Nguyên lý hoạt động của Radar

Sang điện từ là một trong những phát kiến vĩ đại của lịch sử lòai người.Năm 1865 nhà bác học Macxoen đ• dự đoán ra lý thuyết về sóng điện từ.Năm 1887 đ• phát minh ra sóng điện từ bằng thực nghiệm do nhà bác học Henry Hetz. Ngày 7 tháng 5 năm 1895 nhà bác học Nga Popop đ• phát minh ra dụng cụ có thể thu và ghi lại các hiện tượng phóng điện trong không gian ở cách xa 30m .Tháng 3/1896 Popop đ• giởi đi bức vô tuyến điện tin đầu tiên trong lịch sở khoa học gồm mấy chữ “Henry Hetz”.Người ta đ• coi phát hiện ra vô tuyến điện là phát minh to lớn của loài người và lấy ngày 7/5/1895 là ngày phát minh ra vô tuyến điện. Năm 1897 trong khi tiến hành thí ngiệm về liên lạc vô tuyến điện Popop đ• phát hiện ra sự phản xạ của của sóng điện từ và đ• ứng dụng để kiểm tra tàu bè, xác định vị trí mục tiêu dẫn đường định hướng cho tàu trong đêm hoặc có sương mù.Một ứng dụng quan trọng nhất vào trong quân sự và trong thực tế là vô tuyến dịch vụ hay Radar. Radar là tiếng viết tắt của tiếng Anh “Radio Dectection and Ranging” có nghi• là phương tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và định vị mục tiêu.Tên này là do Hải quân Mỹ đặt ra trong đại chiến thế giới lần thứ hai , tuy chưa đủ nghĩa lắm nhưng đ• trở nên thông dụng trên toàn thế giới.Tuy nhiên trên thế giới đến những năm 1925 trở đi thì Radar bắt đầu phát triển rộng r•i .Năm 1925 ở Mỹ dùng Radar để nghiên cứu tầng điện ly.Năm 1935 Radar phát xung đầu tiên của Nga bắt đầu phát sóng,đến năm 1938 Radar của Nga đ• phát hiện mục tiêu ở xa 100-200Km.Do tính ưu việt cảu Radar nên nhiều nước đ• tập trung ngiên kứu và phát triển Radar. ở Đức năm 1936 đài Radar phát sóng met đầu tiên ra đời. ở Pháp năm 1935 chế tạo ra Radar làm việc ở bước sóng 16cm. Kỹ thuật Radar phát triển rất nhanh chónh.Lúc đầu chỉ là Radar sống met tiếp theo là Radar sóng dm,cm cự ly phát hiện đ• lên rất nhiều.Nhiều loại ra phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau đ• ra đời,Radar làm nhiệm vụ thám không , Radar cảnh giới ,Radar dẫn đường...

Tiểu Luận Quân Sự Phần I: Phần mở đầu Sang điện từ là một trong những phát kiến vĩ đại của lịch sử lòai ngời.Năm 1865 nhà bác học Macxoen đã dự đoán ra lý thuyết về sóng điện từ.Năm 1887 đã phát minh ra sóng điện từ bằng thực nghiệm do nhà bác học Henry Hetz. Ngày 7 tháng 5 năm 1895 nhà bác học Nga Popop đã phát minh ra dụng cụ có thể thu và ghi lại các hiện tợng phóng điện trong không gian ở cách xa 30m .Tháng 3/1896 Popop đã giởi đi bức vô tuyến điện tin đầu tiên trong lịch sở khoa học gồm mấy chữ Henry Hetz.Ngời ta đã coi phát hiện ra vô tuyến điện là phát minh to lớn của loài ngời và lấy ngày 7/5/1895 là ngày phát minh ra vô tuyến điện. Năm 1897 trong khi tiến hành thí ngiệm về liên lạc vô tuyến điện Popop đã phát hiện ra sự phản xạ của của sóng điện từ và đã ứng dụng để kiểm tra tàu bè, xác định vị trí mục tiêu dẫn đờng định hớng cho tàu trong đêm hoặc có sơng mù.Một ứng dụng quan trọng nhất vào trong quân sự và trong thực tế là vô tuyến dịch vụ hay Radar. Radar là tiếng viết tắt của tiếng Anh Radio Dectection and Ranging có nghiã là phơng tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và định vị mục tiêu.Tên này là do Hải quân Mỹ đặt ra trong đại chiến thế giới lần thứ hai , tuy cha đủ nghĩa lắm nhng đã trở nên thông dụng trên toàn thế giới.Tuy nhiên trên thế giới đến những năm 1925 trở đi thì Radar bắt đầu phát triển rộng rãi .Năm 1925 ở Mỹ dùng Radar để nghiên cứu tầng điện ly.Năm 1935 Radar phát xung đầu tiên của Nga bắt đầu phát sóng,đến năm 1938 Radar của Nga đã phát hiện mục tiêu ở xa 100-200Km.Do tính u việt cảu Radar nên nhiều nớc đã tập trung ngiên kứu và phát triển Radar. ở Đức năm 1936 đài Radar phát sóng met đầu tiên ra đời. ở Pháp năm 1935 chế tạo ra Radar làm việc ở bớc sóng 16cm. Kỹ thuật Radar phát triển rất nhanh chónh.Lúc đầu chỉ là Radar sống met tiếp theo là Radar sóng dm,cm cự ly phát hiện đã lên rất nhiều.Nhiều loại ra phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau đã ra đời,Radar làm nhiệm vụ thám không , Radar cảnh giới ,Radar dẫn đờng . 1 Tiểu Luận Quân Sự ở Việt Nam Radar đầu tiên đợc ứng dụng trong lĩnh vực quân sự .Tháng 8 năm 1958 các lớp học đầu tiên về Radar đã đợc tổ chức .Ngày1 tháng 3 năm 1959 các đài Radar của ta đợc chính thức phát phát sóng trên bầu trời .Ngày 3 tháng 3 năm 1959 Radar của ta phát hiện đợc chiếc máy bay C17 của không quân Mỹ- nguỵ xâm phạm bầu trời phía tây tỉnh Thanh Hoá.Ngày 5 tháng 8 năm 1964 Radar phòng không đã phát hiện ra máy baycủaMỹ và Việt Nam với trí thông minh và lòng yêu nớc đã biết phát huy tính năng và làm chủ các đài Radar đợc trang bị khiến cho kẻ thù bất ngờ và những ngời chế tạo ra Radar khâm phục. Ngời ta có thể phân loại Radar ra theo nhiều cách khác nhau,các cách phân loại này chỉ có tính tơng đối. Theo lý thuyết có loại Radar làm việc theo kiểu phát sóng liên tục và phát sóng xung. Theo dài sóng phát có các lọai sóng m,dm,cm,mm. Theo phơng pháp định vị có lọai Radar chủ động, nửa chủ động và thụ động. Theo vị chí đặt của Radar có thể đặt dới đất, trên tàu ,trên máy bay Radar ngoài đờng chân trời. Theo phơng pháp sử lý có Radar sử lý tín hiệu có loại Radar sử lý tín hiệu t- ơng tự có Radar sử lý tín hiệu kỹ thuật số. Theo chức năng và phơng pháp chiến đấu là có Radar phòng không ,không quân ,hải quân ,lục quân. Theo phơng pháp điều chỉnh tín hiệu Radar sóng điện từ,hồng ngoại. Sự phát khoa học công nghệ vi điện tử và máy tính đã tạo ra tiền đề mới cho sự phát triển của Radar .Những Radar mới nhất hiện nay trên thế giới có những tính năng u việt ,cự ly phát hiện xa ,độ phân giải mục tiêu cao,thiết bị gọn nhẹ hệ thống sử lý tín hiệu và hiển thị số nhiều khâu sử lý tín hiệu đợc tự động hoá rất thuận lợi cho ngời sử dụng. 2 TiÓu LuËn Qu©n Sù 3 Tiểu Luận Quân Sự Phần II :Nội dung I.Nguyên lý hoạt động của Radar 1)Cơ sở kỹ thuật Radar là hệ thống thuộc thiết bị thuộc lĩnh vực kỹ thuật vô tuyến điện. Thực hiện phát đi (bức xạ ) những sóng vô tuyến điện trong môi trờng không khí và thu lại tín hiệu phản xạ của sóng điện từ từ mục tiêu rồi đo đạc sử lý tín hiệu cho ta nhận biết đợc tin tức về mục tiêu cần quan sát. (Hình 1) Sự phản xạ sóng điện từ đợc xảy ra ở giới hạn của hai môi trờng có tính chất điện từ khác nhau .Hình 1 cho ta biết các tham số toạ độ các mục tiêu trong không gian. 0:Radar M:mục tiêu 0M: Cự ly dài từ Radar tới mục tiêu thờng ký hiệu D :Góc phơng vị của mục tiêu :Góc tà của mục tiêu T MM : Độ cao của mục tiêu MM=H=sin 4 ZZ Z y x 0 M M Tiểu Luận Quân Sự Tại thời điểm to: Ho,Ro, o Tại thời điểm tn: Hn,Rn, n xác định đờng bay của mục tiêu. Oxyz là hệ toạ độ để xác định vị trí M trong không gian cần 1 trong 2 bộ 3 thông số - Cự ly D - Cự ly D - Góc phơng vị - Góc phơng vị - Góc tà -Độ cao H=Dsin Trong đó : (D, , H ) dùng xác định mục tiêu gần trái đất (D, , ) Dùng xác định mục tiêu xa trái đất. Tập hợp các toạ độ mục tiêu theo thời gian sẽ cho ta quỹ đạo S của mục tiêu. 2)Bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu S 0 : Nói lên đặc điểm chủ yếu của vật phản xạ. gọi là bề mặt phản xạ hiệu dụng của mục tiêu = cos 2 cos4. 2 10 SS S 1 : Diện tích mặt cắt của mục tiêu :Bớc sóng làm việc :Tia tới Nh vậy bề mặt phản xạ có hiệu quả của mục tiêu thay đổi tờ giá trị cực đại 4S 1 -0 3) Các ph ơng pháp xác định toạ độ a)Phơng pháp do cự ly mục tiêu D Dựa trên cơ sở đo thời gian cần thiết để tín hiệu từ Radar phát đi sau đó phản xạ về từ mục tiêu. 5 Tiểu Luận Quân Sự Cự ly D của mục tiêu đợc xác định: 2 Ct D = t:Thời gian giữ chậm tín hiệu từ khi phát xung đến khi đài thu đợc tín hiệu phản xạ C: Vận tốc ánh sáng Phơng pháp tần số ta có : M Mh F TCF D = 4 F M Độ lệch tần số của dao động cao tần T M :Chu kỳ lặp lại của tần số biến điệu máy thu. Phơng pháp pha :Dựa trên nguyên tắc thời gian giữ chậm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu đợc đo bằng độ dịch pha của dao động biến điện h F C D 4 = b)Phơng pháp đo phợng vị mục tiêu Có nhiều phơng pháp đo phơng vị. Trong thực tế thờng dùng phơng pháp xung và phơng pháp pha Thực chất của phơng pháp này là xác định theo trục đối xứng cảu cách sóng trong mặt phẳng ngang.Ngiã là tín hiệu lớn nhất trên hiện sóng phơng vị cự ly ứng với điểm giữa của mục tiêu. Nội dung đợc mô tả trên hình 2 6 0 N M S U M 45 0 Tiểu Luận Quân Sự (Hình 2) c)Phơng pháp đo độ cao H Radar có nhiệm vụ xác định độ cao H của mụctiêu so với mặt đất kể cả khi chúng còn ở xa.Mục tiêu ở xa mặt đất có độ cong của mặt đất. tg M MM R D DHHH 2 sin''' +=+= R tg : Đờng kính trái đất lấy bằng 6500Km Xác định H M chính xác là xác định sau đó tính toán bù phần cong của trái đất dựa trên cự ly D đã biết. Radar cảnh giới thờng sử dụng các phơng pháp đo cao: Phơng pháp dùng cánh sóng chữ V + = 2 sin1 sinD H Phơng pháp quét cánh sóng trong mặt phẳng đứng tg R D DH 2 sin 2 += 4)Sơ đồ hoạt động 7 Máy Phát Chuyển mạch Máy Thu Hiện sóng Đồng bộ Nguồn H M H H R tg Tiểu Luận Quân Sự Hoạt động của Radar đợc khởi phát bằng bộ tạo đồng bộ.Máy phát qua bộ chuyển mạch chuyển tơi anten. Anten biến đổi năng lơng siêu cao tần thành năng lợng sóng điện từ bức xạ trong không gian theo hình và hớng nhất định.Sóng điện từ gặp mục tiêu phản xạ lại anten đợc dẫn qua chuyển mạch tới máy thu.Máy thu làm nhiệm vụ chọn lọc ,biến đổi khuếch đại xử lý tín hiệu thu đợc thành tín hiệu hình tần đa đến màn hình hiển thị mục tiêu Nguyên lý trên có thể đợc biểu diễn bằng giản đồ điện áp sau: Màn hình hiện thị mục tiêu có thể là các chấm sáng hoặc là hiện thị số nh trong các Radar hiện đại ngày nay. Trong các Radar phòng không của ta chủ yếu là hiển thị bằng tập hợp các chấm sáng trên màn điều này gây bất lợi cho trắc thủ trong chiến đấu khi gặp phải các tình huống phức tạp,nhiều mục tiêu tốc độ xử lý yêu cầu lớn. 5)Các ph ơng pháp quan sát trong không gian Quan sát không gian bằng Radar có thể tiến hành bằng nhiều phơng pháp khác nhau.Xuất phát từ mục đích sử dụng Radar ,vị trí sử dụng mà có các phơng pháp khác nhau,cũng chính vì thế mà cánh sóng đợc cấu tạo theo phơng pháp khác nhau a)Phơng pháp quét vòng tròn 8 U db U p U px U ra t t t t Tiểu Luận Quân Sự Cánh sóng của quét vòng tròn.Khi đó anten của đài đợc quét theo góc phơng vị từ 0-v.360 0 V:vận tốc quay của Radar .Thông thờng v=0-6 v/p Phơng pháp này chủ yếu dùng cho Radar cảnh giới để phát hiện mục tiêu trong toàn bộ không gian của đài quan sát. b)Phơng pháp quét cánh sóng theo hình dải quạt Khi đó anten của đài đợc quét đi quét lại trong một giải quạt đợc giới hạn tờ góc 1 đến góc 2 , các giá trị góc này đợc xác định bởi tình huống chiến thuật tại thời điểm quan sát. Phơng pháp quét theo giải quạtđợc dùng khi cần xác định rõ mục tiêu làm rõ số lợng kiểu dáng mục tiêu hoặc khi có chỉ thị cần tập trung quan sát phát hiện trong một khoảng không gian nhất định Trong thực tế có thể quét hỗn hợp vừa giải quạt vừa tròn. II)Tính năng kỹ chiến thuật của Radar 1)Cự ly phát hiện xa nhất của Radar ),(* )4( 4 3 0 22 max f P SGaP D mim p = P p :Công suất phát : Độ rộng xung phát Ga:hệ số khuếch đại anten 9 1 2 Tiểu Luận Quân Sự : Bớc sóng công tác của đài S 0 : Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu P mim : Độ nhạy của máy thu trên Radar Hàm f (,) Nói lên mối quan hệ giữa cự ly phát hiện lớn nhất với không gian nơi dặt đài ,hàm này đợc xác định cụ thể tại từng vị trí thực tế . Mong muốn của nhà chế tạo là có đợc các Radar có cự ly phát hiện D MAX càng lớn càng tỗt về mặt toán học ta có thể tăng các giá trị ở tử số giảm giá trị ở mẫu số,trong căn bậc 4. Song trong thực tế có đợc cự ly phát hiện xa nhất ngời thiết kế phải giải một bài toán tối u dựa trên các thông số trong công thức với ý nghĩa vật lý, khả năng kỹ thuật, công nghệ và yếu tố tâm sinh lý của con ngời khi sử dụng đài. Giữa các tham số kỹ chiến thuật và chiến thuật có liên quan mật thiết với nhau.Trong quá trình lựa chọn thiết kếvà đặt ra yêu cầu cho các tham số của một đài Radar không chỉ đơn thuần đáp ứng yêu cầu chiến thuật mà còn phải xét đến khả năng thực hiện nó về phơng diện kỹ chiến thuật. Trở về với công thức Radar ),(* )4( 4 3 0 22 f P SGaP D mim p = Giả thiết muốn tăng D MAX lên 2 lần thì cần tăng công suất phát P p lên 16 lần .Khi tăng công suất lên kéo theo phải thay đổi các điều kiện làm cho đèn công suất làm việc bình thờng nh hệ thống làm mát,kích thớc khối phát sẽ tăng lên ,mặt khác công suất tăng quá lơn sẽ làm nhiệt độ trên đài tăng cao ảnh hởng đến sức khoẻ của ngời làm việc trên đài.Việc chế tạo đèn công suất lớn cũng gặp nhiều khó khăn về mặt công nghệ. Tăng cũng dẫn tới tăng D MAX nhng không nhanh mặt khác dẫn đến nhợc điểm là khả năng phân biệt của đài. Xu hớng tàng hình hoá dẫn đến sự giảm nhỏ đáng kể điện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu làm cho việc phát hiện và xác 10 . sử lý có Radar sử lý tín hiệu có loại Radar sử lý tín hiệu t- ơng tự có Radar sử lý tín hiệu kỹ thuật số. Theo chức năng và phơng pháp chiến đấu là có Radar. việc dựa trên nguyên lý tơng tự bằng các hệ thống hoạt động theo nguyên lý số.Nhiều loại Radar đã đợc chế tạo và thể hiện rõ tính u việt của chúng.Việc