CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR 1. Khái niệm radar Radar là tên viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh Radio Angle Detection and Ranging chỉ hệ thống thiết bị ra đời nhằm mục đích nhận dạng vị trí mục tiêu nhờ vào hiện tượng phản xạ sóng điện từ. Ý tưởng đầu tiên về radar được cho là của Alexander Stepanovich Popov (nhà khoa học người Nga, 1859 - 1906), người đã thực hiện các thí nghiệm về truyền bản tin đầu tiên của loài người qua sóng vô tuyến điện. Đầu thế kỷ 20, đã có hàng loạt những nghiên cứu tiếp theo về các hệ thống định vị, phát hiện mục tiêu của các nhà khoa học Nga, Mỹ, Đức, Anh….
Năm 1937, Robert Watson – Watt ( nhà khoa học người Scotland;1892 - 1973) là người đầu tiên xây dựng thành công một hệ thống radar hoàn chỉnh. Sau đó, kỹ thuật radar đã phát triển vô cùng mạnh mẽ trong thế chiến thứ hai, đã đạt được những thành quả vượt bậc mà hầu hết như chúng ta đã thấy ngày nay. Mục đích đầu tiên của các hệ thống radar ra đời là khi nhu cầu cấp thiết trong kỹ thuật quân sự về tìm kiếm và phát triển các hệ thống cảnh báo từ xa và phát hiện, theo dõi các mục tiêu trên không chủ yếu là máy bay và hệ thống radar chống tàu ngầm…Về sau, radar càng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn cho các mục đích phi quân sự và thương mại như dẫn đường hàng không, hàng hải, dự báo thời tiết, điều khiển giao thông và nghiên cứu thiên văn học. Nguyên lý radar sử dụng để nhận biết mục tiêu dựa trên hiện tượng phản xạ của sóng điện từ khi va chạm với vật thể do Heinrich Rudolf Hertz tìm ra vào thế kỷ 19 (Hertz là nhà khoa học người Đức, 1857 - 1894).
Vận dụng hiện tượng này, hệ thống radar sử dụng một đài phát phát tín hiệu sóng điện từ vào vùng không gian cần quan sát, một phần các sóng phát xạ từ đài phát bị phản xạ lại bởi mục tiêu. Sóng phản bởi mục tiêu cũng có nhiều hướng, chỉ một phần quay lại và được đài thu của radar thu về. Tại nơi thu, hệ thống sử dụng những thông tin từ các tia phản hồi này để xác định thông tin về mục tiêu: Khoảng cách, vị trí tức thời… Nguyên lý thứ hai đó là hiệu ứng Doppler về sự dịch tần của chùm sóng bị phản xạ bởi mục tiêu đang chuyển động tương đối so với nguồn phát ra tín hiệu đó. Lợi dụng tính chất này, các hệ thống radar được sử dụng để đo vận tốc chuyển động của mục tiêu.
Dạng sóng mà radar sử dụng phụ thuộc vào mục đích hoạt động cụ thể của từng loại. Tín hiệu trong radar có thể là dạng chuỗi xung hẹp, xung hình chữ nhật với độ rộng với tần suất lặp nào đó (ví dụ đối với các radar để đo khoảng cách Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 chính xác), hoặc là các dạng tín hiệu tương tự có sử dụng các kỹ thuật điều chế điều tần hoặc điều pha (radar đo vận tốc). Sóng vô tuyến mà đài phát của radar phát đi có công suất có thể lên tới hàng triệu watt. Radar có thể hoạt động ở dải tần số thấp từ vài MHz đến tần số hàng trăm GHz.
Dải tần số hoạt động quyết định rất nhiều tới ứng dụng của radar. Ở mỗi dải tần đều có ưu và nhược điểm đối với hoạt động của đài radar. Ví dụ, ở dải tần VHF cho phép radar có thể quan sát được những mục tiêu ở khoảng cách rất xa, ngược lại radar ở dải tần cao thì lại có ưu điểm trong việc tăng độ phân dải tần số vì tín hiệu khi đó có băng thông rộng hơn cũng như là chùm tia của anten hẹp hơn nhờ thiết kế vật lý của anten dải cao gọn hơn.1 Khuyến nghị của IEEE về dải tần dành cho radar [8] 1. Nguyên lý hoạt động 1.
Sơ đồ tổng quan Sơ đồ tổng quan của một hệ thống radar được mô tả như sau: Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Sơ đồ khối hệ thống một radar đơn giản[8] 1. Hệ thống phát tín hiệu (đài phát) Bộ tạo dạng xung (waveform generator): tạo các dạng xung thích hợp với từng nghiệp vụ của radar. Bộ khuếch đại công suất (power amplifier): tạo ra công suất mong muốn phát đi của hệ thống radar. Bộ Duplexer: là thiết bị trước anten nhằm mục đích ghép luồng tín hiệu phát đi và luồng tín hiệu thu về chỉ qua 1 công anten duy nhất.
Không phải hệ thống radar nào cũng có bộ dupplexer, đối với hệ thống có đài thu phát độc lập chúng có anten thu và phát khác nhau. Hệ thống thu tín hiệu (đài thu) Tín hiệu sau khi thu qua anten được đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise amplifier). Bởi vì mức thu tín hiệu có ích thu được của radar rất thấp và trộn lẫn nhiều thành phần khác…do đó cần phải có tầng này nhằm tăng cường mức thu và lọc bớt các thành phần không mong muốn. Tín hiệu sau đó được đồng bộ và khuếch đại trung tần, trước khi tín hiệu thu được đưa qua bộ quyết định, nó được xử lý tại các mạch lọc.
Các cấp xử lý tin tức của Radar: + Xử lý cấp 1 (sơ cấp) : gồm nhiệm vụ phát hiện và đo đạc toàn bộ mục tiêu. Xử lý cấp 1 được thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ. + Xử lý cấp 2 (thứ cấp) : dùng tin tức tọa độ mục tiêu qua nhiều chu kỳ quan sát để xác định quỹ đạo chuyển động, tăng chất lượng phát hiện. Xử lý cấp 2 được thực hiện ở từng đài Rađa riêng lẻ hoặc ở các sở chỉ huy trạm rađa.
+ Xử lý cấp 3: sử dụng tin tức từ nhiều trạm rađa để tạo nên bức tranh toàn cảnh về mục tiêu trên không. Xử lý cấp 3 được thực hiện ở sở chỉ huy quân chủng phòng không. Hệ thống anten Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Anten là một bộ phận có mặt trong cả hệ thống phát và thu đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật radar. Với hệ thống radar anten không chỉ là cổng giao tiếp với môi trường bên ngoài mà nó còn có nhiệm vụ sau: - Phát xạ và định hướng chùm tia phát xạ của đài radar phát.
Chùm tia phát thường rất hẹp điều này được quyết định bởi đặc tính của anten. - Thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. - Xác định góc tới của chùm tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. - Là nhân tố quyết định đến độ phân giải không gian (sự tách biệt giữa góc tới của các mục tiêu khác nhau) - Cho phép điều chỉnh linh động không gian quan sát của radar.
Anten sử dụng trong kỹ thuật radar có thể là loại anten parabol có mặt phản xạ, hoặc mảng anten. Mỗi loại anten có đều có ưu điểm và hạn chế. Nhìn chung, các anten lớn thích hợp với các hệ thống radar. Phân loại Việc phân loại radar có nhiều cách dựa trên các tiêu chí khác nhau để phân biệt.
Có thể phân loại radar theo mục đích sử dụng radar hàng hải, hàng không, mặt đất…; theo phương thức hoạt động (radar thụ động, tích cực, radar cố định, radar trên xe lưu động, radar trên tàu bay…); theo dải tần hoạt động (radar sóng V- U/HF, L, S…); theo dạng sóng của tín hiệu radar sử dụng. Trong phần dưới đây là một số radar quen thuộc mà chúng ta hay gặp trong các tài liệu tham khảo:[8] Radar xung (Pulse radar): Dạng radar phát ra tín hiệu là những chuỗi xung hình chữ nhât liên tục. Radar độ phân dải cao (High-resolution radar): Chỉ các radar có thể đạt được độ phân dải cao về khoảng cách. Radar phân dải cao có thể xác định mục tiêu chính xác đến từng mét.
Radar nén xung (pulse compression radar): Là dạng radar sử dụng tín hiệu dạng xung dài với điều chế nội (điều tần hoặc điều pha) để kết hợp được độ lợi về mặt năng lượng của tín hiệu xung dài và độ phân dải của dạng tín hiệu xung ngắn. Radar sóng liên tục (Continuous wave radar): là loại radar sử dụng tín hiệu hình sin liên tục. Dạng radar này thường sử dụng để xác định các thông tin liên quan đến chuyển động của vật thể nhờ vào hiệu ứng dịch tần Doppler. FM-CW radar (Frequency modulation continuous wave radar): Là dạng radar sử dụng tín hiệu điều tần để đo đạc khoảng cách.
Radar giám sát ( surveillance radar): radar giám sát được định nghĩa một cách tương đối là loại radar dùng để nhận biết sự suất hiện của các vật thể như tàu thuyền, máy bay, tên lửa… đồng thời xác định các thông tin về góc và Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 khoảng cách. Radar giám sát cũng có thể là dạng dùng để theo dõi mục tiêu đã biết. Radar nhận biết chuyển động (Moving target indication): là dạng radar xung có tần suất lặp lại thấp để nhận biết chuyển động. Dạng radar này có độ phân dải rõ ràng về khoảng cách nhưng mù mờ về phân dải Doppler nên còn có tên gọi là radar mù vận tốc.
Radar xung doppler (pulse doppler radar): có hai dạng radar xung doppler là loại tần suất lặp lại xung cao và loại tần suất lặp lại trung bình. Cả hai loại đều được sử dụng để nhận biết chính xác mục tiêu chuyển động trong cả nhóm. Radar xung có tần suất lặp lại xung cao có độ phân dải về doppler cao và mù mờ về khoảng cách, trong khi loại tần suất lặp xung trung bình thì có độ mù mờ cả về khoảng cách và dopper. Radar theo dõi (tracking radar): Dạng radar nhận biết dấu vết, quỹ đạo chuyển động của mục tiêu.
Các dạng radar theo dõi điển hình như: STT (singler target tracker), ADT (automatic detection tracking), TWS (track-while-scan),. Radar ảnh (imaging radar): Loại radar dùng để quan sát bề mặt 2 chiều của mục tiêu như vẽ bề mặt mặt đất… Loại radar này thường được đặt trên các vật chuyển động. Radar quan sát bề mặt trên không (sidelooking airborne radar): Radar quan sát này cho các thông tin tin cậy về khoảng cách và các thông sô về gọc một cách tương đối nhờ sử dụng anten có chùm tia phát xạ hẹp. Radar khẩu độ nhân tạo (synthetic aperture radar): là loại radar hình ảnh sử dụng đặc tính pha tín hiệu gắp trên phương tiện chuyển động.Radar này sử dụng các thông tin về pha của tín hiệu phản hồi để vẽ lại hình ảnh của vật thể với độ phân dải cao cả về khoảng cách và mặt cắt ngang.