Nghiên cứu mô phỏng cự ly phát hiện mục tiêu radar hàng hải

Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịchchuyển của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không có thêm bất kì thông tin nào về cự li hay vị trí.. Chứ

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè, gia đình đã tạo mọi điều kiệngiúp đỡ động viên trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án này Đặc

biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy Ts Phạm Văn Phước đã nhiệt tình hướng

dẫn một cách khoa học, luôn luôn động viên và luôn theo sát tiến trình hoànthành đồ án Đồ án này được thực hiện trong điều kiện hạn chế về nhiều mặt nênkhông tránh khỏi những sai sót kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến để đồ

án hoàn chỉnh hơn

Sinh viênPhạm Văn Lễ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đồ án tốp nghiệp của tôi với sự hướng dẫn của

Ts.Phạm văn Phước Nếu có xuất hiện sai sót hay vấn đề gì về đồ án tôi xin

chịu mọi trách nhiệm

Sinh viên Phạm Văn Lễ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ MỤC TIÊU RADAR 2

1.1 Khái quát về Radar 2

1.2 Chức năng và phân loại của Radar 3

1.2.1 Chức năng của Radar 3

1.2.2 Phân loại radar 3

1.3 Cấu trúc chung của radar hàng hải 5

1.3.1 Sơ đồ khối cấu tạo của radar hàng hải đơn giản 5

1.3.2 Phần phát của Radar 5

1.3.3 Phần thu 7

1.4 Mục tiêu Radar hàng hải 9

1.4.1 Mục tiêu của Radar 9

1.4.2 Các tham số cơ bản xác định vị trí mục tiêu của Radar 10

1.4.3 Qũy đạo mục tiêu 14

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ

ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR HÀNG HẢI 15

2.1 Nguyên lý phát xung trong Radar xung 15

2.1.1 Tính toán cự ly mục tiêu 17

2.1.2 Cự ly phân giải mục tiêu 18

2.2 Nguyên lý xác định vân tốc mục tiêu theo hiệu ứng Doppler 19

2.2.1 Hiệu ứng Doppler 19

2.3 Phương trình xác định cự ly của Radar hàng hải 20

2.3.1 Phương trình xác định tầm xa cực đại của radar hàng hải 20

2.3.2 Phương trình radar đối với tần số lặp xung PRF thấp 24

2.3.3 Phương trình radar với tần số lặp xung PRF cao 25

2.4 Ảnh hưởng của các thông số tới mục tiêu trong radar hàng hải 25

2.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật 25

2.4.2 Ảnh hưởng của tầm nhìn thẳng trên biển 27

2.4.3 Ảnh hưởng của bề mặt nước biển (mặt đất) 27

2.4.4 Ảnh hưởng của hiện tượng suy hao thấu kính 28

2.4.5 Sự suy giảm tín hiệu trong bầu khí quyển 29

2.4.6 Suy giảm do ảnh hưởng của sương mù 30

2.4.7 Suy giảm do ảnh hưởng của mưa 31

2.4.8 Ảnh hưởng suy hao do tuyết rơi 32

2.4.9 Ảnh hưởng của sóng biển 32

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CỰ LY MỤC TIÊU RADAR 33

3.1 Tính toán cự ly phát hiện mục tiêu radar 33

3.2 Mô phỏng xác định cự ly phát hiện mục tiêu của Radar 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 49

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 50

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

RADAR Radio Detection And Ranging

SAR Search and Rescue – Tìm kiếm cứu nạn

HF High Frequency – Tần số cao

VHF Very High Frequency – Tần số siêu cao

PRF Pulse Repetition Frequency - Tần số lặp xung

CW Continuos Wave – Phát sóng liên tục

AGL Average Ground Level – Mức trên bề mặt đất

MSL Mean Sea Level – Mức trên bề mặt biển

PPI Plan Position Indicator

PRT Pulse Repetition Time - Chu lỳ lặp xung

IHO International Hydrographic Organnization – Tổ chức khí

tượng quốc thế

IMO International Maritime Organnization - Tổ chức hàng hải

quốc thế

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

H1.2 Phân chia các loại radar theo sóng điều chế 5

H1.5a Mây, mưa trên biển gây nhiễu cho mục tiêu radar 10 H1.5b Nhiễu ảnh hưởng tới búp sóng phát của radar 10 H1.6 Vị trí mục tiêu theo độ cao của địa hình 11 H1.7 Độ cao của mục tiêu radar trong không gian 12 H1.8 Xác định vị trí mục tiêu trong hệ tọa độ Oxyz 13 H1.9 Vị trí mục tiêu hiển thị trên màn hình Radar 13

H2.1 Nguyên lý xác định mục tiêu của radar phát xung 15 H2.2 Tín hiệu xung phát đi và xung phản xạ về 17

H2.5 Quá trình phát tín hiệu từ radar và nhận tín hiệu phản xạ từ

H2.8 Hiện tượng suy hao thấu kính theo khoảng cách và góc

nâng

28

H2.9 Khúc xạ, phản xạ tín hiệu khi khí quyển thay đổi 29 H2.10 Suy hao tín hiệu trong bầu khí quyển góc nâng búp sóng 0 0 30 H2.11 Suy hao tín hiệu sóng trong khí quyển với góc nâng búp

sóng 0,5 0

30 H1.12 Đồ thị biểu diễn sự suy hao tín hiệu do sương mù 31 H2.13 Suy hao do tín hiệu do ảnh hưởng của mưa theo một chiều 31

H3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa xung đập vào mục tiêu và

tỉ số S/N tín hiệu trên tạp âm khi Công suất đỉnh và diện

tíchphản xạ hiêu dụng thây đổi.

45

MỞ ĐẦU

Trải qua quá trình từ khi ra đời đến nay, radar ngày càng được cải tiến vàkhông ngừng hoàn thiện Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, đượcứng dụng thành tựu về tự động hóa, kỹ thuật điện, cùng với sự phát triển của vôtuyến điện tử, tính năng kỹ thuật, khai thác và hoạt động của radar được cảithiện không ngừng Đến nay với tính ưu việt của nó mà radar được sử dụng rấtnhiều trong các lĩnh vực khác nhau như: Trong quân sự radar nổi bật với khảnăng phát hiện mục tiêu Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, giúp cho việc dựbáo thời tiết được chính xác và thuận lợi hơn rất nhiều Trong ngành hàngkhông radar dùng để kiểm soát không lưu (ATC) và quản lý không lưu (ATM),dẫn đường và điều khiển cất cánh và hạ cánh máy bay Trong lĩnh vục hàng hải,radar sẵn sàng cung cấp những thông tin một cách chính xác và nhanh chóngtrong khoảng thời gian ngắn để tránh va đập, xác định vị trí của tàu… Từ nhữngvấn đề đó mà radar trở thành phương tiện dẫn đường chủ yếu và đảm bảo antoàn cho tàu biển khi tham gia hàng hải

Vì những lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng cự ly phát hiện

mục tiêu Radar hàng hải”

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RADAR VÀ MỤC TIÊU RADAR 1.1 Khái quát về Radar

Radar viết tắt của Radio Detection And Ranging, là một thiết bị được phátminh trong các thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20 dùng để nhận dạng từ xa và xácđịnh cự ly của các vật thể (như tàu thủy và máy bay) bằng các sóng điện từ.Nguyên lý bên trong của radar được thí nghiệm lần đầu tiên bởi Hertz vào cuốithế kỷ 19 Hertz đã kiểm tra lý thuyết về trường điện từ của Maxwell, và chứng

tỏ rằng các sóng điện từ phản xạ lại bởi các chất dẫn điện và điện môi Các pháthiện này chưa được ứng dụng cho đến những năm 1900 khi một kỹ sư ngườiĐức sáng chế một thiết bị để nhận dạng tàu và các chướng ngại vật bằng sóngđiện từ Tuy nhiên, do cự ly phát hiện nhỏ (cỡ một dặm) nên thiết bị này chưađược thành công lắm Một vài năm trước khi Thế chiến thứ hai bùng nổ các hệthống radar phát sóng liên tục CW được thử nghiệm ở nhiều quốc gia Các hệthống radar này hoạt động chủ yếu ở băng tần HF (high frequency: 3 đến30MHz) và VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) và đạt cự ly phát hiệnlên đến 50 dặm Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịchchuyển của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không

có thêm bất kì thông tin nào về cự li hay vị trí Trong suốt Thế chiến hai, các hệthống radar được sử dụng một cách có hệ thống như một công cụ để cải thiện hệthống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu chiếnquân địch, Trong thời kỳ đó, các radar xung cũng được phát minh để cung cấpthông tin về cự ly dựa trên việc đo lường thời gian trễ giữa xung phát và xungphản xạ về từ mục tiêu Từ đó, các hệ thống radar được phát hiện và cải tiến liêntục cả vế phần cứng (máy phát, máy thu, anten radar v.v.) lẫn phần mềm (khimáy tính xuất hiện làm công cụ cho việc phân tích và biểu diễn dữ liệu radar).Hiện nay, radar đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực của đời sống như điềukhiển không lưu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, các ứng dụng trong đời sốngnhư radar phát hiện mỏ khoáng sản, mỏ dầu… radar kiểm tra các công trình xâydựng, radar đo tốc độ xe lưu thông và các ứng dụng quân sự như giám sát, định

vị, điều khiển, và dẫn đường cho các loại vũ khí

1.2 Chức năng và phân loại của Radar

1.2.1 Chức năng của Radar

Chức năng của radar:

- Đo khoảng cách và xác định vị trí của mục tiêu (tính toán khoảng thời gianthu được tín hiệu sóng phản xạ trễ so với tín hiệu phát)

- Xác định vận tốc của mục tiêu (dựa vào tần số Doppler)

- Xác định góc phương vị (dựa vào hướng mũi tàu, xung phương vị đã đượcđánh dấu radar phát)

- Xác định độ lớn của mục tiêu (dựa vào độ lớn của tần số sóng phản xạ thuđược)

- Xác định nhận dạng mục tiêu và một số thành phần khác(thông qua tần sốsóng phản xạ thu được như một hàm có phương hướng)

- Xác định và nhận biết các mục tiêu di chuyển (dựa vào sự thay đổi của tínhiệu phản xạ thu được)

- Xác định mục tiêu có cấu tạo và vật liệu gì (thông qua tính chất của vật liệukhi phản xạ)

Hiện nay các hệ thống radar dùng cho ngành hàng hải chỉ có chức năng từ 1đến 3 nêu ở trên Hệ thống radar SAR (Search and Rescue) đây là hệ thống radartìm kiếm cứu nạn sử dụng hệ thống vệ tinh quan sát trái đất và với nhiều mụcđích khác như, phục vụ cho nghiên cứu trái đất, khí hậu, thủy văn,…

1.2.2 Phân loại radar

Các hệ thống Radar nói chung sử dụng các dạng sóng điều chế và anten địnhhướng để phát năng lượng điện từ vào một thể tích nhất định trong không giannhằm phát hiện mục tiêu Các vật thể (mục tiêu) nằm trong không gian tìm kiếm

sẽ phản xạ lại một phần năng lượng (tín hiệu phản xạ) trở lại đài radar Các tínhiệu phản xạ này sẽ được máy thu của đài radar xử lý để tách các thông tin vềmục tiêu như cự ly, vận tốc, góc phương vị, và một số đặc tính khác Radar cóthể được phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar như mặt đất, máy bay, khônggian hay tàu thủy Ngoài ra, hệ thống radar cũng có thể phân ra thành nhiều loại

khác nhau dựa vào các đặc tính của radar như băng tần số, loại anten và dạngsóng phát Ta cũng có thể phân loại radar theo chức năng nhiệm vụ của đài radarnhư radar khí tượng, radar cảnh giới, radar dẫn đường.

H1.1 Phân loại theo chức năng của radar

Thông thường radar được phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động.Theo dạng sóng, radar có thể được phân thành hai loại là phát sóng liên tục(CW) và phát xạ xung Radar phát sóng liên tục là loại radar phát năng lượngđiện từ liên tục và sử dụng hai anten phát và thu riêng biệt Radar phát xạ xungliên tục không điều chế có thể đo được chính xác vận tốc xuyên tâm của mụctiêu (độ dịch Doppler) và góc phân vị Thông tin về cự ly của mục tiêu chỉ cóthể biết được khi sử dụng điều chế Radar xung sử dụng chuỗi các xung (chủ yếuđược điều chế) Trong kiểu radar này hệ thống được phân loại dựa theo tần sốlặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với các dạng là PRF thấp, PRFtrung bình, PRF cao Các radar PRF thấp được sử dụng để đo cự ly khi khôngcần quan tâm đến vận tốc của mục tiêu (độ dịch Doppler) Radar PRF cao chủyếu được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu Radar phát sóng liên tục cũng nhưradar phát xạ xung đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc xuyên tâm của mụctiêu, bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế

H1.2 Phân chia các loại radar theo sóng điều chế

1.3 Cấu trúc chung của radar hàng hải

1.3.1 Sơ đồ khối cấu tạo của radar hàng hải đơn giản

H1.3 Sơ đồ khối đơn giản của radar

1.3.2 Phần phát của Radar

Sơ đồ khối của máy phát radar được chia làm 3 phần chính:

- Mạch tạo sóng siêu cao tần là bộ phận tạo ra các sóng điện từ ở giải siêu

cao tần và đưa sóng siêu cao tần đến chuyển mạch anten và được anten phát rangoài không gian Mạch tạo sóng siêu cao có khả năng tự kích công suất Trongthực tế hiện nay người ta sử dụng đèn điện tử Magnetron, bằng cách sử dụngđiện áp để điều khiển khống chế 2 cực anot và katot của đèn Magnetron ta cóthể điều khiển quá trình làm việc của đèn Khi ta ngừng cấp áp cho 2 cực anot vàkatot thì đèn Magnetron cũng ngừng hoạt động

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đèn magnetron.

H1.3a Cấu tạo đèn Magnetron.

Anode được làm bằng đồng trụ, trên đó có khoét 1 số chẵn các hốc cộnghưởng Các hốc cộng hưởng này được thông với khoang bên trong của anodebởi các khe hẹp vuông góc

Cathode, ở bên trong, cũng có hình trụ và là loại được đốt gián tiếp Để tăngcường sự bức xạ điện tử ở cathode, trên bề mặt của cathode người ta phủ mộtlớp oxit

Khoảng cách giữa anode và cathode được hút chân không Tất cả được bọckín và được đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu NS Nam châm vĩnhcửu này được chế tạo đặc biệt để tạo ra cường độ từ trường lớn

Cathode bắn ra các điện tử khi bị nung nóng Nếu bỏ nam châm vĩnh cửu NSthì hệ thống giống đèn điện tử 2 cực, các điện tử sau khi thoát khỏi cathod sẽbắn thẳng về anode dưới tác dụng của điện trường E Nhưng do có từ trường củanam châm, Quỹ đạo của các điện tử bị thay đổi Chúng chuyển động theo đườngxoắn ốc về phía anode Sự chuyển động này phụ thuộc vào độ lớn của từ trườngH

+ Khi H = 0 (không có nam châm): các điện tử bắn thẳng về anode

+ Khi H < Htới hạn: các điện tử chuyển động đập vào anode không trở về

+ Khi H = Htới hạn: các điện tử chuyển động tiếp xúc với anode rồi trở về

+ Khi H > Htới hạn: các điện tử chuyển động không tới anode đã quay ngược trởvề.

Các điện tử chuyển động theo đường cong tới sát anode rồi bật ngược trở lạicathode tạo thành những đám mây điện tử (rotor điện tử) hình cánh sao (sốlượng cánh sao = ½ số lượng hốc cộng hưởng) các rotor điện tử kích thích cácđiện tử trên bề mặt anode Các điện tử này sẽ chuyển động gây ra các dao độngsiêu cao tần với rất nhiều tần số, trong đó có tần số f mà ta mong muốn Nếuanode được nối với khung dao động LC thì ta lấy ra được các dao động đó.Nhưng thực tế các dao động đó là các dao động siêu cao tần nên người ta phảithay khung dao động LC bằng các hốc cộng hưởng, cộng hưởng với tần số mongmuốn Muốn đưa được các dao động siêu cao tần này ra ống dẫn sóng người talấy ở bất cứ 1 hốc nào bằng móc ghép

- Mạch điều chế xung là mạch điều chế biên độ xung điện áp được lấy từ

nguồn nuôi Tín hiệu xung điện áp được điều chế này sẽ được sử dụng để điềukhiển và duy trì hoạt động cho đèn Magnetron

- Nguồn nuôi là nguồn cung cấp cho máy phát hoạt động ngồn này bao gồm

2 phần: Nguồn cấp áp cho mạch điều chế xung và một phần nguồn dùng để nungnóng sợi đốt cho đèn Magnetron

1.3.3 Phần thu

Yêu cầu đối với máy thu của radar hàng hải ở dải sóng cm và mm.

- Có độ nhạy cao, dải thông đủ lớn để thu được sóng dạng xung mà không gâyméo cho tín hiệu

- Có hệ số khuếch đại lớn để đảm bảo cho quá trình quan sát và báo theo mụctiêu một cách tự động

- Hệ số khuếch đại của máy thu có thời gian phục hồi ngắn để đảm bảo yêucầu cho giá trị định danh của hệ số khuếch đại, mục đích là để thu được tín hiệusóng phản xạ ngay lập tức sau khi xung phát kết thúc ở trạm radar gần nhất

- Có khả năng tự động điều chỉnh tần số của tín hiệu sóng phát khi xảy ra sailệch, có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo sao cho tín hiệu thu được là chínhxác nhất.

- Có thể thay đổi hệ số khuếch đại, các thông số kỹ thuật, hằng số thời gian,

để hạn chế tối đa nhiều do mưa, nước biển,… đặc biệt là khi biên độ sóng phản

xạ bị dao động lớn

- Đảm bảo làm việc ổn định trong môi trường không ổn định

- Ngoài ra phải đảm bảo nhiều yêu cầu khác của ngành hàng hải đặt ra

Mạch đổi tần

Bao gồm 2 thành phần chính là: Mạch trộn tần và bộ tạo dao động nội

- Mạch trộn tần có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về (quachuyển mạch anten) và tín hiệu từ bộ dao động nội đưa sang để kết hợp tạo ra tínhiệu trung tần

- Bộ tạo dao động nội có nhiệm vụ tạo ra dao động siêu cao tần với công suấtnhỏ đưa sang bộ trộn, với tần số cao nó trừ đi tín hiệu phản xạ trở về thì bằng tấn

số trung tần chuẩn Công suất do bộ dao động nội tạo ra khoảng 5W

Mạch khuếch đại trung tần

Tầng khuếch đại trung tần trong máy thu (KĐTT) là bộ khuếch đại chọn lọcđặt ngay sau bộ đổi tần và trước bộ tách sóng của máy thu radar Tầng này quyếtđịnh đến độ nhạy và độ chọn lọc tần số của máy thu KĐTT thực hiện nhiệm vụkhuếch đại tín hiệu trung tần lên mức đủ lớn để bộ tách sóng làm việc bìnhthường, đảm bảo việc chọn lọc tần số lân cận và thực hiện điều chỉnh hệ sốkhuếch đại

Do mạch KĐTT làm việc ở một tần số cố định lên việc điều chỉnh để dunghòa mâu thuẫn giữa giải thông và độ chọn lọc đồng thời vẫn đảm bảo có hệ sốkhuếch đại tín hiệu lớn và ổn định điểm làm việc

H1.4 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần

Mạch tách sóng và tầng khuếch đại thị tần

Bộ tách sóng: là một nhiệm vụ cơ bản trong máy thu Tầng tách sóng nằmgiữa tầng trộn tần và khuếch đại âm tần, làm nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần rakhỏi tín hiệu cao tần đã được điều chế (thực hiện giải điều chế) Tín hiệu âm tầnnày phải trung thực với tín hiệu âm tần đã được điều chế ở máy phát Do nhiềuyếu tố tác động và do đặc điểm phi tuyến của các phần tử khuếch đại trong cáctầng và tầng tách sóng mà tín hiệu sau giải điều chế có thể bị méo Do vậy, bộtách sóng phải đảm bảo hiệu suất tách sóng và phối hợp trở kháng tốt để ít ảnhhưởng đến tầng sau và hạn chế méo phi tuyến ở mức thấp nhất

Tương ứng với các loại điều chế, thì mạch tách sóng (giải điều chế) cũng phảithực hiện chức năng và nhiệm vụ tương đương: mạch tách sóng biên độ, táchsóng pha…

Tầng khuếch đại thị tần: là tầng khuếch đại tín hiệu được đưa đến từ tầngkhuếch đại trung tần Trong radar hàng hải thì tầng khuếch đại trung tần khôngđòi hỏi yêu cầu quá cao Vì thế, mạch RC thường được sử dụng trong radar hànghải

1.4 Mục tiêu Radar hàng hải

1.4.1 Mục tiêu của Radar

Khái niệm về mục tiêu radar

Mục tiêu của radar là khả năng quan sát tất cả các vật thể trong phạn vi và tầmquan sát của radar Đối với ngành hàng hải thì mục tiêu của radar có thể làthuyền, tàu, mốc hàng hải, đảo, vịnh, bờ biển, mây… Các thông tin về mục tiêu

sẽ được cung cấp nhờ tín hiệu sóng phản xạ mang lại

Phân loại mục tiêu radar

- Mục tiêu riêng biệt là các mục tiêu nằm riêng biệt với nhau và ảnh củachúng lằm riêng biệt với nhau trên màn hình hiển thị của radar

- Mục tiêu nhóm là cụm mục tiêu không phân biệt được về góc và khoảngcách Những mục tiêu này trên màn ảnh sẽ chập lại với nhau không phân biệtđược

- Mục tiêu khối hiện tượng này do các đám mây huyền phù, mây tích điện gây

ra ảnh các mục tiêu này trên màn ảnh tương đối lớn biên mờ và biến đổi theothời gian

- Ngoài ra còn phân loại mục tiêu radar theo: Mục tiêu nhân tạo là các mụctiêu do con người làm ra như tàu, thuyền… Mục tiêu tự nhiên là do thiên nhiêntạo ta như bờ biển, bờ sông, núi,… Mục tiêu giả là những mục tiêu không cầnquan sát mà vẫn gây ảnh hưởng cho mục tiêu quan sát

H1.5a Mây, mưa trên biển gây nhiễu cho mục tiêu radar

H1.5b Nhiễu ảnh hưởng tới búp sóng phát của radar

1.4.2 Các tham số cơ bản xác định vị trí mục tiêu của Radar

- Vị trí tuyệt đối của một mục tiêu được xác định khi ta biết được vị trí kinh

độ và vĩ độ của nó Nếu radar có kết nối GPS ta có thể xác định được vị trí tuyệtđối của mục tiêu Vị trí này được xác định theo không gian 2D mục tiêu có vị trítrên bề mặt mặt đất hoặc trên mặt biển và được gọi là vị trí mặt phẳng chân trời

(Horizontal Position) với độ cao trung bình(AGL - Average Ground Level và MSL - Mean Sea Level) Trong không gian 3D vị trí của mục tiêu bao gồm kinh

độ vĩ độ và độ cao của mục tiêu so với AGL/MSL ngoài ra còn có thể xác định

vị trí mục tiêu thông qua xác định khoảng cách , góc nghiêng, góc phương vị tớimốc cố định trong không gian.

- Vị trí tương đối của mục tiêu được xác định bằng khoảng cách và góc

phương vị tới một vị trí đã biết trước trên bản đồ hoặc hải đồ

- Khoảng cách nghiêng của mục tiêu đối với trạm radar xảy ra khi có 2 mục

tiêu song song trên mặt phẳng thẳng đứng chúng có cùng khoảng cách về địahình, nhưng khoảng cách nghiêng của chúng lại khác nhau (h1.6 trái) việc tìmđược khoảng cách nghiêng khá khó khăn cần sử dụng phần mềm hiện đại, việctính toán cũng khá phức tạp và mất thời gian

H1.6 Vị trí mục tiêu theo độ cao của địa hình

- Xác định hướng của mục tiêu: nhờ độ định hướng của anten ta có thể xác

định được hướng của mục tiêu Độ định hướng nói lên khả năng tập trung nănglượng của anten radar phát hướng tới mục tiêu ảnh hưởng tới tầm xa cực đại củacủa radar và thông qua đó ta xác định được góc phương vị và góc nâng của mụctiêu, xác định khoảng cách nhờ tín hiện sóng phản xạ từ mục tiêu lại Độ chínhxác của các phép đo sẽ phụ thuộc vào độ định hướng của anten radar

- Phương vị thực của mục tiêu là góc tạo bởi hình chiếu ngang đường thẳng

từ radar tới mục tiêu với hướng Bắc thực Góc này sẽ được xác định theo mặtphẳng chân trời với hướng Bắc thực theo chiều kim đồng hồ Góc phương vị nàycũng có thể được xác định hướng của tàu tới đường nối giữa tàu với mục tiêu vàhay được gọi là góc mạn

- Hướng mũi tàu được xác định theo chỉ báo của la bàn hoặc con quay.Trên

màn hình hiển thị của radar hướng múi tàu được chỉ báo và đánh dấu (SHM – Ship Handing Marker)

- Góc nâng là góc được tạo bởi giữa tầm nhìn thẳng tới mục tiêu của radar

với mặt phẳng chân trời theo mặt phẳng thẳng đứng Được ký hiệu là ε nó có giátrị dương khi nằm trên mặt phẳng chân trời và có giá trị âm khi nằm dưới mặtphẳng chân trời

- Độ cao của một mục tiêu bao gồm độ cao trên mặt biển MSL và độ cao trên

mặt đất AGL và được ký hiệu là H Độ cao thực của mục tiêu là khoảng cáchthực tế của mục tiêu đó so với MSL/AGL Thông số này được tính toán theo giátrị R và góc nâng ε, h1.7

H1.7 Độ cao của mục tiêu radar trong không gian

Độ chính xác của phép đo nói lên độ chính xác của các phép đo radar để định

vị mục tiêu như Độ chính xác của phép đo xác định vị trí ước tính mục tiêu với

vị trí thực tế của mục tiêu mà máy thu radar đo được hoặc độ chính xác vận tốccủa mục tiêu so với vận tốc thực tế đo được Độ chính xác được thể hiện bằngcác phép đo thống kê sai số của hệ thống được dẫn đường vô tuyến và chúngkhông bị nhầm lẫn với các tín hiệu khác Độ chính xác là giá trị được đưa ra thểhiện sự sai lệch của giá trị thực tế đặc trưng cho sự không chắn của giá trị đo

Nó chỉ ra sai số trong phép đo Xác suất của phép đo yêu cầu cần đạt 95% trởlên tương ứng với độ lệch chuẩn ở mức 2 trong phân bố chuẩn Gausian giá trịtrung bình

H1.8 Xác định vị trí mục tiêu trong hệ tọa độ Oxyz

Mục tiêu tại vị trí P được xác định thông qua các thông số P(Ф, λ, r) hoặcP(H, Ф, r) trong không gian 3 chiều Oxyz (3D)

Góc Φ tính từ trục x và theo chiều ngược kim đồng hồ

Vị trí mục tiêu điểm trong hệ tọa độ tuyệt đối Oxy

H1.9 Vị trí mục tiêu hiển thị trên màn hình Radar

Vị trí Mục tiêu P(r, β) được xác định trong hệ tọa độ tương đối Oxy hay trong) được xác định trong hệ tọa độ tương đối Oxy hay trongkhông gian 2D

Với r = range, là khoảng cách từ trậm radar đến mục tiêu P, góc mạn β) được xác định trong hệ tọa độ tương đối Oxy hay trong

1.4.3 Qũy đạo mục tiêu

Qũy đạo mục tiêu là tập hợp tấp cả các vị trí vết của mục tiêu theo thời gian.Vết của mục tiêu cho thấy sự di chuyển của mục tiêu thay đổi so với tàu quansát được hiển thị trên màn ảnh radar

Có thể chỉ báo Mục tiêu radar theo như h1.10 Đối với radar sử dụng tronghàng hải chỉ báo PPI là thích hợp nhất với mục đích quan sát tàu và dẫn tàutránh các chướng ngại vật trên biển hay chạy trong luồng một cách thuận tiệnnhất

H1.10 Một số loại chỉ báo mục tiêu radar

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU VÀ CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU RADAR HÀNG HẢI

Radar được trang bị cho ngành hàng hải, là loại dùng nguyên lý radar xung.Rdar có nhiệm vụ phát hiện và xác định tọa độ mục tiêu so với trạm radar tronghàng hải, tọa độ xác định bằng hệ tọa độ cực thông qua khoảng cách và góc

2.1 Nguyên lý phát xung trong Radar xung

Radar phát các xung radio theo chu kỳ thời gian, có độ rộng xung là  ,saukhi xung thăm dò mục tiêu được phát đi và chờ tín hiệu xung phản xạ trở vềanten thu thì mới phát xung thăm dò tiếp theo với chu kỳ lặp xung là T Tín hiệuphản xạ từ mục tiêu trở về qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu, tín hiệunày được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu điện, bộ xử lý khuếch đại vàtách sóng tín hiệu đưa tín hiệu đến bộ chỉ báo và hiển thị Để quá trình hoạtđộng của radar ổn định và đồng bộ nhất, người ta tạo ra các xung đồng bộ từ bộđiều khiển và điều khiển trạm radar

Để giúp anten có thể dùng chung cho cả phần phát và phần thu, người ta sửdụng bộ chuyển mạch anten để tách riêng máy phát và máy thu sao cho phù hợplúc phát và thu: Ngắt phần thu khi phần phát hoạt động (phát tín hiệu) với mụcđích an toàn cho máy thu khi công suất phát lớn Ngắt phần phát khi phần thuhoạt động (thu tín hiệu) mục đích đảm bảo có công suất đủ lớn để hiển thị đượcmục tiêu quan sát

H2.1 Nguyên lý xác định mục tiêu của radar phát xung

Với a(t) là xung vuông Đây là dạng điều chế ASK

S(t) là tín hiệu được phát ra ngoài anten tới mục tiêu, s’(t) là tín hiệu phản xạ thuđược

Các thông số của radar phát xung

- Độ rộng xung phát là khoảng thời gian phát xung bức xạ trong một chu kỳbức xạ Thông số này ảnh hưởng đến tầm xa của radar và độ phân giải khoảngcách được lý hiệu là τ hay PW (Pulse Width)

- Chu kỳ lặp xung là khoảng thời gian giữa hai lần phát xung kế tiếp của

Radar và được ký hiệu là T hay PRT (Pulse Repetition Time) PRT= 1/ PRF.

- Tần số lặp xung là lượng xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, phụ

thuộc vào tốc độ quay của anten và được ký hiệu là PRF (Pulse Repetition Frequency).

- Độ trễ thời gian là khoảng trễ thời gian giữa tín hiệu phát và tín hiệu phản xạthu được và được dùng để xác định khoảng cách từ Radar tới mục tiêu được kýhiệu Δt

- Công suất phát xung của Radar P(W) là công suất phát phát xung tín hiệutrong một khoảng thời gian

- Hệ số công suất: dt = PW/PRT đơn vị %

2.1.1 Tính toán cự ly mục tiêu

Để tính toán được cự ly của mục tiêu ta dựa vào khoảng thời gian trễ tính từthời điểm phát xung tín hiệu đi cho đến khi thu tín hiệu xung phản xạ trở lại(TR)

H2.2 Tín hiệu xung phát đi và xung phản xạ về

t

 

là độ trễ thời gian

Rt là khoảng cách từ máy phát radar tới mục tiêu

Rr là khoảng cách mục tiêu đến máy thu

TR là thời gian trễ của tín hiệu sóng truyền lan từ máy phát đến mục tiêu vàđến máy thu

C = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng

Trong quá trính xác định cự ly của mục tiêu thường hay xảy ra sự nhầm lẫnkhoảng cách, nguyên nhân gây ra sự nhầm lẫn khoảng cách là do khi có hai haynhiều mục tiêu cùng được chỉ báo lên màn ảnh radar và có khoảng cách khôngđúng với giá trị thực tế

2.1.2 Cự ly phân giải mục tiêu.

Độ phân giải cự ly ký hiệu là ΔR là một thông số của radar mô tả khả năng

phát hiện các mục tiêu nằm gần nhau thành các vật thể phân biệt

Xét hai mục tiêu nằm tại cự ly R1 và R2, tương ứng với thời gian trễ t1 và t2.Công thức tính độ sai biệt cự ly giữa hai mục tiêu là

Trong đó: B là băng thông, τ là độ rông xung thăm dò

H2.3 Phân biệt mục tiêu theo cự ly

Trên hình vẽ :

Rmin là tầm xa cự tiểu, Rmax là tầm xa cực đại, Khoảng cách từ Rmin đến Rmaxđược chia thành nhiều khoảng nhỏ có độ rộng bằng ΔR Nhóm mục tiêu 1 cầnđược phân giải về góc phương vị, nhóm mục tiêu 2 cần phân giải về cả phương

vị và khoảng cách, nhóm mục tiêu 3 cần phân giải về khoảng cách để ảnh cácmục tiêu không chông lần trên màn hình

H2.4 Phận biệt cự ly hai mục tiêu M1,M2

Đầu tiên, giả sử rằng hai mục tiêu tách biệt nhau bởi cτ/4, τ là độ rộng xung.Trong trường hợp này, khi cạnh xuống của xung đập vào mục tiêu hai thì cạnhlên của xung sẽ đi ngược về một khoảng cách là cτ , và xung phản xạ sẽ là tổnghợp của các xung phản xạ từ cả hai mục tiêu (số phản xạ không phân giải) Tuynhiên, nếu hai mục tiêu cách nhau ít nhất cτ/2 thì khi cạnh xuống của xungđậpvào mục tiêu thứ nhất, cạnh lên của xung mới bắt đầu phản xạ từ mục tiêuthứ hai, nên sẽ xuất hiện hai xung phản xạ tách biệt như trong hình Do vậy, ΔRphải lớn hơn hoặc bằng cτ/2, và vì vậy băng thông B của radar bằng 1/τ

2.2 Nguyên lý xác định vân tốc mục tiêu theo hiệu ứng Doppler

2.2.1 Hiệu ứng Doppler

Các radar sử dụng tần số Doppler để tách ra vận tốc xuyên tâm của mục tiêucũng như để phân biệt giữa mục tiêu đứng yên và mục tiêu di động Hiệu ứngDoppler là hiệu ứng dịch tần số trung tâm của sóng tới theo sự chuyển động củamục tiêu so với nguồn phát Tùy theo hướng chuyển động của mục tiêu mà giátrị tần số dịch này có thể dương hay âm Hiệu ứng Doppler chỉ xảy ra khi mụctiêu chuyển động so với đài, tần số Doppler fD là độ dịch tần giữa tần số sóng phát xạ f t và tần số sóng phản xạ f r , trong radar, hiệu ứng Doppler xuất hiện 2

lần:

H2.5 Quá trình phát tín hiệu từ radar và nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu

Lần đầu: Do mục tiêu chuyển động so với đài nên tần số dao động điện từ

“nhận được” bởi mục tiêu chuyển động f r (tần số của tín hiệu phản xạ), khác với tần số dao động bức xạ f t

tín hiệu thu f‘ t , lúc này đài radar được coi là chuyển động so với mục tiêu) khác

Dấu (+) tương ứng trường hợp radar và mục tiêu dịch lại gần nhau

Dấu (–) tương ứng trong trường hợp ngược lại

độ di chuyển của mục tiêu

2.3 Phương trình xác định cự ly của Radar hàng hải.

2.3.1 Phương trình xác định tầm xa cực đại của radar hàng hải.

Tầm xa cực đại của radar hàng hải là khoảng cách lớn nhất mà trong giới hạn

đó radar có thể phát hiện được mục tiêu, tức là ảnh của mục tiêu còn xuất hiện

t D

P P

R





(2.12)

Trong đó Pt là công suất phát đỉnh và 4πR2 là diện tích của mặt cầu bán kính

R Hệ thống radar sử dụng các anten định hướng để tăng cường mật độ côngsuất theo một hướng nhất định Các anten định hướng thường có độ lợi anten là

Gt và diện tích hiệu dụng anten là Ae

Mật độ công suất tại khoảng cách R so với radar, dùng anten định hướng có

độ lợi G cho bởi:

2

ERP

sẽ bức xạ năng lượng điện từ theo mọi hướng Lượng năng lượng bức xạ sẽ tùythuộc vào kích thước, hướng, hình dạng vật lý và vật liệu của mục tiêu Các