Bài giảng vô tuyến điện hàng hải 1

Radar phát hiện mục tiêu bằng cách phát đi các xung siêu cao tần cực ngắn vào không gian, thu xung phản xạ trở về từ các mục tiêu và thể hiện các xung phản xạ đó thành ảnh các mục tiêu t

BÀI GIẢNG CHI TIẾT MÔN MÁY VÔ TUYẾN ĐIỆN HÀNG HẢI 1

PHẦN 4: RADAR HÀNG HẢI

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ RADAR HÀNG HẢI

Mở đầu

Trường điện từ và sóng vô tuyến điện

Giả sử có dòng điện sinh ra khi cho dây dẫn chuyển động trong một từ trường, thì trong dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện, chiều dòng điện trong dây dẫn

sẽ thay đổi khi từ trường đổi hướng

Năng lượng của dòng điện sẽ sinh ra dưới dạng nhiệt (năng lượng tiêu hao tỉ

lệ với cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn và điện trở của dây dẫn) và dưới dạng trường điện từ đồng tâm với dây dẫn Chiều của trường điện từ này phụ thuộc chiều của nguồn điện Nếu ngắt dòng trong dây dẫn thì trường điện từ sẽ giảm về 0 sau một khoảng thời gian nhất định

Nếu cực của nguồn điện được thay đổi luân phiên với tốc độ đủ lớn, tương ứng với khoảng thời gian cần thiết để trường điện từ suy giảm về 0 như đã trình bày ở trên, trường hợp này dây dẫn sẽ sinh ra tiếp một trường điện từ khác, có cường độ tỉ lệ nhưng ngược dấu với trường điện từ ban đầu Như vậy trường điện từ ban đầu được duy trì do xuất hiện trường điện từ thứ hai Kết quả là nó

sẽ lan truyền ra ngoài không gian Đây là nguyên lý cơ bản của anten phát radio, anten này sẽ phát ra sóng radio có tần số tỉ lệ với tốc độ thay đổi phân cực của nguồn, tốc độ lan truyền tương ứng với tốc độ ánh sáng

Các yêu tố đặc trưng của sóng

vô tuyến điện là chu kỳ hay bước

sóng, biên độ và pha

Giá trị lớn nhất của trường

điện từ gọi là biên độ Mặt trước

của sóng gọi là front Với các an

ten vô hướng, sóng lan truyền ra

xung quanh theo các mặt cầu

(hoặc các bán cầu)

1 chu kỳ bước sóng

biên độ +

-+

U cực đại

cực đại

t, D 0

Một chu kỳ là khoảng thời gian hoàn thành một sự thay đổi giá trị của trường, có thể tính từ cực đại này đến cực đại tiếp theo Quãng đường năng lượng lan truyền được trong một chu kỳ gọi là bước sóng, thường đo bằng đơn

vị hệ mét (m, cm…) Số lượng các chu kỳ được lặp lại trong một đơn vị thời

gian (thường là 1 giây-second) gọi là tần số, đơn vị tính bằng Hertz (Hz) Bước

sóng và tần số tỉ lệ nghịch với nhau

Pha (phase) của sóng là đại lượng được tính từ khi dao động bắt đầu truyền

đi đến thời điểm hiện tại, đơn vị tính bằng góc pha Một chu kỳ tính là 360o

góc pha Nói chung thì thời điểm bắt đầu phát dao động cũng không quan trọng mà quan trọng là góc pha tương đối giữa các sóng điện từ với nhau Hai dao động có cực đại lệch nhau ¼ chu kỳ gọi là lệch pha 90o Nếu cực đại (đỉnh sóng) của dao động này trùng với cực tiểu (hõm sóng) của dao động kia thì gọi là lệch pha

180o

Sóng vô tuyến điện lan truyền trong không gian sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ Tùy thuộc vào tần số, điều kiện môi trường mà các hiện tượng trên có ảnh hưởng khác nhau tới sự lan truyền sóng

Phát và thu tín hiệu vô tuyến điện

Sơ đồ nguyên lý quá trình phát và thu tín hiệu sóng vô tuyến điện như sau:

1.1 Khái niệm chung về radar

Radar là viết tắt của cụm từ radio detection and ranging, là một thiết bị dùng

sóng vô tuyến để phát hiện và định vị mục tiêu Radar có nhiều loại: loại dùng cho hàng hải, hàng không, radar khí tượng… Ta chỉ xem xét nguyên lý cấu tạo

và hoạt động của loại radar hàng hải

Radar phát hiện mục tiêu bằng cách phát đi các xung siêu cao tần cực ngắn vào không gian, thu xung phản xạ trở về từ các mục tiêu và thể hiện các xung phản xạ đó thành ảnh các mục tiêu trên màn ảnh Radar hàng hải cho ta hai thông số của mục tiêu, đó là góc mạn và khoảng cách từ mục tiêu tới tàu ta, kết hợp với la bàn sẽ cho phương vị mục tiêu Đối với hàng hải thì radar có vai trò đặc biệt quan trọng Nó có thể phát hiện mục tiêu ở khoảng cách lớn trong mọi

Máy phát

Mã hóa

tin tức

Máy thu Giải mã tin tức

Môi trường truyền sóng

điều kiện tầm nhìn xa như mưa, sương mù, tuyết rơi… phục vụ cho thao tác tránh va Radar còn dùng để xác định vị trí tàu khi tàu hàng hải ven bờ Một ưu điểm nổi bật của radar so với các hệ thống vô tuyến dẫn đường là nó có thể hoạt động độc lập mà không cần sự phối hợp giữa các trạm

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thiết bị radar trên tàu biển ngày càng hiện đại, nhiều tính năng, có thể kết hợp với nhiều trang bị hàng hải khác như la bàn, tốc độ kế, GPS, AIS, VDR…, hình thành các buồng lái tổ hợp

(Intergrated Bridge) có thể cung cấp nhiều thông tin cho người điều khiển tàu

một cách nhanh chóng, chính xác nhằm tiết kiệm thời gian cho việc định vị, dành thời gian cho việc xử lý thông tin để nhà hàng hải đưa ra những quyết định chính xác nhằm nâng cao an toàn cho con tàu

Qui định về trang bị radar trên tàu

Theo điều 19 chương 5 (chương AN TOÀN HÀNG HẢI- Safety of

navigation) của công ước SOLAS 1974 với các hiệu chỉnh bổ sung mới nhất có

hiệu lực từ ngày 1 tháng 7 năm 2004, điều 19 chương 5 này qui định về việc

trang bị các thiết bị máy móc hàng hải trên tàu (Carriage requirements for

shipborne navigational systems and equipments), việc trang bị radar trên tàu

biển phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Các tàu đóng vào hoặc sau ngày 1 tháng 7 năm 2002 phải trang bị đầy đủ các trang thiết bị qui định trong điều này

- Các tàu có GT 300 trở lên và các tàu khách mọi cỡ phải trang bị 1 radar 9GHz, hoặc một thiết bị nào khác có thể thể hiện và xác định được khoảng cách

và phương vị tới một thiết bị phát đáp radar và các bè nổi, chướng ngại, phao tiêu, đường bờ và các dấu hiệu hàng hải khác nhằm phục vụ cho việc hàng hải

*** Thiết bị truyền chỉ số hướng mũi tàu, hoặc thiết bị khác để truyền chỉ

số hướng mũi tàu vào cho các thiết bị radar và AIS

- Các tàu có GT 500 trở lên, ngoài việc trang bị như trên, nếu không trang bị các thiết bị theo mục * và ***, nhưng vẫn phải trang bị thiết bị nêu trong mục

**, còn phải trang bị thêm một thiết bị tự động theo dõi vết của mục tiêu, hoặc một thiết bị tương đương khác để đồ giải tự động khoảng cách và phương vị của các mục tiêu nhằm xác định nguy cơ va chạm

- Các tàu có GT 3000 trở lên còn phải trang bị thêm 1 radar 3GHz, hoặc nếu được chính quyền hành chính cho phép, thì thay bằng một radar 9 GHz thứ hai, hoặc một thiết bị nào khác có thể thể hiện và xác định được khoảng cách và phương vị tới một thiết bị phát đáp radar và các bè nổi, chướng ngại, phao tiêu, đường bờ và các dấu hiệu hàng hải khác nhằm phục vụ cho việc hàng hải và tránh va Thiết bị này phải hoạt động độc lập với thiết bị thứ nhất ở trên Và

Thiết bị tự động theo dõi vết của mục tiêu thứ hai, hoặc một thiết bị tương đương khác để đồ giải tự động khoảng cách và phương vị của các mục tiêu nhằm xác định nguy cơ va chạm hoạt động độc lập với thiết bị đồ giải ở trên

- Tàu có GT 10000 trở lên, ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu trên, nếu không trang bị thiết bị đồ giải thứ hai thì phải trang bị:

Một thiết bị tự động đồ giải tránh va radar (ARPA), hoặc một thiết bị tương

đương khác để tự động xác định và đồ giải khoảng cách và phương vị tới ít nhất

20 mục tiêu, được nối với thiết bị chỉ thị khoảng cách và quãng đường so với nước, nhằm xác định nguy cơ va chạm và thực hiện mô phỏng điều động tránh

va, và:

Một hệ thống điều khiển hướng mũi tàu hoặc vết đi của tàu, hoặc thiết bị tương đương khác, có thể tự động điều khiển và duy trì cho tàu chuyển động theo một hướng hoặc vết đi thẳng nhất định

- Tàu nhỏ hơn 150 GT và nếu có thể được, phải trang bị một bộ phản xạ radar

(radar reflector), hoặc một thiết bị khác để các tàu khác đang hành trình có thể

phát hiện được bằng cả hai loại radar 3 GHz và 9 GHz

bổ sung có hiệu lực từ ngày 1 tháng 7 năm 2004 Các qui định về trang bị như trên có thể sẽ thay đổi khi ra đời các hiệu chỉnh bổ sung tiếp theo

1.2 Nguyên lý radar xung

1.2.1 Khái niệm xung điện từ

Xung điện từ là đại lượng điện biến

đổi rất nhanh và có thời gian tồn tại

xung cũng như chu kỳ lặp xung nhất

định Hình vẽ bên biểu thị các dạng

xung được sử dụng trong thiết bị

radar

Gọi τx là chiều dài xung hay thời

gian tồn tại của xung Tx là chu kỳ lặp

xung

T x

U

t Xung nhọn

Xung vuông điều chế

Xung siêu cao tần Xung răng cưa

τ x

Trong radar hàng hải thường sử dụng

λ=3.2 cm (f = 9,400 MHz): dải X-Band

λ=10 cm (f = 3,000 MHz): dải S-Band

λ=0.8 cm (f = 28,600 MHz): dải Q-Band

Hầu hết các radar hàng hải đều thường sử dụng hai dải X-band và S-band

1.2.2 Nguyên lý phát xung của radar theo sơ đồ khối

Radar phát xung theo sơ đồ khối sau:

- Đồng bộ: sản xuất ra các xung nhọn khởi động với chu kỳ lặp xung thích hợp để điều hòa hoạt động của toàn trạm radar

- Máy phát có nhiệm vụ sinh ra các dao động siêu cao tần, có chiều dài xung

và chu kỳ lặp xung nhất định và đảm bảo công suất, đưa qua chuyển mạch, ra anten phát vào không gian

- Máy thu có nhiệm vụ thu nhận các xung phản xạ về từ mục tiêu, khuếch đại

và sửa đổi cho phù hợp rồi đưa sang máy chỉ báo

Máy thu Máy chỉ báo

Chuyển mạch

An ten

Mục tiêu

- Máy chỉ báo có nhiệm vụ thể hiện xung phản xạ từ các mục tiêu thành ảnh trên màn ảnh, thực hiện các phép đo cần thiết

- Chuyển mạch an ten có nhiệm vụ ngắt máy thu khi phát xung để bảo vệ máy thu và ngắt máy phát khi ngừng phát để thu xung phản xạ

- An ten thường sử dụng loại an ten khe, làm 2 nhiệm vụ: bức xạ sóng radar vào không gian theo một búp phát định hướng và thu sóng phản xạ về từ các mục tiêu

1.2.3 Nguyên lý đo khoảng cách

Theo nguyên lý của màn hình ống phóng tia điện tử (CRT), khi chưa có tín hiệu đưa vào các bản cực gây lệch (hoặc cuộn gây lệch) chùm tia âm cực sẽ tập trung về tâm của màn ảnh, tác động vào lớp huỳnh quang tạo thành một chấm sáng ở tâm màn ảnh

Để tạo ra tia quét trên màn ảnh, người ta đưa

vào bản cực gây lệch một xung răng cưa (sawtooth

pulse), xung răng cưa này phải có dạng tuyến tính,

dưới tác dụng của xung răng cưa này, chấm sáng

sẽ chuyển động từ tâm ra biên màn ảnh với tốc độ không đổi, khi hết xung răng cưa thì lập tức trở về tâm Chấm sáng chuyển động sẽ lưu ảnh lại và cho

ta nhìn thấy một đường thẳng sáng liên tục kéo dài

từ tâm ra biên gọi là tia quét màn ảnh (sweep) Nếu

ta cho cặp bản cực gây lệch hoặc cuộn gây lệch quay tròn quanh cổ ống phóng tia điện tử thì tia quét cũng quay tròn với tốc độ quay tương ứng

Khi radar bắt đầu phát xung vào không gian thì đồng thời xung răng cưa cũng được đưa vào các bản cực gây lệch, chấm sáng trên màn ảnh bắt đầu chuyển

động từ tâm ra biên với tốc độ v1 nhất định Xung siêu cao tần đập vào mục tiêu

1 cách an ten khoảng cách D1, cho xung phản xạ trở về tới an ten sau khoảng thời gian t1 thì khi đó trên màn ảnh, chấm sáng cũng đã chuyển động được một quãng đường d1 nào đó Ta có thể dễ dàng tính được mối tương quan giữa các yếu tố khoảng cách và thời gian đó như sau:

c

D v

.

v

c d

D =

Nếu có mục tiêu 2 ở khoảng cách D2 xa hơn thì khi sóng phản xạ từ mục tiêu

2 về tới an ten sẽ hết thời gian t2 lớn hơn so với t1 và khi đó trên màn ảnh, chấm sáng đã chuyển động được quãng đường d2 lớn hơn Tương tự ta cũng sẽ tính được khoảng cách thực tế D2 theo phương pháp trên

Như vậy theo nguyên lý trên, chỉ cần xác định được khảng cách d1 và d2 trên màn ảnh thì sẽ suy ra các khoảng cách D1 và D2 ngoài thực địa

đo góc của radar thì an ten

và tia quét cần phải quay

đồng bộ và đồng pha với

nhau, nghĩa là cùng vận

tốc góc và cùng góc pha

ban đầu Khi an ten quay

về phía mũi tàu thì tia quét

tia quét cũng quay được một góc θ tương ứng Xung siêu cao tần phát đi với tốc

độ rất nhanh, đập vào mục tiêu, phản xạ về an ten lập tức được thể hiện thành ảnh trên màn ảnh, trong thời gian đó búp phát quay được một góc rất nhỏ, hầu như vẫn ở nguyên vị trí chụp vào mục tiêu nói trên (thiết kế sao cho trong quãng thời gian búp phát quét qua mục tiêu thì sóng phát radar đã truyền tới mục tiêu, trở về an ten, phát ra xung tiếp theo và lại trở về… cứ như vậy được 8-12 lần đối với các mục tiêu xa nhất trong thang tầm xa hiện tại) Như vậy góc mạn của ảnh mục tiêu trên màn ảnh và góc mạn thực tế sẽ bằng nhau và chỉ cần xác định góc mạn trên màn ảnh là suy ra góc mạn ngoài thực địa của mục tiêu

Kết hợp với hướng mũi tàu từ la bàn sẽ cho ta phương vị thật của mục tiêu

1.3 Các thông số khai thác của radar

Gồm các thông số sau:

- Tầm xa cực đại

- Tầm cực tiểu

- Khả năng phân biệt theo khoảng cách

- Khả năng phân biệt theo góc

1.3.1 Tầm cực đại của radar (D max )

Tầm xa cực đại là khoảng cách lớn nhất mà trong vòng bán kính đó radar có khả năng phát hiện mục tiêu Có thể xác định tương đối chính xác tầm xa cực đại theo công thức sau:

( )

8

2 min

4 2 1 2

max

.

4

λ

π

thu

O A x

P

h h S

G P

Trong đó:

+) Px: công suất phát xung

+) GA: hệ số định hướng của an ten

đ ng A

G

αα

π

.

4

αng và αđ là các giá trị góc mở ngang và góc mở đứng của búp phát an ten

+) SO: bề mặt hiệu dụng của mục tiêu, nói lên khả năng phản xạ của mục tiêu tốt hay kém

+) h1, h2: chiều cao của an ten và của mục tiêu

+) λ: bước sóng phát

+) Pthumin: độ nhạy máy thu, Pthumin = N.k.q.T.Δf

Pthumin càng nhỏ thì độ nhạy càng cao

1.3.2 Tầm cực tiểu của radar (D min )

Tầm cực tiểu (Dmin) là khoảng cách nhỏ nhất mà trong vòng bán kính đó radar không có khả năng phát hiện mục tiêu

Dmin phụ thuộc chiều dài xung phát τx, độ ỳ của thiết bị qui ra thời gian trễ τy

(thời gian trễ của các bộ chuyển mạch, máy thu), chiều cao của an ten radar h1, góc mở đứng của búp phát αđ Ngoài ra nó còn phụ thuộc chất lượng điều chỉnh màn ảnh, trạng thái mặt biển…

Búp phát radar có góc mở ngang αng =0.5o – 3o và góc mở đứng: αđ =20o –

30o Năng lượng phát từ an ten tập trung trong giới hạn trên Nếu mục tiêu quá gần tàu, ngoài phạm vi của góc mở

đứng nghĩa là nó đi vào vùng chết

của radar, búp phát không chụp

được và mục tiêu nên radar không

bắt được các mục tiêu này Khi đó

ta xác định Dmin như sau:

2 cot

Khi mục tiêu quá gần tàu, xung thứ nhất phát chưa hết, chưa hoàn toàn ra khỏi anten mà xung phản xạ đã quay về tới anten, khi đó các mục tiêu quá gần tàu như vậy cũng không được thể hiện trên màn ảnh Như vậy, Dmin còn phụ thuộc chiều dài xung τx và thời gian trễ của bộ chuyển mạch và máy thu τy Khi

đó có thể xác định Dmin như sau:

2

2

Nếu không tính tới độ trễ thì Dmin = 300 : 4 = 75 (m)

Thực tế để xác định Dmin đối với radar lắp ráp trên tàu thường dùng xuồng và thước dây, tiến hành như sau: mở radar thang tầm gần nhất, thả xuồng rồi dùng dây kéo xuồng vào gần tàu, khi ảnh xuồng trên màn ảnh mất đi thì khoảng cách còn lại chính là bán kính vùng chết

Lưu ý Dmin đối với một thiết bị radar cụ thể trên tàu có thể khác nhau tùy theo từng góc mạn cụ thể do ảnh hưởng của các kết cấu hoặc chướng ngại trên tàu, ảnh hưởng của nghiêng chúi, anten radar lắp lệch về một bên mạn tàu chứ không trùng với mặt phẳng trục dọc tàu… Các nhà sản xuất cũng thường đưa ra con số

Dmin cho radar mới xuất xưởng nhưng thông số này chưa bao hàm ảnh hưởng của điều kiện thực tế sau khi lắp ráp radar trên một con tàu cụ thể, ví dụ như độ cao an ten, vị trí lắp đặt anten, các chướng ngại khác trên tàu…

1.3.3 Khả năng phân biệt theo khoảng cách

Là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai mục tiêu có cùng phương vị tới radar mà ở khoảng cách đó ảnh của chúng còn tách rời nhau trên màn ảnh

nếu hai mục tiêu cách nhau một khoảng cách đủ lớn thì các xung phản xạ từ hai mục tiêu đó sẽ tách rời nhau (hình A, B) và trên màn ảnh, ảnh của chúng sẽ tách

rời nhau

Nếu hai mục tiêu quá gần nhau thì các xung phản xạ từ hai mục tiêu sẽ có phần trùng lên nhau (hình C) Ảnh hai mục tiêu này trên màn ảnh sẽ chập vào nhau thành một ảnh lớn hơn

Như vậy để có thể tách bạch ảnh của hai mục tiêu trên màn ảnh thì khoảng cách giữa chúng phải đảm bảo : ΔD ≥ c.τx/2

Ngoài ra khả năng phân biệt theo khoảng cách còn phụ thuộc vào khả năng đều chỉnh ảnh trên màn ảnh radar Nếu điều chỉnh để cho ảnh mục tiêu lớn quá (tăng độ sáng màn ảnh hoặc tăng khuếch đại máy thu quá mức) sẽ làm ảnh các mục tiêu gần nhau có thể trùng lên nhau Tổng hợp các yếu tố trên ta có:

5 0

2

.

,

D

D d c

D≥ x + O

Trong đó d là dường kính chấm sáng trên màn ảnh

D’: đường kính ống phóng tia điện tử (màn ảnh)

DO: thang tầm xa dang sử dụng

Để tăng khả năng phân biệt theo khoảng cách, có thể giảm chiều dài xung phát τx (hình D) Khi đó hai xung phản xạ từ hai mục tiêu cũng sẽ ngắn lại và tách rời nhau Nhưng giảm chiều dài xung thì năng lượng đập vào mục tiêu cũng giảm làm giảm Dmax Các radar thường có chế độ chọn chiều dài xung cho từng thang tầm xa Khi đó ta chọn chiều dài xung ngắn hơn để tăng khả năng phân

biệt theo khoảng cách Giảm thang tầm xa cũng là một biện pháp có thể giảm bớt chiều dài xung

Ngoài ra cần điều chỉnh tốt màn chỉ báo radar, nếu cần có thể giảm bớt GAIN

để tạm thời thu nhỏ đường kính chấm sáng biểu thị mục tiêu, hoặc có thể sử dụng các núm khử nhiễu thích hợp

1.3.4 Khả năng phân biệt theo góc

Là góc kẹp ngang nhỏ nhất giữa hai mục tiêu có cùng khoảng cách tới an ten

mà ảnh của hai mục tiêu đó vẫn còn tách rời nhau trên màn ảnh radar

Khả năng phân biệt theo góc về định lượng chính là giá trị góc mở ngang của búp phát radar Nếu hai mục tiêu cùng khoảng cách nếu quá gần nhau thì chúng

sẽ nằm trong cùng 1 búp phát radar và xung phản xạ từ hai mục tiêu này sẽ có phần trùng nhau nên ảnh của chúng sẽ chập với nhau trên màn ảnh Ngoài ra việc điều chỉnh màn chỉ báo radar tốt hay không có thể làm tăng kích thước của chấm sáng mục tiêu, ảnh hưởng đến khả năng phân biệt theo góc của radar

của mục tiêu 3 tách riêng ra

không bị lẫn vào ảnh của mục

α = 70 Trong đó λ là bước sóng phát; l là chiều dài của anten

Muốn giảm αng, có thể giảm bước sóng phát λ hoặc tăng chiều dài anten l, hoặc kết hợp cả hai phương pháp Radar trên tàu thường sử dụng hai loại bước sóng 3.2 cm và 10 cm Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng Trong đó radar 3.2 cm sẽ có khả năng phân biệt theo góc tốt hơn so với radar 10 cm

Khi thiết kế radar, các nhà sản xuất thường cho một số lựa chọn về kích thước anten đối với từng loại radar Ví dụ một số chiều dài thông dụng của anten

Xét về ảnh hưởng của màn chỉ báo radar đối với khả năng phân biệt theo góc,

ta có thể tính khả năng phân biệt theo góc như sau:

1.4 Các thông số kỹ thuật của radar

Gồm các thông số sau:

- Bước sóng phát λ

- Chiều dài xung τx

- Hệ số định hướng của anten GA

- Tốc độ quay của anten

- Công suất phát xung Px

- Tần số lặp xung và chu kỳ lặp xung Fx, Tx

- Độ nhạy máy thu Pthumin

1.4.1 Bước sóng phát ( λ)

- Việc lựa chọn bước sóng phát λ trên cơ sở đảm bảo tốt khả năng phân biệt theo khoảng cách và theo góc, búp phát radar hẹp tuy an ten có kích thước nhỏ, đảm bảo tầm hoạt động lớn, phát hiện được cả các mục tiêu lớn và nhỏ, giảm bớt ảnh hưởng của điều kiện khí tượng thủy văn…

- Radar hàng hải thưởng sử dụng 3 loại bước sóng phát: 0.8 cm, 3 cm, 10 cm λ=3.2 cm (f=9,400 MHz): dải X-Band

λ=10 cm (f=3,000 MHz): dải S-Band

λ=0.8 cm (f=28,600 MHz): dải Q-Band

Hầu hết các radar hàng hải đều thường sử dụng hai dải X-band và S-band

Với radar bước sóng 3.2 cm thông thường cho phép chiều dài xung giảm nhỏ hơn so với radar bước sóng 10 cm, do đó tăng được khả năng phân giải theo khoảng cách Ngoài ra về chế tạo cũng cho phép góc mở ngang của búp phát anten hẹp hơn nên khả năng phân giải theo góc cũng tốt hơn Kích thước an ten gọn nhẹ hơn

Ngược lại, radar bước sóng 10 cm có tầm xa tác dụng lớn hơn do năng lượng

ít bị tổn hao hơn trong quá trình lan truyền qua môi trường Ngoài ra khả năng chống nhiễu, đặc biệt là nhiễu mưa tuyết của radar bước sóng 10 cm cũng tốt hơn so với radar 3.2 cm

1.4.2 Chiều dài xung phát (τx )

Xung phát radar có chiều dài từ 0.1-1 μs Chiều dài xung τx thay đổi theo từng loại radar và từng thang tầm xa cụ thể Chiều dài xung phải đủ lớn để chứa một số lượng dao động siêu cao tần nhất định, đảm bảo công suất xung phát Mỗi loại radar thường sử dụng xung với các chiều dài xung khác nhau Sau đây

là một ví dụ về các chiều dài xung sử dụng trong radar JMA-627

τx/Tx: 0.08 µs/3000 Hz (ở các thang 0.25, 0.5, 0.75, 1.5 NM)

0.2 µs/2000 Hz (ở thang 3 NM) 0.7 µs/1000 Hz (ở các thang 6, 12 NM)

Ngay trong một thang tầm xa, nhiều radar thiết kế có thể thay đổi được chiều dài xung ở hai mức độ xung ngắn và xung dài Sử dụng xung ngắn để tăng khả năng phân giải theo khoảng cách, sử dụng xung dài để tăng công suất phát, tăng khả năng phát hiện mục tiêu

1.4.3 Tần số lặp xung và chu kỳ lặp xung (F x và T x )

Lựa chọn chu kỳ lặp xung phụ thuộc vào: tầm hoạt động, số lượng xung cần thiết đập vào mục tiêu sau mỗi vòng quay của anten, tốc độ quay của anten, chiều rộng búp phát αng…

Chu kỳ lặp xung Tx phải đảm bảo sao cho tín hiệu từ mục tiêu xa nhất trong tầm hoạt động phản xạ về tới anten rồi mới phát đi xung tiếp theo, nghĩa là:

ng x

n N

F

α

6

min

≥

Tổng hợp lại, có:

max min

2

6

D

c F

1.4.4 Công suất phát xung (P x )

Là công suất trong thời gian tác động của xung τx Px phụ thuộc điện áp a nốt, Magnetron, chiều dài xung Px càng lớn thì tầm xa tác dụng của radar càng lớn Các radar hiện nay công suất phát xung khoảng 10-100 KW

Công suất trung bình Ptb là công suất máy

phát trong cả chu kỳ Tx

Với các xung có dạng vuông, có

x

x tb x

T P T

τ

.

=Với các xung không phải là dạng xung

vuông, có

x

T tb x

x

dt P P

τ

∫

= 0

Ta thấy, công suất trung bình của radar là tương đối thấp, khoảng 100W, tuy nhiên công suất phát xung lại rất lớn, tới vài chục KW Để có được như vậy là

do bộ tích năng trong máy phát, tích lũy năng lượng trong một khoảng thời gian dài Tx , sau đó phóng năng lượng ra trong một thời gian rất ngắn τx

1.4.5 Độ nhạy máy thu (P thumin )

Máy thu có độ nhạy càng cao thì khả năng phát hiện mục tiêu càng tốt, tầm

xa tác dụng tăng Nó được xác định bằng công suất tín hiệu phản xạ nhỏ nhất ở lối vào máy thu, sau khi khuếch đại lên vẫn đủ để tạo nên điểm sáng có thể quan sát được trên màn ảnh trong trường hợp ở lối ra máy thu công suất tín hiệu phản

xạ từ mục tiêu lớn hơn công suất ồn

f T k q N

P thumin = Δ

Trong đó: N: hệ số ồn của máy thu N nói lên mức tín hiệu ở lối vào

máy thu thực tại lớn hơn bao nhiêu lần so với máy thu lý tưởng Hệ số N khoảng vài chục

q: hệ số phân biệt, được tính bằng tỉ số giữa công suất tín

hiệu và công suất ồn ở lối ra máy thu

T: nhiệt độ tuyệt đối của thiết bị thu (oK)

Δf: dải thông của máy thu

Các nhà sản xuất radar đều tìm cách nâng cao độ nhạy máy thu bằng cách chế tạo các linh kiện có độ ồn nhỏ, hệ số phân biệt nhỏ và thu hẹp dải thông Δf Tuy nhiên không được giảm Δf quá sẽ làm giảm biên độ tín hiệu, méo hình dạng xung phản xạ Δf thường chỉ phụ thuộc chiều dài xung τx Với máy thu radar thường có

x

f

τ

37 1 2

1.4.6 Hệ số định hướng của an ten (G A )

Thông số này biểu thị khả năng bức xạ có hướng của anten tốt hay xấu Hệ

số định hướng càng lớn nói lên khả năng của radar tập trung năng lượng vào hướng phát chính, độ chính xác định hướng cao, tăng tầm xa tác dụng, giảm nhiễu xạ từ các phía lọt vào anten

GA được tính là tỉ lệ giữa cường độ bức xạ cực đại Amax và cường độ bức xạ trung bình Atb

P A

A

G

α α

π

An ten càng dài và rộng thì GA càng lớn

Xung phát radar phải được tập trung thành dạng một búp phát để phát vào không gian Hình vẽ (1) dưới biểu thị búp phát radar, bao gồm cả một số búp phát phụ nhỏ luôn tồn

tại trong thực tế chế tạo

an ten

Tuy anten đã tập

trung năng lượng trong

một búp phát khá hẹp,

hầu hết năng lượng phát

tập trung theo chiều trục

biên búp phát Năng lượng phát suy giảm đột ngột khi cách xa trục búp phát, nên

áp dụng một mức năng lượng giới hạn nhất định để xác định kích thước của búp phát

Chiều mở đứng và mở ngang của búp phát có liên hệ với giới hạn công suất lựa chọn Thông thường nhất là chọn búp phát tương ứng với góc mở mà công suất giảm xuống còn một nửa Một nửa công suất tương ứng với việc công suất cực đại suy giảm 3 decibels

Từ định nghĩa decibel cho thấy một nửa công suất tương ứng với mức suy giảm 3 db so với công suất cực đại Một decibel là logarit của tỉ lệ công suất cuối cùng trên một mức công suất nào đó

10

P

P dB

Trong đó P1 là công suất cuối cùng, P0 là mức công suất so sánh Khi tính giá tri dB cho mức công suất suy giảm 50% thì công thức sẽ tính như sau:

dB= 10.log(.5)

dB= -3dB

Biểu đồ bức xạ (2) ở

dưới miêu tả giá trị công

suất tương đối trên cùng 1

mặt phẳng và cùng khoảng

cách tới an ten Công suất

cực đại xuất hiện trên

Chiều rộng búp phát phụ thuộc tần số, thiết kế của an ten và kích thước của

an ten Với mỗi cỡ nhất định của an ten (an ten khe), nếu sử dụng bước sóng ngắn hơn thì búp phát sẽ hẹp hơn Với một bước sóng nhất định thì an ten có chiều rộng lớn hơn sẽ cho búp phát hẹp hơn

1.4.7 Tốc độ quay của an ten (n)

Theo yêu cầu của IMO, tốc độ quay của anten không được nhỏ hơn 12 vòng/phút (rpm), tia quét trên màn ảnh và an ten phải quay cùng chiều kim đồng

hồ Tuy nhiên không có hạn chế về tốc độ tối đa của anten Tốc độ quay của anten radar tàu biển ngày nay nằm trong khoảng 20-33 vòng/phút Tốc độ này, kết hợp với chu kỳ lặp xung và thang tầm xa cụ thể, như ở trên đã trình bày, cần đảm bảo cho các mục tiêu trong tầm hoạt động của radar cần phải nhận được 8-

12 xung phát radar sau mỗi vòng quay của anten Việc chọn vòng quay của anten không thấp quá cũng giúp cho việc ảnh của mục tiêu trên màn ảnh được cập nhật và duy trì cường độ sau mỗi khoảng thời gian không quá lâu (ví dụ: nếu tốc độ anten là 24 rpm thì cứ sau mỗi 2.5 giây ảnh trên màn ảnh lại được cập

nhật và hồi phục trở lại sau khi đã bị suy giảm đi do mờ dần) Việc tăng rpm sẽ giúp cho giảm bớt được độ lưu ảnh của màn ảnh

Ví dụ: radar có tần số lặp xung PRF=1000; góc mở ngang búp phát 2o Yêu cầu sau mỗi vòng quay của anten phải có 10 xung đập vào mục tiêu Tính tốc độ quay cần thiết của anten

Có: số xung

n

PRF ng

6

60

2 1000 10

6

2

=Như vậy vòng quay của anten tối đa là 33.3 vòng/phút

1.5 Mục tiêu radar

1.5.1 Khái niệm mục tiêu radar và phân loại mục tiêu

Mục tiêu radar là tất cả các vật thể có tính chất truyền sóng khác với môi trường Bất kỳ vật thể nào có độ từ thNm μ và hằng số điện môi ε khác với môi trường truyền sóng sẽ phản xạ sóng radar ở các mức độ khác nhau và cho ảnh trên màn ảnh nếu cường độ sóng dội từ các mục tiêu đó đủ lớn Trong hàng hải thì mục tiêu radar có thể là tàu thuyền, phao tiêu và các vật thể nổi khác, bờ biển, đảo, cây cối, mặt biển, mây mưa, tuyết rơi…

Có thể phân loại mục tiêu theo nhiều cách, thường gặp nhất là cách phân loại theo kích thước (hoặc theo khả năng phân giải)

- Phân loại theo khả năng phân giải:

+) Mục tiêu đơn độc: là các mục tiêu nhỏ đứng riêng biệt, các mục tiêu này có kích thước nhỏ hơn kích thước của góc mở ngang búp phát radar Ứng với mỗi chấm sáng trên màn ảnh là một mục tiêu ngoài thực địa Các mục tiêu này cách nhau một khoảng cách lớn hơn khả năng phân giải theo khoảng cách

và góc kẹp giữa chúng cũng lớn hơn khả năng phân giải theo góc của radar Ảnh của loại mục tiêu này trên màn ảnh phụ thuộc khả năng phản xạ của mục tiêu đó N ếu mục tiêu có khả năng phản xạ kém, ví dụ các tàu cá, phao tiêu, thuyền nhỏ… thì ảnh của nó trên màn ảnh là một chấm sáng nhỏ N ếu là các tàu lớn có khả năng phản xạ rất tốt thì ảnh trên màn ảnh thường bị kéo giãn ra đến khi chúng có góc mở bằng với góc mở ngang của búp phát và chiều dày tính từ tâm quét radar tương ứng với chiều dài xung phát

+) Mục tiêu nhóm: là một nhóm các mục tiêu đơn độc, nhưng do trong thực tế chúng quá gần nhau nên ảnh của chúng trên màn ảnh radar không tách rời với nhau mà bị gộp với nhau thành một đám sáng lớn

+) Mục tiêu khối (hay mục tiêu phân giải) là các mục tiêu có kích thước

về góc lớn hơn góc mở ngang búp sóng radar Chúng là tập hợp của rất nhiều phNn tử có khả năng phản xạ sóng radar và ảnh của chúng lẫn với nhau trên màn ảnh thành một đám sáng lớn

Loại mục tiêu này chia thành hai loại: mục tiêu phân giải theo bề mặt và mục tiêu phân giải theo thể tích

Ví dụ điển hình về mục tiêu phân giải theo bề mặt là mặt biển Mặt biển nổi sóng ở khoảng cách gần sẽ phản xạ một phần sóng radar và tạo thành ảnh trên màn ảnh, còn gọi là nhiễu biển Càng xa anten thì sóng phản xạ từ mặt biển càng yếu

Các mục tiêu phân giải theo thể tích là các đám mây, mưa, tuyết rơi, các khối sương mù dày, các đám bão cát… Ảnh của chúng trên màn ảnh là một đám sáng lớn, cường độ có thể yếu hoặc rất mạnh tùy theo mức độ dày đặc của mây mưa Các ảnh này có tốc độ chuyển động không cố định, tuy nhiên việc nhận biết được chuyển động của các ảnh này trên màn ảnh trong nhiều trường hợp là tương đối khó khăn do ảnh hưởng của chuyển động bản thân tàu ta, nhất là nếu chỉ theo dõi ảnh trong một thời gian ngắn và với thang tầm xa nhỏ, không bao quát hết khối mây hoặc đám mưa này Tuy nhiên có thể dễ dàng nhận biết loại ảnh này do vùng biên của ảnh trên màn ảnh thường không được sắc nét và liên tục như ảnh của các dải bờ biển, các đảo lớn, ảnh đất liền…

1.5.2 Sự phản xạ sóng radar từ mục tiêu

Một số hình thức phản xạ sóng radar thường gặp trong thực tế, gồm:

- Phản xạ gương: sự phản xạ này xảy ra trên các

bề mặt phẳng và nhẵn Việc phản xạ tuân theo

nguyên lý góc phản xạ bằng góc tới trong quang

học Sóng phản xạ rất mạnh nhưng chưa chắc đã

quay về an ten radar, do đó việc phát hiện các mục

tiêu này nói chung không tốt

Trong thực tế hàng hải, sự phản xạ này có thể xảy ra đối với các kết cấu phẳng như đập chắn sóng, bức tường dài chạy ven bờ sông, mạn khô của một con tàu rất lớn chạy gần tàu ta…

Các đập chắn sóng như trên nếu không có hướng tương đối vuông góc với hướng sóng tới của radar thì thường rất khó phát hiện ngay cả khi khoảng cách

đã khá gần N ếu phát hiện được thì thông thường là do sóng radar phản xạ từ các kết cấu hạ tầng của đập như lớp kè đá giảm sóng đổ dưới chân đập hoặc các kết cấu khác phía trên đập như cột đèn đầu đập, các công trình khác như nhà, thiết

bị trên đập…

Mạn khô các tàu lớn chạy gần tàu ta cũng tạo ra phản xạ gương Tuy nhiên trên radar vẫn có thể bắt ảnh tàu kia rất rõ do phản xạ từ các cơ cấu khác trên tàu mục tiêu như thượng tầng, các kết cấu hầm hàng

- Phản xạ phân kỳ: loại phản xạ này xảy ra trên

các bề mặt gồ ghề có kích thước lớn hơn nhiều so

với bước sóng radar Sóng radar phản xạ từ mục

tiêu bị phân kỳ ra nhiều hướng khác nhau, trong đó

sẽ có một hướng trở về an ten và tạo ra ảnh trên

màn ảnh Tuy loại phản xạ này cho sóng phản xạ

cường độ yếu hơn so với phản xạ gương nhưng do luôn có sóng trở về an ten nên ảnh các mục tiêu sẽ ổn định và lâu bền hơn so với phản xạ gương

Đây cũng là loại phản xạ xảy ra chủ yếu trong thực tế Các mục tiêu cho phản

xạ phân kỳ gồm các mục tiêu tự nhiên (đảo, rừng cây, đồi núi…) và hầu hết các mục tiêu nhân tạo Các mục tiêu này tương đối dễ phát hiện bằng radar

- Phản xạ cộng hưởng: loại phản xạ này xảy ra trên các bề mặt gồ ghề có kích thước gần bằng hoặc bằng bước sóng radar Loại phản xạ này cho sóng phản xạ rất mạnh nhưng trong thực tế ít gặp và không bền, dễ mất đi khi hướng sóng tới thay đổi

Một ứng dụng thường gặp nhất của loại

phản xạ này là để chế tạo các cơ cấu kiểm

tra chức năng của radar (Performance

Monitor) Trên khối quét an ten sẽ bố trí

một cơ cấu thu một phần năng lượng sóng

phát của radar, căn cứ vào cường độ của

sóng phát này và chuyển hóa thành các chỉ

báo trên màn ảnh (xem ví dụ ảnh bên) để

xác định xem thiết bị radar có đảm bảo các

thông số cần thiết hay không

Các loại radar cũ có bố trí thiết bị hộp phản xạ sóng radar trên khối quét anten, cho sóng phản xạ về máy thu cùng với mục đích kiểm tra công suất phát của radar Hộp phản xạ sóng có dạng hộp rỗng, kích thước tỉ lệ chính xác với chiều dài bước sóng và cho sóng phản xạ cộng hưởng có cường độ rất mạnh Tuy hộp phản xạ này đặt trong tầm cực tiểu radar, nhưng các dao động cộng hưởng do nó sinh ra khi radar phát xung, ban đầu có công suất quá lớn so với mức tín hiệu vào của máy thu, nhưng sau khi xung phát kết thúc, các dao động này sẽ suy giảm dần và vẫn còn tồn tại trong một thời gian dài, đủ để quay trở lại máy thu và thể hiện thành ảnh như một mục tiêu bình thường Thông qua chỉ báo này có thể biết được tình trạng của máy phát radar

- Khúc xạ vồng: N ếu các chướng ngại có kích thước quá nhỏ, nhỏ hơn bước sóng radar thì sóng radar sẽ uốn khúc đi qua các chướng ngại đó và không cho sóng phản xạ Radar không phát hiện được các mục tiêu này

1.5.3 Bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu Các phương pháp làm tăng khả năng phát hiện mục tiêu của radar

Bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu (So) là một diện tích tương đuơng, nếu đặt ở mục tiêu nó sẽ phản xạ một công suất đúng bằng công suất phản xạ thật từ mục tiêu đó So nói lên khả năng phản xạ sóng radar của mục tiêu tốt hay xấu N ó phụ thuộc vào mục tiêu lớn hay nhỏ, xa hay gần, vật liệu và bề mặt mục tiêu, hướng của sóng tới…

Yếu tố quyết định để mục tiêu có thể phát hiện được bằng radar hay không là khả năng cho sóng phản xạ trở về trùng với hướng sóng tới tốt hay không tốt Một mục tiêu có thể có đặc tính phản xạ rất tốt, sóng phản xạ rất mạnh nhưng lại

đi theo hướng khác chứ không quay về an ten radar thì radar cũng không thể phát hiện được mục tiêu này

Trên các hải đồ đi biển, các mục tiêu tự nhiên dễ phát hiện bằng radar và thuận tiện cho việc xác định vị trí tàu được đánh dấu Δ và thường ghi chú là

Raconspic (Radar conspicuous object: mục tiêu dễ nhận dạng bằng radar)

Để tăng cường khả năng phát hiện bằng radar đối với các mục tiêu nhỏ quan trọng như phao luồng, các phao đánh dấu bãi cạn, vị trí tàu đắm… thì có thể gắn vào các phao đó các cơ cấu tăng cường khả năng phản xạ sóng radar Một trong những cơ cấu đơn giản nhất là các bộ phản xạ góc có dạng ba tấm kim loại phẳng ghép vuông góc với nhau như hình vẽ dưới Với cơ cấu này, sóng tới từ bất kỳ hướng nào cũng sẽ cho sóng phản xạ ngược với hướng sóng tới với cường độ sóng phản xạ mạnh

Hình 7 N guyên lý bộ phản xạ góc

Bộ phản xạ góc trên chưa bao quát được 360o Muốn có bộ phản xạ có tác dụng trên tất cả các hướng thì có thể ghép 4 bộ như trên hoặc nhiều hơn với nhau

Trong thực tế cũng có một số bộ phản xạ radar có dạng khác nhưng bộ phản

xạ góc như trên vẫn được sử dụng rộng rãi nhất do đơn giản, gọn nhẹ và hiệu quả cao

N goài ra còn phương pháp sử dụng các tiêu radar nhân tạo để tăng cường khả

năng phát hiện mục tiêu (xem phần 1.7)

1.6 Các loại ảnh ảo trên màn ảnh radar

1.6.1 Ảnh ảo do phản xạ nhiều lần

Khi tàu chạy gần các vật thể

có khả năng phản xạ sóng radar

tốt, ví dụ như chạy song song và

gần chính ngang với một tàu lớn

khác thì sóng phát từ radar tàu ta

có thể phản xạ qua lại vài lần

giữa hai thân tàu và tạo nên các

ảnh ảo (hình vẽ bên) Sóng phát

từ an ten đập vào tàu kia và phản

xạ về cho ảnh thật, tiếp theo một phần sóng phản xạ về lại phản xạ tiếp từ thân tàu ta, truyền qua phía tàu kia và phản xạ trở lại an ten lần thứ hai cho ta một ảnh ảo có cùng phương vị và cách ảnh thật thứ nhất một khoảng đúng bằng khoảng cách từ tàu ta đến ảnh thật Sóng tiếp tục phản xạ lần thứ hai, thứ ba… cho ta các xung phản xạ tiếp theo và có thể tạo nên các ảnh ảo thứ hai, thứ ba…

Các ảnh ảo đều nằm trên cùng một hướng với ảnh thật và giãn cách bằng nhau, bằng khoảng cách giữa tàu ta và ảnh thật Các ảnh ảo càng xa thì cường độ càng yếu dần Dựa vào đặc tính trên để phân biệt các ảnh ảo và ảnh thật do phản

xạ nhiều lần N goài ra nếu thực hiện đồ giải để xác định tốc độ các ảnh ảo thì sẽ thấy chúng có các chuyển động bất thường do tốc độ sẽ tương ứng lớn gấp 2, 3, 4… lần tốc độ của ảnh thật (tàu mục tiêu)

Để khử bớt loại ảnh ảo này có thể giảm bớt khuếch đại máy thu GAIN hoặc điều chỉnh khử nhiễu thích hợp Tuy nhiên do ảnh này rất dễ nhận biết nên với người sử dụng radar có kinh nghiệm thì có thể không cần khử bớt loại ảnh ảo này mà cũng không ảnh hưởng nhiều đến việc quan sát màn ảnh radar

1.6.2 Ảnh ảo do búp phát phụ

Trong chế tạo không thể loại trừ hoàn toàn các búp phát phụ của an ten N ếu

có các mục tiêu gần tàu có khả năng phản xạ sóng radar tốt thì búp phát phụ

Trên màn ảnh

Tàu chủ

Tàu mục tiêu Ảnh thật

Ảnh ảo

cũng có thể tạo ra các xung phản xạ

có công suất đủ lớn và tạo ra các ảnh

ảo của các mục tiêu gần tàu nói trên

Các ảnh ảo do búp phụ có khoảng

cách tới tâm màn ảnh bằng với ảnh

thật và đối xứng nhau qua ảnh thật

(hình vẽ) Trường hợp ảnh ảo quá

mạnh có thể tạo thành một vòng tròn rất đậm nét quanh tâm màn ảnh

Để khử bớt loại ảnh ảo này làm tương tự như đối với loại trên Và cũng do ảnh ảo búp phụ rất dễ nhận biết và không ảnh hưởng nhiều đến việc quan sát radar nên thực tế có thể không cần phải khử bớt do việc giảm GAIN hoặc tăng mức khử nhiễu có thể làm suy giảm ảnh của các mục tiêu nhỏ khác trên màn ảnh

Cả hai loại ảnh ảo trên thường xảy ra đồng thời đối với một mục tiêu gần tàu

và có khả năng phản xạ sóng radar tốt Với một tàu hàng lớn ở khoảng cách 2 hải lý nói chung sẽ xuất hiện các ảnh ảo này Một tàu hàng rất lớn có thể cho ảnh ảo ở khoảng cách xa hơn, có thể tới 4-5 hải lý Các phao luồng và phao đánh dấu có gắn bộ phản xạ góc cũng có thể cho ảnh ảo ở khoảng cách 1 hải lý hoặc nhỏ hơn

Đập chắn sóng

Tàu mục tiêu

anten Tàu ta

Ảnh thật Ảnh ảo

tương đối tốt Khi anten radar hướng về phía tàu mục tiêu, tia sóng phát đập vào mục tiêu, phản xạ trở về cho ta ảnh thật trên màn ảnh có khoảng cách và phương

vị tới tàu ta tương ứng với mục tiêu ngoài thực địa Sau đó, anten quay về phía ống khói của tàu ta, tia sóng radar đập vào ống khói, phản xạ trở ra hướng về phía tàu mục tiêu, phản xạ trở về theo đúng đường đi ban đầu về tới anten cho ta ảnh ảo Ảnh ảo này có phương vị nằm trên hướng về phía ống khói trên tàu ta, khoảng cách gần bằng khoảng cách từ tàu ta tới ảnh thật

Trường hợp thứ hai, tàu ta chạy gần một kết cấu trên bờ có dạng tương đối thẳng và khả năng phản xạ sóng tốt, ví dụ: đập chắn sóng, cầu ngang lớn bắc qua sông, mạn phẳng của một tàu rất lớn chạy gần… Tàu mục tiêu cũng có các tính chất như trường hợp trên Khi anten radar hướng về phía tàu mục tiêu, tia sóng phát đập vào mục tiêu, phản xạ trở về cho ta ảnh thật trên màn ảnh có khoảng cách và phương vị tới tàu ta tương ứng với mục tiêu ngoài thực địa Sau đó, anten quay về phía đập chắn sóng, với một góc tới thích hợp thì tia sóng radar đập vào đập chắn sóng, phản xạ trở ra và tới được tàu mục tiêu, phản xạ trở về theo đúng đường đi cũ nghĩa là quay về đập chắn sóng, phản xạ quay lại tới anten cho ta ảnh ảo Ảnh ảo này có phương vị khác hẳn so với phương vị ảnh thật Bằng các phép tính hình học, ta có thể dễ dàng nhận thấy ảnh ảo này sẽ đối xứng với ảnh thật qua bề mặt phản xạ của đập chắn sóng nói trên

Các ảnh ảo do phản xạ thứ cấp thường xuất hiện ở phía có các chướng ngại

hoặc trong các vùng râm trên màn ảnh (xem phần 1.9.) N goài ra, ảnh ảo loại

này nếu nằm trong vùng râm thì thường không sắc nét như ảnh thật mà hay bị nhòe, đồng thời chúng có chuyển động nói chung là không theo qui luật nếu đặt vào từng tình huống hành hải cụ thể Ảnh ảo do phản xạ thứ cấp cũng nhanh chóng mất đi khi tương quan vị trí và góc giữa tàu ta, các mục tiêu và các vật thể tạo nên phản xạ thứ cấp thay đổi đi N gười sử dụng radar cần nắm vững đặc tính của từng radar trên tàu mình, ghi nhớ những góc thường xảy ra ảnh ảo loại này, phân tích từng tình huống và đối chiếu với thực tế để xác định chính xác ảnh ảo trên màn ảnh

1.6.4 Hiện tượng giao thoa của sóng radar

N ếu gần tàu ta có một radar khác có tần số lặp xung gần

bằng tần số lặp xung radar tàu ta đang hoạt động thì có thể

gây nhiễu loạn trên màn ảnh radar tàu ta Tùy thuộc sự sai

lệch giữa hai tần số lặp xung lớn hay nhỏ mà các nhiễu

loạn này có thể có các dạng khác nhau như dạng các chấm

và vạch nhỏ theo đường thẳng từ tâm ra biên màn ảnh,

hoặc các rẻ quạt cong, thậm chí có thể có dạng các vòng

tròn đồng tâm, gọi là nhiễu giao thoa radar Vị trí các rẻ quạt cong này trên màn ảnh có thể thay đổi vị trí khi tia quét radar quét sang các vòng quay tiếp theo

N hiễu loạn này (radar jamming hay interference) nói chung dễ nhận biết và

không ảnh hưởng quá nhiều đến việc quan sát màn ảnh radar Trong trường hợp

nhiễu lớn có thể làm mờ hoặc lẫn các mục tiêu nhỏ có khả năng phản xạ yếu trên màn ảnh

Để giảm bớt các nhiễu loạn này trên màn ảnh, radar có núm khử nhiễu gọi là núm IN TEFEREN CE REJECT (IR hoặc IN TRE REJECT) N úm khử nhiễu này

có thể là một núm xoay, thường có một vị trí OFF, sau đó là tăng dần sang phải

để tăng dần mức độ khử N hiều radar ngày nay chỉ bố trí chức năng khử nhiễu giao thoa là một phím bấm, chỉ có hai mức khử tương ứng với hai chế độ OFF

và ON của phím này Khi khử nhiễu giao thoa sóng radar, ảnh các mục tiêu trên màn ảnh, ảnh của racon và ramark… cũng bị suy giảm cường độ một phần, thậm chí có thể làm mất ảnh của mục tiêu nhỏ

Khi điều chỉnh GAIN cần phải tắt chế độ khử nhiễu giao thoa này để có thể điều chỉnh được chuNn xác

N guyên tắc của việc khử nhiễu giao thoa radar này là lưu giữ và so sánh ảnh trên màn ảnh sau các dòng quét liên tục của radar N ếu sau những lần phát xung liên tiếp mà mục tiêu vẫn cho ảnh ổn định tại một phương vị và khoảng cách thì ảnh này sẽ được lưu giữ lại và thể hiện trên màn ảnh Do tính chất của nhiễu loạn xuất hiện bất kỳ nên sau mỗi lần quét, vị trí của các ảnh nhiễu sẽ thay đổi nên radar sẽ loại bỏ các ảnh này, không thể hiện trên màn ảnh

Cũng với nguyên lý khử nhiễu này, các radar mới ngày nay thường có chức năng lọc nhiễu loạn và xử lý ảnh với các mức độ khác nhau (PROCESS) Thông thường bố trí khoảng 3-4 mức độ khử nhằm làm giảm bớt các nhiễu loạn trên màn ảnh do các nguyên nhân khác nhau gây ra do sóng biển các cấp độ, mưa, giao thoa radar… Sử dụng các chế độ khử nhiễu này cần hết sức thận trọng vì có thể làm mất ảnh của các phao tiêu hoặc tàu thuyền nhỏ trong vùng nhiễu Mỗi mức độ khử như vậy chỉ phù hợp với từng loại nhiễu loạn nhất định mà có thể không khử được hoặc khử ảnh của các loại nhiễu khác quá mức hoặc khử ảnh các mục tiêu khác quá mức

1.6.5 Ảnh của mây, mưa, tuyết…

Mây, mưa, tuyết rơi và các dạng giáng thủy tương tự đều phản xạ sóng radar

và có thể cho ảnh trên màn ảnh nếu các xung phản xạ đủ mạnh N hiễu mưa trên màn ảnh có dạng một đám sáng lớn, chuyển động không ổn định trên màn ảnh Biên của vùng ảnh nhiễu này thường không sắc

nét như ảnh của bờ biển hoặc đảo lớn mặc dù

Rain Sử dụng núm này cần hết sức chú ý vì nó làm suy giảm đáng kể cưởng độ ảnh các mục tiêu trên màn ảnh, rất dễ làm mất ảnh các mục tiêu nhỏ

N hiễu mưa có ảnh hưởng rất lớn đến việc quan sát màn ảnh radar N hiễu mưa làm ảnh các mục tiêu lẫn vào vùng nhiễu, làm ảnh các mục tiêu nhỏ gần bờ có thể chập vào dải bờ… gây nguy hiểm cho việc dẫn tàu Trong thời tiết có mưa lớn, việc hàng hải phải hết sức thận trọng N hư trên đã trình bày, radar bước sóng 10 cm có khả năng chống nhiễu mưa tốt hơn so với radar bước sóng 3.2

cm Vì vậy nếu tàu có trang bị cả hai loại radar 3.2 cm và 10 cm thì nên để radar

10 cm cảnh giới các thang tầm xa nhỏ để đề phòng các nguy cơ va chạm với các mục tiêu gần tàu, còn radar 3.2 cm để cảnh giới các mục tiêu ở thang tầm xa hơn

1.6.6 Ảnh ảo do tia quét lần 2 từ các mục tiêu rất xa, quá tầm nhìn radar

Đôi khi trên màn ảnh radar xuất hiện ảnh của các mục tiêu rất xa, ngoài tầm

xa tác dụng của radar N guyên nhân thường do ảnh hưởng của khúc xạ dị thường, dẫn đến sóng radar có thể khúc xạ qua lại giữa hai lớp khi nào đó và

truyền đi xa hơn bình thường (xem phần 1.8.3) N goài ra còn cần có một điều

kiện nữa là mục tiêu phải có khả năng phản xạ sóng radar rất tốt Khi đó xung phản xạ từ mục tiêu không trở về ngay trong chu kỳ xung đầu tiên mà chỉ trở về tới an ten trong chu kỳ xung phát thứ hai tạo nên ảnh ảo Ảnh này có khoảng cách gần hơn rất nhiều so với khoảng cách thực tế của mục tiêu

Ảnh ảo loại này thường rất hiếm khi gặp và không bền do các nguyên nhân:

- Điều kiện khí tượng thủy văn có thể dẫn đến sự lan truyền sóng đặc biệt như trên thường ít gặp và cũng không tồn tại lâu

- N ăng lượng phản xạ khi mục tiêu ở quá xa thường rất yếu, khó có khả năng hiện ảnh nên hiện tượng ảnh ảo do tia quét lần 2 chỉ xảy ra với các mục tiêu có khả năng phản xạ rất mạnh như vách đá cao dựng đứng Các ảnh ảo do tia quét lần 3, lần 4… hầu như không xảy ra

- Chu kỳ lặp xung của radar phải đạt sự tương quan nhất định đối với khoảng cách tới các mục tiêu này Thông thường Tx phải nhỏ để thu nhận xung phản xạ

từ các mục tiêu không quá xa trong chu kỳ phát xung thứ hai Khi đó yêu cầu thời gian xung phản xạ về tới an ten tính từ thời điểm phát xung phải lớn hơn Tx Gọi khoảng cách từ tàu tới mục tiêu nói trên là D

x

T c

D =

Ví dụ: Tx=1000 μs; Dmin=1000(μs)x300(m/μs)/2=150(km) ≈ 81 N M

Tx=2000 μs; Dmin=2000(μs)x300(m/μs)/2 ≈ 162 N M

Tx=500 μs; Dmin=500(μs)x300(m/μs)/2 ≈ 40.5 N M

Ảnh phản xạ do tia quét lần 2 sẽ bị biến đổi hình dạng đi so với hình dạng thật của mục tiêu Lấy ví dụ cụ thể như sau: với trường hợp Fx = 2000 xung/giây tương ứng với Tx = 500 μs ở trên N ếu mục tiêu có dạng một dải vách núi thẳng vuông góc với phương truyền sóng và cách tàu ta 48 N M (xem hình vẽ) Tại vị trí 1 trên hình vẽ cách tàu ta 48 N M, theo tính toán ở trên thì ảnh ảo do tia quét lần 2 của vị trí 1 sẽ cách tâm quét một khoảng cách là 48 – 40.5 = 7.5 N M

Tại các điểm 2 và 3 thuộc mục tiêu cách điểm 1 khoảng cách 14 N M ta thấy

2 và 3 sẽ cách tàu ta một quãng là 50 N M N hư vậy điểm 2 và 3 sẽ cho ảnh ảo cách tâm quét radar một khoảng là 50 – 40.5 = 9.5 N M

Trên màn ảnh radar, do tương quan khoảng cách giữa các vị trí 1,2,3, ta thấy ảnh ảo của mục tiêu sẽ không còn là đường thẳng giống như hình dáng thật của mục tiêu nữa (hình vẽ) mà đã bị bẻ cong đi

1.7 Các loại mục tiêu nhân tạo

1.7.1 RACON (Radar beacon)

1 2

9.5 N M 7.5 N M ảnh ảo do tia quét lần 2

của mục tiêu xuất hiện trên thang tầm xa 12 N M tàu ta

Tại các mục tiêu nhỏ quan trọng cho hàng hải, để tăng khả năng phát hiện bằng radar và khả năng nhận biết mục tiêu trên màn ảnh, một phương pháp thường sử dụng là gắn vào các phao hoặc mục tiêu đó một bộ phát tín hiệu radar (Racon) N guyên tắc hoạt động của racon là khi có xung radar tới kích hoạt thì racon mới phát xung trả lời Xung racon thường có công suất lớn hơn và chiều dai xung cũng lớn hơn so với xung radar Trên màn ảnh, ảnh racon có dạng các vạch và các chấm đậm nét, kéo dài từ vị trí racon ra phía biên của màn ảnh Tín hiệu racon thường được mã hóa theo tín hiệu Morse của các chữ cái (các tín hiệu tạch và tà: ●; ▬), thông thường chọn chữ cái sao cho tín hiệu đầu tiên luôn là một dấu tà (▬) để tránh nhầm lẫn với ảnh của một mục tiêu nhỏ nếu có Chiều dài của ảnh racon trên màn ảnh radar phụ thuộc chiều dài của xung phát racon Chiều dài này cũng khác nhau tùy theo từng loại racon, thông thường nằm trong khoảng 20-40 μs, tương ứng với 1.5 đến 3 N M trên màn ảnh radar

Theo nguyên lý hoạt động, có thể phân loại racon thành 2 loại là racon quét chậm và racon quét nhanh Dưới đây sẽ giới thiệu sơ bộ nguyên lý của hai loại trên Các thiệt bị khác như ramark, Sart đều có nguyên lý gần tương tự, chỉ khác nhau chủ yếu ở thời gian quét và hình dạng xung quét

a Racon quét chậm (Slow sweep racon)

Hình vẽ dưới đây thể hiện nguyên tắc phát tín hiệu của loại racon này Thay

vì phát đáp trả lời mỗi khi có xung radar quét tới, racon quét chậm sẽ phát trên một dải tần số bao trùm cả tần số phát của radar Chu kỳ phát của racon này thường sử dụng là 60 hoặc 120 μs

Giả sử dải thông của radar là 20 MHz, tính từ 9360 đến 9380 MHz; Racon bắt đầu quét từ tần số 9300 MHz tăng dần đến 9500 MHz trong thời gian 120 s Thời gian tần số phát của racon bằng với tần số radar để radar có thể hiển thị được ảnh của racon đó sẽ biểu thị trong khoảng ab Khoảng thời gian giãn cách giữa những lần xuất hiện ảnh racon sẽ chính là chu kỳ quét của racon đó (120 s)

Tương quan giữa dải thông của radar, tốc độ quay của anten, chu kỳ quét của racon sẽ quyết định quãng thời gian và số lần mà ảnh racon có thể hiển thị trên màn ảnh của từng loại radar Thời gian này đủ để nhận biết dược tín hiệu racon

và xác định khoảng cách và phương vị tới racon đó Thông thường, trong mỗi chu kỳ quét của racon thì ảnh racon có thể xuất hiện trên 2 đến 4 vòng quay liên tiếp của anten radar

Trong hình vẽ ở trên, chu kỳ quét của racon là 120 s, tần số quét của racon từ

9300 đến 9500 MHz, tốc độ quay của anten là 20 rpm, dải thông radar 20 MHz

Có thể tính được số lần ảnh racon có thể xuất hiện sau mỗi chu kỳ quét của racon (120 s) trên màn ảnh radar như sau:

Racon quét hết 200 MHz trong 120 giây, như vậy thời gian racon quét qua dải thông của radar (20 MHz) là 12 giây Đó chính là khoảng thời gian mà ảnh racon có thể xuất hiện trên màn ảnh của radar

Thời gian anten radar quay hết 1 vòng là 3 giây N hư vậy ảnh racon có thể xuất hiện tối đa là 4 lần trong 4 vòng quay liên tiếp của anten sau mỗi 120 giây

chu kỳ quét của racon 120s

b Racon quét nhanh (Fast sweep racon)

Racon quét nhanh, sau khi được xung radar kích thích, sẽ quét rất nhanh dải tần của radar, thời gian quét chỉ từ 1 đến 10 μs, và tạo thành một dãy các chấm sáng sau mục tiêu Giả sử sau mỗi vòng quay của anten, có 10 xung radar phát tới kích hoạt racon thì racon cũng đáp trả 10 lần, mỗi lần phát đáp như vậy racon

sẽ quét qua tần số của radar một lần và cho ảnh là một chấm sáng có chiều dài nhất định Tổng cộng tín hiệu racon trên màn ảnh sẽ tạo thành một chuỗi các điểm sáng trên màn ảnh radar kéo dài từ vị trí racon ra phía biên

Racon quét nhanh về nguyên tắc có thể hiện ảnh theo từng vòng quay của anten radar, nghĩa là xuất hiện nhiều hơn so với racon quét chậm, nhưng ảnh của racon quét nhanh dễ bị lẫn với các nhiếu loạn trên màn ảnh do đặc điểm của dạng ảnh và công suất thấp hơn Việc mã hóa hình dạng ảnh khó khăn hơn nhiều

so với racon có chu kỳ quét chậm do thời gian quét quá ngắn

N gày nay loại racon quét chậm được dùng phổ biến, rất ít sử dụng racon quét nhanh

Tầm hoạt động của racon phụ thuộc công suất phát Với các racon gắn vào phao luồng, phao đánh dấu bãi cạn… thì tầm xa phát hiện khoảng 5-7 N M Với các racon gắn vào các ngọn đèn biển lớn thì tầm xa lớn hơn, có thể tới 15-20

N M Tín hiệu racon không nhất thiết phải xuất hiện sau mỗi vòng quay anten mà

có thể sau vài vòng quay mới có tín hiệu Tại những khu vực có nhiều tàu thuyền qua lại, có thể xảy ra hiện tượng nhiễu loạn do có nhiều tàu cùng một lúc phát xung radar tới kích hoạt racon, hoặc nhiễu do tín hiệu phát từ nhiều racon gây ra, nhiễu do khởi động racon bởi búp phát phụ radar ở khoảng cách gần

Với các racon có tính chất tạm thời, ví dụ như racon gắn với phao đánh dấu tàu đắm, các chướng ngại tạm thời khác… thì racon thường được mã hóa chữ D (Delta; ▬ ● ●)

Một số lưu ý khi sử dụng tín hiệu racon trên màn ảnh radar:

- Để thu ảnh racon được tốt nên để màn ảnh radar ở chế độ định hướng theo hướng Bắc (N orth-up)

- Các mục tiêu có gắn racon, trên màn ảnh radar vị trí thực của mục tiêu và vị trí bắt đầu tín hiệu Morse của racon sẽ lệch nhau một khoảng cách nhỏ, cỡ vài chục mét do độ trễ thời gian phát tín hiệu của racon Vì vậy nếu mục tiêu ở tương đối xa tàu ta thì có thể không phân biệt được sự sai lệch này N ếu khi đó

có một chướng ngại gần tàu ta thì cần lưu ý sai số nếu sử dụng khoảng cách đo

từ các racon ở xa nói trên để xác định vị trí tàu

- Không được sử dụng ảnh của racon để điều hưởng máy thu radar vì mức tín hiệu racon đã ở mức độ bão hòa, luôn quét qua toàn bộ dải tần số của radar nên luôn trong trạng thái điều hưởng và không thay đổi nhiều khi ta sử dụng núm điều hưởng TUN E N hư vậy bất kể máy thu được điều hưởng về tần số nào, thậm chí ngay cả khi máy thu mất điều hưởng thì racon vẫn cho ảnh trên màn ảnh

1.7.2 RAMARK (Radar and marker)

Tại một số khu vực nguy hiểm cho hàng hải có

thể đặt các trạm ramark Các trạm ramark này

phát sóng liên tục hoặc theo những quãng thời

gian ngắn nhất định N guyên lý phát tín hiệu của

ramark cũng gần giống như racon quét nhanh

nhưng với tốc độ rất cao, kết quả là các chấm

sáng sẽ có chiều dài ngắn và gần như là liên tục

với nhau tạo thành các tia kéo dài Trên màn ảnh

radar, ảnh của trạm ramark có dạng một rẻ quạt

hẹp, gồm các chấm và vạch ngắn xen kẽ, góc mở

khoảng 1o-3o kéo dài từ tâm màn ảnh ra tới biên

Ảnh ramark trên màn ảnh không cho biết vị trí của trạm ramark mà chỉ cho biết phương vị đến khu vực nguy hiểm Tuy nhiên, nếu có thể kết hợp với hải đồ hoặc trạm ramark là một mục tiêu độc lập trên màn ảnh thì ta cũng có thể dễ dàng suy ra được vị trí của trạm ramark này trên màn ảnh

Thực tế hàng hải cho thấy các trạm ramark được sử dụng kém phổ biến hơn

so với các tiêu racon Hầu hết các trạm ramark thường được xây dựng để đánh dấu các vị trí quan trọng như các mũi đất nhô ra biển, các vị trí có các nhà máy lọc dầu hay nhà máy điện sát bờ biển, các ngọn hải đăng… Anten phát của trạm ramark cũng có cấu tạo cồng kềnh, kích thước lớn Trong khi thiết bị racon thường có cấu tạo nhỏ gọn, dễ dàng gắn vào các phao tiêu, đèn biển, đồng thời

do tính chất ảnh của racon cho ta biết được chính xác vị trí đặt trạm racon, dễ dàng hơn trong việc xác định vị trí các phao tiêu trên màn ảnh Vì vậy, racon được sử dụng phổ biến hơn

Danh sách các trạm ramark và racon trên toàn thế giới được cho trong quyển Danh mục Radio (Admiralty List Of Radio Signal – Vol.2) do Anh xuất bản

1.7.3 SART (Search And Rescue Radar Transponder)

SART là một thiết bị tăng cường khả

năng phát hiện bằng radar cho các mục

tiêu nhỏ trong tìm kiếm cứu nạn N hờ

ảnh phản xạ từ SART có hình dáng đặc

biệt trên màn ảnh mà ảnh của SART dễ

được nhận diện trên màn anh radar của

các tàu cứu nạn

Trên tàu thường trang bị 2 thiết bị

SART Khi tàu gặp nạn phải bỏ tàu,

thuyền viên xuống xuồng cứu sinh thì

mang theo SART xuống xuồng Trường

hợp tàu bị nạn nhưng chưa tới mức độ phải rời tàu thì có thể đưa SART ra ngoài cánh gà buồng lái nhằm mục đích để cho tàu cứu nạn dễ nhận diện tàu đang gặp nạn hơn

Theo yêu cầu thiết kế, nếu SART đặt ở độ cao 1 m trên mặt nước biển thì có thể phát hiện được ở khoảng cách 5 N M Ảnh của SART trên màn ảnh có dạng các vòng tròn đồng tâm, các cung rẻ quạt

tròn hoặc các chấm sáng cách đều nhau

tùy theo vị trí của SART ở gần hay ở xa

radar Càng xa radar, ảnh SART càng

thu hẹp lại từ các cung tròn thành các

chấm sáng

Hầu hết các thiết bị SART hiện tại

đều hoạt động trên bước sóng 3.2 cm Vì

vậy, muốn thu được tín hiệu SART phải

N guyên tắc phát tín hiệu của SART được minh họa trong hình vẽ dưới đây

Ảnh SART

Vị trí SART

N guyên tắc phát tín hiệu như sau:

1 SART có thể thu nhận xung Radar phát tới trong bất kỳ tần số nào trong dải 9200 đến 9500 MHz

2 SART phát trả 1 chuỗi 12 xung tín hiệu dạng xung quét, các xung này bao trùm dải 9200 đến 9500 MHz Chiều quét thuận (Forward sweep time) có độ dài 7.5 μs ± 1μs, chiều quét ngược (return sweep time) có độ dài 0.4 μs ± 1μs

3 Radar thu các tín hiệu phát trả lời của SART với chiều dài xung tỉ lệ với dải thông của trung tần Radar (IF)

4 Tín hiệu SART trên màn ảnh có dạng 12 chấm nằm trên đường phương vị của sóng tới Radar Theo đồ thị trên, chiều dài tín hiệu xung của SART là 100

μs và 1 μs tương ứng với quãng đường 0.081 N M

xung phát của SART (100μs) thời gian thu tín hiệu SART đáp tiếp theochu kỳ phát 7.5μs

0.4μs

xung phát của radar

Trong đó: Br: dải thông của máy thu Radar

F: Dải tần số phát của SART

1.8 Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển đến sự bức xạ sóng radar

1.8.1 Chân trời radar

Trong điều kiện khí quyển bình thường,

nhiệt độ và khí áp giảm dNn theo độ cao Khí

áp trên mặt biển khoảng 1013 mb, giảm

khoảng 36 mb/1000ft độ cao, nhiệt độ mặt

biển khoảng 15oC, giảm khoảng 2oC/1000ft

Độ Nm tương đối khoảng 60% không đổi theo

độ cao Sóng radar lan truyền chịu ảnh hưởng

của qui luật khúc xạ, khi đó búp phát radar có

xu hướng hơi bị bẻ cong xuống phía dưới mặt

biển, kết quả là chân trời radar sẽ lớn hơn chân trời quang học khoảng 15%

N ếu bước sóng là 3.2 cm thì

chân trời radar tính gần đúng

theo công thức sau:

) (

Trong một số trường hợp ®iÒu kiÖn khÝ

quyÓn đặc biÖt, sự suy giảm nhiệt độ và khí

áp thấp hơn mức độ trung bình, tia sóng

radar có xu hướng đi cao hơn so với trong

điều kiện bình thường, thậm chí có thể bị

uốn cong lên phía trên gọi là hiện tượng

H 2

H1 4,06 H1 4,06 H2

khúc xạ thấp làm suy giảm tầm xa

tác dụng của Radar

Khúc xạ thấp có thể xảy ra trong một số điều kiện khí quyển như sau:

- Có gió lạnh thổi qua bề mặt biển nóng hơn, thường gặp nhất là các vùng bờ biển vùng cực gần lục địa rất lạnh hoặc các vùng băng

- Các vùng khí nóng Nm trên mặt biển, độ Nm tăng theo độ cao và chiếm ưu thế so với sự tăng của nhiệt độ

1.8.3 Khúc xạ cao (Super-refraction)

Trong một số trường hợp ®iÒu kiÖn khÝ

quyÓn đặc biÖt, sự suy giảm nhiệt độ và khí áp

lớn hơn mức độ trung bình, độ Nm không khí

tăng lên khi độ cao tăng, tia sóng radar có xu

hướng đi thấp xuống sát mặt biển hơn so với

mức trung bình Hiện tượng này gọi là khúc xạ

cao Dưới tác dụng của khúc xạ cao, tầm hoạt

động của radar có thể lớn hơn bình thường

Khúc xạ cao có thể xảy ra trong một số điều kiện khí quyển như sau:

- Các vùng vĩ độ cao có nhiệt độ mặt biển rất thấp

- Gió nhẹ, biển lặng

- Trong các vành đai xoáy nghịch ôn đới

- Trong vành đai gió mậu dịch

- Vùng ven bờ có gió nóng thổi qua bề mặt biển lạnh

- Đôi khi xuất hiện phía sau các front lạnh

N ếu các tia sóng radar bị khúc xạ lớn hơn

nữa thì chúng có thể bị phản xạ lại từ bề mặt

nước biển hoặc mặt đất, sau đó lại khúc xạ

xuống phía dưới, phản xạ qua lại giống như

khi sóng truyền trong ống dẫn sóng làm tăng

tầm xa tác dụng của radar lên nhiều lần

Hiện tượng này gọi là ducting Hiện tượng

ducting còn có thể xuất hiện ở độ cao vài

trăm mét khi có 2 lớp khí quyển lân cận có

độ khúc xạ khác nhau, tầng trên có khả năng

phản xạ sóng radar và giữa 2 tầng lại xuất hiện khúc xạ Trường hợp này sóng radar và xung phản xạ của nó có thể lan truyền đến vài trăm hải lý

1.9 Vùng chết, vùng râm

N ếu có một vật kim loại chắn sóng điện

từ đặt gần anten radar thì khoảng không gian

phía sau chướng ngại đó sẽ bị che khuất

sóng radar tạo thành vùng chết và vùng râm

trên màn ảnh Cơ cấu hình thành vùng chết

và vùng râm được minh họa ở hình vẽ bên

Tuy nhiên, trên màn ảnh radar, rất khó

phân biệt ranh giới giữa vùng chết và vùng

râm mà thường chỉ thấy được trong một góc

nào đó trên màn ảnh về phía có chướng ngại

mà trong góc đó không thể hiện được ảnh

các mục tiêu Hay nói cách khác, radar

không phát hiện được các mục tiêu nằm

trong góc giới hạn đó Khu vực này trên màn

ảnh gọi là rẻ quạt mù Rẻ quạt mù có thể

nhìn thấy khá rõ trên nền nhiễu biển ở xung

quanh tàu ta, đặc biệt là khi nhiễu biển có

cường độ mạnh và bán kính khá lớn tính từ

tâm quét N gười sử dụng radar phải làm quen

và nhận biết được các hạn chế này của radar

trên tàu mình, nhận biết được rẻ quạt mù

thường xuất hiện trên các phương vị hay góc

rẻ quạt nào do ảnh hưởng của các kết cấu

trên tàu như ống khói, cột tàu…

Trong các quyển N hật ký radar trên

buồng lái, cần phải chỉ rõ rẻ quạt mù này đối

với từng thiết bị radar trên tàu Hình biểu thị rẻ quạt mù này cũng phải được dán

trên vách của buồng lái gần vị trí radar và coi như là một phần của các Niêm yết

buồng lái (Wheelhouse Posters)

N ếu có một mục tiêu rất lớn ở ngoài tàu ta, ví dụ như một tàu lớn, dải bờ nhô

cao, đảo… thì các mục tiêu phía sau sẽ bị che khuất do chúng nằm trong góc

chết N ếu xảy ra trường hợp này, cần phải lưu ý do hai nguyên nhân Thứ nhất

là ảnh trên màn ảnh sẽ khác với hình ảnh tương ứng trên hải đồ dễ gây nên nhầm lẫn khi nhận dạng mục tiêu Cần phải phân tích, đối chiếu và tìm hiểu nguyên nhân để xác định nguyên nhân của sự khác nhau này Thứ hai là trong các góc chết nói trên có thể đột ngột xuất hiện các mục tiêu mà trước đó radar không

AN TEN

Ống khói

Vùng chết Vùng râm

176o

185o

322o

325o

phát hiện được, cần phải hết sức thận trọng, cảnh giới thích đáng và kịp thời tránh va nếu cần thiết

Các ảnh ảo do phản xạ thứ cấp (xem mục 1.6.3.) thường xuất hiện trong các

rẻ quạt mù này N ếu xuất hiện các ảnh ảo như vậy cần phân tích kỹ lưỡng và xác định nguồn gốc và cơ cấu hình thành của các ảnh ảo này, nhằm mục đích luôn luôn làm chủ được các tình huống trên màn ảnh

1.10 Tầm xa tác dụng của radar

1.10.1 Tầm xa tác dụng của radar trong không gian tự do

- Gọi R là khoảng cách từ an ten đến mục tiêu, Px là công suất phát vô hướng Mật độ công suất của radar tại mục tiêu là:

G

αα

π

.

4

= ) thì mật độ công suất tại mục tiêu sẽ là:

A x

- Khi đó công suất thu nhận được tại mục tiêu sẽ là: 2

4

.

R

S G

.

R

S G

G

A =

Ao nói lên an ten có bề mặt thu nhận tín hiệu lớn hay nhỏ, việc thu định hướng tốt hay xấu Khi đó công suất thu nhận được tại an ten là:

( ) ( )3 4

2 2

2 2

4

.

4

.

R

S G P R

A S G P

( ) 4

max 3

2 2

min

4

.

R

S G P

2 2

max

4

.

thu

O A x

P

S G P R

( )

4

3

2 2

max

4

.

T q k N

S G P

π

τλ

=

1.10.2 Tầm xa tác dụng của radar khi có ảnh hưởng mặt biển

Do sóng radar truyền tới mục tiêu theo hai đường: đường truyền trực tiếp trong không khí AC và đường phản xạ từ mặt biển ABC Tại mục tiêu C, hai sóng này giao nhau cho ta trường điện từ tổng cộng có cường độ thay đổi phụ thuộc nhiều yếu tố Sau đây sẽ tính toán trường điện từ tổng cộng này, cường độ của nó sẽ quyết định tầm xa tác dụng của radar

h1: chiều cao an ten

h2: chiều cao mục tiêu

Ett: sóng truyền trực tiếp tới mục tiêu

Epx: sóng phản xạ từ mặt biển tới mục tiêu

- N ăng lượng tổng cộng tới mục tiêu theo hai đường trực tiếp và phản xạ là:

Gọi φ là góc lệch pha của cường độ từ trường khi phản xạ từ mặt nước,

ρ là hệ số phản xạ từ mặt nước, ρ nói lên cường độ điện trường bị yếu đi bao nhiêu lần sau khi phản xạ

Khi đó cường độ điện trường phản xạ từ mặt nước sẽ là: Epx = ρ.Ett

Góc lệch pha giữa Ett và Epx là: ψ = φ + β

Trong đó β là độ lệch pha giữa điện trường Ett và Epx do độ chênh lệch đường

đi giữa hai đường AC và ABC

Để thuận tiện trong tính toán, xét trường hợp Ett = Epx và ρ = 1; khi đó điện trường tổng cộng tính được là:

2 cos

E E

E

là hệ số giao thoa

Hệ số giao thoa Φ nói lên điện trường tổng cộng nơi thu sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn điện trường do sóng truyền trực tiếp Lớn hơn khi Ett và Epx cùng pha và nhỏ hơn khi hai thành phần này ngược pha N goài ra hệ số này còn phụ thuộc tổn hao năng lượng trên đường truyền, việc phản xạ sóng radar từ mặt biển và mục tiêu tốt hay không…

Với trường hợp mặt nước yên tĩnh, tổn hao năng lượng khi phản xạ không đáng kể, có φ = 180o

λ

ππψ

sin 2 sin sin

2 2

cos 2

λ

π

sin 2 sin 2

E E

Với mục tiêu ở tầm xa cực đại Dmax, gần đúng sẽ có:

max

2 1

max

2 1

.

4

2

.

2

D

h h D

h h

λ

πλ

=

Φ

N hư vậy tầm xa cực đại của radar khi có ảnh hưởng của mặt biển sẽ là:

2 2

max

4

.

thu

O A x

P

S G P R

D

π

λ

= Φ

=

max

2 1

4

D

h h

λπ

Kết quả tính được:

Từ công thức c, nhận thấy: trong không gian trường điện từ của sóng phát radar biến đổi theo chiều cao và theo sinθ, có đặc tính phân búp Giản dồ búp phát của anten có thể

biểu diễn như đồ thị kèm

theo Tăng dần chiều cao

λ

π

=Các giá trị p lẻ (1,3,5,7…) tương ứng với điện trường cực đại,

Các giá trị p chẵn (2,4,6…) tương ứng với điện trường cực tiểu bằng 0

* Để phát hiện các mục tiêu thấp sát mặt biển, có góc nhìn θ nhỏ, khi đó cần

có điều kiện:

2 sin

sin

h h

λπ

πλ

Với θ nhỏ, coi: sin θ ≈ θ ; có:

1

4 h

λ

θ ≈ hoặc:

1 14

4 2 1 2

.

4

thu

O A x

P

h h S

G P

λπ

E

D