Chương 1. NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNGRADAR. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN RADAR. • Năm 1887 nhà vật lý người đức Heinrich Hertz là người đưa ra thuyết Maxwell thông qua thực nghiệm, chứng minh rằng bức xạ radio có tất cả tính chất của sóng (giờ đây được gọi là sóng Hert), và khám phá rằng công thức điện từ có thể định nghĩa lại là công thức chênh lệch bán phần gọi là công thức sóng.
• Khoảng đầu những năm 1900, Telsa (mỹ) and Hulsmeyer (đức) đề xuất sử dụng sóng radio để phát hiện vật thể. • Năm 1911dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ, Hugo Gernsback(mỹ) mô tả chính xác hơn về sóng tần số radio. • Năm 1921 nhà vật lý người mỹ Albert Wallace Hull đã phát minh ra Magnetron như một đèn truyền hiệu quả. • Năm 1922 các kỹ sư điện người mỹ Albert H.
Taylor và Leo C. Young của phòng thí nghiệm nghiên cứu NAVAL HOA KỲ lần đầu tiên đã định vị được tàu gỗ. Hyland (cũng từ phòng thí nghiệm nghiên cứu NAVAL HOA KỲ)định vị được máy bay lần đầu tiên. • Năm 1931 một chiếc tàu được trang bị radar, khi anten được sử dụng là một đĩa parabol với bức xạ kiểu loa.
• Năm 1934, nhà khoa học người pháp Pierre David lần đầu tiên thành công sử dụng radar để phát hiện máy bay • Năm 1936 Klystron được phát triển bởi các nhà kỹ thuật George F. Metcalf và William C. Klystron trở thành linh kiện quan trọng của máy radar như một máy khuyếch đại hay đèn dao động. • Năm 1939 Hai kỹ sư John Randall và Henry Boot của đại học Birmingham đã xây dựng radar nhỏ nhưng có công suất lớn sử dụng Cavity-Magnetron.
Máy bay B-17 đã được gắn radar này. 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI • Năm 1940 nhiều thiết bị radar được phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và Nhật. • Năm 1940-1945 nhiều kết quả từ các nghiên cứu trong thời gian thế chiến thứ II trong việc phát triển radar, phản xạ, arrays và các anten thấu kính. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ RADAR.
RADAR là thuật ngữ viết tắt của từ RADIO DETECTING AND RANGING (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến). Đây là một hệ thống được sử dụng để định vị, đo khoảng cách, lập bản đồ các vật thể như máy bay hay mưa….bằng cách dựa vào sự phản xạ của năng lượng điện từ.1 RADAR Nguyên tắc hoạt động của sóng radar cũng tương tự như nguyên tắc phản hồi của sóng âm. Do đó ta có thể xác định khoảng cách và phương hướng của đối tượng dựa vào vận tốc âm thanh và khoảng thời gian sóng âm phản hồi. Radar sử dụng nhiều xung năng lượng điện từ trong cùng một hướng.Năng lượng sóng vô tuyến được truyền tới đối tượng và bị phản hồi lại.
chỉ có một phần nhỏ năng lượng đó được phản hồi và quay trở lại radar thu.năng lượng phản hồi này được gọi là ECHO.Radar thu sẽ sử dụng tín hiệu ECHO này để xác định phướng hướng va khoảng cách đối tượng phản xạ. 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.2 Sự phản xạ của năng lượng điện từ khi gặp vật thể. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG RADAR. Tuỳ thuộc vào thông tin mong muốn mà trạm radar phải có chất lượng tốt và các công nghệ khác nhau.
Một trong những lý do khác nhau về chất lượng và kỹ thuật mà trạm radar được phân loại như sau: Hình 1.1 sơ đồ phân loại radar dựa vào kỹ thuật. 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Radar ghi hình ảnh và không ghi hình ảnh (Imaging Radar / Non- Imaging Radar) • Radar ghi hình ảnh tạo ra hình ảnh từ đối tượng hoặc khu vực mà nó quan sát được. Radar ghi hình ảnh đã được sử dụng để vẽ bản đồ trái đất, các hành tinh, vệ tinh, hoặc các đối tượng khác thuộc hệ mặt trời và phân loại mục tiêu cho quân đội. • Thông thường sự thi hành của hệ thống radar không ghi hình ảnh là máy tốc kế (máy đo tốc độ) và máy đo độ cao.
Hay còn gọi là Radar vẽ địa hình khi đo tính chất tán xạ của đối tượng hay vùng quan sát. • Là rađa trong đó có đích ngắm phản xạ một phần của năng lượng được truyền đi trở lại máy phát. bộ phát-đáp này trả lời tới sự thẩm vấn bằng việc truyền một tín hiệu trả lời mã hóa. Sự đáp lại này có thể chứa đựng nhiều thông tin hơn để trạm radar có thể nhận.
• một hệ thống radar trong đó các xung được phát giữa khoảng thời gian tương đối dài và một hệ thành phần hoạt động nhận các phản xạ trong các khoảng thời gian theo sau chuỗi xung Radar sóng liên tục (Continuous - Wave Radar): • phát ra năng lượng điện từ liên tục,sử dụng anten thu và phát khác nhau. Hệ thống radar có thể được chia thành các loại dựa trên các thiết kế sử dụng. Phần này trình bày những đặc điểm chung của một số hệ thống radar thường sử dụng: ] 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.2 sơ đồ phân loại radar dựa trên mục đích sử dụng. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA RADAR.
XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH (RANGE). Radar có thể xác định vị trí, khoảng cách của đối tượng nhờ vào tính chất bức xạ của năng lượng điện từ. thông thường năng lượng này truyền trong không gian dưới dạng một đường thẳng,sẽ bị thay đổi chút ít do điều kiện không khí và thời tiết. Tuy nhiên trong phần này ta sẽ bỏ qua những ảnh hưởng đó.Năng lượng điện từ truyền trong không khí bằng với tốc độ ánh sáng (c=3.
∆t (s): là khoảng thời gian sóng truyền đi cho đến lúc thu được ở anten. R(m):là khoảng cách từ radar tới đối tượng.Δt R= ( m) 2 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.1 xác định khoảng cách vật thể. Thông thường, Radar truyền và nhận một chuỗi xung như hình vẽ.với T là chu kỳ xung, τ là độ rộng xung.2 xung truyền đi và xung nhận được. Trong mỗi PRI thì năng lượng radar chỉ bức xạ trong τ giây.Phần còn lại của τ PRI thì đợi tín hiệu dội từ mục tiêu.
Chu kỳ phát của radar là d t = T Công suất truyền trung bình của radar. Pav = Pt xd t với Pt là công suất truyền cao nhất. Pav năng lượng xung: E p = Pt xτ = Pav xT = fr Phạm vi tương ứng với sự trì hoãn thời gian hai chiều được biết như là radar phạm vi rõ ràng (the radar anambiguous range),Ru. được minh hoạ như hình vẽ.(Δt + T ) R1 = ; 2 hoặc R2 = 2 2 2 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.3 Rõ ràng,phạm vi liên quan đến Echo2.
vì vậy khi một xung được truyền radar phải đợi một thời gian đủ dài để nhận được tín hiệu quay lại ở khoảng cách xa nhất trước khi xung kế tiếp được phát ra.Do đó phạm vi cực đại rõ ràng phải tương ứng với một nữa PRI. PHẠM VI HOẠT ĐỘNG (RANGE RESOLUTION). Ký hiệu: ∆R Hệ thống Radar thông thường được thiết kế để hoạt động trong khoảng Phạm vi nhỏ nhất (Rmin) và phạm vi lớn nhất (Rmax). Đối tượng sẽ được radar nhận diện khi nằm trong phạm vi này.
R − Rmin M = max ΔR Để hai đối tượng nằm trong phạm vi của R1 và R2 thì thời gian trì hoãn tương ứng là t1 và t2. ký hiệu sự khác nhau giữa hai vị trí là ∆R. t −t ∂t ΔR = R2 − R1 = c 2 1 = c 2 2 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.1 Thông thưòng, người sử dụng và thiết kế radar đều cố gắng giảm ∆R nhỏ tối thiểu để nâng cao khả năng hoạt động của radar. cτ c 1 Từ ΔR = = (với Băng thông B = ) 2 2B τ => Để có được phạm vi hoạt động tốt thì độ rộng xung phải nhỏ tối thiểu.
Tuy nhiên, sẽ làm giảm công suất truyền trung bình và tăng băng thông hoạt động. Sử dụng kỹ thuật nén xung để có được phạm vi hoạt động tốt trong khi vẫn duy trì công suất truyền tương ứng. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ (DOPPLER FREQUENCY) Radar sử dụng tần số doppler để tách vận tốc xuyên tâm mục tiêu, để phân biệt giữa mục tiêu chuyển động và đứng yên như là clutter. Hiện tượng doppler mô tả sự dịch chuyển tần số trung tâm của dạng sóng tới do sự chuyển động của mục tiêu đối với nguồn bức xạ.
Tuỳ vào hướng di chuyển của mục tiêu mà tần số dịch chuyển này tích cực hay tiêu cực. Dạng sóng đến mục tiêu có mặt sóng đồng pha tách biệt bởi bước sóng λ .Mục tiêu đi vào sẽ gây ra sóng phản xạ nhỏ hơn bước sóng λ. Ngược lại, mục tiêu đi ra xa dần sẽ gây ra sóng phản xạ lớn hơn bước sóng λ. 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.2 Xét độ rộng xung τ đến mục tiêu đang di chuyển hướng về phía radar với vận tốc v, d khoảng cách mà mục tiêu di chuyển vào.∆t ∆t là khoảng thời gian giữa cạnh trước xung đập vào mục tiêu và cạnh sau xung đập vào mục tiêu.
Khi xung di chuyển với vận tốc ánh sáng và cạnh trước được di chuyển khoảng cách cτ − d cτ − d ⇒ d = vc Δt = τ c v + c Trong ∆t giây, cạch trước xung đã di chuyển trong hướng của radar một khoảng s=c.∆t, độ rộng xung phản hồi là τ ' giây hoặc L (mét). L = cτ ' = s − d vc c2 vc c 2 − vc ⇒ cτ ' = cΔt − τ= τ− τ= τ v+c v+c v+c v+c c−v ⇒ τ '= τ c+v 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI Hình 1.3 c−v Trong thực tế, hệ số thường được gọi là hệ số làm giãn nỡ thời gian. c+v Chú ý rằng nếu v=0 thì τ ' = τ , có thể tính toán tương tự cho mục tiêu đi ra xa, trong c+v trường hợp này thì τ ' = τ. c−v Để xây dựng biểu thức cho tần số doppler.
Ta xét hình sau: Hình 1.4 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [ XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR HỒNG NGOẠI c cạnh trước xung2 cần ∆t (giây) đi được khoảng cách − d để đập vào trúng mục fr tiêu, cùng thời gian đó, cạnh sau xung1 đi được cùng khoảng cách c.Δt fr c cv f fr Ta có Δt = r và d = c+v c+v Giãn cách xung phản hồi lúc này là s-d và tần số lặp xung (PRF) mới là fr’.