LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về RADAR và ỨNG DỤNG TRONG dự báo THỜI TIẾT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU VỀ RADAR VÀ ỨNG DỤNG TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT Sinh viên thực hiện: Giáo viên hướng dẫn: Thầy HỒ HỮU HẬU THẠCH THỊ THU NGUYÊN Giáo viên phản biện: MSSV:1090212 Thầy Phạm Văn Tuấn Lớp: SP Vật Lý K35 Thầy Dương Quốc Chánh Tín Cần Thơ - 2013 LỜI CẢM ƠN …… Đạt kết ngày hơm nay, ngồi nổ lực thân, em nhận dạy bảo tận tình, động viên, an ủi khích lệ nhiều từ phía nhà Trường, Thầy Cơ, Gia đình Bạn bè Trong trình thực đề tài “ Tìm hiểu radar ứng dụng dự báo thời tiết ” thân em gặp khơng khó khăn, vướng mắc Trước tiên, em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn chân thành, sâu sắc tới Thầy Cô Trường Đại học Cần Thơ nói chung, Thầy Cơ Khoa Sư Phạm, quý thầy cô thư viện khoa, thư viện trường, đặc biệt thầy cô Bộ môn sư phạm vật lý tạo điều kiện thuận lợi cho em tìm kiếm tài liệu tham khảo, nghiên cứu, học hỏi Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồ Hữu Hậu, người thầy tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ em nhiều trình làm đề tài Bên cạnh đạt trình thực đề tài tất yếu khơng thể tránh khỏi thiếu sót kiến thức em hạn chế Em mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn bè để em bổ sung kiến thức đề tài hoàn thiện tốt Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè nhiệt tình giúp đỡ em suốt năm vừa qua Em xin chúc tất quý thầy cô bạn dồi sức khỏe thành công sống Sinh viên thực Thạch Thị Thu Nguyên NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………… Ngày …Tháng … Năm GVHD: Thầy Hồ Hữu Hậu Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài .5 Các giả thuyết đề tài Các bước thực đề tài Các phương pháp phương tiện thực đề tài .6 PHẦN NỘI DUNG .7 CHƯƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 Sóng điện từ - Lý thuyết xạ 1.1.1 Điện từ trường tự Sóng điện từ mơi trường đồng chất Sóng phẳng 1.1.1.1 Điện từ trường tự .7 1.1.1.2 Sóng điện từ môi trường đồng chất 1.1.1.3 Sóng phẳng 1.1.2 Sóng điện từ phẳng đơn sắc 10 1.1.3 Sóng điện từ chất dẫn điện 13 1.1.4 Phản xạ khúc xạ sóng điện từ mặt giới hạn hai điện môi 15 1.1.4.1 Điều kiện biên vector sóng điện từ 15 1.1.4.2 Tần số tia phản xạ khúc xạ 16 1.1.4.3 Các góc phản xạ khúc xạ 17 1.1.4.4 Biên độ sóng phản xạ khúc xạ 18 1.1.4.5 Hệ số phản xạ khúc xạ 19 1.1.5 Bức xạ sóng điện từ 21 1.1.5.1 Thế vector vô hướng 22 1.1.5.2 Các phương trình vector vơ hướng 22 1.1.5.3 Nghiệm phương trình Thế trễ 23 1.1.5.4 Bức xạ lưỡng cực 25 1.1.5.5 Điện từ trường dao động tử tuyến tính 28 1.1.5.6 Tính chất điện từ trường dao động tử tuyến tính 31 1.1.5.7 Lưỡng cực xạ tuần hoàn 32 1.1.6 Sự suy yếu sóng điện từ lan truyền khí 33 SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU 1.1.6.1 Sự suy yếu khơng khí 33 1.1.6.2 Sự suy yếu mây 34 1.1.6.3 Sự suy yếu mưa 35 1.1.7 Hiệu ứng Doppler 35 1.2 Giới thiệu chung radar 37 1.2.1 Lịch sử phát sóng Radar 37 1.2.2 Khái niệm Radar 40 1.2.3 Nguyên tắc hoạt động 41 1.2.4 Phân loại radar 43 1.2.5 Phương trình radar mục tiêu điểm chân không 44 1.2.6 Tính kĩ thuật – chiến thuật Radar 45 1.2.6.1 Tính kĩ thuật 45 1.2.6.2 Tính chiến thuật 46 1.3 Thông số khai thác kỹ thuật radar 46 1.3.1 Thông số khai thác 46 1.3.1.1 Tầm xa cực đại radar: (tầm xa tác dụng ) Dmax 46 1.3.1.2 Tầm xa cực tiểu radar (vùng chết radar ): Dmin 48 1.3.1.3 Độ phân giải theo khoảng cách: 49 1.3.1.4 Độ phân giải theo góc: 50 1.3.2.2 Chiều dài xung phát  x 51 1.3.2.3 Chu kỳ lặp xung Tx Tần số lặp xung 51 1.3.2.4 Công suất phát xung: 52 1.3.2.5 Độ nhạy máy thu Pth.min : 53 1.3.2.6 Hệ số định hướng anten Ga: 53 1.3.2.7 Tốc độ vòng quay anten: n (vòng /phút) 54 1.4 Mục tiêu, nguyên tắc nhận tin tức mục tiêu ảnh hưởng môi trường tới tầm tác 54 dụng radar 1.4.1 Mục tiêu radar 54 1.4.1.1 Mục tiêu riêng biệt: 54 1.4.1.2 Mục tiêu nhóm: 54 1.4.1.3 Mục tiêu khối: 55 1.4.2 Nguyên tắc nhận tin tức mục tiêu: 55 SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU 1.4.3 Phân loại hệ thống radar dải tần làm việc 58 1.4.3.1 Radar thụ động: 58 1.4.3.2 Radar chủ động: 58 1.4.3.3 Radar liên tục 60 1.4.3.4 Radar xung: 61 1.4.3.5 Dải tần làm việc 63 1.4.4 Tầm xa tác dụng radar 63 1.4.4.1 Tầm xa tác dụng radar khơng có tác động môi trường: 63 1.4.4.2 Tầm xa tác dụng radar có tác dụng môi trường: 65 CHƯƠNG 66 ỨNG DỤNG CỦA RADAR TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT 66 2.1 Ứng dụng Radar 66 2.2 Giới thiệu cấu tạo thông số kĩ thuật Radar thời tiết 67 2.2.1 Nguyên lý radar thời tiết 67 2.2.2.Các phận hệ thống radar Phân loại radar thời tiết 67 2.2.3 Các thông số kĩ thuật radar thời tiết 69 2.2.3.1 Thông số kĩ thuật hệ thống phát 69 2.2.3.2 Thông số kĩ thuật hệ thống thu 70 2.2.3.3 Thông số hệ thống anten 71 2.3 Hệ thống thị 73 2.4 Thể tích xung mật độ lượng sóng xung phát 75 2.5 Các kiểu phản hồi 77 2.6 Mục tiêu khí tượng 77 2.6.1 Khái niệm mục tiêu khí tượng 77 2.6.2 Tính chất mục tiêu khí tượng 78 2.7 Phương trình radar mục tiêu khí tượng mơi trường khơng hấp thụ tán xạ sóng điện từ 78 2.8 Ảnh Radar 81 2.8.1 Đặc điểm Ảnh radar 81 2.8.2 Nguyên lý 82 2.8.3 Đặc điểm hình học ảnh radar 83 2.8.4 Đặc điểm tương tác sóng radar bề mặt vật thể 84 2.9 Sử dụng vệ tinh radar để dự báo thời tiết 87 2.9.1 Nguyên lý đo lượng mưa radar 87 SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU 2.9.2 Nhận biết dông 90 2.9.3 Nhận biết đường tố 90 2.9.4 Nhận biết lốc vòi rồng 91 2.9.5 Nhận biết bão 93 2.9.5.1 Cấu trúc trường PHVT mây mưa bão 93 2.9.5.2 Quan hệ đặc điểm PHVT mây bão với cường độ bão 94 2.10 Những sai số xuất dùng radar, đặc điểm vị trí đặt radar .94 2.10.1 Những sai số xuất từ việc sử dụng rađa 95 2.10.2 Mức độ sai số dùng số liệu rađa 96 2.11 Sự cần thiết việc sử dụng rađa kết hợp với số liệu quan trắc trạm đo 97 2.12.Trạm Radar thời tiết Việt nam 98 PHẦN KẾT LUẬN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày người đưa thành tựu khoa học kỹ thuật, phát minh, phát kiến ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ… nhằm phục vụ cho sống người ngày tiến Những thành tựu khoa học đúc kết kế thừa từ kho tàng tri thức nhân loại, kết nghiên cứu q trình lao động khơng mệt mỏi hệ nhà khoa học thuộc lĩnh vực; vật lý học góp phần khơng nhỏ cho phát triển chung khoa học đại Chúng ta sinh lớn lên hồ bình dư âm chiến tranh vang qua lời kể người trực tiếp tham gia chiến tranh bảo vệ tổ quốc hay qua thước phim tư liệu lịch sử Dù không nhiều trận đánh bảo vệ vùng trời tổ quốc nghe đến hai từ “Radar” Và với nhiệm vụ to lớn cịn mường tượng máy to lớn vĩ đại phát máy bay, tàu chiến cách xa hàng trăm chí hàng nghìn km Nhưng lớn lên tiếp thu thêm nhiều kiến thức hiểu Radar gì, hoạt động theo nguyên tắc ứng dụng Hiện trái đất phải đối mặt với nhiều thiên tai, động đất, sóng thần, biến đổi khí hậu,… để phịng tránh làm giảm thiệt hại thiên tai gây đòi hỏi cơng việc dự báo thời tiết phải xác đại Thời tiết ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế – xã hội loài người Việc dự báo cách xác tượng thời tiết ngày trở nên cần thiết trở thành mối quan tâm nhiều quốc gia giới Do việc nghiên cứu, phát triển Radar nước giới đặc biệt quan tâm trọng Vì tơi định chọn đề tài: “Tìm hiểu Radar ứng dụng dự báo thời tiết” Việc chọn đề tài nhằm để bổ sung thêm kiến thức khoa học đồng thời giúp ích phần cho công tác giảng dạy sau SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU Các giả thuyết đề tài - Cơ sở lý thuyết liên quan đến radar? Radar gì? Nó hoạt động theo nguyên tắc ? Radar phân loại sao? - Ứng dụng radar đời sống? Radar ứng dụng dự báo thời tiết? Do đó, nội dung nghiên cứu tơi gồm phần: - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan radar - Nghiên cứu ứng dụng radar đời sống, đặc biệt dự báo thời tiết Các bước thực đề tài - Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt đề tài - Tìm tài liệu liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu - Tiến hành viết đề cương trao đổi với giáo viên hướng dẫn để tham khảo ý kiến chỉnh sửa - Viết luận văn hoàn chỉnh - Báo cáo luận văn Các phương pháp phương tiện thực đề tài 4.1 Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tổng quan radar  Đọc, tra cứu tổng hợp hệ thống radar thời tiết ứng dụng  Tìm hiểu tình hình sử dụng radar nước giới Đặc biệt thực trạng sử dụng radar Việt nam 4.2 Phương tiện thực đề tài  Các giáo trình chuyên ngành Vật lý Điện Động Lực Học, Quang  Các tài liệu tham khảo: Luận văn tốt nghiệp đại học, sách, giảng, trang web khoa học công nghệ SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên Page Luận văn tốt nghiệp GVHD : HỒ HỮU HẬU PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1 Sóng điện từ - Lý thuyết xạ 1.1.1 Điện từ trường tự Sóng điện từ mơi trường đồng chất Sóng phẳng 1.1.1.1 Điện từ trường tự Các điện từ trường hệ điện tích dịng điện sinh Nhưng sau hình thành, chúng tách rời khỏi hệ điện tích dịng điện Các phương trình Maxwell cho phép tiên đoán tồn điện từ trường tự trước tạo chúng thực nghiệm Các phương trình điện từ trường tự phương trình Maxwell  ta đặt điều kiện ρ=0 j  (chỉ có trường khơng có điện tích dịng điện) Các điều kiện thỏa mãn mơi trường đồng chất vơ hạn Ta có:    rot    t   D rot   t  div D   div       Kết hợp với phương trình D        , ta viết lại phương trình dạng:    rot     t (1.1)    rot    t SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên (1.2) Page ... đời sống? Radar ứng dụng dự báo thời tiết? Do đó, nội dung nghiên cứu gồm phần: - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan radar - Nghiên cứu ứng dụng radar đời sống, đặc biệt dự báo thời tiết Các bước thực... Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tổng quan radar  Đọc, tra cứu tổng hợp hệ thống radar thời tiết ứng dụng  Tìm hiểu tình hình sử dụng radar nước giới Đặc biệt thực trạng sử dụng radar Việt nam... trường: 63 1.4.4.2 Tầm xa tác dụng radar có tác dụng mơi trường: 65 CHƯƠNG 66 ỨNG DỤNG CỦA RADAR TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT 66 2.1 Ứng dụng Radar 66 2.2 Giới