Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại Việt Nam

Mục đích đầu tiên của các hệ thống radar ra đời là khi nhu cầu cấp thiết trong kỹ thuật quân sự về tìm kiếm và phát triển các hệ thống cảnh báo từ xa và phát hiện, theo dõi các mục tiêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG

SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI

VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG

SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI

VIỆT NAM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỞ ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

TÓM TẮT NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR 8

1.1 Khái niệm radar 8

1.2 Nguyên lý hoạt động 9

1.2.1 Sơ đồ tổng quan 9

1.2.2 Hệ thống phát tín hiệu (đài phát) 10

1.2.3 Hệ thống thu tín hiệu (đài thu) 10

1.2.4 Hệ thống anten 10

1.3 Phân loại 11

1.4 Thông tin radar 13

1.5 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar 13

1.5.1 Ảnh hưởng quá trình truyền sóng 13

1.5.2 Ảnh hưởng can nhiễu 14

1.6 Ứng dụng 14

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR 15

2.1 Truyền sóng trong không gian tự do 15

2.1.1 Nguyên lý truyền sóng trong không gian từ do 15

2.1.2 Suy hao khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do 15

2.1.3 Hiện tượng Phản xạ 15

2.1.4 Hiện tượng Khúc xạ 17

2.1.5 Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do 17

2.1.6 Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ 18

2.1.7 Một số kiểu truyền sóng trong không gian tự do 19

2.2 Hiệu ứng Doppler 20

2.2.1 Hiệu ứng Doppler 20

2.2.2 Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar 21

2.3 Kỹ thuật anten 24

2.3.1 Kỹ thuật Anten và các tham số chính khi nghiên cứu anten 24

2.3.2 Kỹ thuật anten trong radar 27

2.4 Kỹ thuật siêu cao tần, xử lý tín hiệu và các kỹ thuật điện tử khác 34

CHƯƠNG 3 - RADAR THỤ ĐỘNG 36

3.1 Giới thiệu về radar thụ động 36

3.1.1 Khái niệm về radar thụ động 36

3.1.2 Lịch sử 36

3.1.3 Phân loại một số dạng radar thụ động 36

3.1.4 Ưu nhược điểm 38

3.2 Một số nguồn phát tín hiệu có thể được sử dụng cho radar thụ động 38

3.2.1 Nguồn phát tín hiệu phát thanh FM 38

3.2.2 Nguồn phát tín hiệu truyền hình tương tự 38

3.2.3 Nguồn phát tín hiệu tín hiệu truyền hình, truyền thanh số 38

3.2.4 Một số nguồn phát tín hiệu khác 39

3.3 Hệ thống radar thụ động hai vị trí PBR 39

3.3.1 Mô tả hệ thống 39

3.3.2 Hệ thống radar thu 40

3.4 Thiết lập các tham số của hệ thống radar thụ động PBR 41

3.4.1 Giải thích một số khái niệm 41

3.4.2 Phương trình radar, tỉ số SNR và hệ số radar K 42

3.4.3 Đồ thị Oval Cassani và tính toán vùng phủ 43

3.4.4 Hàm đánh giá độ mù mờ - AF (ambiguity function) 46

3.4.5 Độ dịch tần Doppler 50

3.4.6 Phương pháp tính toán khoảng cách từ mục tiêu đến đài thu 50

3.4.7 Các tham số đánh giá chất lượng của hệ radar thụ động PBR 52

3.4.8 Công thức thực nghiệm Albersheim tính tỉ số SNR 54

CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI VIỆT NAM 56

4.1 Đặt vấn đề 56

4.2 Điều kiện lựa chọn nguồn phát tín hiệu sử dụng cho radar 57

4.3 Hiện trạng mạng phát thanh, truyền hình tại Việt Nam 57

4.4 Xu hướng phát triển trong tương lai gần 58

4.5 Bài toán mô phỏng xây dựng một hệ thống radar thụ động PBR 58

4.5.1 Các bước giải bài toán xây dựng hệ thống radar 58

4.5.2 Lựa chọn nguồn phát tín hiệu 59

4.5.3 Tính toán các tham số 61

4.5.3.1 Phân tích theo hàm đánh giá độ mù mờ 61

4.5.3.2 Thiết lập các thông số ban đầu ( tỉ số SNR và hệ số K) 67

4.5.3.3 Trường hợp nguồn phát tín hiệu FM 102,7MHz 67

4.5.3.4 Trường hợp nguồn phát là truyền hình số DVB-T 70

4.5.3.5 Bài toán mở rộng cho hệ thống có nhiều máy thu 72

4.6 Đánh giá khả năng phát triển hệ thống radar thụ động tại Việt Nam 76

KẾT LUẬN 77

PHỤC LỤC 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR

1.1 Khái niệm radar

Radar là tên viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh Radio Angle Detection and

Ranging chỉ hệ thống thiết bị ra đời nhằm mục đích nhận dạng vị trí mục tiêu nhờ

vào hiện tượng phản xạ sóng điện từ

Ý tưởng đầu tiên về radar được cho là của Alexander Stepanovich Popov (nhà khoa học người Nga, 1859 - 1906), người đã thực hiện các thí nghiệm về truyền bản tin đầu tiên của loài người qua sóng vô tuyến điện Đầu thế kỷ 20, đã có hàng loạt những nghiên cứu tiếp theo về các hệ thống định vị, phát hiện mục tiêu của các nhà khoa học Nga, Mỹ, Đức, Anh… Năm 1937, Robert Watson – Watt ( nhà khoa học người Scotland;1892 - 1973) là người đầu tiên xây dựng thành công một hệ thống radar hoàn chỉnh Sau đó, kỹ thuật radar đã phát triển vô cùng mạnh mẽ trong thế chiến thứ hai, đã đạt được những thành quả vượt bậc mà hầu hết như chúng ta

đã thấy ngày nay

Mục đích đầu tiên của các hệ thống radar ra đời là khi nhu cầu cấp thiết trong

kỹ thuật quân sự về tìm kiếm và phát triển các hệ thống cảnh báo từ xa và phát hiện, theo dõi các mục tiêu trên không chủ yếu là máy bay và hệ thống radar chống tàu ngầm…Về sau, radar càng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn cho các mục đích phi quân sự và thương mại như dẫn đường hàng không, hàng hải, dự báo thời tiết, điều khiển giao thông và nghiên cứu thiên văn học

Nguyên lý radar sử dụng để nhận biết mục tiêu dựa trên hiện tượng phản xạ của sóng điện từ khi va chạm với vật thể do Heinrich Rudolf Hertz tìm ra vào thế

kỷ 19 (Hertz là nhà khoa học người Đức, 1857 - 1894) Vận dụng hiện tượng này,

hệ thống radar sử dụng một đài phát phát tín hiệu sóng điện từ vào vùng không gian cần quan sát, một phần các sóng phát xạ từ đài phát bị phản xạ lại bởi mục tiêu Sóng phản bởi mục tiêu cũng có nhiều hướng, chỉ một phần quay lại và được đài thu của radar thu về Tại nơi thu, hệ thống sử dụng những thông tin từ các tia phản hồi này để xác định thông tin về mục tiêu: Khoảng cách, vị trí tức thời…

Nguyên lý thứ hai đó là hiệu ứng Doppler về sự dịch tần của chùm sóng bị phản xạ bởi mục tiêu đang chuyển động tương đối so với nguồn phát ra tín hiệu đó Lợi dụng tính chất này, các hệ thống radar được sử dụng để đo vận tốc chuyển động của mục tiêu

Dạng sóng mà radar sử dụng phụ thuộc vào mục đích hoạt động cụ thể của từng loại Tín hiệu trong radar có thể là dạng chuỗi xung hẹp, xung hình chữ nhật

chính xác), hoặc là các dạng tín hiệu tương tự có sử dụng các kỹ thuật điều chế điều tần hoặc điều pha (radar đo vận tốc) Sóng vô tuyến mà đài phát của radar phát đi

có công suất có thể lên tới hàng triệu watt

Radar có thể hoạt động ở dải tần số thấp từ vài MHz đến tần số hàng trăm GHz Dải tần số hoạt động quyết định rất nhiều tới ứng dụng của radar Ở mỗi dải tần đều có ưu và nhược điểm đối với hoạt động của đài radar Ví dụ, ở dải tần VHF cho phép radar có thể quan sát được những mục tiêu ở khoảng cách rất xa, ngược lại radar ở dải tần cao thì lại có ưu điểm trong việc tăng độ phân dải tần số vì tín hiệu khi đó có băng thông rộng hơn cũng như là chùm tia của anten hẹp hơn nhờ thiết kế vật lý của anten dải cao gọn hơn

Bảng 1.1 Khuyến nghị của IEEE về dải tần dành cho radar [8]

1.2 Nguyên lý hoạt động

1.2.1 Sơ đồ tổng quan

Sơ đồ tổng quan của một hệ thống radar được mô tả như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống một radar đơn giản[8]

1.2.2 Hệ thống phát tín hiệu (đài phát)

Bộ tạo dạng xung (waveform generator): tạo các dạng xung thích hợp với từng nghiệp vụ của radar Bộ khuếch đại công suất (power amplifier): tạo ra công suất mong muốn phát đi của hệ thống radar

Bộ Duplexer: là thiết bị trước anten nhằm mục đích ghép luồng tín hiệu phát

đi và luồng tín hiệu thu về chỉ qua 1 công anten duy nhất

Không phải hệ thống radar nào cũng có bộ dupplexer, đối với hệ thống có đài thu phát độc lập chúng có anten thu và phát khác nhau

1.2.3 Hệ thống thu tín hiệu (đài thu)

Tín hiệu sau khi thu qua anten được đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise amplifier) Bởi vì mức thu tín hiệu có ích thu được của radar rất thấp và trộn lẫn nhiều thành phần khác…do đó cần phải có tầng này nhằm tăng cường mức thu

và lọc bớt các thành phần không mong muốn Tín hiệu sau đó được đồng bộ và khuếch đại trung tần, trước khi tín hiệu thu được đưa qua bộ quyết định, nó được

xử lý tại các mạch lọc

Các cấp xử lý tin tức của Radar:

+ Xử lý cấp 1 (sơ cấp) : gồm nhiệm vụ phát hiện và đo đạc toàn bộ mục tiêu

Xử lý cấp 1 được thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ

+ Xử lý cấp 2 (thứ cấp) : dùng tin tức tọa độ mục tiêu qua nhiều chu kỳ quan sát để xác định quỹ đạo chuyển động, tăng chất lượng phát hiện Xử lý cấp 2 được

thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ hoặc ở các sở chỉ huy trạm rađa

+ Xử lý cấp 3: sử dụng tin tức từ nhiều trạm rađa để tạo nên bức tranh toàn cảnh về mục tiêu trên không Xử lý cấp 3 được thực hiện ở sở chỉ huy quân chủng phòng không

1.2.4 Hệ thống anten

Anten là một bộ phận có mặt trong cả hệ thống phát và thu đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật radar Với hệ thống radar anten không chỉ là cổng giao tiếp với môi trường bên ngoài mà nó còn có nhiệm vụ sau:

- Phát xạ và định hướng chùm tia phát xạ của đài radar phát Chùm tia phát thường rất hẹp điều này được quyết định bởi đặc tính của anten

- Thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

- Xác định góc tới của chùm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

- Là nhân tố quyết định đến độ phân giải không gian (sự tách biệt giữa góc tới của các mục tiêu khác nhau)

- Cho phép điều chỉnh linh động không gian quan sát của radar

Anten sử dụng trong kỹ thuật radar có thể là loại anten parabol có mặt phản

xạ, hoặc mảng anten Mỗi loại anten có đều có ưu điểm và hạn chế Nhìn chung, các anten lớn thích hợp với các hệ thống radar

1.3 Phân loại

Việc phân loại radar có nhiều cách dựa trên các tiêu chí khác nhau để phân biệt Có thể phân loại radar theo mục đích sử dụng radar hàng hải, hàng không, mặt đất…; theo phương thức hoạt động (radar thụ động, tích cực, radar cố định, radar trên xe lưu động, radar trên tàu bay…); theo dải tần hoạt động (radar sóng V-U/HF, L, S…); theo dạng sóng của tín hiệu radar sử dụng Trong phần dưới đây là một số radar quen thuộc mà chúng ta hay gặp trong các tài liệu tham khảo:[8]

 Radar xung (Pulse radar): Dạng radar phát ra tín hiệu là những chuỗi xung

hình chữ nhât liên tục

 Radar độ phân dải cao (High-resolution radar): Chỉ các radar có thể đạt được

độ phân dải cao về khoảng cách Radar phân dải cao có thể xác định mục tiêu chính xác đến từng mét

 Radar nén xung (pulse compression radar): Là dạng radar sử dụng tín hiệu

dạng xung dài với điều chế nội (điều tần hoặc điều pha) để kết hợp được độ lợi

về mặt năng lượng của tín hiệu xung dài và độ phân dải của dạng tín hiệu xung ngắn

 Radar sóng liên tục (Continuous wave radar): là loại radar sử dụng tín hiệu

hình sin liên tục Dạng radar này thường sử dụng để xác định các thông tin liên quan đến chuyển động của vật thể nhờ vào hiệu ứng dịch tần Doppler

 FM-CW radar (Frequency modulation continuous wave radar): Là dạng radar

sử dụng tín hiệu điều tần để đo đạc khoảng cách

 Radar giám sát ( surveillance radar): radar giám sát được định nghĩa một

cách tương đối là loại radar dùng để nhận biết sự suất hiện của các vật thể như tàu thuyền, máy bay, tên lửa… đồng thời xác định các thông tin về góc và

khoảng cách Radar giám sát cũng có thể là dạng dùng để theo dõi mục tiêu đã biết

 Radar nhận biết chuyển động (Moving target indication): là dạng radar xung

có tần suất lặp lại thấp để nhận biết chuyển động Dạng radar này có độ phân dải

rõ ràng về khoảng cách nhưng mù mờ về phân dải Doppler nên còn có tên gọi là radar mù vận tốc

 Radar xung doppler (pulse doppler radar): có hai dạng radar xung doppler là

loại tần suất lặp lại xung cao và loại tần suất lặp lại trung bình Cả hai loại đều được sử dụng để nhận biết chính xác mục tiêu chuyển động trong cả nhóm Radar xung có tần suất lặp lại xung cao có độ phân dải về doppler cao và mù mờ

về khoảng cách, trong khi loại tần suất lặp xung trung bình thì có độ mù mờ cả

về khoảng cách và dopper

 Radar theo dõi (tracking radar): Dạng radar nhận biết dấu vết, quỹ đạo

chuyển động của mục tiêu Các dạng radar theo dõi điển hình như: STT (singler target tracker), ADT (automatic detection tracking), TWS (track-while-scan),

 Radar ảnh (imaging radar): Loại radar dùng để quan sát bề mặt 2 chiều của

mục tiêu như vẽ bề mặt mặt đất… Loại radar này thường được đặt trên các vật chuyển động

 Radar quan sát bề mặt trên không (sidelooking airborne radar): Radar quan

sát này cho các thông tin tin cậy về khoảng cách và các thông sô về gọc một cách tương đối nhờ sử dụng anten có chùm tia phát xạ hẹp

 Radar khẩu độ nhân tạo (synthetic aperture radar): là loại radar hình ảnh sử

dụng đặc tính pha tín hiệu gắp trên phương tiện chuyển động.Radar này sử dụng các thông tin về pha của tín hiệu phản hồi để vẽ lại hình ảnh của vật thể với độ phân dải cao cả về khoảng cách và mặt cắt ngang

 Inverse synthetic aperture radar (ISAR): là loại radar hình ảnh sử dụng thông

tin về pha tín hiệu kết hợp khả năng phân dải cao về mặt khoảng cách và mới tương qua di chuyên của mục tiêu để đạt được độ phân dải cao về mặt tần số (doppler) Radar này có thể đứng cố định hoặc đặt trên bề các phương tiện chuyển động

 Radar kiểm soát: Thường dùng kiểm soát các mục tiêu đơn lẻ trong quân sự

cho phòng thủ các cuộc tấn công của máy bay

 Radar dẫn đường: (guidance radar): thường dùng trong kỹ thuật tên lửa

nhằm điều khiển và dẫn đường đến mục tiêu

 Radar thời tiết (weather or meteorological observation): đo đạc, dự đoán tốc

độ gió, hướng gió và quan sát các hiện tượng thời tiết

 Radar thời tiết doppler (doppler weather radar): là một loại của radar thời tiết

hướng gió, các hiện tượng lốc xoáy, bão… phục vụ cảnh báo các thời tiết nguy hiểm

 Radar phát hiện mục tiêu (Target recognition): Dạng radar bổ trợ (đặc biệt

trong quân sự) nhằm phân biệt chính xác mục tiêu, chẳng hạn nhận biết một máy bay với các nhân tố đang bay trong môi trường (chim chóc…) Loại radar này còn được biết đến với cái tên radar cảm biến từ xa (remote sensing radar)

 Radar đa năng (mutifunction radar): là sự kết hợp của nhiều loại radar kể trên

vào một hệ thống radar nhằm thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc

1.4 Thông tin radar

Khoảng cách mục tiêu (range) – tầm xa radar: Là yếu tố quyết định phân

biệt hoạt động của radar Radar xác định khoảng cách mục tiêu bằng cách tính toán thời gian mà sóng điện từ đi từ đài phát tới mục tiêu và phản xạ đến đài thu Radar hiện đại ngày nay có thể đo đạc những khoảng cách xa với độ sai lệch chỉ vài cm

Để thực hiện việc này, các radar thêm các chỉ thị thời gian (timming mask) vào tín hiệu phát Timming mask có thể là các xung ngắn hoặc là điều chế tần số hoặc pha

Sự chính xác của khoảng cách phụ thuộc chính vào băng thông tín hiệu Tín hiệu radar phát đi có băng thông càng lớn thì độ chính xác về khoảng cách đo được càng cao

Thông tin về vận tốc của mục tiêu: Vận tốc của mục tiêu được tính bởi tỉ lệ

của sự thay đổi của khoảng cách trong một chu kỳ thời gian Vận tốc này được tính toán bởi độ dịch chuyển tần Doppler Để tính toán vận tốc và hướng của mục tiêu chuyển động radar cần đo đạc trong một chu kỳ thời gian

Thông tin về hướng mục tiêu: Để xác định mục tiêu thì một trong những

phương pháp có thể sử dụng là đo góc của chùm tín hiệu phản xạ tới đài thu Góc tới này được xác định bằng cách sử dụng anten có giản đồ hẹp quét toàn bộ vùng không gian, xác định hướng có cường độ tín hiệu phản xạ là mạnh nhất Việc quét này có thể dùng một hoặc nhiều anten quét theo cả mặt ngang và dọc Tính chính xác của việc xác định hướng đến có cường độ lớn nhất phụ thuộc vào độ dài hiệu dụng của anten, bước sóng

Độ phân dải: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai mục tiêu mà radar có thể

phân biệt được rõ ràng Độ phân giải khoảng cách phụ thuộc vào băng thông tín hiệu

1.5 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar

1.5.1 Ảnh hưởng quá trình truyền sóng

Quá trình lan truyền qua không gian tự do chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố môi trường làm thay đổi cách tính chất truyền sóng Các yếu tố thời tiết, sương mù… thường gây ra các hiện tượng khúc xạ, phản xạ không mong muốn,

gây sai lệch quá trình phát hiện mục tiêu của radar Các yếu tố địa hình cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với hoạt động của đài radar do gây ra tín hiệu phản

xạ, làm thay đổi hướng truyền sóng, gây ra các tín hiệu đa đường…

1.5.2 Ảnh hưởng can nhiễu

Ảnh hưởng can nhiễu làm giảm tỉ lệ SNR đối với tín hiệu thu của radar, làm giảm xác suất phát hiện đúng Bên cạnh can nhiễu tạp âm có sẵn, can nhiễu của tín

hiệu vô tuyến chủ yếu là nhiễu đa đường, tín hiệu đồng kênh và giao thoa…

1.6 Ứng dụng

Ứng dụng trong quân sự: Sự ra đời của radar thời kỳ đâu tiên, khoảng những năm 1930, chính là sử dụng cho quân sự khi người ta cần đặt ra yêu cần cần phát hiện những máy bay ném bom hạng nặng của đối phương Ứng dụng cơ bản của radar quân sự được sử dụng trong phòng ngự các mục tiêu trên không từ các vị trí đặt trên đất liền hoặc trên biển thậm chí cả trên không (không đối không) Ở đây, radar đóng vai trò quyết định trong việc phát hiện các mục tiêu ở xa, điều khiển vũ khí, dẫn đường cho tên lửa…Ngày nay, công nghệ radar càng chở nên quan trọng

và được chú trọng đầu tư phát triển mạnh do cần đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của kỹ thuật quân sự

Ứng dụng trong khí tượng thủy văn và dự báo thời thời tiết cũng là ứng dụng quan trọng của radar ngày nay Radar được sử dụng để theo dõi các hiện tượng thời tiết nhằm cảnh báo sớm các hiện tượng tiêu cực, nguy hiểm như tố lốc, bão… Ứng dụng trong hàng không, hàng hải: Radar được sử dụng cho mục đích dẫn đường, quan sát và báo hiệu đường bay, đường biển

Một số ứng dụng khác của radar ngày nay: radar quan sát thiên văn, radar trong các ngành về địa lý, khai mỏ…

Tóm lại, radar có ứng dụng ngày càng sâu rộng trong các lĩnh vực của đời sống từ an ninh quốc phòng đến dự báo thời tiết và nghiên cứu thiên văn học Do

đó, việc tìn hiểu nắm bắt và nghiên cứu phát triển các công nghệ radar là cần thiết

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR

2.1 Truyền sóng trong không gian tự do

2.1.1 Nguyên lý truyền sóng trong không gian từ do

Sóng điện từ truyền trong không gian tự do tuân theo hai nguyên lý cơ bản sau:

Một là, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian tự do là hằng số và

bằng vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s

Hai là, trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng điện từ truyền theo

đường thẳng

2.1.2 Suy hao khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do

Trong không gian tự do suy hao khi truyền sóng điện từ tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách và tỉ lệ nghịch với bình phương bước sóng Ở dạng đơn giản

nhất, suy hao L F , của năng lượng sóng điện từ có bước sóng λ truyền qua một khoảng cách r được tính như sau:

Tuy nhiên sự suy hao năng lượng của sóng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường truyền thực tế như sương mù, mưa, các yếu tố địa hình và cả các yếu tố trong nội tại hệ thống… để ước lượng suy hao một cách gần đúng nhất người ta thường bù vào đó một phần suy hao ΔL

Là hiện tượng khi sóng va chạm vào mục tiêu bị phản xạ ngược lại Sự phản

xạ của sóng điện từ phụ thuộc vào tính chất bề mặt của mục tiêu phản xạ

Phản xạ gương: Xảy ra theo định luật quang hình (góc tới = góc phản xạ)

Muốn vậy bề mặt phản xạ (bề mặt vật thể) phải nhẵn và vật thể phải có kích thước lớn hơn nhiều so với  Đối với những vật thể như vậy, năng lượng trở về radar lớn

nên ảnh của mục tiêu rõ nét hơn

Hình 2.1: Hiện tượng phản xạ gương

hơn rất nhiều so với  nhưng có bề mặt gồ ghề Trường hợp này năng lượng phản

xạ trở về nhỏ và ảnh mục tiêu trên màn mờ nhạt

Hình 2.2: Hiện tượng phản xạ phân kỳ

Phản xạ cộng hưởng : Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước

bằng hoặc xấp xỉ  Trường hợp này vật thể bị kích thích, sóng phản xạ trở lại rất mạnh, ảnh mục tiêu rõ nét trên màn hình nhưng không bền do ít khi gặp những vật thể có kích thước nhỏ như vậy

Diện tích phản xạ hiệu dụng

Diện tích phản xạ hiệu dụng trên vật thể  là miền diện tích phản xạ hoàn toàn

năng lượng mà nguồn phát ra Diện tích phản xạ hiệu dụng phụ thuộc vào các yếu tố:

- Hướng và năng lượng của chùm sóng đi đến mục tiêu

- Chất liệu, hình dáng và kích thước mục tiêu

- Tần số sóng mang của tín hiệu

Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu càng lớn thì mục tiêu càng dễ bị phát hiện

Qua thực nghiệm, người ta đã tính ra được diện tích phản xạ hiệu dụng của các mục tiêu như máy bay, tên lửa là:[2]

(2.3)

A là diện tích toàn phần của mục tiêu

 là bước sóng của tín hiệu sóng mang

2.1.4 Hiện tượng Khúc xạ

Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ do điều kiện của khí quyển Trái đất như

áp suất, độ ẩm, nhiệt độ không đồng nhất trong suốt đường đi của sóng từ radar tới mục tiêu do đó thay vì truyền lan theo đường thẳng, sóng điện từ (nhất là các sóng cực ngắn) bị khúc xạ và truyền lan theo quỹ đạo cong nhẹ về phía mặt đất Một số hiện tượng khúc xạ thường gặp như:

Hiện tượng khúc xạ kém ( Sub- refraction): Trong những điều kiện khí quyển

đặc biệt, chỉ số khúc xạ có thể thay đổi làm cho bức xạ sóng sẽ khúc xạ lên trên

hoặc xuống dưới hơn bình thường

Hiện tượng siêu khúc xạ ( Super – refraction): Hiện tượng này là chùm tia

radar bị bẻ cong xuống dưới nhiều hơn so với điều kiện khí quyển bình thường Nó xảy ra sau khi sóng truyền quan các khối không khí nóng và lạnh kề nhau Ảnh hưởng của hiện tượng này là tầm xa tác dụng của radar sẽ lớn hơn mức bình

thường

Hiện tượng khúc xạ vòng: Đối với những vật thể có kích thước nhỏ hơn bước

sóng, sóng radio sẽ đi qua vật thể mà không vị phản xạ trở lại

Để có thể đánh giá được một cách tương đối sự truyền làn của sóng radar, cần thiết phải giả định điều kiện khí quyển “tiêu chuẩn “ để so sánh Tầm xa thỏa mãn các điều kiện tiêu chuẩn được xem như tầm xa phát hiện cực đại của radar Thực tế, các điều kiện môi trường luôn thay đổi nên tầm xa thực tế thường nhỏ hơn so với tính toán

2.1.5 Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do

2.1.5.1 Nhiễu đa đường

Khi antenna của đài thu độ rộng búp sóng lớn hoặc quét trong một không gian rộng, tín hiệu phản xạ thu từ mục tiêu ngoài hướng trực tiếp còn có thể bao gồm

các hướng phản xạ từ mặt đất hay từ các chướng ngại vật Trong trường hợp hai thành phần tín hiệu này khi đến antenna thu có pha đối nhau thì chúng sẽ gây nên một lượng suy hao rất lớn Ngoài ra do lệch pha với tín hiệu ở hướng trực tiếp nên các tín hiệu phản xạ đóng vai trò như tạp âm làm suy giảm S/N của tín hiệu chính

Để giải quyết vấn đề nhiễu đa đường, cần có các antenna có hướng tính lớn (góc

mở nhỏ) hoặc phải nâng cao góc ngẩng antenna để giảm thiểu thành phần sóng phản xạ

2.1.5.2 Hiện tượng giao thoa

Khi các hệ thống lân cận nhau sử dụng chung băng tần số, mặc dù đã có một

sự ngăn cách địa lý nào đó, chúng vẫn gây nhiễu cho nhau ( nhất là đối với các hệ thống thu độ nhạy cao) Khi đó các tín hiệu là có ích với một trạm này thì lại là tạp

âm đối với một trạm khác

Ngoài ra, do đặc tuyến truyền đạt không tuyến tính của các bộ khuếch đại công suất (hàm POUT=f(PIN) là một đường cong) cho nên bao giờ cũng có sự can nhiễu giữa các sóng mang khác tần số gây bởi các thành phần xuyên điều chế Sự can nhiễu này sẽ trở nên nghiêm trọng khi công suất phát của các hệ thống quá lớn

2.1.5.3 Nhiễu tạp âm nền

Tạp âm là tất cả các tín hiệu thu không mong muốn lẫn vào tín hiệu có ích Nó gây méo dạng tín hiệu, làm thay đổi các thông số của sóng mang, làm cho khả năng khôi phục chính xác tin tức chứa trong tín hiệu có ích ở máy thu bị giảm sút Các tác động của tạp âm đến hệ thống gọi là nhiễu Tạp âm ảnh hưởng tới hệ thống vô tuyến được sinh ra từ các nguồn sau:

- Các nguồn bức xạ tự nhiên trong khu vực làm việc của radar,

- Các nguồn tín hiệu các đài phát khác, các tín hiệu chế áp, phá sóng điện từ

- Tạp âm sinh ra bởi chính các thiết bị của hệ thống (tạp âm ký sinh)

Tạp âm gây ảnh hưởng mạnh nhất khi nó nằm trong dải thông của tín hiệu có ích Khi đó tạp âm sẽ lọt thẳng vào máy thu và gây ra các lỗi nghiêm trọng nếu ta không có những biện pháp khắc phục Công suất tạp âm N[W] được đánh giá trong

2.1.6 Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ

Trong một số trường hợp mặt đất, mặt biển hoặc đồi núi lạ là những mặt phản

xạ không mong muốn Hiện tượng này có thể mô tả như sau: Nếu truyền vào không gian không có vật ngăn cản thì sóng cực ngắn hình thành cánh sóng ( cánh công suất ) lý tưởng mở rộng theo chiều đứng Tuy nhiên, khi cánh sóng gặp bề mặt trái đất thì sóng sẽ bị phản xạ từ mặt đất do đó cánh sóng bị phân nhánh theo chiều đứng Sóng trực tiếp và sóng phản xạ gặp nhau và giao thoa lẫn nhau, trên đường truyền lan hai loại sóng này có thể cùng pha khiến công suất sóng tổng hợp tăng lên, lệch pha làm cho sóng tổng hợp bị yếu đi, hay ngược pha làm cho sóng tổng hợp bị triệt tiêu, kết quả là cánh sóng bị phân nhánh khiến cho công suất phát đến mục tiêu cũng yếu đi

2.1.6.2 Ảnh hưởng bởi các yếu tố thời tiết

 Ảnh hưởng của sương mù

Ảnh hưởng của sương mù đối với sóng cực ngắn có liên quan đến lượng nước trong sương mù, lượng nước chứa trong không khí càng nhiều nghĩa là tầm nhìn xa càng kém thì tầm xa phát hiện của radar sẽ giảm xuống Tuy nhiên ảnh hưởng của sương mù đối với tầm hoạt động của radar không lớn lắm trừ khi sương mù dày đặc Trong thực tế đã thống kê cho thấy, trong sương mù tầm nhìn xa 300m, tầm hoạt động của radar có thể giảm gần 1 nửa

 Ảnh hưởng của mây

Các cánh sóng của radar cũng có thể quét đến các đám mây Tuy nhiên kinh nghiệm cho thấy chỉ có một sốt ít loại mây có thể cho sóng dội trở về có thể nhìn thấy trên màn hình radar trừ khi có giáng thủy từ đám mây Ảnh hưởng nghiêm trọng của sóng dội từ mây là gây phiền toái cho việc nhận dạng các sóng dội mục tiêu lẩn khuất trong sóng dội của mây

 Ảnh hưởng của mưa và tuyết

Mưa (hoặc tuyết) hấp thụ sóng cực ngắn nghiêm trọng, làm cho mức độ suy giảm sóng tăng cao khiến cho tầm hoạt động của radar rút ngắn Mặt khác, mưa chung quanh mục tiêu có thể gây nhiễu do sóng dội phản xạ từ mưa che khuất sóng dội mục tiêu nằm trong vùng nhiễu mưa Chẳng hạn bước sóng 3cm ảnh hưởng của mưa rất nghiêm trọng, trong điều kiện bình thường không khí khô radar quan sát mục tiêu trên biển cách xa 25 hải lý, tầm quan sát bị giảm xuống 22 hải lý trong mưa lất phất, còn 15 hải lý trong mưa nhẹ, 5 hải lý trong mưa trung bình và 1 hải lý trong mưa nặng hạt

2.1.7 Một số kiểu truyền sóng trong không gian tự do

Truyền sóng theo sóng mặt là kiểu truyền chủ yếu ở dải tần từ vài kHz đến vài chục MHz

Suy hao công suất tín hiệu gần như tỷ lệ nghịch với R4

Anten thường có dạng tháp cao, công suất phát từ 10kw đến 1Mw và phạm

vi truyền sóng cỡ hàng trăm dặm

2.1.7.2 Truyền sóng nhờ tầng điện ly

Tầng điện ly là phần khí quyển bị ion hoá (chủ yếu do bức xạ mặt trời) Ban ngày tầng điện ly tồn tại ở khoảng từ 90 đến 1000km trên mặt đất Mật độ điện tích từ 1010 - 1012 e-/m3 chia chủ yếu thành 3 lớp với mật độ e- cực trị : D, E, F (ban ngày, lớp F chia thành 2 lớp F1, F2)

Tầng điện ly phản xạ sóng vô tuyến có tần số từ 3 - 40 MHz cho phép thiết lập kênh thông tin vô tuyến qua khoảng cách hàng ngàn miles

2.1.7.3 Truyền sóng dải microwave và milimeter

Sóng điện từ trong dải tần số microwave và millimeter đi xuyên qua tầng điệnn ly vì ω >> ωp (tần số plasma)

Có hiện tượng giao thoa do phản xạ từ mặt đất, nhưng ảnh hưởng không lớn như ở tần số thấp vì độ ghồ ghề của mặt đất lớn hơn nhiều so với bước sóng Chỉ tại các điểm phản xạ trên mặt đất phẳng hoặc mặt mặt nước thì hiện tượng giao thoa

có thể mạnh và tạo ra kiểu bức xạ búp với các búp sóng gần nhau (các búp sóng trời)

Với các sóng có bước sóng cỡ mm, suy hao bị ảnh hưởng lớn bởi các hiện tượng thời tiết như hơi nước, sương mù và các khí khác trong khí quyển

2.2 Hiệu ứng Doppler

2.2.1 Hiệu ứng Doppler

Do nhà Vật lý người Áo Johann Christian Doppler (1803-1852) tìm ra năm

1842, ông đã miêu tả sự thay đổi của tần số sóng âm khi nguồn phát sóng chuyển động so với người nghe Sau này, người ta thấy rằng hiệu ứng Doppler còn đúng với trường hợp truyền sóng điện từ và sóng ánh sáng

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản

xạ bởi mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ

bị thay đổi, sự thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler Dịch tần Doppler có thể làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của sóng, vận tốc chuyển động của mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi

Đo đạc và xử lý độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar nhằm cung cấp thông tin về chuyển động của mục tiêu Chúng ta xét bài toán sau về dịch tần

Doppler cho các trường hợp chuyển động tương tự trường hợp của radar trong mục tiếp theo

2.2.2 Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar

2.2.2.1 Giả thiết bài toán:

Xét một hệ như hình 2.3 dưới đây:

Hình 2.3: Ví dụ về bài toán tính độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar Đài phát Tx và đài thu Rx có các vận tốc tương ứng là Vt và Vr, mục tiêu

chuyển động vận tốc V Khi đó dịch tần Doppler f B được định nghĩa là tỷ số của

vi phân tổng chiều dài đường truyền sóng theo thời gian trên chiều dài bước sóng tín hiệu truyền

Tổng chiều dài đường truyền ở đây chính là tổng 2 khoảng cách RT + RR Công thức tính độ dịch tần Doppler như sau:[9][10]

Giả thiết: Đài phát và đài thu cố định ( VT = VR = 0 )

Giả thiết rằng mục tiêu bay qua vùng không gian của đài thu – đài phát có vận tốc V ( V ≠ 0 ) , độ dịch tần thu được tại nơi thu là:

Phương trình (3.6) được biểu diễn trong Hình 3.2 là một hàm theo biến  Ở

đây, độ dịch tần được chuẩn hóa theo 2V

 Khi ≠ 1800 , -900 <  < 900 , và = ± 900 , dịch tần doppler có giá trị bằng không

 Khi  < 1800 , độ lớn của dịch tần doppler sẽ là cực đại dương khi

 = 00, cực đại âm khi  = 1800

 Với  = ±  /20 vecto vận tốc sẽ hướng về nguồn phát hoặc máy

thu và khi đó f B = (2V/λ) cos2 ( /2)

Trong hệ thống radar hai vị trí, đường bao doppler bị méo xiên đi, phụ thuộc vào động học của nguồn phát và máy thu, xác định bởi các thông số VT, VR, δT, δR Chúng có thể được trình bày và phân tích cho trường hợp đơn giản, khi mà mặt đất

đồng phẳng f TR là hằng số Ta có thể đưa ra công thức tính θR như sau :

Hình 2.5: Đường bao Doppler với mặt đất đồng phẳng Hình 2.5 là kết quả của từ công thức (2.12) Kích thước các ô trong hình trên là

tùy ý Với một số giá trị của f TR và θT sẽ cho 2 kết quả θR Ví dụ, khi f TR = -12,5

kHz và θT = 1350, θR.= 187.50 và θR= -97.50 Với các điều kiện khác, sẽ chỉ có một kết quả hặc không có kết quả θR nào thỏa mãn

Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay

sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian” Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten Là tham số được quan tâm nhiều khi xem xét một anten.Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa Ý nghĩa của giản đồ bức xạ cho ta biết được hướng bức xạ (hay thu) mạnh nhất của anten

Hình 2.6: Giản đồ bức xạ 2D trong đồ thị cực

Hình 2.7: Giản đồ bức xạ 2D, vẽ trên hệ tọa độ vuông

 Hệ số định hướng và tăng ích của anten:

Hệ số định hướng của anten được định nghĩa như sau: “tỉ lệ của cường độ bức

xạ theo một hướng cho trước so với cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường đồ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4π Nếu hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn”

Một cách đơn giản hơn, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính bằng với tỉ lệ của cường độ bức xạ theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức

xạ của một nguồn đẳng hướng (U0):

D0 là hướng tính cực đại (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Umax là cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị góc đặc)

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc đặc)

Prad là tổng công suất bức xạ (W)

Một đơn vị khác để mô tả hiệu suất của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng, và là đơn vị dùng để tính toán hiệu suất của anten cũng như khả năng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường

là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

Cường độ bức xạ của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia cho 4π (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức xạ bằng công suất đặt vào anten) Do đó, ta có:

G = 4π Cường độ bức xạ của anten thực tại hướng khảo sát (2.15)

 Băng thông:

Băng thông (BW) của anten được định nghĩa như sau: “khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiểu chuẩn nhất định” Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần

số cộng hưởng), ở đó các đặc tính anten (chẳng hạn như trở kháng vào, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được Ví

dụ, băng thông 10:1 chỉ ra rằng, tần số trên lớn hơn 10 lần tần số dưới

Với anten dải hẹp, băng thông được thể hiện bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần số (tần số trên – tần số dưới) so với tần số trung tâm của băng thông

Ví dụ, băng thông 5% thể hiện rằng, sự sai khác tần số là 5% tần số trung tâm của băng thông

 Đặc tính phân cực

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định nghĩa như sau: “là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten” Khi không đề cập tới hướng nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại Sự phân cực của sóng bức xạ được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời Có thể chia thành 2 loại phân cưc cơ bản là phân cực thẳng và phân cực elip Trong trường hợp phân cực elip có trường hợp đặc biệt là phân cực tròn hay được xét đến Đối với phân cực tròn lại có hai trường hợp được chia theo chiều quay của đầu mút vector E, bao gồm phân cực tròn trái (đầu mút vector E quay ngược chiều kim đồng

hồ ), và phân cực tròn phải trong trường hợp ngược lại Đặc tính phân cực của sóng

là cơ sở để sử dụng lại tần số trong thông tin, chế tạo các anten phân cực đôi

2.3.2 Kỹ thuật anten trong radar

2.3.2.1 Anten có mặt phản xạ

 Anten có mặt phản xạ parabol:

Nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ , làm bằng các vật liệu có hệ số phản

xạ cao (Rpx1), thường bằng nhôm hay hợp kim của nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn

để sóng phản xạ không bị tán xạ Tại tiêu điểm của gương parabol đặt một nguồn bức xạ sơ cấp (thường là một anten loa: feed horn) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm

pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của gương, như chỉ ra trên hình 2.8

Hình 2.8: Anten parabol Khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh gương O gọi là tiêu cự f, trục đi qua đỉnh gương và tiêu điểm gọi là trục quang (trục ox), nếu gương parabol tròn xoay thì đường kính miệng gương L được gọi là khẩu độ (aperture)

Theo tính chất của gương parabol, các tia sóng xuất phát từ tiêu điểm của gương rồi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành các tia sóng song song nhau và có tổng đường đi từ tiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng gương là bằng nhau và bằng một hằng số f + h ( ở đây h là độ sâu của gương) Như vậy nếu nguồn sơ cấp đặt tại tiêu điểm gương bức xạ sóng cầu thì sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng phẳng Bởi vậy anten gương parabol có bức xạ đơn hướng, với tính hướng hẹp

hệ số tăng ích cao

Nhược điểm của loại anten parabol này là bộ chiếu xạ đặt xa đỉnh gương nên

hệ thống đỡ bộ chiếu xạ có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, cùng với bộ chiếu xạ sẽ chắn đi một phần sóng phản xạ từ gương, gây ra hiệu ứng che tối làm méo đồ thị tính hướng, tăng búp phụ và làm giảm hiệu suất của anten Fide tiếp sóng cho bộ chiếu xạ dài gây nên tổn hao và tạp âm lớn

 Anten hai gương

Nguyên lý cấu tạo gồm hai gương, một gương chính với đường kính lớn là gương parabol, một gương phụ nhỏ là gương hypebol, được đặt sao cho tiêu điểm của hai gương trùng nhau tại F1, như chỉ ra trên hình 2.9

Hình 2.9: Anten parabol hai gương

Bộ chiếu xạ được đặt sao cho tâm pha trùng với tiêu điểm của gương phụ ảo hypebol F2 Do tính chất của gương hypebol là hiệu đường đi của tia sóng từ tiêu điểm của gương ảo đến mặt phản xạ với đường đi từ tiêu điểm của gương thật đến mặt phản xạ là một hằng số và tính chất của gương parabol như đã nói trên, nên các tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ (có nghĩa là từ tiêu diểm của gương phụ ảo hypebol, phản xạ làn thứ nhất tại gương phụ Hypebol, rồi phản xạ lần thứ hai tại gương chính parabol sẽ trở thành các tia sóng song song với nhau và có đoạn đường đi đến mặt phẳng song song với miệng gương là hằng số Do đó nguồn sơ cấp bức xạ sóng cầu sau khi phản xạ từ hai gương sẽ trở thành sóng phẳng

Anten hai gương có ưu điểm kích thước theo hướng trục quang ngắn hơn so với anten gương parabol (ngắn hơn một đoạn bằng tiêu cự của gương hypebol), bộ chiếu xạ đặt gần đỉnh gương parabol hơn nên giá đỡ nó đơn giản hơn và fide tiếp sóng sẽ ngắn hơn do đó tổn hao và tạp âm sẽ nhỏ hơn

 Anten lệch

Các anten một gương parabol và anten hai gương có một nhược điểm chung

là bộ chiếu xạ hay gương phụ đặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từ gương chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau gương làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng anten lệch nghĩa là bộ chiếu xạ được đặt lệch ra ngoài hướng của các tia phản xạ từ gương parabol, như chỉ ra trên hình 3.6

Hình 2.10: Anten Parabol có gương phản xạ lệch

2.3.2.2 Anten mảng và kỹ thuật định hướng sóng tới

Sơ đồ khối của hệ anten mảng pha

Hình 2.11: Sơ đồ khối của hệ anten mảng pha

Cấu trúc của một hệ anten mảng pha gồm 3 khối chính:

Hệ anten : gồm nhiều phần tử anten có độ tăng ích thấp Các phần tử này có thể sắp xếp trong không gian một cách tuỳ ý

Khối thu và tính hướng sóng đến DOA: bao gồm các bộ thu (bằng số phần tử anten) nhằm chuyển đổi từ cao tần xuống trung tần sau đó thực hiện lấy mẫu rồi đưa vào bộ xử lý tín hiệu DSP để tính ra hướng sóng tới DOA bằng thuật toán đánh giá góc

Khối điều khiển búp sóng anten: là các bộ quay pha được điều khiển bởi các thông số điện áp

Nguyên tắc hoạt động của hệ anten mảng pha

Hệ anten luôn ở trạng thái “nghe ngóng” thông tin trong không gian

Sau khi được chuyển về trung tần hoặc tín hiệu băng gốc (thường là trung tần), sau mỗi khoảng thời gian đều đặn, hệ anten lại thực hiện lấy mẫu tín hiệu đến Các mẫu này được đưa vào một bộ xử lý tín hiệu để tính ma trận tương quan, từ đó xác định được hướng sóng đến nhờ các thuật toán đánh giá hướng sóng đến

Thông tin từ bộ tính hướng sóng đến DOA được đưa vào một bộ điều khiển để đưa ra điện áp điều khiển các bộ quay pha

Các bộ quay pha sẽ làm quay búp sóng chính về hướng mong muốn (theo hướng

mà bộ đánh giá góc sóng đến DOA xác định được)

Quá trình “nghe ngóng” và phát tín hiệu luôn được thực hiện song song nhờ

bộ circulator Vì vậy, cấu trúc anten mảng pha như trên hình 2 hoàn toàn có khả năng bám theo các mục tiêu di động với tốc độ nhanh

Kỹ thuật định hướng sóng đến, DOA (Direction of Arrival )ứng dụng một trường hợp của hệ anten thông minh, ý tưởng của DOA là sử dụng hệ anten gồm nhiều phần tử được sắp xếp theo một thiết kế nào đó, tín hiệu thu được từ các phần

tử của hệ anten sẽ được thu lại và xử lý nhằm “lọc” ra đặc tính không gian của tín hiệu sóng đến bao hàm hướng đến của sóng ngay cả trong trường hợp có nhiễu

Kỹ thuật xác định hướng sóng đến DOA có thể chia làm 2 loại chính sau:

- Xác định DOA bằng cách đánh giá công suất tín hiệu thu được theo không

gian

Hình 2.12: Sơ đồ DOA theo phương pháp đánh giá phổ

Theo phương pháp này, các trọng số của mỗi phần tử anten thực hiện việc điều khiển búp sóng anten quét liên tục tất cả các góc trong không gian Các góc mà tại

đó công suất thu được cực đại chính là các góc cần xác định

Điển hình của phương pháp này là: phương pháp các bộ trễ kết hợp với các bộ cộng và phương pháp tối thiểu hoá phương sai của Capon

- Xác định DOA sử dụng việc phân tích cấu trúc riêng của không gian tín hiệu

Hình 2.13: DOA phương pháp phân tích cấu trúc riêng của không gian tín hiệu

Phương pháp này chỉ dựa trên tập các tín hiệu thu được từ không gian mà

không cần phải quét búp sóng của hệ anten theo các góc trong không gian

Họ các thuật toán của phương pháp đánh giá DOA này dựa trên việc khai triển

Có 2 thuật toán được sử dụng trong phương pháp này, đó là:

- Thuật toán phân lớp nhiều tín hiệu MUSIC

- Và thuật toán đánh giá tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên ESPRIT

Trên thực tế, MUSIC là thuật toán được phát triển trước (bắt đầu từ năm 1979)

và khá phổ biến Trong khi đó, ESPRIT phát triển sau (bắt đầu từ năm 1986) với những tính năng ưu việt như tốc độ tính toán nhanh hơn do chỉ cần tính một số vectơ lái tia trực giao với không gian nhiễu mà không cần phải tính tất cả như thuật toán MUSIC Tuy nhiên, chỉ một số mô hình anten nhất định mới có thể thực hiện được thuật toán này do nó đòi hỏi phải có các cặp phần tử cách đều nhau

2.3.2.3 Một ví dụ về bài toán định hướng tín hiệu phản xạ trong hệ thống

Hình 2.14: Sử dụng 2 anten tại bộ thu dung làm bộ so sánh pha

Phương pháp này sử dụng 2 anten đặt gần nhau một đoạn là d tại nơi thu để đón tín hiệu từ mục tiêu phản xạ lại Nhìn vào hình vẽ ta thấy góc của tín hiệu phản xạ

trở lại sẽ là α =  + π/2 Từ đó ta có thể thấy việc tính toán góc α hay góc  là

tương đương nhau Từ hình vẽ, áp dụng định lý hàm số có trong tam giác ta có:

Trong đó  là bước sóng của tín hiệu

Như vậy, ta có thể tính được hướng của tín hiệu phả xạ lại tại bộ thu qua độ lệch pha giữa 2 tín hiệu phản xạ lại taịi 2 anten thu Để giải quyết vấn đề này, ta sử dụng 1 bộ cộng và 1 bộ trừ tại máy thu như hình vẽ:

Hình 2.15: Cấu trúc bộ so sánh pha tại nơi thu tín hiệu Gọi S1 và S2 là tín hiệu phản xạ lại tại anten 1 và anten 2 Khi đó 2 tín hiệu sẽ

Khi tính được góc  ta có thể dễ dàng tính được góc β trong hệ thống Radar

thụ động Từ đó ta có thể xét được độ phân giải khoảng cách cũng như độ phân giải Doppler dựa vào hàm mù của từng loại tín hiệu

2.4 Kỹ thuật siêu cao tần, xử lý tín hiệu và các kỹ thuật điện tử khác

j j

j j

e

j e

Ngoài các cơ sở lý thuyết đề cập bên trên, kỹ thuật radar được phát triển dựa trên nền tảng của nhiều lĩnh vực quan trọng khác vực khác liên quan đến truyền thông tin và xử lý thông tin, mỗi lĩnh vực này lại là những mảng nghiên cứu rất lớn ứng dụng trong kỹ thuật radar

Kỹ thuật siêu cao tần liên quan tới các bài toán về phối hợp trở kháng, thiết kế các mạch, ống dẫn sóng những linh kiện mà radar nói chung đòi hỏi tính chính xác rất cao

Xử lý tín hiệu nói chung, xử lý số tín hiệu nói riêng quyết định đến khả năng hoạt động của radar Chúng ta biết rằng radar được ví như một cảm biến độ nhạy cực cao Tín hiệu có ích thu được của radar có mức thu rất thấp do đó bài toán xử

lý và gia công tín hiệu là cực kỳ quan trọng Xử lý tín hiệu tham gia trong giai đoạn phân tích (chẳng hạn tính sự tương quan của tín hiệu) trong khối xử lý và nhận biết mục tiêu Các thiết kế của bộ lọc hòa hợp, bộ lọc Kalman sử dụng trong bộ thu của radar cũng là sản phẩm của xử lý số tín hiệu

Các kỹ thuật điện tử khác như điều khiển tự động, kỹ thuật máy tính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hoạt động của các hệ thống radar ngày nay

CHƯƠNG 3 - RADAR THỤ ĐỘNG

3.1 Giới thiệu về radar thụ động

3.1.1 Khái niệm về radar thụ động

Radar thụ động (Passive radar) là dạng radar phát hiện vào theo dõi mục tiêu bằng cách thu các tín hiệu bị phản xạ bởi mục tiêu Các nguồn phát tín hiệu là các nguồn phát xạ có sẵn trong như tín hiệu quảng bá phát thanh truyền hình, tín hiệu của các hệ thống viễn thông

Dạng tiêu biểu của radar thụ động là “passive bistatic radar” hay radar thu động hai vị trí sẽ được nghiên cứu kỹ trong luận văn trong phần tiếp theo

3.1.2 Lịch sử

Hệ thống radar thụ động đầu tiên được biết đến trên thế giới vào năm 1935 tại nước Anh do Robert Watson – Watt thiết kế Đó là hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu sóng ngắn của đài BBC đặt tại Daventry để phát hiện các máy bay ném bom ở khoảng cách 12Km

Trong chiến tranh thế giới thứ hai quân đội Đức đã phát triển một hệ thống radar thụ động lưỡng cực có tên là Kleinne Heidelberg Parasit gồm 6 hệ thống thu đặt tại Limmen, Oostvoorne, Ostend, Boulogne, Abbeville, Cap d'Antifer & Cherbourg để phát hiện máy bay quân đối phương tại khu vực biển Bắc Hệ thống radar thụ động này có đặc biệt là chúng sử dụng chính nguồn phát từ hệ thống radar tích cực Chain Home của quân đội Anh

Từ 1980 trở lại đây, nhờ ảnh hưởng từ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

số đặc biệt là nền tảng về xử lý tín hiệu số được nâng cao radar thụ động được các quốc gia chú trọng nghiên cứu hơn Năm 1998, hệ thống radar thụ động có tên Lockheed – Martin Mission sử dụng tín hiệu FM và truyền hình tương tự đã được công bố

3.1.3 Phân loại một số dạng radar thụ động

Dạng tiêu biểu radar thụ động là PBR có dạng:

Hình 3.1: Radar thụ động hai vị trí – PBR (Passive Bistatic Radar)

Trường hợp chỉ có một nguồn phát và một máy thu, hệ thống được phân chia theo góc : [7]

-   20o: Radar 1 vị trí (Monostatic Radar)

- 20o  145o: Radar 2 vị trí (Passive Bistatic Radar)

- 145o 180o



  : Radar nhìn thẳng (Multistatic Radar )

Trường hợp Radar nhìn thẳng ít khả năng xảy ra, với góc  ~ 180oxem như mục tiêu bay ở độ cao rất thấp gần bằng với độ cao bộ thu, phát

Radar một vị trí là trường hợp khi mục tiêu bay khá cao hoặc nguồn phát và máy thu đặt khá gần nhau

Radar thụ động 2 vị trí (Passive Bistatic Radar PBR) là trường hợp phổ biến của loại radar này

Việc phân loại theo góc chỉ có tính tương đối về mặt thiết kế, nhưng nó liên quan nhiều đến các công thức để tính toán và ước lượng tầm hoạt động của hệ thống radar

Khi hệ thống radar có nhiều máy thu, nguồn phát khác nhau hệ thống được gọi là radar đa vị trí (Multistatic)

Hình 3.2: Radar thụ động nhiều vị trí

3.1.4 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

- Ưu điểm chính của hệ thống radar thụ động là chúng được xem như những các hệ thống phòng thủ “thầm lặng” Các hệ thống này có thể được bố trí để “nghe” các phản hồi từ mục tiêu mà không cần đài phát Chúng có vai trò là các hệ thống phụ trợ rất hiệu quả, đặc biêt là các mục tiêu tầm thấp

- Radar thụ động còn có ưu điểm và chi phí xây dựng hệ thống

- Các radar tích cực thường được quy hoạch các dải tần riêng nên can nhiễu các

hệ thống khác cũng ít hơn, trong khi đó radar thụ động sẽ phải xem xét giải quyết vấn đề can nhiễu với các hệ thống khác (nhất là đối với hệ thống phát thanh, truyền hình)

3.2 Một số nguồn phát tín hiệu có thể được sử dụng cho radar thụ động 3.2.1 Nguồn phát tín hiệu phát thanh FM

Tín hiệu FM được quy hoạch trong băng tần VHF 88-108 MHz Quá trình điều chế là điều chế FM băng thông rộng, với một kênh truyền có băng thông B (thường là 50 kHz) (tương ứng với độ phân giải khoảng c/2B = 3000 m) Các máy phát thường được định vị với nhau trên các tháp hoặc ở các vị trí cao Các mẫu bức

xạ thường là đa hướng [5]

3.2.2 Nguồn phát tín hiệu truyền hình tương tự

Các tín hiệu truyền hình tương tự được quy hoạch trong cả băng tần VHF (đoạn băng tần từ 174MHz - 216 MHz) và băng UHF (đoạn băng tần từ 470-806 MHz ) Các chuẩn tín hiệu truyền hình hiện này có PAL (Phase Alternating Line) NTSC (National Television System Committee) và SECAM (Sequentiel Couleurs avec Memoire) Băng thông của các điều chế video tương tự thường được 5,5 – 6,5MHz (tương ứng với độ phân giải khoảng c/2B = 30 m) Như với truyền FM, các mẫu bức xạ thường là đa hướng trong mặt phẳng phương vị [5]

3.2.3 Nguồn phát tín hiệu tín hiệu truyền hình, truyền thanh số

Các dạng tín hiệu của loại nguồn phát này sử dụng công nghệ điều chế OFDM Tín hiệu truyền đi theo khung và có thông tin đồng bộ Mỗi khung chứa một số lượng lớn các tiểu sóng mang được mã hóa trực giao, mang thông tin điều chế Loại hình điều chế này giống như điều chế tiếng ồn và không cho thấy sự phụ thuộc vào nội dung chương trình cùng một hoặc biến đổi theo thời gian như tín hiệu

FM, nó có những đặc tính thuận lợi của hệ thống Radar thụ động Bù lại là hiệu suất bức xạ thấp hơn so với các máy phát DAB (khoảng 1 kW ít hơn so với các máy FM truyền VHF tương đương). [5]

3.2.4 Một số nguồn phát tín hiệu khác

Một số thiết bị truyền phát khác đã được coi như là phát tín hiệu cho các radar thụ động, như tín hiệu truyền thông mạng điện thoại di động, truyền hình qua vệ tinh Ví dụ các kênh phát sóng truyền hình (DBS, Echo Star, ) truyền thông (Inmarsat, iridi, ) và điều hướng (GPS, GLONASS, Galileo, ) Các tín hiệu loại này phủ sóng liên tục, nhưng mật độ công suất tại bề mặt Trái Đất là rất thấp không đặc biệt thích hợp cho giám sát trên không

Một số loại truyền phát khác đôi khi được xem xét cho việc sử dụng trong hệ thống Radar thụ động là tín hiệu phát sóng HF (Short Wave), bao gồm định dạng mới rất mạnh mẽ DRM (Digital Radio Mondiale) Băng thông hiệu dụng tín hiệu này là 10 kHz, độ phân giải khoảng cách đạt được là 16 km và độ phân giải Doppler là 3,4 Hz (tương đương với một độ phân giải vận tốc 39,2 m/s)

3.3 Hệ thống radar thụ động hai vị trí PBR

3.3.1 Mô tả hệ thống

Hình 3.3: Radar thụ động PBR

- Hệ thống radar lưỡng cực hay còn gọi radar hai vị trí tên tiếng Anh là Passive

Bistatic Radar, ký hiệu là PBR

- PBR là hệ thống radar thụ động chỉ bao gồm đài radar thu Đài thu được đặt trong vùng phủ sóng của nguồn phát tín hiệu có sẵn, vị trí này phải đảm bảo đài radar thu luôn thu được các tín hiệu phát đi từ nguồn phát có sẵn một cách trực tiếp

- Ở trạng thái bình thường, radar thụ động nằm trong trạng thái “nghe ngóng” Khi có mục tiêu bay vào vùng phủ của radar đa thu đồng thời là vùng phủ sóng của đài phát có sẵn, mục tiêu sẽ phản xạ lại cái tín hiệu của nguồn phát có sẵn đó Lúc này, đài radar thu các tín hiệu bị phản xạ từ mục tiêu

- Nhờ tính tương quan của tín hiệu bị phản xạ và tín hiệu thu trực tiếp hệ thống radar thụ động sẽ quyết định được việc nhận biết mục tiêu và các thông số liên quan như vận tốc, khoảng cách…

3.3.2 Hệ thống radar thu

Sơ đồ khối của hệ thống radar thụ động PBR (đài thu) như hình 3.4

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống thu của radar PBR

- Hệ thống anten: Đài thu PBR gồm 2 hệ thống anten: