Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR 1. Giới thiệu Radar là một hệ thống định vị mục tiêu sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách, góc hoặc tốc độ của mục tiêu so với trạm radar. Đây là một hệ thống vô tuyến được nghiên cứu và ra đời từ rất lâu (trước thế chiến thứ 2). Nguyên tắc hoạt động của radar cơ bản dựa trên sự phản xạ của sóng vô tuyến khi phát đến mục tiêu.
Máy phát của radar sẽ truyền đi một chùm sóng vô tuyến có cường độ lớn và thu lại sóng phản xạ từ mục tiêu bằng máy thu có độ nhạy cao. Bằng cách phân tích sóng vô tuyến phản xạ, mục tiêu sẽ được định vị. Radar thích hợp để định vị những mục tiêu ở khoảng cách xa mà các sóng phản xạ khác như sóng âm thanh hoặc ánh sáng quá yếu không thể định vị. Sóng vô tuyến của hệ thống radar có khả năng truyền trong không gian và trên bề mặt (mặt đất, mặt biển,…).
Do đó, dưới bề mặt biển, các ứng dụng sẽ không sử dụng radar để định vị mà dùng thiết bị sonar với khả năng phát tín hiệu sóng siêu âm. Các mốc lịch sử phát triển của radar Như đã biết, radar được nghiên cứu và phát minh từ rất sớm, những năm đầu thế kỷ 20, cho mục đích phát hiện, nhận dạng và xác định khoảng cách các mục tiêu từ xa bằng sóng điện từ. Tuy nhiên, ý tưởng khởi đầu cho việc nghiên cứu, phát minh và phát triển radar lại bắt đầu từ các thí nghiệm về bức xạ sóng điện từ vào thế kỷ 19: + Năm 1800, nhà vật lý người Anh, Michael Faraday chứng minh dòng điện có khả năng tạo ra trường điện từ. + Năm 1864, James Maxwell đưa ra lý thuyết về trường điện từ.
+ Năm 1886, nhà vật lý người Đức, Heinrich Hertz chứng minh lý thuyết của Maxwell và phát hiện ra rằng bức xạ điện từ có tính chất sóng, có thể truyền trong không gian và phản xạ lại từ một vật kim loại. Nguyễn Trần Tuấn 11 K19 KTĐT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 2015 + Năm 1904, một kỹ sư người Đức tên Christian Hulsmeyer là người đầu tiên sử dụng sóng điện từ để phát hiện ra vật thể ở cự ly nhất định. Ông chứng minh được tính khả thi bằng việc sử dụng sóng điện từ để phát hiện tàu bè. Tuy nhiên, thiết bị đơn giản mà ông phát minh chỉ có thể phát sóng điện từ hoạt động ở cự ly ngắn.
Đến giai đoạn từ 1934 – 1939, thấy được những ưu việt của hệ thống phát sóng điện từ có khả năng phát hiện và định vị được mục tiêu, tám quốc gia hàng đầu trên thế giới là Anh, Đức, Mỹ, Liên Xô, Nhật, Hà Lan, Pháp và Ý đã tập trung nghiên cứu và phát triển độc lập nhằm đưa ra hệ thống hoàn chỉnh. + Thuật ngữ “radar” được sử dụng lần đầu khi Mỹ triển khai các hệ thống này cho hải quân. + Các hệ thống radar trong thời kỳ thế chiến thứ 2 được sử dụng chủ yếu cho mục đích quân sự để phòng thủ, phát hiện và theo dõi các máy bay đối phương. + Các hệ thống radar trong thời kỳ này hoạt động chủ yếu ở băng tần thấp (HF và VHF).
Chỉ đến khi các nhà khoa học người Anh (1939) phát minh ra bộ tạo dao động cộng hưởng tần số cao (magnetron), các hệ thống radar mới có khả năng hoạt động ở các tần số cao hơn. Sau chiến tranh, công nghệ phát triển radar cho mục đích quân sự được chuyển dần sang các mục đích khác. Từ những năm 1950, các thế hệ radar mới ra đời và trở nên quan trọng trong lĩnh vực dân sự và các lĩnh vực khoa học khác. Cho đến ngày nay, dù được phát triển cho bất kỳ mục đích nào, quân sự hay dân sự, các phẩm chất cơ bản nhưng quan trọng của radar là định vị và xác định khoảng cách mục tiêu vẫn được duy trì và phát huy.
Một số ứng dụng của radar Ngày nay, radar được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau như dân sự, quân sự hoặc khoa học. Và đối với mỗi lĩnh vực, radar lại có các vai trò khác nhau [6]. Nguyễn Trần Tuấn 12 K19 KTĐT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 2015 Hình 1.1 – Một số ứng dụng của radar Ứng dụng trong lĩnh vực dân sự: - Giám sát sân bay, thời tiết, khí hậu,… - Điều khiển không lưu, dẫn đường hàng không - Đo tốc độ (radar cảnh sát) - Xây dựng bản đồ địa lý…. Ứng dụng trong quân sự: - Định vị mục tiêu và dẫn đường tên lửa - Cảnh giới: phát hiện và theo dõi vật thể lạ - Tìm kiếm mất tích….
Ứng dụng trong khoa học: - Thiên văn học - Đo khoảng cách - Cảm biến…. Các tần số hoạt động của radar Hiện nay, các băng tần được sử dụng cho radar trước đây trong thế chiến thứ 2 (tên băng tần và dải tần số) vẫn được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự và hàng không. Và để có thể kiểm soát một cách tốt nhất và sử dụng hiệu quả, các băng tần radar được tổ chức tiêu Nguyễn Trần Tuấn 13 K19 KTĐT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 2015 chuẩn quốc tế ITU quy định và phân bổ. Ngoài ra, nhiều nước trên thế giới cũng tự bổ sung các quy định trong việc phân bổ băng tần radar tại các nước đó cho mục đích sử dụng trong quân sự hay dân sự.1 – Các băng tần radar Băng Băng tần con phân bổ cho radar Dải tần số Bước sóng tần (theo ITU) HF 3–30 MHz 10–100 m VHF 30–300 MHz 1–10 m 138 MHz-144MHz; 216 MHz-225 MHz UHF 300–1000 MHz 0,3–1 m 420 MHz-450MHz; 890 MHz-942MHz L 1–2 GHz 15–30 cm 1215 MHz-1400MHz S 2–4 GHz 7,5–15 cm 2300 MHz-2500MHz; 2700 MHz-3700MHz C 4–8 GHz 3,75–7,5 cm 5250 MHz-5925MHz X 8–12 GHz 2,5–3,75 cm 8500 MHz-10,680 MHz Ku 12–18 GHz 1,67–2,5 cm 13,4 GHz-14GHz; 15,7 GHz-17,7GHz K 18–27 GHz 1,11–1,67 cm 24,05 GHz-24,25GHz Ka 27–40 GHz 0,75–1,11 cm 33,4 GHz-36,0GHz 126 GHz-142GHz; 144 GHz-149GHz mm 40–300 GHz 1,0–7,5 mm 231 GHz-235GHz; 238 GHz-248GHz Băng tần HF: các hệ thống radar dùng băng tần HF được sử dụng lần đầu tiên vào những năm đầu thế chiến 2, do Anh nghiên cứu và phát triển.
Các ứng dụng chủ yếu trong thời kỳ này của radar băng tần HF là để phát hiện các máy bay ném bom. Thực tế khi sử dụng, các thế hệ radar này cũng mang nhiều nhược điểm như yêu cầu anten kích thước lớn để đạt được độ rộng búp sóng hẹp, hệ số tạp âm cao. Và do sử dụng bước sóng dài nên các mục tiêu dễ rơi vào vùng không đồng nhất do tán xạ Rayleigh làm khó xác định khoảng cách mục tiêu. Ngày nay, các radar băng tần HF vẫn được sử dụng để giám sát các mục Nguyễn Trần Tuấn 14 K19 KTĐT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 2015 tiêu ở rất xa (đường chân trời) hay radar giám sát bờ biển do bước sóng dài của băng tần sử dụng.
Băng tần VHF: radar dùng băng tần VHF rất phổ biến vào những năm 1930 phục vụ cho mục đích quân sự. Cũng giống như radar băng tần HF, các radar dùng băng tần VHF cũng mang các nhược điểm như yêu cầu kích thước anten lớn, tạp âm cao. Tuy nhiên do bước sóng dài nên các radar băng tần VHF được sử dụng đề giám sát bờ biển và đường chân trời, đồng thời sử dụng trong các radar cảnh giới tầm trung sóng mét. Băng tần UHF: các radar dùng băng tần UHF có độ tạp âm thấp hơn so với các radar HF và VHF và độ rộng búp sóng phát cũng hẹp hơn, kích thước anten yêu cầu đủ lớn.
Ứng dụng chính của radar băng UHF chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở xa, phát hiện máy bay tàng hình hay tên lửa hành trình đồng thời được sử dụng trong các đài radar cảnh giới tầm thấp dải sóng dm. Băng tần L: radar dùng băng tần L được sử dụng chủ yếu trong việc giám sát mục tiêu ở cự ly xa và điều khiển các mục tiêu trong không gian. So với các radar băng tần thấp như UHF và VHF, radar dùng băng tần L chịu mức tạp âm thấp hơn. Băng tần S: radar dùng băng tần S thường được trang bị cho hải quân phục vụ mục đích giám sát các mục tiêu ở cự ly xa hay giám sát sân bay với các mục tiêu ở cự ly trung bình.
Ngoài ra, thế hệ các radar 3D mới dùng trong quân sự sử dụng băng tần S nhằm kiểm soát vùng trời như giám sát, theo dõi và bám mục tiêu, điều phối hạ cánh ở các sân bay. Băng tần C: chủ yếu dùng cho các radar giám sát các mục tiêu ở cự ly trung bình như radar thời tiết hay radar sử dụng anten mảng pha dùng để phòng thủ tên lửa trong quân sự. Băng tần X: trước đây, băng tần X thường sử dụng cho mục đích quân sự như giám sát mục tiêu ở cự ly ngắn, bám và dẫn đường tên lửa. Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong quân sự, các radar dùng băng X còn được sử dụng cho các mục đích dân sự như dẫn đường và định hướng tàu bè, giám sát thời tiết.
Ưu điểm của các radar dùng băng X là thông tin hiển thị trên màn hình có độ phân giải cao và anten yêu cầu có kích thước nhỏ. Nguyễn Trần Tuấn 15 K19 KTĐT LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp 2015 Băng tần Ku, K và Ka: radar dùng băng K được phát triển vào những năm giữa thế chiến thứ 2 với bước sóng 1,25 cm (ở tần số 24GHz). Tuy nhiên, sau đó, không được sử dụng nhiều do sóng vô tuyến bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước. Tùy thuộc vào mức độ hấp thụ mà sau đó, băng tần K được tổ chức IEEE chia thành 3 băng con: băng tần Ku từ tần số 12 -18 GHz, băng tần K từ tần số 18 – 27 GHz, và băng tần Ka từ tần số 27 – 40GHz.
Các ứng dụng của radar băng tần Ku chủ yếu để giám sát bề mặt đất sân bay do độ phân giải cao. Với băng tần K, dùng trong radar khí tượng, giám sát thời tiết và các súng radar của cảnh sát để đo tốc độ. Băng tần Ka dùng cho các thiết bị để lập bản đồ có độ phân giải cao và thử nghiệm thông tin. Băng tần mm: đây là băng tần có tần số >40 GHz, chủ yếu dùng cho các hoạt động thử nghiệm thông tin, nghiên cứu radar sóng mm hay dùng giữa các vệ tinh trong cụm các vệ tinh [8].