CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA 1. Lịch sử của rađa Rađa là sản phẩm của sự phát triển kỹ thuật vô tuyến và điện tử học hiện đại, nó được đưa vào sử dụng từ trước chiến tranh thế giới lần thứ II ở các nước có nền khoa học tiên tiến. Rađa được sử dụng cho mục đích quân sự, dùng để phát hiện máy bay khi chúng vẫn nằm ngoài vùng nhìn thấy được, rồi hiển thị lên màn hình rađa.
Công cụ này ngày càng được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho mục đích quân sự. Ngày nay, khi công nghệ khoa học kỹ thuật phát triển, rađa có tác dụng lớn trong quốc phòng, kinh tế quốc dân và cả trong nghiên cứu khoa học. Nhờ những ưu điểm nổi bật mà rađa được sử dụng rộng rãi trong ngành khí tượng nhằm phát hiện, theo dõi, nghiên cứu mục tiêu, trong đó có các mục tiêu khí tượng. Nguyên tắc hoạt động RADAR (RAdio Detection And Ranging) là một phương tiện kỹ thuật dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện.
Có một điều thú vị là bản thân từ RADAR trong tiếng anh có thể đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà vẫn giữ nguyên các âm tiết như khi đọc xuôi, như thể nó mang hàm ý rằng sóng của rađa phát đi vào không gian và lại quay ngược trở lại rađa. Máy phát của rađa tạo ra một sóng điện từ mạnh truyền vào khí quyển thông qua anten. Trong quá trình truyền sóng trong khí quyển, sóng điện từ 8 gặp các mục tiêu, bị các mục tiêu tán xạ và hấp thụ. Mục tiêu tán xạ sóng điện từ theo mọi hướng trong đó một phần năng lượng sẽ quay trở lại anten.
Anten rađa truyền Hình 1. Xung phản hồi lại rađa sóng vào khí quyển Anten nhận tán xạ sóng điện từ trở lại, tập hợp chúng và khuyếch đại chúng lên nhờ bộ phận khuyếch đại điện từ. Tuy vậy, tín hiệu trở về có mức năng lượng nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu truyền đi. Mục tiêu càng tán xạ mạnh thì công suất tín hiệu nhận về càng cao.
Sóng điện từ mà anten truyền ra có 3 thuộc tính cơ bản sau: - Tần số lặp (pulse repetition frequency) - Thời gian phát xung (transmission time) - Độ rộng cánh sóng (beam width). Tần số lặp là số lần xung phát trong một giây, nó tuỳ thuộc từng loại rađa. Thời gian phát xung (còn gọi là độ rộng xung) là khoảng thời gian mà rađa phát ra một xung. Khi một chùm tia di chuyển với tốc độ ánh sáng thì độ dài của một xung (pulse length) có thể được tính một cách dễ dàng qua thời gian phát xung.
Độ rộng cánh sóng được xác định bởi độ rộng của góc hợp bởi hai tia có độ chói bức xạ bằng một nửa độ chói cực đại và ở những rađa 9 thời tiết hiện đại nó có độ lớn khoảng 10. Dựa vào độ rộng cánh sóng, độ dài của một xung và khoảng cách từ rađa tới xung ta có thể tính được thể tích xung phát (pulse volume). Hình ảnh mô tả sóng điện từ mà rađa truyền ra 1. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không Khi lan truyền trong môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ ít nhiều đều bị suy yếu dọc đường do bị hấp thụ và khuếch tán bởi các phần tử của môi trường.
Trong chân không, sóng điện từ không bị suy yếu bởi các hiện tượng này mà chỉ bị suy yếu nếu năng lượng sóng phải phân bố trong một vùng không gian ngày càng rộng lớn hơn. Tuy nhiên, khí quyển sạch, không chứa các hạt aerosol (xon khí) chỉ hấp thụ và khuếch tán rất ít sóng vô tuyến điện từ mà các rađa thường sử dụng, do vậy có thể xem nó như một môi trường không gây ra sự suy yếu sóng. Trong mục này ta xét một mục tiêu điểm nằm trong môi trường như vậy hoặc trong chân không. Nếu anten phát sóng với công suất xung Pt và hệ số khuếch đại của anten là G thì tại mục tiêu ở khoảng cách r sẽ có mật độ dòng năng lượng sóng điện từ Im là: 10 Pt G Im (1.1) 4r 2 Như vậy, nếu mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là m thì dòng (thông lượng) năng lượng do mục tiêu tán xạ ra mọi hướng sẽ là: Pt G Pm I m m m (1.2) 4r 2 Mật độ dòng năng lượng thu được tại anten rađa Ia là: Pm PG 1 Pt G Ia t 2 m m (1.3) 4r 2 4r 4r 2 16 2 r 4 Từ đây dễ dàng nhận thấy khi anten có diện tích phản xạ hiệu dụng Ae, dòng năng lượng điện từ tại anten thu (tức công suất thu) của rađa sẽ là: Pt GAe Pr I a Ae m (1.4) 16 2 r 4 Giữa hệ số khuếch đại G và diện tích phản xạ hiệu dụng Ae của anten lại có mối quan hệ sau: G 2 Ae (1.4) ta được công suất thu: Pt G 2 2 Pr m (1.6) là phương trình rađa cho một mục tiêu điểm trong chân không (hoặc trong môi trường không gây ra sự suy yếu sóng của rađa).
Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân giải của khối xung Độ lớn của năng lượng phản xạ được đánh giá bởi thông số m , gọi là diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m phụ thuộc không những vào kích thước, trạng thái, nhiệt độ và sự phân bố của các hạt mà còn vào tần số sóng (hoặc bước sóng). Việc tính toán m bằng giải tích là phức tạp, vì như trên đã nói, bản thân mục tiêu khí tượng rất phức tạp.
Để đơn giản, người ta tính toán m của mục tiêu khí tượng với các giả thiết sau: - Coi như các hạt đều có hình cầu, bán kính a của hạt nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng (a /32 = 0,03); khi đó diện tích phản xạ hiệu dụng của một hạt thứ i nào đó được tính bằng hệ thức thu được từ lí thuyết tán xạ của Rayleigh: 64 5 6 i 2 a Ki (1.7) 4 i 2 mi2 1 trong đó, K i phụ thuộc vào trạng thái pha, nhiệt độ của hạt 2 m i2 2 và bước sóng (ở đây mi là chỉ số khúc xạ phức của hạt thứ i). Sự phụ thuộc của K i 2 vào bước sóng và nhiệt độ không lớn lắm. K i 2 phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái pha của hạt. Đối với hạt nước, K i 2 có giá trị bằng 0,93 0,004, trong khi đó đối với hạt băng K i 2 có giá trị bằng cỡ 0,197 tức là nhỏ hơn khoảng 5 lần.
- Sự phân bố các hạt không ảnh hưởng lẫn nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các hạt đủ lớn để trường điện từ của các hạt không tác dụng qua lại, lúc đó diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng trong một đơn vị thể 12 tích là tổng các diện tích phản xạ hiệu dụng của tất cả các hạt trong đơn vị thể tích đó. Diện tích phản xạ hiệu dụng của một đơn vị thể tích của mục tiêu khí tượng là: N 64π 5 N i 4 2 K i ai6 (1.8) i 1 λ i 1 trong đó N là số hạt trong một đơn vị thể tích. còn gọi là hệ số tán xạ, có đơn vị là m-1. - Tín hiệu phản xạ thu được tại đầu vào của máy thu rađa tại một thời điểm là tín hiệu phản xạ từ tập hợp tất cả các hạt nằm trong một phần Vu của thể tích khối xung, cùng về tới máy thu cùng vào thời điểm đó.
Vu được gọi là thể tích phân giải của khối xung. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m khi đó sẽ là: N m Vu .9) i 1 Một cách gần đúng, có thể chứng minh được rằng Vu bằng nửa thể tích khối xung. Thật vậy, khi một khối xung nằm trọn trong một mục tiêu khí tượng (hình 1.14), các hạt mây hoặc mưa trong khối xung sẽ bị sóng chiếu vào và cùng tạo ra các sóng phản hồi. Tuy nhiên, các sóng phản hồi này lại không về tới rađa cùng một lúc vì khoảng cách từ nơi phản hồi tới rađa không bằng nhau.
Chẳng hạn, do khoảng cách giữa mặt sóng đầu và cuối là h (chiều dài không gian của khối xung) nên các sóng từ những hạt ở mặt sóng cuối của khối xung sẽ về đích trước các sóng từ những hạt ở mặt sóng đầu một khoảng thời gian bằng ( h ). Do thời gian phân giải của radar bằng /2 (tức là các c tín hiệu thu ở những thời điểm quá gần nhau, cách nhau ít hơn /2 thì rađa không phân biệt được), như vậy công suất thu ở một thời điểm t thực chất là 13 công suất trung bình trong cả một khoảng thời gian bằng /2 (từ t / 4 đến t / 4 ) do đóng góp của tất cả các hạt nằm trong một nón cụt có chiều dài bằng h/2 (h là chiều dài không gian của một xung) dọc theo búp sóng ở lân cận khoảng cách r (từ r h / 4 đến r h / 4 ), mặt bên là mặt bên của búp sóng. Thể tích của nón cụt này xấp xỉ bằng nửa thể tích của khối xung, theo định nghĩa, chính là thể tích phân giải của khối xung và có thể tính được như sau: h Vu R 2 (1.10) 2 trong đó R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R, độ rộng cánh sóng (tính bằng rađian) và khoảng cách từ rađa đến mục tiêu r có mối liên hệ: Rr (1.11) 2 Do vậy: r h r h 2 2 2 Vu (1.
Để tính nửa thể tích xung phát Tuy nhiên, muốn tính chính xác hơn thể tích phân giải của khối xung, Probert và Jones đã tính đến sự khác biệt giữa vai trò của các hạt nằm dọc theo trục của búp sóng với những hạt nằm xa trục đó vì rõ ràng là công suất 14 sóng chiếu tới chúng khác nhau. Với giả thiết “công suất” sóng phát mạnh nhất theo hướng trục búp sóng (Pmax) và giảm dần ra xung quanh (tới P1/2 ở rìa búp sóng) theo qui luật phân bố chuẩn, Probert và Jones đã tìm được công thức tính thể tích phân giải "hiệu dụng" của khối xung: .