Phương pháp điện tử điều khiển búp sóng trong mặt phẳng thẳng đứng

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG ĐÀI RADAR ĐO 3 TỌA ĐỘ NHỜ QUÉT BÚP SÓNG

3.1. Các phương pháp đo độ cao của radar

3.1.5. Phương pháp điện tử điều khiển búp sóng trong mặt phẳng thẳng đứng

Thay đổi pha tín hiệu trong các phần từ phát xạ của anten mạng có thể bằng cách thay đổi tần số phát hoặc dùng các bộ quay pha, các dây giữ chân không tán sắc. Đơn giản thực hiện kỹ thuật trong hệ thống radar cảnh giới ngày nay là dùng phương pháp điện tử để thay đổi tần số phát để quét búp sóng trong mặt phẳng thẳng đứng.

Đo theo phương pháp này tránh được nhược điểm của các phương pháp trên và còn có những ưu điểm khác.

3.2. Nguyên lý hoạt động của đài radar điều khiển búp sóng theo tần số

Thiết bị này phát hình thành tín hiệu điều tần trong độ rộng xung 𝛼 kiểu anten mạng đường thẳng và mặt phản xạ hình trụ. Dưới đây là sơ đồ cấu trúc tổng quát.

Về mặt kỹ thuật có thể tạo ra bộ chiếu xạ kiểu anten mạng đường thẳng từ ống dẫn sóng có xẻ khe hoặc cấy các chấn tử dọc theo nó, khi tín hiệu vào đầu vào bộ chiếu xạ có tần số f thì các điện áp coa tần cấp cho các khe trên đoạn ống dẫn sóng sẽ có một quan hệ nhất định và cho ra kết quả giao thoa của các giao động cao tần. Với bức xạ từ các khe đo mà hình thành búp sóng lệch với mục tiêu 1 góc 𝛼

Độ rộng búp sóng là

0,5 trong mặt phẳng thẳng đứng quyết định bởi độ dài 𝑙𝑐𝑥 của chiếu xạ và bước sóng :

Khi thay đổi tần số mang, quan hệ pha của điện áp cấp cho các khe và do đó

hướng của mặt đầu sóng tổng hợp cảu bộ chiếu xạ trong mặt phẳng thẳng đứng thay đổi theo, khiến góc lệch 𝛼 của búp sóng trong mặt phẳng đứng thay đổi. Nhớ đó

thực hiện được quét búp sóng trong mặt phẳng thẳng đứng theo tần số.

Anten mạng đường thẳng có 2 phần tử, lượng dịch pha giữa 2 phần tử đó bằng:

Trong đó:

d – khoảng cách giữa 2 phần tử bức xạ trong mạng

S – độ dài đoạn đường truyền để dịch pha giữa 2 thành phần bức xạ - bước sóng trong không gian tự do

- bước sóng công tác trong đường truyền, đối với ống dẫn sóng hcn có kích thước thành là a thì :

Từ đó suy ra công thức xác định sự phụ thuộc góc tà của búp sóng vào tần số:

Độ di tần trong phạm vi độ rộng xung phát xạ được chọn sao cho độ nhạy thay đổi theo tần số đủ đảm bảo trong thời gian độ rộng xung đó bup sóng quét hết phạm vi góc tà của vùng quan sát. Khi đó tại mỗi vị trí góc tà, trong phạm vi độ rộng búp sóng 𝛼0,5 chỉ bwucs xạ một phần phổ tín hiệu ∆𝑓(𝛼)

Với K(f) = 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 – độ nhạy góc – tần số (rad/Hz)

𝑑𝑓

Độ nhạy góc – tần số là một trong những đặc trưng quan trọng của radar có

quét búp sóng theo tần số. K(f) càng lớn thì càng giảm thấp được những yêu cầu với dải tần của hệ thống hình thành tín hiệu phát và hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ.

Đối với bộ chiếu xạ kiểu anten mạng khe đường thẳng trên ống dẫn sóng:

Trong đó: c - tốc độ truyền sóng trong không gian tự do Từ đó suy ra để nâng cao độ nhạy góc- tần số:

- Tăng độ dài S của đoạn ống nối 2 khe bức xạ - Giảm khoảng cách d giwuax các khe bức xạ - Giảm bề rộng a của thiết diện ống sóng

Khi biết giá trị ∆𝑓(𝛼) và tốc độ thay đổi tần số trong tín hiệu phát xạ, có thể xác định thời gian chiếu xạ mục tiêu 𝛼𝑐𝑥 (𝛼) trong mỗi lần quét búp sóng theo góc tà, đối với tín hiệu điều tần tuyến tính.

Trong quá trình quay anten trong mặt phẳng ngang, phạm vi độ rộng búp sóng 𝛼0,5 sẽ thu được chùm các xung tín hiệu phản xạ từ mcuj tiêu với tần số lặp lại F1.

Như vậy ở đầu vào thiết bị xử lý tín hiệu trong radar quét búp sóng theo tần số sẽ nhận được các chùm xung bị điều chế theo tần số có độ rộng 𝛼𝑐𝑥 (𝛼) phụ thuộc vào góc tà của mục tiêu. Thời gian giữ chậm của các xung phản xạ mang tin tức về cự ly mục tiêu, còn toàn bộ chùm xung phản xạ mang tin tức về phương vị của mục tiêu.

Độ cao mục tiêu xác định bằng cách giải phương trình độ cao nhờ máy tính chuyên dụng.

3.3. Nguyên lý cấu tạo hệ thống anten đài radar quét búp sóng theo tần số

Loại anten quét theo tần số dạng đơn giản nhất là loại anten mạng đường thẳng gồm dây giữ chậm tán sắc liên kết theo trình tự nhất định với các phần tử bức xạ phân bố theo đường thẳng. Nếu dây giữ chậm là ống dẫn sóng hình chữ nhật thì

ghép nó với các phần tử chiếu xạ có thể qua thành rộng hay thành hẹp của nó. Để tăng độ nhạy góc- tần số, ống dẫn sóng thường được uốn cong hoặc hình xoắn ốc.

Thông thường radar quét búp sóng trogn mặt phẳng thẳng đứng theo tần số

có anten gồm bộ chiếu xạ kiểu anten mạng đường thẳng và mặt phản xạ trụ để tạo ra búp sóng hẹp trong mặt phẳng ngang. Để bộ chiếu xạ khỏi chắn mất 1 phần miệng mở của mặt phản xạ cần đặt bộ chiếu xạ lệch khỏi miệng mặt phản xạ. Vì thế mặt phản xạ dạng không đối xứng trong mặt phẳng ngang. Kích thước trong mặt phẳng thẳng đứng là 𝑙𝑑 của mặt phản xạ cần lớn để bao được giản đồ của bộ chiếu xạ trong cả phạm vi quét theo góc tà:

Trong đó:

𝑙𝑐𝑥 – độ dài bộ chiếu xạ

𝑙𝑡𝑖ê𝑢 – tiêu cự của anten

𝑙𝑛𝑔 – kích thước ngang của miệng mở mặt phản xạ 𝛼0 – góc nghiêng của trục tiêu mặt phản xạ

Để hình thành búp sóng hẹp cả trong mặt phẳng ngang có thể dùng anten mạng mặt phẳng, tổ hợp nên từ nhiều anten mạng đường thẳng được cập điện cao tần từ 1 máy phát. Anten này có mức cánh sóng phụ nhỏ, kích thước bé hơn so với anten dùng mặt phản xạ, cho phép quét búp sóng cả 2 mặt phẳng: mặt phẳng đứng theo tần số, mặt phẳng ngang theo pha. Nhược điểm là cấu trúc phức tạp và giá thành cao.

3.4. Hệ thống hình thành tín hiệu phát xạ của radar quét búp sóng theo tần số.

Hệ thống này đảm bảo tạo ra các xung phát xạ điều chế liên tục hoặc nhảy bậc (ma-nip) tần số trong độ rộng xung. Thực hiện điều chế liên tục tần số khi cần thay đổi đều vị trí búp sóng trogn phạm vi quan sát góc ta thực hiện điều chế ma-nip tần số khi cần thay đổi nhảy bậc vị trí góc tà của búp sóng trong quá trình quét.

Độ di tần ∆𝑓𝑑 trong độ rộng xung cần chọn sao cho phạm vi thay đổi vị trí góc tà của búp sóng theo tần số phải tương ứng với phạm vi yêu cầu quan sát theo góc tà. Để tính được giá trị ∆𝑓𝑑 cần biết sự phụ thuộc 𝛼 = 𝛼(𝑓)

3.5. Đặc điểm cầu tạo của hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ

Đặc điểm cấu tạo của hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ được quyết định bởi phương pháp đo tần số của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu để nhận dược các tin tức về

vị trí góc tà của nó.

Hệ thống xử lý tín hiệu phản xạ có thể có 3 cấu tạo 3 kiểu: 1 kênh, nhiều kênh tần số hoặc hỗn hợp (một phần là cấu tạo theo 1 kênh - phần còn lại là theo kiểu nhiều kênh).

Trong hệ thống nhiều kênh, mỗi kênh chỉ xử lý tín hiệu thu được ở 1 vị trí góc tà nhất định, có dải tần bằng ∆𝑓(𝛼) do đó cần có số kênh N bằng số vị trí của búp sóng trong phạm vi quan sát góc tà:

Ưu điểm của hệ thống nhiều kênh là thực hiện kỹ thuật đơn giản vì mỗi kênh đều là kênh giải hẹp, khả năng chống nhiễu cao vì chỉ các thành phần phổ nhiễu tương ứng với dải tần của kênh mới vào được kênh đó, có thể điều chỉnh các thiết bị chống nhiễu trong từng kênh làm việc đạt hiệu quả cao.

Nhược điểm là thể tích thiết bị lớn, các kênh song song phải thật giống nhau về đặc tuyến biên tần, đặc tuyến pha tần, lượng giữ chậm và khuếch đại tín hiệu.

Trong sơ đồ cấu trúc của hệ thống xử lý hỗn hợp. Phần nhiều kênh chỉ là bộ lọc (𝐿𝑙 − 𝐿𝑁 ) để đo tần số của tín hiệu phản xạ. Dải thông của mỗi bộ lọc phù hợp với độ rộng phổ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu nằm ở vị trí góc tà tương ứng. Số bộ lọc bằng:

Trước khi chia kênh, tín hiệu vào dược đưa qua khuếch đại cao tần dải rộng, trộn tần, khuếch đại trung tần có dải thống bằng ∆𝑓𝑑và bộ lọc nén có đặc tuyến giữ chậm nhóm phối hợp với quy luật thay đổi tần số trong tín hiệu phát.

Cự ly đến mục tiêu được xác định theo cực đại của đường bao tín hiệu đầu ra bộ lọc nén. Khi đó, nếu phân bố theo trường miệng mở anten là đều thì tín hiệu ở

đầu ra bộ lọc nén có dạng tam giác với độ rộng là:

Khi xây dựng hệ thống xử lý 1 kênh, để đo tần số tín hiệu phản xạ, cần lợi dụng đặc điểm của tín hiệu xung điều tần tuyến tính. Khi lượng dịch tần Dopler trong tín hiệu phản xạ càng lớn thì dịch chuyển theo thời gian của đỉnh xung ở đầu ra bộ

lọc nén càng lớn. Dựa vào hiệu ứng đó có thể đo được tần số trung bình của 1 tín hiệu tới đầu vào máy thu.

Bộ phận phân tích phổ: bộ dao động ngoại sai tạo điện áp điều tần tuyến tính, bộ trộn tần và thiết bị xử lý tín hiệu sau trộn tần.

Bộ dao động ngoại sai tạo điện áp có tần số thay đổi tuần hoan theo luật răng cưa không đối xứng. Độ rộng chu kỳ điều chế điện áp ngoại sai bằng độ rộng xung đã nén ở đầu ra bộ lọc nén.

Tín hiệu đã nén từ đầu ra bộ lọc nén của kênh đo cự ly có được đưa tới trộn với dao động ngoại sai điều tần tuyến tính ở bộ trộn tần. Kết quả ở đầu ra bộ trộn ta nhận được phổ biên tần của tín hiệu vào bộ trộn.

Phần tử chính của thiết bị xử lý tín hiệu sau khi trộn tần là bộ lọc nén có đặc tuyến giữ chậm nhóm phối hợp với quy luật thay đổi tần số trong điện áp ngoại sai.

Sauk hi nén tín hiệu ra tự bộ trộn tần thì đâu ra bộ lọc nén sẽ xuất hiện tín hiệu với biên độ:

Trong đó:

g(f): phổ tín hiệu lối vào.

∆𝑓𝑁𝑆: lượng di tần của điện áp ngoại sai : lượng di tần trong xung tín hiệu vào

∆𝑓

Nhược điểm của phương pháp 1 kênh:

- Cần phải bù lại tổn hao do lệch phối hợp đặc tuyến biên tần phần tuyến tính của máy thu với phổ tín hiệu phản xạ, vì dải thông chung của phần tuyến tính máy thu thường khá lớn hơn độ rộng phổ tín hiệu phản xạ từ mục tiêu.

- Xuất hiện thêm tổn hao do không trùng về thời gian giữa các xung dao động ngoại sai với tín hiệu có ích (tổn hao do định cửa trung bình tầm 1,5dB).

- Khó đảm bảo khả năng chống nhiễu cao vì việc mở rộng dải thông phần tuyến tính máy thu dẫn tới làm giảm hiệu quả làm việc của các thiết bị chống nhiễu.

3.6. Đặc điểm hình thành vùng quan sát của radar quét búp sóng theo tần số

Hình dạng yêu cầu của vùng quan sát trong mặt phẳng tà ở radar quét búp sóng theo tần số có thể hình thành nhờ thay đổi năng lượng chiếu xạ ở góc tà khác nhau theo quy luật phù hợp.

Việc thay đổi công suất xung chiếu xạ ở hướng góc tà 𝛼 sẽ dẫn tới những yêu cầu nghiêm ngặt đối với máy phát. Do vậy trong radar quét búp sóng theo tần số

thường được thực hiện thay đổi độ rộng xung chiếu xạ theo góc tà. Chẳng hạn nếu yêu cầu hình thành vùng quan sát đẳng cao dạng Cosec thì:

Trong đó:

𝛼0: góc tà cực tiểu của vùng quan sát

𝛼𝑐𝑥 0: độ rộng xung chiếu xạ ở hướng góc tà cực tiểu

Ta có thể nhận thấy có thể thay đổi 𝛼𝑐𝑥 (𝛼) theo quy luật yêu cầu bằng cách chọn phù hợp quy luật điều chế tần số trong độ rộng xung phát xạ.

Những khó khăn trong việc hình thành và xử lý các tín hiệu có quy luật điều tần phi tuyến đã hạn chế khả năng hình thành radar quet búp sóng theo tần số các vùng quan sát khác với dạng đẳng cự ly.

3.7. Những ưu nhược điểm cả radar quét búp sóng theo tần số - Ưu điểm:

+ Cho ra số liệu về cả 3 tọa độ của mục tiêu (phương vị, cự ly và độ cao ) với tốc độ thông tin rất cao và chính xác.

+ Có khả năng điều khiển vị trí búp sóng anten trong mặt phẳng tà để khi cần thiết tập trung năng lượng bức xạ vào vùng xác định.

+ Dùng 1 anten cũng có thể nhận được vùng quan sát trong mặt phẳng tà với các hình dạng khác nhau bằng cách thay đổi quy luật điều tần của tín hiệu phát và đặc tính thiết bị nén xung.

- Nhược điểm: thực hiện kỹ thuật rất phức tạp và không có khả năng chuyển tần theo tình huống nhiễu.

BÀI TẬP Đề bài:

1. Tìm Tần số lặp lại của Radar để đạt được cự ly phát hiện cực đại là 60 NM (Nautical miles – dặm).

2. Tìm thời gian tín hiệu Radar phát đi và phản xạ lại đài Radar với cự ly cực đại trên.

3. Nếu Radar có độ rộng xung là 1,5 às (Micro giõy) thì độ rộng năng lượng của xung (mét) chiếm trong không gian là bao nhiêu.

4. Khoảng cách theo cự ly cách nhau là bao nhiêu mét) của hai mục tiêu có kich thước như nhau để đài Radar hoàn toàn xử lý phân biệt được, khi đài có độ rộng xung là 1,5 às (Miro giõy).

5. Nếu đài Radar có công suất đỉnh là 800 KW, tính công suất trung bình của đài.

6. Tính hệ số lấp đầy (Duty cycle) của đài Radar.

Hướng dẫn:

PRF = 1 = 𝐶

; PRT ;

𝑇 2.𝑅𝑚𝑎𝑥

ΔR = τu.C;R = τu.C;

R phân biệt = 𝐶.𝑢. ...𝛼 ;

2

Pav(Trungbình): 𝑃𝑎𝑣

𝑃𝑝𝑒𝑎𝑘=𝛼𝑇𝑢 Giải:

 Bài 1:

Ta có:

60NM (Nautical miles) = 111120 (às) = 111,12 (Km); (1NM = 1852m) Áp dụng công thức: 𝛕 = 𝟐 𝐑 𝐌𝐚𝐱

𝐂

Mà: F= 1

τ => F= 𝐂

𝟐𝐑𝐌𝐚𝐱

PRF= 𝐂

𝟐𝐑𝐌𝐚𝐱

= 𝟐 𝐱 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟐𝟎𝟑 𝐱 𝟏𝟎𝟖 = 1349 Hz Vậy tần số lặp lại của Radar là 1349 Hz.

 Bài 2:

Radar phát hiện máy bay ở khoảng cách cực đại là 111,12 Km. Vậy tổng khoảng cách Radar phát hiện tín hiệu đến máy bay và phản xạ lại là 222,24 Km.

Nên xung điện từ di chuyển trong tổng thời gian là:

𝛕 = 𝟐𝐑= 𝟐 𝐱

𝟏𝟏𝟏𝟏𝟐𝟎 = ,𝟕, 𝟒𝟎𝟖. 𝟏𝟎 𝟒𝟎𝟖 𝟏𝟎. −𝟒 (s) =740,8 (𝛍))

 Bài 3:

𝐂 𝟑 𝐱 𝟏𝟎𝟖

Ta có: Độ rộng xung 𝝉𝒙

Độ rộng năng lượng: ∆𝐑 𝛕 = 𝐱x C = 1,5.𝟏𝟎−𝟔 x 𝟑 𝐱 𝟏𝟎𝟖 = 450 (m)

 Bài 4:

Ta có: Khoảng cách giữa 2 mục tiêu là R, muốn phân biệt được riêng biệt tín hiệu mục tiêu trên sóng phải thỏa: 𝟐𝑹

𝑪 ≥ 𝝉𝒙

=> R = 𝝉𝒙𝐱 𝐂

𝟐 = 𝟏,𝟓.𝟏𝟎−𝟔𝟐𝐱 𝟑 𝟏𝟎. 𝟖 = 225 (m) Ta lại có: 𝑷𝒙 = 800 Kw = 𝟖𝟎𝟎. 𝟏𝟎𝟑 ( 𝑃𝑥 – công suất đỉnh xung)

Áp dụng công thức:

𝐏 = 𝐏 𝐱 𝛕 𝐱 𝐱 = 𝐏 𝐱 𝐱 𝛕 𝐱 𝐱 𝐂

= 𝟖𝟎𝟎.𝟏𝟎𝟑 𝐱 𝟏,𝟓.𝟏𝟎−𝟔𝐱 𝟑.𝟏𝟎𝟖 = 𝟏𝟔𝟏𝟗 (𝐖))

𝐭𝐛

 Bài 5:

Hệ số lấp đầy:

𝐊

𝛕 𝟏 𝟐𝐑𝐌𝐚𝐱

= 𝛕 𝐱 hay 𝐏 = 𝐊

𝟐 𝐱 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟐𝟎

𝐱 𝐏

𝒍𝒅 𝛕 𝟏 𝐭𝐛 𝒍𝒅 𝐱



�� 𝒍𝒅 = 𝐏𝐭𝐛

= ,𝟐 𝟎𝟐 𝟏𝟎. 𝟑 ≈ ,𝟎 𝟎𝟎𝟐𝟎𝟐 (𝟎𝟏𝟎𝟐. ÷ ,𝟎 𝟎𝟎𝟓)

𝐏𝐱