Tài liệu Nghiên cứu xây dựng hệ thống radar thụ động sử dụng tín hiệu phát thanh truyền hình tại việt nam luận văn ths. kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI VIỆT NAM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HÀ NỘI - 2011 TS.Trần Minh Tuấn 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 2 MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 3 TÓM TẮT NỘI DUNG ..................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR........................................................................................ 8 1.1. Khái niệm radar ............................................................................................................... 8 1.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................................................... 9 1.2.1. Sơ đồ tổng quan ........................................................................................................ 9 1.2.2. Hệ thống phát tín hiệu (đài phát) ............................................................................10 1.2.3. Hệ thống thu tín hiệu (đài thu) ................................................................................10 1.2.4. Hệ thống anten .........................................................................................................10 1.3. Phân loại ..........................................................................................................................11 1.4. Thông tin radar ...............................................................................................................13 1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar ...................................................13 1.5.1. Ảnh hưởng quá trình truyền sóng ...........................................................................13 1.5.2. Ảnh hưởng can nhiễu ...............................................................................................14 1.6. Ứng dụng .........................................................................................................................14 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR .....................................................15 2.1. Truyền sóng trong không gian tự do ..............................................................................15 2.1.1. Nguyên lý truyền sóng trong không gian từ do .......................................................15 2.1.2. Suy hao khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do ..........................................15 2.1.3. Hiện tượng Phản xạ .................................................................................................15 2.1.4. Hiện tượng Khúc xạ .................................................................................................17 2.1.5. Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do ....................17 2.1.6. Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ ........................................18 2.1.7. Một số kiểu truyền sóng trong không gian tự do ....................................................19 2.2. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................................20 2.2.1. Hiệu ứng Doppler.....................................................................................................20 2.2.2. Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar...................................21 2.3. Kỹ thuật anten .................................................................................................................24 2.3.1. Kỹ thuật Anten và các tham số chính khi nghiên cứu anten ..................................24 2.3.2. Kỹ thuật anten trong radar .....................................................................................27 Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 4 2.4. Kỹ thuật siêu cao tần, xử lý tín hiệu và các kỹ thuật điện tử khác .................................34 CHƯƠNG 3 - RADAR THỤ ĐỘNG ...............................................................................................36 3.1. Giới thiệu về radar thụ động ...........................................................................................36 3.1.1. Khái niệm về radar thụ động ...................................................................................36 3.1.2. Lịch sử ......................................................................................................................36 3.1.3. Phân loại một số dạng radar thụ động ....................................................................36 3.1.4. Ưu nhược điểm.........................................................................................................38 3.2. Một số nguồn phát tín hiệu có thể được sử dụng cho radar thụ động............................38 3.2.1. Nguồn phát tín hiệu phát thanh FM ........................................................................38 3.2.2. Nguồn phát tín hiệu truyền hình tương tự ..............................................................38 3.2.3. Nguồn phát tín hiệu tín hiệu truyền hình, truyền thanh số ....................................38 3.2.4. Một số nguồn phát tín hiệu khác .............................................................................39 3.3. Hệ thống radar thụ động hai vị trí PBR.........................................................................39 3.3.1. Mô tả hệ thống .........................................................................................................39 3.3.2. Hệ thống radar thu ..................................................................................................40 3.4. Thiết lập các tham số của hệ thống radar thụ động PBR ...............................................41 3.4.1. Giải thích một số khái niệm .....................................................................................41 3.4.2. Phương trình radar, tỉ số SNR và hệ số radar K ....................................................42 3.4.3. Đồ thị Oval Cassani và tính toán vùng phủ.............................................................43 3.4.4. Hàm đánh giá độ mù mờ - AF (ambiguity function)...............................................46 3.4.5. Độ dịch tần Doppler .................................................................................................50 3.4.6. Phương pháp tính toán khoảng cách từ mục tiêu đến đài thu ................................50 3.4.7. Các tham số đánh giá chất lượng của hệ radar thụ động PBR...............................52 3.4.8. Công thức thực nghiệm Albersheim tính tỉ số SNR ................................................54 CHƯƠNG 4 - NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG RADAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG TÍN HIỆU PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH TẠI VIỆT NAM .................................................................56 4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................56 4.2. Điều kiện lựa chọn nguồn phát tín hiệu sử dụng cho radar ...........................................57 4.3. Hiện trạng mạng phát thanh, truyền hình tại Việt Nam ................................................57 4.4. Xu hướng phát triển trong tương lai gần ........................................................................58 4.5. Bài toán mô phỏng xây dựng một hệ thống radar thụ động PBR ..................................58 4.5.1. Các bước giải bài toán xây dựng hệ thống radar ....................................................58 4.5.2. Lựa chọn nguồn phát tín hiệu..................................................................................59 4.5.3. Tính toán các tham số ..............................................................................................61 4.5.3.1. Phân tích theo hàm đánh giá độ mù mờ ..............................................................61 Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 5 4.5.3.2. Thiết lập các thông số ban đầu ( tỉ số SNR và hệ số K) .......................................67 4.5.3.3. Trường hợp nguồn phát tín hiệu FM 102,7MHz .................................................67 4.5.3.4. Trường hợp nguồn phát là truyền hình số DVB-T .............................................70 4.5.3.5. Bài toán mở rộng cho hệ thống có nhiều máy thu ...............................................72 4.6. Đánh giá khả năng phát triển hệ thống radar thụ động tại Việt Nam ...........................76 KẾT LUẬN ......................................................................................................................................77 PHỤC LỤC ......................................................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................79 Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 8 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ RADAR 1.1. 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 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. Bảng 1.1 Khuyến nghị của IEEE về dải tần dành cho radar [8] 1.2. Nguyên lý hoạt động 1.2.1. 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 10 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống một radar đơn giản[8] 1.2.2. 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. 1.2.3. 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. 1.2.4. Hệ thống anten Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 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. 1.3. 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 VU/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 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.  Inverse synthetic aperture radar (ISAR): là loại radar hình ảnh sử dụng thông tin về pha tín hiệu kết hợp khả năng phân dải cao về mặt khoảng cách và mới tương qua di chuyên của mục tiêu để đạt được độ phân dải cao về mặt tần số (doppler). Radar này có thể đứng cố định hoặc đặt trên bề các phương tiện chuyển động.  Radar kiểm soát: Thường dùng kiểm soát các mục tiêu đơn lẻ trong quân sự cho phòng thủ các cuộc tấn công của máy bay.  Radar dẫn đường: (guidance radar): thường dùng trong kỹ thuật tên lửa nhằm điều khiển và dẫn đường đến mục tiêu.  Radar thời tiết (weather or meteorological observation): đo đạc, dự đoán tốc độ gió, hướng gió và quan sát các hiện tượng thời tiết.  Radar thời tiết doppler (doppler weather radar): là một loại của radar thời tiết sử dụng tính chất dịch tần doppler để quan sát các hiện tượng thời tiết, xác định Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 13 hướng gió, các hiện tượng lốc xoáy, bão… phục vụ cảnh báo các thời tiết nguy hiểm.  Radar phát hiện mục tiêu (Target recognition): Dạng radar bổ trợ (đặc biệt trong quân sự) nhằm phân biệt chính xác mục tiêu, chẳng hạn nhận biết một máy bay với các nhân tố đang bay trong môi trường (chim chóc…) Loại radar này còn được biết đến với cái tên radar cảm biến từ xa (remote sensing radar).  Radar đa năng (mutifunction radar): là sự kết hợp của nhiều loại radar kể trên vào một hệ thống radar nhằm thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc. 1.4. Thông tin radar Khoảng cách mục tiêu (range) – tầm xa radar: Là yếu tố quyết định phân biệt hoạt động của radar. Radar xác định khoảng cách mục tiêu bằng cách tính toán thời gian mà sóng điện từ đi từ đài phát tới mục tiêu và phản xạ đến đài thu. Radar hiện đại ngày nay có thể đo đạc những khoảng cách xa với độ sai lệch chỉ vài cm. Để thực hiện việc này, các radar thêm các chỉ thị thời gian (timming mask) vào tín hiệu phát. Timming mask có thể là các xung ngắn hoặc là điều chế tần số hoặc pha. Sự chính xác của khoảng cách phụ thuộc chính vào băng thông tín hiệu. Tín hiệu radar phát đi có băng thông càng lớn thì độ chính xác về khoảng cách đo được càng cao. Thông tin về vận tốc của mục tiêu: Vận tốc của mục tiêu được tính bởi tỉ lệ của sự thay đổi của khoảng cách trong một chu kỳ thời gian. Vận tốc này được tính toán bởi độ dịch chuyển tần Doppler. Để tính toán vận tốc và hướng của mục tiêu chuyển động radar cần đo đạc trong một chu kỳ thời gian. Thông tin về hướng mục tiêu: Để xác định mục tiêu thì một trong những phương pháp có thể sử dụng là đo góc của chùm tín hiệu phản xạ tới đài thu. Góc tới này được xác định bằng cách sử dụng anten có giản đồ hẹp quét toàn bộ vùng không gian, xác định hướng có cường độ tín hiệu phản xạ là mạnh nhất. Việc quét này có thể dùng một hoặc nhiều anten quét theo cả mặt ngang và dọc. Tính chính xác của việc xác định hướng đến có cường độ lớn nhất phụ thuộc vào độ dài hiệu dụng của anten, bước sóng. Độ phân dải: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai mục tiêu mà radar có thể phân biệt được rõ ràng. Độ phân giải khoảng cách phụ thuộc vào băng thông tín hiệu. 1.5. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của radar 1.5.1. Ảnh hưởng quá trình truyền sóng Quá trình lan truyền qua không gian tự do chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố môi trường làm thay đổi cách tính chất truyền sóng. Các yếu tố thời tiết, sương mù…. thường gây ra các hiện tượng khúc xạ, phản xạ không mong muốn, Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 14 gây sai lệch quá trình phát hiện mục tiêu của radar. Các yếu tố địa hình cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với hoạt động của đài radar do gây ra tín hiệu phản xạ, làm thay đổi hướng truyền sóng, gây ra các tín hiệu đa đường… 1.5.2. Ảnh hưởng can nhiễu Ảnh hưởng can nhiễu làm giảm tỉ lệ SNR đối với tín hiệu thu của radar, làm giảm xác suất phát hiện đúng. Bên cạnh can nhiễu tạp âm có sẵn, can nhiễu của tín hiệu vô tuyến chủ yếu là nhiễu đa đường, tín hiệu đồng kênh và giao thoa… 1.6. Ứng dụng Ứng dụng trong quân sự: Sự ra đời của radar thời kỳ đâu tiên, khoảng những năm 1930, chính là sử dụng cho quân sự khi người ta cần đặt ra yêu cần cần phát hiện những máy bay ném bom hạng nặng của đối phương. Ứng dụng cơ bản của radar quân sự được sử dụng trong phòng ngự các mục tiêu trên không từ các vị trí đặt trên đất liền hoặc trên biển thậm chí cả trên không (không đối không). Ở đây, radar đóng vai trò quyết định trong việc phát hiện các mục tiêu ở xa, điều khiển vũ khí, dẫn đường cho tên lửa…Ngày nay, công nghệ radar càng chở nên quan trọng và được chú trọng đầu tư phát triển mạnh do cần đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của kỹ thuật quân sự. Ứng dụng trong khí tượng thủy văn và dự báo thời thời tiết cũng là ứng dụng quan trọng của radar ngày nay. Radar được sử dụng để theo dõi các hiện tượng thời tiết nhằm cảnh báo sớm các hiện tượng tiêu cực, nguy hiểm như tố lốc, bão… Ứng dụng trong hàng không, hàng hải: Radar được sử dụng cho mục đích dẫn đường, quan sát và báo hiệu đường bay, đường biển. Một số ứng dụng khác của radar ngày nay: radar quan sát thiên văn, radar trong các ngành về địa lý, khai mỏ… Tóm lại, radar có ứng dụng ngày càng sâu rộng trong các lĩnh vực của đời sống từ an ninh quốc phòng đến dự báo thời tiết và nghiên cứu thiên văn học. Do đó, việc tìn hiểu nắm bắt và nghiên cứu phát triển các công nghệ radar là cần thiết. Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 15 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT RADAR 2.1. Truyền sóng trong không gian tự do 2.1.1. Nguyên lý truyền sóng trong không gian từ do Sóng điện từ truyền trong không gian tự do tuân theo hai nguyên lý cơ bản sau: Một là, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian tự do là hằng số và bằng vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s. Hai là, trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng điện từ truyền theo đường thẳng. 2.1.2. Suy hao khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do Trong không gian tự do suy hao khi truyền sóng điện từ tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách và tỉ lệ nghịch với bình phương bước sóng. Ở dạng đơn giản nhất, suy hao LF, của năng lượng sóng điện từ có bước sóng λ truyền qua một khoảng cách r được tính như sau: L F (dB )  20 log( 4 r )  (2.1) Công thức trên chỉ ra rằng, đối với cùng một công suất phát, tín hiệu có bước sóng dài hơn (tần số thấp hơn) thì truyền đi xa hơn đối với sóng có bước sóng ngắn hơn (tần số cao hơn). Tuy nhiên sự suy hao năng lượng của sóng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường truyền thực tế như sương mù, mưa, các yếu tố địa hình và cả các yếu tố trong nội tại hệ thống… để ước lượng suy hao một cách gần đúng nhất người ta thường bù vào đó một phần suy hao ΔL. L(dB)  LF (dB) L(dB) (2.2) ΔL là khác nhau đối với từng hệ thống, từng khu vực và có thể được tính từ công thức thực nghiệm. 2.1.3. Hiện tượng Phản xạ Là hiện tượng khi sóng va chạm vào mục tiêu bị phản xạ ngược lại. Sự phản xạ của sóng điện từ phụ thuộc vào tính chất bề mặt của mục tiêu phản xạ. Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 16 Phản xạ gương: Xảy ra theo định luật quang hình (góc tới = góc phản xạ). Muốn vậy bề mặt phản xạ (bề mặt vật thể) phải nhẵn và vật thể phải có kích thước lớn hơn nhiều so với . Đối với những vật thể như vậy, năng lượng trở về radar lớn nên ảnh của mục tiêu rõ nét hơn. Hình 2.1: Hiện tượng phản xạ gương Phản xạ phân kì : Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước lớn hơn rất nhiều so với  nhưng có bề mặt gồ ghề . Trường hợp này năng lượng phản xạ trở về nhỏ và ảnh mục tiêu trên màn mờ nhạt Hình 2.2: Hiện tượng phản xạ phân kỳ Phản xạ cộng hưởng : Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước bằng hoặc xấp xỉ . Trường hợp này vật thể bị kích thích, sóng phản xạ trở lại rất mạnh, ảnh mục tiêu rõ nét trên màn hình nhưng không bền do ít khi gặp những vật thể có kích thước nhỏ như vậy. Diện tích phản xạ hiệu dụng Diện tích phản xạ hiệu dụng trên vật thể  là miền diện tích phản xạ hoàn toàn năng lượng mà nguồn phát ra. Diện tích phản xạ hiệu dụng phụ thuộc vào các yếu tố: - Hướng và năng lượng của chùm sóng đi đến mục tiêu. Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 17 - Chất liệu, hình dáng và kích thước mục tiêu. - Tần số sóng mang của tín hiệu. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu càng lớn thì mục tiêu càng dễ bị phát hiện Qua thực nghiệm, người ta đã tính ra được diện tích phản xạ hiệu dụng của các mục tiêu như máy bay, tên lửa là:[2] 4 A 2    (2.3) A là diện tích toàn phần của mục tiêu  là bước sóng của tín hiệu sóng mang. 2.1.4. Hiện tượng Khúc xạ Nguyên nhân của hiện tượng khúc xạ do điều kiện của khí quyển Trái đất như áp suất, độ ẩm, nhiệt độ không đồng nhất trong suốt đường đi của sóng từ radar tới mục tiêu do đó thay vì truyền lan theo đường thẳng, sóng điện từ (nhất là các sóng cực ngắn) bị khúc xạ và truyền lan theo quỹ đạo cong nhẹ về phía mặt đất. Một số hiện tượng khúc xạ thường gặp như: Hiện tượng khúc xạ kém ( Sub- refraction): Trong những điều kiện khí quyển đặc biệt, chỉ số khúc xạ có thể thay đổi làm cho bức xạ sóng sẽ khúc xạ lên trên hoặc xuống dưới hơn bình thường. Hiện tượng siêu khúc xạ ( Super – refraction): Hiện tượng này là chùm tia radar bị bẻ cong xuống dưới nhiều hơn so với điều kiện khí quyển bình thường. Nó xảy ra sau khi sóng truyền quan các khối không khí nóng và lạnh kề nhau. Ảnh hưởng của hiện tượng này là tầm xa tác dụng của radar sẽ lớn hơn mức bình thường. Hiện tượng khúc xạ vòng: Đối với những vật thể có kích thước nhỏ hơn bước sóng, sóng radio sẽ đi qua vật thể mà không vị phản xạ trở lại. Để có thể đánh giá được một cách tương đối sự truyền làn của sóng radar, cần thiết phải giả định điều kiện khí quyển “tiêu chuẩn “ để so sánh. Tầm xa thỏa mãn các điều kiện tiêu chuẩn được xem như tầm xa phát hiện cực đại của radar. Thực tế, các điều kiện môi trường luôn thay đổi nên tầm xa thực tế thường nhỏ hơn so với tính toán. 2.1.5. Ảnh hưởng can nhiễu khi truyền sóng điện từ qua không gian tự do 2.1.5.1. Nhiễu đa đường Khi antenna của đài thu độ rộng búp sóng lớn hoặc quét trong một không gian rộng, tín hiệu phản xạ thu từ mục tiêu ngoài hướng trực tiếp còn có thể bao gồm Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 18 các hướng phản xạ từ mặt đất hay từ các chướng ngại vật. Trong trường hợp hai thành phần tín hiệu này khi đến antenna thu có pha đối nhau thì chúng sẽ gây nên một lượng suy hao rất lớn. Ngoài ra do lệch pha với tín hiệu ở hướng trực tiếp nên các tín hiệu phản xạ đóng vai trò như tạp âm làm suy giảm S/N của tín hiệu chính. Để giải quyết vấn đề nhiễu đa đường, cần có các antenna có hướng tính lớn (góc mở nhỏ) hoặc phải nâng cao góc ngẩng antenna để giảm thiểu thành phần sóng phản xạ. 2.1.5.2. Hiện tượng giao thoa Khi các hệ thống lân cận nhau sử dụng chung băng tần số, mặc dù đã có một sự ngăn cách địa lý nào đó, chúng vẫn gây nhiễu cho nhau ( nhất là đối với các hệ thống thu độ nhạy cao). Khi đó các tín hiệu là có ích với một trạm này thì lại là tạp âm đối với một trạm khác. Ngoài ra, do đặc tuyến truyền đạt không tuyến tính của các bộ khuếch đại công suất (hàm POUT=f(PIN) là một đường cong) cho nên bao giờ cũng có sự can nhiễu giữa các sóng mang khác tần số gây bởi các thành phần xuyên điều chế. Sự can nhiễu này sẽ trở nên nghiêm trọng khi công suất phát của các hệ thống quá lớn. 2.1.5.3. Nhiễu tạp âm nền Tạp âm là tất cả các tín hiệu thu không mong muốn lẫn vào tín hiệu có ích. Nó gây méo dạng tín hiệu, làm thay đổi các thông số của sóng mang, làm cho khả năng khôi phục chính xác tin tức chứa trong tín hiệu có ích ở máy thu bị giảm sút. Các tác động của tạp âm đến hệ thống gọi là nhiễu. Tạp âm ảnh hưởng tới hệ thống vô tuyến được sinh ra từ các nguồn sau: - Các nguồn bức xạ tự nhiên trong khu vực làm việc của radar, - Các nguồn tín hiệu các đài phát khác, các tín hiệu chế áp, phá sóng điện từ. - Tạp âm sinh ra bởi chính các thiết bị của hệ thống (tạp âm ký sinh). Tạp âm gây ảnh hưởng mạnh nhất khi nó nằm trong dải thông của tín hiệu có ích. Khi đó tạp âm sẽ lọt thẳng vào máy thu và gây ra các lỗi nghiêm trọng nếu ta không có những biện pháp khắc phục. Công suất tạp âm N[W] được đánh giá trong BN sẽ là: N  N0 BN [W] (2.4) N0 gọi là mật độ phổ công suất tạp âm trong dải tần BN được tính ra W/Hz hoặc dB/Hz. Trên thực tế mật độ phổ công suất tạp âm là không cố định trên toàn dải BN nên N0 chỉ mang tính lý thuyết tức là không thể đo trực tiếp được. 2.1.6. Ảnh hưởng của môi trường đến truyền lan sóng điện từ 2.1.6.1. Ảnh hưởng của bề mặt trái đất, mặt nước biển Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 19 Trong một số trường hợp mặt đất, mặt biển hoặc đồi núi lạ là những mặt phản xạ không mong muốn. Hiện tượng này có thể mô tả như sau: Nếu truyền vào không gian không có vật ngăn cản thì sóng cực ngắn hình thành cánh sóng ( cánh công suất ) lý tưởng mở rộng theo chiều đứng. Tuy nhiên, khi cánh sóng gặp bề mặt trái đất thì sóng sẽ bị phản xạ từ mặt đất do đó cánh sóng bị phân nhánh theo chiều đứng. Sóng trực tiếp và sóng phản xạ gặp nhau và giao thoa lẫn nhau, trên đường truyền lan hai loại sóng này có thể cùng pha khiến công suất sóng tổng hợp tăng lên, lệch pha làm cho sóng tổng hợp bị yếu đi, hay ngược pha làm cho sóng tổng hợp bị triệt tiêu, kết quả là cánh sóng bị phân nhánh khiến cho công suất phát đến mục tiêu cũng yếu đi. 2.1.6.2. Ảnh hưởng bởi các yếu tố thời tiết  Ảnh hưởng của sương mù Ảnh hưởng của sương mù đối với sóng cực ngắn có liên quan đến lượng nước trong sương mù, lượng nước chứa trong không khí càng nhiều nghĩa là tầm nhìn xa càng kém thì tầm xa phát hiện của radar sẽ giảm xuống. Tuy nhiên ảnh hưởng của sương mù đối với tầm hoạt động của radar không lớn lắm trừ khi sương mù dày đặc. Trong thực tế đã thống kê cho thấy, trong sương mù tầm nhìn xa 300m, tầm hoạt động của radar có thể giảm gần 1 nửa.  Ảnh hưởng của mây Các cánh sóng của radar cũng có thể quét đến các đám mây. Tuy nhiên kinh nghiệm cho thấy chỉ có một sốt ít loại mây có thể cho sóng dội trở về có thể nhìn thấy trên màn hình radar trừ khi có giáng thủy từ đám mây. Ảnh hưởng nghiêm trọng của sóng dội từ mây là gây phiền toái cho việc nhận dạng các sóng dội mục tiêu lẩn khuất trong sóng dội của mây.  Ảnh hưởng của mưa và tuyết Mưa (hoặc tuyết) hấp thụ sóng cực ngắn nghiêm trọng, làm cho mức độ suy giảm sóng tăng cao khiến cho tầm hoạt động của radar rút ngắn. Mặt khác, mưa chung quanh mục tiêu có thể gây nhiễu do sóng dội phản xạ từ mưa che khuất sóng dội mục tiêu nằm trong vùng nhiễu mưa. Chẳng hạn bước sóng 3cm ảnh hưởng của mưa rất nghiêm trọng, trong điều kiện bình thường không khí khô radar quan sát mục tiêu trên biển cách xa 25 hải lý, tầm quan sát bị giảm xuống 22 hải lý trong mưa lất phất, còn 15 hải lý trong mưa nhẹ, 5 hải lý trong mưa trung bình và 1 hải lý trong mưa nặng hạt. 2.1.7. Một số kiểu truyền sóng trong không gian tự do 2.1.7.1. Truyền sóng mặt Khi các anten định xứ gần hoặc trên mặt đất, sóng không gian (Space wave) biến mất do trường phản xạ triệt tiêu tia trực tiếp. Trường thu được ở anten thu sẽ do trường sóng mặt (Surface wave). Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 20 Truyền sóng theo sóng mặt là kiểu truyền chủ yếu ở dải tần từ vài kHz đến vài chục MHz. Suy hao công suất tín hiệu gần như tỷ lệ nghịch với R4 . Anten thường có dạng tháp cao, công suất phát từ 10kw đến 1Mw và phạm vi truyền sóng cỡ hàng trăm dặm. 2.1.7.2. Truyền sóng nhờ tầng điện ly Tầng điện ly là phần khí quyển bị ion hoá (chủ yếu do bức xạ mặt trời). Ban ngày tầng điện ly tồn tại ở khoảng từ 90 đến 1000km trên mặt đất. Mật độ điện tích từ 1010 - 1012 e -/m3 chia chủ yếu thành 3 lớp với mật độ e- cực trị : D, E, F (ban ngày, lớp F chia thành 2 lớp F1 , F2) Tầng điện ly phản xạ sóng vô tuyến có tần số từ 3 - 40 MHz cho phép thiết lập kênh thông tin vô tuyến qua khoảng cách hàng ngàn miles. 2.1.7.3. Truyền sóng dải microwave và milimeter Sóng điện từ trong dải tần số microwave và millimeter đi xuyên qua tầng điệnn ly vì ω >> ωp (tần số plasma). Có hiện tượng giao thoa do phản xạ từ mặt đất, nhưng ảnh hưởng không lớn như ở tần số thấp vì độ ghồ ghề của mặt đất lớn hơn nhiều so với bước sóng. Chỉ tại các điểm phản xạ trên mặt đất phẳng hoặc mặt mặt nước thì hiện tượng giao thoa có thể mạnh và tạo ra kiểu bức xạ búp với các búp sóng gần nhau (các búp sóng trời). Với các sóng có bước sóng cỡ mm, suy hao bị ảnh hưởng lớn bởi các hiện tượng thời tiết như hơi nước, sương mù và các khí khác trong khí quyển. 2.2. Hiệu ứng Doppler 2.2.1. Hiệu ứng Doppler Do nhà Vật lý người Áo Johann Christian Doppler (1803-1852) tìm ra năm 1842, ông đã miêu tả sự thay đổi của tần số sóng âm khi nguồn phát sóng chuyển động so với người nghe. Sau này, người ta thấy rằng hiệu ứng Doppler còn đúng với trường hợp truyền sóng điện từ và sóng ánh sáng. Hiệu ứng Doppler là hiện tượng khi sóng từ nguồn phát khi truyền đi và phản xạ bởi mục tiêu đang chuyển động (so với nguồn phát) thì tần số của sóng phản xạ bị thay đổi, sự thay đổi đó được gọi là dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler có thể làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với sóng tới phụ thuộc vào góc tới của sóng, vận tốc chuyển động của mục tiêu và tần số ban đầu của sóng được truyền đi. Đo đạc và xử lý độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar nhằm cung cấp thông tin về chuyển động của mục tiêu. Chúng ta xét bài toán sau về dịch tần Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ 21 Doppler cho các trường hợp chuyển động tương tự trường hợp của radar trong mục tiếp theo. 2.2.2. Giới thiệu một số bài toán về dịch tần Doppler trong radar 2.2.2.1. Giả thiết bài toán: Xét một hệ như hình 2.3 dưới đây: Hình 2.3: Ví dụ về bài toán tính độ dịch tần Doppler trong kỹ thuật radar Đài phát Tx và đài thu Rx có các vận tốc tương ứng là Vt và Vr, mục tiêu chuyển động vận tốc V. Khi đó dịch tần Doppler fB được định nghĩa là tỷ số của vi phân tổng chiều dài đường truyền sóng theo thời gian trên chiều dài bước sóng tín hiệu truyền. Tổng chiều dài đường truyền ở đây chính là tổng 2 khoảng cách RT + RR. Công thức tính độ dịch tần Doppler như sau:[9][10]   1  Rt V Rr V  f B         | Rt | | Rr |  (2.5) 2.2.2.2. Bài toán 1: Giả thiết: Đài phát và đài thu cố định ( VT = VR = 0 ). Giả thiết rằng mục tiêu bay qua vùng không gian của đài thu – đài phát có vận tốc V ( V ≠ 0 ) , độ dịch tần thu được tại nơi thu là: dRT là hình chiếu của vector vận tốc V lên đường thẳng nối nguồn phát với dt mục tiêu. dRT  V cos    / 2 dt Lương Xuân Trường (2.6) Luận văn Thạc sỹ 22 dR R là hình chiếu của vector vận tốc V lên đường thẳng nối máy thu với dt mục tiêu dR R  V cos    / 2 dt (2.7) Kết hợp các phương trình (3.2) , (3.3), (3.4) ta được công thức tính dịch tần Doppler gây ra bởi sự chuyển động của vật thể V  fB    cos   / 2  cos   / 2   2V fB       cos cos   / 2   (2.8) (2.9) Phương trình (3.6) được biểu diễn trong Hình 3.2 là một hàm theo biến  .Ở đây, độ dịch tần được chuẩn hóa theo 2V .  Hình 2.4 Đường bao Doppler Từ phương trình (2.9) ta có một số nhận xét sau :  Khi  = 1800 , lúc này hệ thống có dạng tán xạ chuyển tiếp, fB = 0 với mọi   Khi  ≠ 1800 , -900 <  < 900 , dịch tần doppler sẽ là dương. Lương Xuân Trường Luận văn Thạc sỹ