Đồ án tốt nghiệp trình bày nguyên lý chung của radar hàng hải

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Radar phương tiện vô tuyến điện dùng để phát xác định vị trí mục tiêu so với trạm radar Vì radar sử dụng rộng rãi lĩnh vực quân giao thông, đặc biệt đường biển hàng không Thuật ngữ radar thuật ngữ viết tắt nhóm từ “Radio Detection And Ranging” Ở Anh lý bảo mật thuật ngữ sử dụng “R.D.F” “Radio Detecsion Finding” Thực chất có hàm ý hệ thống xác định vị trí mục tiêu cách đo cự ly phương vị nhờ nguyên lý sóng dội Để có giá trị thực tế cho hàng hải, tất thiết bị thuộc loại phải có độ xác cao hoạt động tầm xa lớn Với yêu cầu sóng âm khơng có tác dụng, điều biểu rõ ảnh hưởng gió tầm xa tín hiệu khó khăn việc xác định phương vị nguồn phát âm Một hệ thống thỏa mãn yêu cầu hàng hải địi hỏi khơng phụ thuộc vào tầm nhìn xa thời tiết mức độ cao, phát xác định vị trí mục tiêu nhỏ Có thể nói phát triển radar bắt đầu vào năm 1920 cơng trình nhà khoa học đặc biệt Anh Mỹ, họ tiến hành việc xác định độ cao tầng dẫn điện khí phản xạ sóng vơ tuyến bên qua đất Nổi bật cơng trình Anh Edward Appeton tham gia M.A.F Banett R.A Watson Watt Vào năm 1930, vấn đề đặt cho nhà khoa học Anh nhận trách nhiệm chống lại công máy bay nghiên cứu hệ thống có hiệu phương pháp định vị âm Đóng vai trị truyền mang lượng, sóng vơ tuyến xứng đáng lựa chọn, thỏa mãn nhu cầu tầm nhìn xa phát theo hướng định trước với chùm tia rộng Nhưng vào thời gian người ta hiểu cịn q đặc tính phản hồi mục tiêu sóng vô tuyến Trong năm 1935 nhà khoa học Anh tập trung vào việc giải vấn đề dự báo đầy đủ, tiếp cận chuyển động máy bay địch biện pháp dùng sóng vơ tuyến cịn mong manh so với u cầu mà người ta mong muốn Sự đời hệ thống phát điện radar có giá trị to lớn việc phòng thủ đất nước Nhà đương cục hải quân quan tâm để có thiết bị tàu họ có khả phát máy bay trời tàu thuyền mặt nước, đặc biệt sương mù vào ban đêm Thiết bị Bawdsey cồng kềnh, cần phải có tháp anten cao Nổ lực nhà thiết kế hải quân Anh hướng vào chế tạo thiết bị nhỏ đặt tàu anten đặt cột buồm Sự khẩn trương cơng việc mang lại kết quả, thiết bị radar đặt chiến hạm Rodney tuần dương hạm Sheffield vào năm 1939 Rarad vào hàng hải CHƯƠNG I TỔNG QUAN RADAR HÀNG HẢI 1.1.KHÁI NIỆM CHUNG 1.1.1.Khái niệm radar Radar phương tiện vô tuyến điện dùng để phát xác định vị trí mục tiêu so với trạm radar Vì radar sử dụng rộng rãi lĩnh vực quân giao thông Đặc biệt ngành đường biển đường không Thuật ngữ RADAR viết tắt Radio Detection And Ranging, tức dùng sóng vơ tuyến để xác định phương vị khoảng cách tới mục tiêu Các nguyên lý radar nhà khoa học Anh Mỹ phát chiến tranh giới thứ hai, việc dùng tín hiệu dội thiết bị hàng hải để xác định đường Từ đời đến nay, radar không ngừng cải tiến, ngày hoàn thiện Cùng phát triển ngành khoa học, ứng dụng thành tựu tự động hóa, kỹ thuật điện, với phát triển vơ tuyến điện tử, tính kỹ thuật, khai thác hoạt động radar nâng cao khơng ngừng Đến với tính ưu việt nó, tất loại tàu hàng hải biển trang bị radar Radar sâu phục vụ đời sống Với cán hàng hải, để dẫn tàu an toàn cần phải biết xác vị trí tàu chuyển động tương quan với mục tiêu biển Radar sẵn sàng cung cấp thông tin cách xác nhanh chóng khoảng thời gian ngắn để tránh xác định vị trí tàu … Từ vấn đề quan trọng đó, radar trở thành phương tiện dẫn đường chủ yếu đảm bảo an toàn cho tàu hành hải Đặc biệt hành hải nơi có mật độ tàu thuyền lớn, hành hải ven bờ, sương mù, băng, đêm tối, tầm nhìn xa bị hạn chế … Đặc biệt loại radar phát xung sử dụng hầu hết tàu biển 1.1.2.Radar hàng hải Khái niệm: Radar hàng hải hệ thống radar phát xung Nguyên lý hoạt động: Nó phát chùm sóng thăm dị khoảng thời gian ngắn thu nhận chùm sóng phản xạ trở khoảng thời gian hai lần phát Đồ thị: H×nh 1.2: Biểu đồ thời gian Tín hiệu phản xạ trễ khoảng thời gian so với tín hiệu phát Tia sóng hình quét: Tín hiệu phản xạ về: chấm sáng Tín hiệu khơng phản xạ về: khơng có chấm sáng =>Tập hợp chấm sáng tạo thành hải đồ + Chức năng: - Là hệ thống tự động vẽ hải đồ xung quanh vị trí tàu cách phát dãy xung siêu cao tần để thăm dị thu lại tín hiệu phản xạ báo hình - Là hệ thống xác định góc mũi tàu mục tiêu, xác định khoảng cách phương vị tới mục tiêu 1.1.3.Sơ đồ khối Radar Cơ radar có khối sau: Khối máy phát, khối máy thu, khối chuyển mạch anten, khối xử lý tín hiệu, hình hiển thị, thiết bị ngoại vi số khối chức khác Máy phát Anten Máy thu Chuyển mạch anten Màn hình Vận hành viên Xử lý tín hiệu Thiết bị ngoại vi Hình 1.2: Sơ đồ khối radar + Máy phát radar hàng hải: Có nhiệm vụ tạo dãy xung siêu cao tần thăm dị (sóng phát từ anten lên tới 9GHz, bước sóng λ=3,2cm nên gặp chướng ngại vật có phản xạ tốt) phát xạ ngồi khơng gian + Máy thu: Làm nhiệm vụ thu tín hiệu dội phản xạ từ mục tiêu Tín hiệu phát từ máy phát mạnh tín hiệu dội anten yếu( Do khoảng cách mục tiêu radar có hệ số phản xa nhỏ nhiều) Máy thu có độ nhạy cao cho phép thu tín hiệu dội nhỏ nên quan sát phạm vi lớn Đối với máy thu tín hiệu siêu cao tần lượng nhỏ (tín hiệu thị tần) tín hiệu thu phải qua mạch xử lý tín hiệu + Xử lý tín hiệu: Khối xử lý tín hiệu làm nhiệm vụ khuếch đại sửa dạng xung, biến đổi A/D để lưu trữ, xử lý làm nhiều thao tác khác loại bỏ tín hiệu dội tạp nhiễu gây hạn chế sai lệch thông tin + Màn hình hiển thị: Để báo thao tác đo đạc ( đo phương vị, đo cự ly,…), báo radar thường sử dụng ống tia điện tử Ống tia điện tử (CRT) thơng dụng tính linh hoạt dải rộng độ phân giải tốt… Ống tia điện tử radar hàng hải thường sử dụng loại đơn sắc thiết diện ống quét thiết diện tròn sử dụng phương pháp lái tia qt bán kính quay với thơng số cho điểm sáng bao gồm: - b: độ sáng biến đổi theo thời gian b=b(t) - Góc quét θ =θ( t) biến thiên liên tục theo thời gian - Bán kính qt r=r(t) + Anten radar: Có đặc tính hướng cao( có khả tập trung lượng hướng nhờ có búp sóng nhọn) Búp sóng nhọn độ phân giải cao có khả tập trung lượng hướng + Đặc tính anten radar: - Anten radar hàng hải thường làm hai nhiệm vụ thu phát để tiết kiệm không gian tàu - Để vẽ hải đồ theo khơng gian hai chiều, anten phải quay trịn quanh trục thẳng đứng để quan sát mục tiêu mặt phẳng nằm ngang - Anten phải có độ định hướng cao mặt phẳng nằm ngang, độ định hướng cao độ tập trung cơng suất qt lớn, tín hiệu xung thăm dị khỏe, độ phân giải theo góc phương vị tốt Anten cần có độ định hướng mặt phẳng đứng, song khơng cần q cao - Anten cần có dải cơng tác đủ rộng, dải tần lên tới 50-60Mhz để bù cho biến thiên tần số hiệu ứng Doppler - Búp sóng phụ anten phải đủ nhỏ để giảm nhiễu quan sát mục tiêu Hạn chế búp sóng phụ hạn chế nhiễu + Chuyển mạch anten: Được sử dụng làm chuyển mạch - Khi phát: truyền lượng từ máy phát anten không để lọt sang máy thu - Khi thu: tín hiệu thu từ anten đưa tới máy thu không đưa tới máy phát + Thiết bị ngoại vi: sử dụng tín hiệu xử lý nhằm thực chức nâng cao khác 1.1.4.Các thông số khai thác radar a Thông số định vị + Tầm xa cực đại : Dmax Tầm xa tác dụng radar khoảng cách lớn mà giới hạn radar phát mục tiêu, tức ảnh mục tiêu cịn xuất đủ để quan sát hình Mục tiêu xa, tín hiệu phản xạ trở yếu Mục tiêu xa mục tiêu có sóng phản xạ anten yếu mà thu radar cịn có khả khuếch đại lên đủ lớn thành tín hiệu mục tiêu Tầm xa cực đại tính theo cơng thức: Dmax = 4π Px Ga2 S ( h1.h2 ) Pth λ2 Trong đó: Px – cơng suất phát xung radar Ga – hệ số phát định hướng radar (=4π/αn αđ) S0 – bề mặt hiệu dụng mục tiêu h1, h2 – chiều cao anten mục tiêu Pth.min – độ nhạy máy thu λ - bước sóng Ta thấy tầm xa cực đại radar không phụ thuộc vào khoảng cách định sẵn ảnh mà phụ thuộc vào: - Độ nhạy máy thu - Công suất máy phát - Điều kiện môi trường - Độ cao anten mục tiêu - Kích thước, hình dáng, cấu tạo mục tiêu Hai tượng ảnh hưởng đến Dmax: (a) Đường chân trời radar: Do bề mặt trái đất hình cầu nên với radar xuất hiện tượng đường chân trời thị giác (tuy nhiên điều kiện bình thường, chân trời radar xa chân trời thị giác khoảng 6%) Nếu mục tiêu không cao đường chân trời, sóng điện từ phát từ radar phản xạ từ mục tiêu trở Trong ta thấy mục tiêu thấp gần radar lại bắt mục tiêu xa mà cao mặt nước Hơn nữa, radar lắp đặt cao tăng khả phát mục tiêu xa Tuy nhiên lắp đặt anten cao làm tăng nhiễu biển Cơng thức tính Dmax thực tế: Dmax = 2.2( h1 + h2 ) đó: Dmax – có đơn vị tính dặm h1, h2 – có đơn vị tính mét (b) Tính chất mục tiêu: Nguyên tắc chung mục tiêu lớn dễ phát khoảng cách lớn Tuy nhiên mục tiêu lớn mà tính phản xạ lại yếu khó nhận biết mục tiêu nhỏ lại có tính phản xạ tốt Cấu tạo vỏ tàu mục tiêu có ảnh hưởng đến tầm xa phát Một tàu có vỏ kim loại cho tín hiệu phản xạ tốt, ngược lại vỏ tàu gỗ hay sợi thủy tinh cho tín hiệu phản xạ yếu Các mục tiêu thẳng đứng vách núi, mục tiêu tốt Các bề mặt nằm ngang, phẳng bãi bùn, bờ cát… mục tiêu xấu chúng làm khúc xạ sóng phản xạ sóng Những tín hiệu phản xạ từ cơng trình xây dựng, cầu cảng… tín hiệu mạnh phụ thuộc vào thay đổi hình dạng Chúng có mặt rộng, phẳng vng góc với nhau; người ta lợi dụng cách xếp phao radar để tăng khoảng cách nhận biết chúng + Tầm xa cực tiểu radar (vùng chết radar): Dmin Tầm xa cực tiểu radar khoảng cách gần từ radar tới mục tiêu mà radar cịn có khả nhận biết mục tiêu Đối với mục tiêu nằm khoảng cách gần hơn, radar khơng có khả phát Tầm xa cực tiểu radar phụ thuộc chiều dài xung phát, chiều cao anten αđ (c) Theo chiều dài xung phát τx: Theo nguyên lý phát xung radar, radar phát xung với chiều dài τx xong, chờ sóng phản xạ trở phát xung thứ Nếu có mục tiêu gần radar, máy phát vừa phát xung xong tín hiệu phản xạ mục tiêu trở tới anten Như thời gian từ phát đến lúc thu xung τx Với mục tiêu gần anten, xung thứ tới mục tiêu phản xạ anten mà phần tử cuối xung phát chưa rời khỏi anten, tức chưa phát xong máy thu khơng thu đựơc tvì= τbộ chuyển mạch ngắt máy thu Mặt khác chuyển mạch, máy thu, chuyển động điện tử… để chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác cần khoảng thời gian gọi thời gian τi Như mục tiêu gần mà radar phát có khoảng cách: Dmin= ½ C.(τx + τI) Thơng thường: τx = 0.3µs τi = 0.2µs Do Dmin = 75 m Sóng phản xạ x (d) Theo chiều cao anten αđ Búp phát có góc mở đứng αđ giới hạn, có vùng gần anten sóng điện từ h α khơng tới nên khơng phát mục tiêu Dmin = h * cotg ½ αđ D α /2 + Cách xác định Dmin thực tế: Đưa radar vào hoạt động, để thang cự li nhỏ nhất, sau dùng xuồng (có thể xuồng cứu sinh) buộc dây thả xa bắt ảnh hình Sau dùng dây kéo từ từ xuồng lại gần tàu, quan sát ảnh radar tới ảnh xuồng Khi chiều dài dây cộng chiều dài xuồng Dmin đ đ b.Độ phân giải + Độ phân giải theo khoảng cách: A B mục tiêu C Độ phân giải theo khoảng cách khả phân biệt ảnh đứng gần trường phương vị, tức mục tiêu tách rời ảnh c chúng không bị chập ảnh radar a b + Điều kiện phân giải theo khoảng cách: Giả sử mục tiêu A B gần nhau, phần tử từ B phản xạ đến A mà phần tử cuối phản xạ từ A chưa rời khỏi A sóng phản xạ hai mục tiêu nối tiếp anten gây nên vệt sáng hai mục tiêu báo, khơng phân biệt ảnh hai mục tiêu Để ảnh hai mục tiêu khơng trùng hình khoảng cách d chúng phải là: d> C * τx Ngồi điểm sáng mặt máy có kích thước nên độ phân giải theo khoảng cách phải đảm bảo: C *τ x d a * D ∆D ≥ + 0.5Dmax Trong đó: da: đường kính điểm sáng mặt báo D: thang tầm xa Dmax: đường kính ảnh + Độ phân giải theo góc: Độ phân giải theo góc khả phân biệt ảnh mục tiêu đứng gần hình chúng có khoảng cách tới tâm (tức mục tiêu đứng gần nhau, có khoảng cách tới radar thực tế) Trường hợp mục tiêu có khoảng cách tới radar nằm gần nhau, ảnh chúng hình bị chập làm + Điều kiện phân giải theo góc: Nếu mục tiêu có khoảng cách tới radar, góc kẹp chúng với radar  αng ảnh chúng vệt sáng nối liền tín hiệu phản xạ nhau, không phân biệt Để ảnh hai mục tiêu khơng trùng góc kẹp chúng: α0 > αng Ngồi độ phân giải theo góc cịn phụ thuộc vào đường kính điểm sáng khoảng cách từ tâm hình tới ảnh mục tiêu α0 > αng + 57.3da/D A A 1.1.5.Các thông số kỹ thuật radar B + Chiều dài bước sóng : B Người ta chọn bước sóng a (tương ứng tần số f = C/) a cho thỏa mãn yêu b cầu: sóng truyền thẳng, tập trung lượng vào búp phát hẹp, có khả định b α  αng α > αng hướng cao loại bỏ ảnh hưởng yếu tố khí tượng thủy văn Đồng thời sóng mang đủ lượng xa chiều dài xung phát τx phải có từ 300 ÷ 500 dao động tồn phần Tuy nhiên để tăng độ phân giải theo khoảng cách phải giảm τx tức giảm  (tăng f) Radar ngày dùng sóng có bước sóng cm, truyền thẳng tồn mục tiêu lớn Thường có loại bước sóng:  = 10 cm  = 3.2 cm  = 0.8 cm Bước sóng dài tầm tác dụng lớn song độ phân giải kém, trái lại bước sóng ngắn có tầm tác dụng nhỏ lại phân giải tốt Vì tùy loại radar mà chế tạo theo bước sóng phù hợp Hiện radar dùng chủ yếu bước sóng 3.2 cm tức có tần số 9400 Mhz + Chiều dài xung phát τx: Với loại radar khác nhau, có τx khác τx lớn lượng xung tới mục tiêu lớn, tăng tầm xa tác dụng giảm độ phân giải, tăng bán kính vùng chết Ngược lại, τx nhỏ, tầm xa tác dụng nhỏ, giảm bán kính vùng chết độ phân giải tốt Ngày radar sản xuất với hai chế độ xung dài ngắn, tùy thang tầm xa yêu cầu thực tế hàng hải mà chuyển chế độ xung phát cho phù hợp Người ta tạo công tắc chuyển đổi chế độ PULSE SWITCH với chế độ LONG SHORT (với số máy Nhật chế độ NORMAL NARROW) Thơng thường τx = 0.01 ÷ µs + Chu kỳ lập xung Tx Tần số lập xung Fx = 1/Tx: Chu kỳ lập xung khoảng thời gian lần phát xung kế tiếp, tần số lập xung lượng xung xuất đơn vị thời gian, phụ thuộc vào tốc độ quay anten Để thu sóng phản xạ từ mục tiêu xa (ở thang cự li sử dụng) thời gian thu xung: Tx ≥ 2Dmax/C (do τx