar Systems)

Hệ số khuếch đại anten

nua muc

tai song

bup cat

mat tich

Dien

cau mat

tich Dien

G

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _

_

=

ϕ β

π ϕ

β

π

sin sin

4 sin

sin

42

Hệ số khuếch đại anten

nua muc

tai song

bup cat

mat tich

Dien

cau mat

tich Dien

G

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _

_

=

ϕ β

π ϕ

β

π

sin sin

4 sin

sin

42

( ) β π π β( ree) or β( ree)

π radian

β

π β

π G

deg

41253deg

412532

2

360360

4

4sin

ϕ ϕ

ϕ

S

ϕ

∆

Hệ số khuếch đại anten

,

= f Ae λ

G

Kích thước anten nhỏ →búp sóng lớn (small antenna → wide beam width)

?

Ví dụ

Giả sử hệ thống Radar thời tiết làm việc tại Băng C, tần số

5625 Mhz, sử dụng anten parabol có đườngkính 2,44 m

Hãy xác định kích thước búp sóng và hệ số khuếch đại

của anten G(dB) ?

00

Ví dụ

26402 25

, 1 25 , 1

G

Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất:

Hệ số khuếch đại của anten

) ( )

/ 1 (

) /

( )

( )

(

m D s

f

s m

c D

0218 ,

0 )

( 44 , 2 )

/ 1 ( 10 5625

) / ( 10

3

6

8

rad m

1 )

( 14 , 3

180 )

( 0218 ,

0 )

( 14 , 3

180 )

rad

ϕ ϕ

0

0

0

25 ,

1 )

( 14 , 3

180 )

( 0218 ,

0 )

( 14 , 3

180 )

rad

β β

Ví dụ

26402 25

, 1 25

, 1

G

Hệ số khuếch đại của anten

0

25 ,

2 , 44 )

26402 (

lg 10 )

lg(

10 )

Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất:

Hiệu ứng Doppler

'

rf

Hiệu ứng Doppler

tf

t

f c

fD

ν

=

) 1

(

' '

'

c

f

f c

f

rf

ft =

2

) 1

±

=

2

2 1

c c

f

=

2

2 1

c c

Hiệu ứng Doppler

D T

T

T T

T

c

f f

f c

λ

ν ν

2 )

2 1

T T

c

f f

λ

) cos(

2

=

=

Df

Đo vận tốc v <-> đo độ lệch tần số Δf

Dấu + : vào gần ; dấu - : ra xa

Hiệu ứng Doppler

) cos(

2

θ λ

Ví dụ

Hãy xác định vận tốc (knots) của máy bay khi trạm radar

làm việc tại tần số 3 GHz biết rằng tín hiệu phản xạ thu

được sai lệch so với tần số phát là 5 KHz.

T

f

c

f V

250 )

( 10 3

2

) / (

10 3

) (

s m

900 1000

3600

250

h km

ξ 3 Các bước xử lý

tín hiệu Radar

Các bước xử lý tín hiệu Radar

1 Bước 1: Phát hiện mục tiêu ( Detection ).

2 Bước 2: Đo đạc tham số ( Measurement ~ Ranging).

3 Bước 3: Phân biệt mục tiêu ( Display ).

4 Bước 4: Nhận biết mục tiêu (Recorgnition)

Bước 1: phát hiện mục tiêu

tín hiệu thu ( echo)

Xác suất phát hiện nhầm: gây nên do tín hiệu phản xạ từ các đối tượng không cần quan sát (clutter) hoặc nhiễu.

ngưỡng

Bước 2: đo đạc

• Cự ly R  đo độ trễ

• Đo góc ( φ,β) căn cứ vào hướng tính của búp sóng radar.

• Đo vận tốc  hiệu ứng Doppler

→ xác định được vị trí và vẽ được quỹ đạo của mục tiêu ( đối tượng) M

→ tính được gia tốc của M

Bước 3: phân biệt mục tiêu

Thể tích phân biệt

Δβ

ΔR

Thể tích phân biệt là thể tích mà hai mục tiêu kề nhau đặt tại tâm của hai thể tích đó có thể được phân biệt

Δφ

Mục tiêu

mục tiêu mục tiêu

Thể tích phân biệt

Bước 4 : nhận biết mục tiêu

• Chỉ thực hiện được với Radar chủ động thứ cấp.

• Radar chủ động thứ cấp là hệ thống radar có khả năng trao đổi

thông tin ( truyền số liệu ) với đối tượng (mục tiêu)

• Quá trình trao đổi số liệu giữa M và RS được thực hiện khi M nằm

lọt trong búp sóng radar.

• Thời gian trao đổi số liệu phụ thuộc vào tốc độ quét cánh sóng và

kích thước búp sóng của trạm Radar

RS

M

Bộ phát đáp transponder

Radar mode S

Bước 4 : nhận biết mục tiêu

• Radar thứ cấp truyền các tín hiệu được mã hóa đến bộ phát đáp của mục tiêu

• Transponder phúc đáp bằng bản tin được mã hóa với các thông tin của đối tượng ( airplane )

• Một transponder có thể thiết lập tối đa khoảng 4096 mã nhận dạng - identifying codes

• Trong lĩnh vực quân sự , các transponders được gọi là IFF (Identification, Friend or Foe)

Số xung phản xạ từ mục tiêu

) /

( )

( 2

sec) /

( )

(sec/

) (

vòng

xung rad

xung PRF

vòng T

( 360

sec) /

( )

(sec/

0

0

vòng xung

xung PRF

vòng T

Ví dụ

Giả sử một trạm Radar có độ rộng búp sóng tại mức nửa

công suất theo phương ngang là 30, tốc độ quét của búp

sóng là 450/sec với tần số lặp xung là 300Hz Hãy xác định

số xung phản xạ từ mục tiêu về trạm Radar sau mỗi vòng

quét ?

Số xung phản xạ từ mục tiêu

) (sec/

8 sec / 45

(

20 360

sec) /

( 300 )

xung vòng

) /

( 360

sec) /

( )

(sec/

0

0

vòng xung

xung PRF