Bài giảng về Radar - Nguyễn Hồng Quang

Giới thiệu về Radar Nguyễn Hồng Quang ĐT6-K48 Radar Radar Viết tắt của Radio Detection And Ranging :là 1bộ cảm biến sóng vô tuyến ,nói chung(nhưng không hoàn toàn ) hoạt động ở dải tần số microwave (> 1 GHz), và là 1 bộ cảm biến cực “nhạy” . Ở đây từ “nhạy” chỉ ra rằng : bộ cảm biến phát năng lượng (sóng điện từ) vào môi trường xung quanh và thu về thông tin thông qua phân tích phản xạ trở lại. Radar Radar có thể được hiểu như 1 cặp kết nối truyền thông chỉ trên 1 đường ,với kết nối trở về là sóng phản xạ. Bộ phận phát và thu đều được đặt cùng 1 vị trí và tín hiệu thu là tín hiệu phản xạ . Radar Chúng ta có 1 ăngten phát đẳng hướng nghĩa là nó phát đồng nhất về mọi hướng .Năng lượng phát tại 1 khoảng cách d từ máy phát ,là được trải rộng đồng nhất trên bề mặt của 1 quả cầu có bán kính là d ,với mật độ năng lượng : Radar Ăngten thực tế phát theo 1 hướng nhất định :hệ số tăng ích của ăngten (G) là thước đo tính hiệu quả của ăngten trong tập trung năng lượng phát xạ của ăngten theo 1 hướng xác định.Mật độ năng lượng sẽ là : Ăngten Radar Hệ số phản xạ Forward signal Radar Hệ thống Radar điển hình bao gồm :1 máy phát và thu sóng vô tuyến đặt cùng vị trí ,thường sử dụng chung 1 ăngten. Radar Sóng được phát đi và sau đó máy thu sẽ thu tín hiệu trở về. Cường độ của tín hiệu trở về phụ thuộc vào khoảng cách tới đích và kích cỡ(điện) của nó . Radar xác định khoảng cách tới đích nhờ vào trễ thời gian từ khi phát cho tới khi nhận được sóng phản xạ lại. Truyền trong không gian tự do Năng lượng có sẵn tại đầu ra của 1 ăngten nhận sẽ là tích số của mật độ năng lượng tại điểm đó với diện tích có ảnh hưởng của ăngten. Truyền trong không gian tự do Nếu cùng 1 ăngten sử dụng cho cả phát và thu chúng ta có thể sử dụng phương trình quan hệ giữa diện tích chịu ảnh hưởng và hệ số tăng ích. Truyền trong không gian tự do Thay thế phương trình hệ số tăng ích ăngten bằng phương trình tổn hao năng lượng trong không gian tự do Friis Radar cross-section Tạm dịch :Tiết diện của Radar. Thay thế diện tích chịu ảnh hưởng (effective area) của ăngten nhận ,trong Radar ,tín hiệu được xác định bởi RCS. RCS là thước đo diện tích phản xạ hoặc điện (electrical) của mục tiêu. Radar cross-section Nó có thể tỉ lệ hoặc không với kích thước vật lý của mục tiêu. Nó thường được biểu diễn bằng m2 hoặc dBsm Kí hiệu của RCS là : Phương trình Radar Do vậy ,tín hiệu phản xạ có thể được xác định bằng mật độ năng lượng tại mục tiêu nhân với RCS Mật độ năng lượng tại máy thu từ tín hiệu phản xạ là: Phương trình Radar Khi nhân với vùng chịu ảnh hưởng của ăngten Radar Ta có : Phương trình tầm xa của Radar Tuỳ vào mức độ tín hiệu nhận được,chúng ta có thể xác định được phương trình cho d và tìm được khoảng cách lớn nhất mà thiết bị có thể dò được Trong Radar thường sử dụng R - tầm xa thay thế cho d - khoảng cách. SNR(Signal Noise Ratio) Năng lượng nhiễu tại đầu vào bộ thu là : Pn = kT B F Trong đó : k :hằng số Boltzmann’s T:nhiệt độ máy thu(Nhiệt độ Kelvin) B:Dải thông của nhiễu máy thu(có thể xem như bằng dải thông của tín hiệu) Noise Figure F ,số hạng lớn hơn 1 so sánh với trường hợp lí tưởng =1 . Sau đó ta có thể tính được SNR = Pr/Pn. Xung Radar(Pulse Radar) Xung Radar thông thường làm việc bằng cách phát 1 xung RF ngắn và đo thời gian trễ trở về. Dải thông của “matched filter receiver” xấp xỉ 1/ với là độ rộng xung cũng xác định độ phân giải tầm xa(resolution range) của Radar : Xung Radar Các xung ngắn hơn yêu cầu dải thông nhận là lớn hơn (nhiều nhiễu hơn) ,cung cấp năng lượng trung bình thấp hơn (tín hiệu yếu hơn) nhưng cung cấp độ phân giải tầm xa (resolution range) tốt hơn. “Matched filter” có đáp ứng xung phù hợp với xung phát đi Tầm xa tới mục tiêu sẽ là : là thời gian trôi qua giữa phát và nhận xung. Xung Radar Các xung thường được phát đều đặn.Chu kỳ này được gọi là PRI hoặc PRT. Tần số phát lại xung là: PRF = 1/ PRI. PRI mô tả tầm xa rõ ràng lớn nhất(range unambiguos maximum) của hệ thống. Xung Radar Một mục tiêu lớn ở xa giới hạn rõ ràng (unambigous range) có thể hiểu như mục tiêu đóng (close target). Xung Radar Để có bội số lần phản xạ trở lại, RCS của vật phản xạ ở xa thường phải lớn. Lí tưởng chúng ta muốn R(unamb) cách xa khoảng dò được lớn nhất của Radar. Trong thực tế có nhiều cách để loại bỏ hiệu ứng của những lần quay trở lại này. Đo tầm xa(Range Measurement) Tầm xa của mục tiêu có thể được ước lượng chính xác tốt hơn độ rộng xung bằng việc sử dụng “bộ theo dõi chia cổng”(split-gate-tracker). Bằng cách so sánh năng lượng giữa Early Gate và Late Gate  ước lượng được vị trí của mục tiêu. Radar clutter(“Tạp âm- Nhiễu”Radar ) Clutter được định nghĩa như là sự vọng lại Radar không mong muốn. Sự quay trở về mục tiêu mặt đất sẽ xuất hiện ground clutter (area clutter) Sự quay trở về mục tiêu không vận có thể xuất hiện volume clutter Area Clutter Area clutter được mô tả bởi clutter cross-section trung bình trên 1 đơn vị diện tích , Cái này được gọi là hệ số backscatter. Số lượng clutter nhận được phụ thuộc trên diện tích mặt đất (ground area) được chiếu sáng là bao nhiêu. Area clutter Độ rộng của clutter patch được định nghĩa bởi độ rộng góc phương vị của ăngten ( antenna azimuth beamwidth) và tầm xa hoặc khoảng cách tới clutter patch. Chiều dài của clutter patch được xác định bởi : The range gate size (shallow grazing angle-góc sượt qua nông ) Hoặc độ rộng góc nâng (elevation beamwidth) cho các góc sượt qua dốc hơn( steeper grazing angles) như Radar không vận chiếu sáng mục tiêu dưới đất. Góc phương vị Góc nâng Area Clutter Độ rộng của các clutter cell là: Ở đó R là tầm xa tới trung tâm của Clutter Cell và là độ rộng góc phương vị theo Radian. Area Clutter Độ sâu hoặc chiều dài của clutter cell được xác định bởi phần nhỏ hơn của : Range gate phóng trên mặt đất. Độ rộng của góc nâng nhân với “ The total range “ phóng trên mặt đất. Area clutter Như vậy ,chiều dài của clutter cell có thể được biểu diễn như sau : Area Clutter Vì vậy ,các góc sượt qua nông (Shallow grazing angles ) ,khi xung bị giới hạn : Area Clutter Tại các góc dốc hơn ,khi chùm giới hạn clutter area là gần giống diện tích hình elip. Clutter Cross-section Tiết diện của Radar trên thực tế của clutter là clutter patch area nhân với hệ số backscatter Chúng ta chỉ xem xét giới hạn của xung,các phía mà góc lướt qua thấp Năng lượng Clutter quay về Năng lượng phản xạ clutter quan sát tại Radar là: Năng lượng Clutter quay về Do vậy ,khi R tăng ,năng lượng Clutter giảm theo 1/R^3 ,trong khi năng lượng mục tiêu giảm theo 1/R^4. Bởi vì sự trải rộng sóng Radio theo khoảng cách làm tăng số lượng clutter quan sát được. Cho trường hợp giới hạn chùm (beam-limited case),diện tích clutter là hàm của R^2 vì thế năng lượng clutter quay về tỉ lệ với 1/R^2 ,so với 1/R^4 cho năng lượng của mục tiêu. Volume Clutter(Thể tích Clutter) Volume clutter phụ thuộc vào: Range gate length Range to range gate of interest Độ rộng góc nâng và góc phương vị của ăngten Thể tích của clutter cell sẽ xấp xỉ: Volume Clutter Thể tích clutter được mô tả bởi tiết diện backscatter trên đơn vị thể tích, , có đơn vị là Tổng clutter cross section là : Vì vậy ,phương trình tầm xa được áp dụng , chúng ta sẽ thấy clutter return chỉ giảm theo R^2 bởi vì sự phụ thuộc thể tích clutter theo R^2 Volume Clutter Cell Kết luận Hệ thống Radar chiụ tổn hao đường truyền tỉ lệ với R^4 lớn hơn R^2 trong truyền dẫn 1 đường của hệ thống thông tin. Phương trình tầm xa của Radar cung cấp 1 năng lượng (power) nghĩa là dự đoán cường độ tín hiệu quay về. Clutter có thể là diện tích (mặt đất-ground) hoặc thể tích (thời tiết –weather). Diện tích hoặc thể tích clutter tăng theo R hoặc R^2 ,Clutter không giảm theo khoảng cách nhanh như cường độ tín hiệu. Cường độ tín hiệu tỉ lệ với 1 tham số -được gọi là radar cross section –cái được áp dụng với clutter hoặc các mục tiêu. Một số ứng dụng của Radar Radar phát hiện ra vị trí ,vận tốc của vật thể .Trong 1 số hệ thống tiên tiên còn xác định được hình dạng của chúng . Trong hàng không dân dụng Máy bay dân dụng được trang bị các thiết bị Radar để cảnh báo chướng ngại vật , thăm dò đường đi và đưa ra độ cao chính xác. Máy bay có thể hạ cánh trong sương mù tại các sân bay được trang bị hệ thống điều khiển mặt đất được hỗ trợ bởi Radar.Trong đó đường bay được theo dõi trên màn hình Radar Hệ thống Radar dẫn đường điều khiển từ xa cho máy bay được phát triển vào năm 1960. Ứng dụng trong quân sự Radar được sử dụng để phát hiện máy bay và tàu của đối phương. Radar điều khiển hoả lực để tiêu diệt mục tiêu. Radar dẫn đường cho không quân tiêm kích , oanh tạc các mục tiêu không nhìn thấy được. Ứng dụng trong quân sự Các hệ thống giám sát và dẫn đường Radar được sử dụng cho nghiên cứu khoa học và phòng thủ. Cho hệ thống phòng thủ phía Bắc nước Mỹ chính phủ phát triển (c.1950-63) 1 hệ thống Radar được xem như hệ thống cảnh báo sớm tên lửa đạn đạo-BMEWS(Ballistic Missile Early Warning System ) , được lắp đặt ở Thule, Greenland; Clear, Alaska; and Yorkshire, England . Ứng dụng trong quân sự Một hệ thống Radar được xem như hệ thống dẫn đường và kiểm soát không gian - Space Detention and Tracking System (SPADATS), hoạt động cộng tác giữa Canada và Mỹ , để dẫn đường vệ tinh nhân tạo quan sát trái đất. Ứng dụng của Radar Ứng dụng Radar để đo khoảng cách , diện tích địa lý ,tìm và định vị ngoài khơi. Radar cũng được sử dụng để nghiên cứu các hành tình và tầng điện ly thuộc hệ mặt trời , phát hiện các tia sáng và các vật thể di chuyển ngoài không gian. Ứng dụng trong khí tượng Mưa là mục tiêu lí tưởng cho S-Band Radar (~10cm) Đơn vị Radar thời tiết được thành lập ở Mĩ vào thập kỉ 60.(WSR-57) Radar L band Radars 15-30 cm ,1-2 GHz. Đối tượng là sự chuyển động của không khí. S band Radars 8-15 cm , 2-4 GHz Far range Đĩa ăngten lớn C band Radars 4-8 cm ,4-8 GHz Short range Đĩa ăngten nhỏ X band Radars 2.5-4 cm , 8-12GHz Shorter range Dò các phần tử nhỏ hơn. Hình ảnh Radar WSD-88D Hình ảnh cộng hưởng từ CASA Một vài hình ảnh Top view Lốc xoáy Hình ảnh các đám mây tích mưa Xin chân thành cảm ơn thầy giáo và các bạn.