CHƯƠNG 2: RADAR TRONG HỆ THỐNG VTS

trường truyền sóng. Trong điều kiện hàng hải đó là: tàu thuyền, các mốc hàng

hải, bờ đất, các tảng băng trôi, các công trình biển… . Những thông tin hữu ích

về mục tiêu đều do các sóng điện từ mang lại, được gia công và xử lý phù hợp

để trở thành những kết quả đo lường hữu ích tại các trạm radar.

Phụ thuộc vào nguồn gốc của các sóng tới trạm này mà người ta chia các hệ

thống định vị thành các hệ định vị tích cực và thụ động. Phụ thuộc vào cấu trúc

của các sóng thăm dò, người ta còn chia các hệ thống định vị thành: các hệ

thống radar phát sóng liên tục và các hệ thống radar phát sóng không liên tục

hay radar phát xung. Trong các hệ thống radar phát sóng liên tục sóng phát đi

có thể bị điều chế hoặc không bị điều chế.

1.2. Radar trong hệ thống VTS.

Radar trong hệ thống VTS là radar phát xung, hoạt động ở tần số siêu cao và

có bước sóng cực kì ngắn. Do có bước sóng cực kì ngắn nên sóng có tính chất

có thể phản xạ tốt từ mục tiêu, ngoài ra còn truyền lan theo đường thẳng với tốc

độ không đổi và chịu rất ít ảnh hưởng của thời tiết nhu sương mù hay mưa.

Radar phát đi các chùm sóng siêu cao tần có tính chu kì, được gọi là các chùm

xung “thăm dò”, có độ rộng xung rất nhỏ so với độ rỗng lớn. Trong khoảng thời

gian giữa hai chùm xung ấy, máy thu của trạm thu nhận các chùm xung phản xạ

từ mục tiêu trở về. Mỗi một chùm xung đơn lẻ phản xạ từ mục tiêu trở về máy

thu có độ trễ tỷ lệ thuận với khoảng cách của mục tiêu nơi sóng phản xạ trở về

với trạm. Do đó có thể xác định được khoảng cách từ mục tiêu đến trạm. Đồng

thời nhờ anten có độ định hướng cao và quay tròn có thể xác định góc phương vị

của mục tiêu. Vì các vật thể khác nhau ở các khoảng cách và phương vị khác

nhau nên sóng phản xạ trở về lần lượt ở những thời điểm khác nhau, từ đó cho

phép hệ thống có thể quan sát và xác định được nhiều mục tiêu cùng một lúc.

Điều kiện duy nhất là các mục tiêu này nằm trong vùng phủ sóng của trạm và

cách xa nhau trong phạm vi phân giải của trạm.



14



2. Đặc điểm Radar trong hệ thống VTS.

Nhờ có sự kết hợp của radar và hệ thống tự động nhận dạng AIS nên cảm biến

chính của VTS có thể hỗ trợ giám sát biển có hiệu quả. Hệ thống AIS có thể tự

động xác định tên và các tàu vị trí hiện tại của tàu được điều hướng trong khu

vực giám sát nên Radar có thể phát hiện các tàu đang điều hướng vào khu vực

giám sát với hiệu suất cao. và có thể nắm bắt tình hình chuyển hướng của các

tàu. Đồng thời các thiết bị vô tuyến điện có thể giúp các nhà quản lý dễ dàng

thực hiện thông tin liên lạc với các tàu thuyền được phát hiện bằng radar hoặc hệ

thống AIS.

Radar có độ tin cậy cao bởi việc sử dụng máy phát-thu kép băng tần X. Nói

cách khác, trong trường hợp xảy ra một trường hợp trục trặc, hoạt động thu-phát

sẽ được tiếp tục bằng cách chuyển sang một máy khác. Hơn nữa, các trục trặc

của máy thu-phát sẽ được sửa chữa ngay mà không làm giảm hiệu quả của hệ

thống.

Tín hiệu phản xạ của mục tiêu như tàu sẽ được radar tiếp nhận tự động hoặc

thủ công và mỗi radar có thể được tự động theo dõi tối thiểu là 300 mục tiêu.

Không những thế, hệ thống radar còn cho phép cài đặt thiết lập lại khu vực giám

sát tàu thuyền trong luồng, có thể tăng lên hoặc giảm đi sao cho phù hợp với khu

vực quản lý của cảng.

Hệ thống cảm biến radar cũng được hệ thống VTS sử dụng bằng phương pháp

điều khiển từ xa mang lại những lợi ích từ việc thu thập tín hiệu video từ các

khu vực giám sát cụ thể là:

- Hình ảnh từ radar được xử lý kỹ hơn.

- Kiểm soát các tín hiệu được gửi đến trung tâm VTS.

- Tối ưu được độ rộng cho các xung có tầm ngắn hoặc xa.

- Máy thu có độ nhạy cao.

- Hệ thống thu phát làm việc liên tục trong 24 giờ.

15



Các thiết bị có hiệu suất cao, chất lượng radar cực tốt và có độ tin cậy cao từ

anten, máy thu-phát kép. Các radar tuân thủ các quy định phát thanh và cũng

đáp ứng đầy đủ với các tiêu chuẩn hiệu suất hiện tại của IMO.

Với việc sử dụng hệ thống anten mới, radar sẽ có đặc tính phân tập về cả tần

số lẫn thời gian, có nghĩa là radar sẽ phát hiện mục tiêu tại hai tần số khác nhau

tại hai thời điểm khác nhau trong một vòng quay của anten.

Hệ thống sử dụng kỹ thuật nén xung trong radar và ứng dụng kỹ thuật bán

dẫn, điều này có nghĩa nó có một khả năng xử lý video rất hiệu quả và chi tiết

làm giảm hiệu lực của nhiễu rất đáng kể trong cùng một thời điểm dẫn đến một

độ phân giải mục tiêu độc lập rất cao thuộc một dãy các mục tiêu trong khu vực

giám sát.

Cùng với đó là kỹ thuật lọc và xử lý hình ảnh được cải thiện rất nhiều.

Một lợi ích khác của việc sử dụng công nghệ bán dẫn (không magnetron) là

sự thay thế thường xuyên của magnetron trong hệ thống radar dẫn đường thông

thường sẽ không còn cần thiết.

3. Nguyên lý hoạt động của Radar.

3.1. Xung điện.

Xung điện là một đại lượng biến thiên theo một chu kì nhất định, nó được

đặc trưng bởi tần số f và bước sóng λ với f =



C

.

λ



Hiện nay xung điện được dùng trong radar gồm các loại như sau:

- Xung nhọn

- Xung răng cưa

- Xung vuông

- Xung siêu cao tần



16



Hình 2.1: Xung điện trong radar



Các đặc trưng của xung siêu cao tần bức xạ vào không gian để xác định mục

tiêu gồm có:

- Chiều dài xung τx.

- Chu kì lặp xung Tx.

Với τx nằm trong khoảng từ 0.01-3 µs và Tx nằm trong khoảng từ 1000 - 4000

µs. Ta thấy được rằng τx << Tx nên có thể coi Tx là khoảng cách giữa hai xung.

Xung siêu cao tần sử dụng trong hệ thống VTS sử dụng tần số f trong khoảng

9.14 - 9.5 Ghz.

3.2. Nguyên lý phát xung trong radar.

Radar phát một xung siêu cao tần trong thời gian τ x để dò tìm mục tiêu, sau đó

chờ xung phản xạ trở về mới phát xung tiếp theo theo một chu kì xác định là Tx.

Radar phát sóng hướng nào sẽ thu sóng phản xạ trên hướng đó.

Do τx << Tx nên cũng có thể coi Tx là thời gian thu xung. Tín hiệu phản xạ

từ mục tiêu khi trở về sẽ qua anten vào chuyển mạch rồi vào máy thu sau đó

được khuếch đại và sửa đổi thành tín hiệu điện rồi đưa sang bộ chỉ báo thành tín

hiệu ánh sáng trông thấy được trên màn hình hiện thị ở vị trí tương ứng với vị trí

ngoài thực địa.

17



Để cho máy phát, máy thu và máy chỉ báo hoạt động đồng bộ với nhau, người

ta tạo ra các xung chỉ thị từ khối đồng bộ điều khiển toàn trạm radar. Để anten

có thể dùng chung cho cả bộ phát và thu, người ta dùng bộ chuyển mạch anten

tách máy phát và máy thu phù hợp lúc thu và lúc phát:

- Ngắt máy thu khi máy phát hoạt động (phát sóng), chống công suất lớn phá

hỏng máy thu.

- Ngắt máy phát khi máy thu hoạt động (thu sóng), đảm bảo công suất đủ lớn

để thực hiện thành tín hiệu mục tiêu.

3.3. Cơ cấu hiện ảnh của radar.

Trong radar sử dụng ống phóng tia điện tử CRT để thể hiện ảnh các mục tiêu.

Giả sử tại thời điểm t1 có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu trở về, sau khi biến đổi sẽ

tạo trên cathode tín hiệu âm hơn bình thường (tín hiệu dương vào lưới ống

phóng tia điện tử) tại thời điểm đó mật độ các tia điện tử bắn về màn hình nhiều

hơn, làm điểm sáng sáng hơn lên, đó chính là ảnh của mục tiêu. Khi tia quét đi

qua, nhờ có lớp lưu quang nên điểm sáng vẫn còn lưu lại. Một mục tiêu khác ở

xa tâm hơn nên tín hiệu về sau (thời điểm t2) nên ảnh ở xa tâm hơn.

Anten và tia quét quay đồng bộ, đồng pha khi quét qua một mục tiêu nhỏ, búp

phát lướt qua nhanh nên tín hiệu phản xạ trở về nhỏ dẫn đến ảnh trên màn hình

nhỏ. Giả sử có mục tiêu là một dải bờ, tín hiệu phản xạ trở về là một dải sáng

liên tục. Vậy các mục tiêu nhỏ thời gian sóng phản xạ ít nên ảnh thể hiện nhỏ và

ngược lại.

Để tia quét quay đồng bộ, đồng pha với anten, ở cổ CRT một từ trường được

tạo ra bằng cách đưa vào cuộn lái tia để từ trường này điều khiển tia quét quay

đồng bộ, đồng pha với anten.

Để tia quét chuyển động từ tâm ra biên, người ta dùng xung rang cưa đưa vào

cuộn lái tia để xung này điều khiển các tia điện tử chuyển động từ tâm ra biên.



18



3.4. Nguyên lý đo khoảng cách.

Radar phát xung siêu cao tần từ anten lan truyền vào không gian do tìm mục

tiêu đồng thời điểm sáng (trên tia quét) cũng chạy từ tâm ra biên màn ảnh. Khi

xung gặp mục tiêu phản xạ trở về thì điểm sáng cũng chạy được một khoảng

trên bán kính của màn hình hiển thị tương ứng tỉ lệ với khoảng cách ngoài thực

tế. Tại điểm đó, điểm sáng sẽ sáng hơn lên do có tín hiệu của mục tiêu đưa vào

cathode của ống phóng tia điện tử. Như vậy sóng phản xạ từ mục tiêu về sẽ gây

một vùng sáng trên màn hình có hình dáng, kích thước phụ thuộc hình dáng,

kích thước của mục tiêu được phát hiện.

Do đó chỉ cần nhìn vị trí vùng sáng trên màn hình hiển thị là có thể xác định

được khoảng cách thực tế của mục tiêu ở gần thì đốm sáng ở gần tâm màn ảnh

(vị trí của radar). Độ sáng của ảnh phụ thuộc mức độ phản xạ của mục tiêu.

Nếu gọi t là khoảng thời gian từ khi phát xung và cho đến khi thu được sóng

phản xạ từ mục tiêu trở về radar thì khoảng cách từ anten đến mục tiêu sẽ là:



D=



C *t

2



Trong đó : - D: khoảng cách từ radar đến mục tiêu.

- t: thời gian truyền sóng.

- C: vận tốc truyền sóng trong môi trường.

Mà t =



d

C *d

= k *d

nên D =

v

2v



Trong đó: - d: khoảng cách từ tâm đến vị trí điểm sáng trên màn hình.

- V: tốc độ dịch chuyển của điểm sáng trên màn hình.

Như vậy muốn đo khoảng cách từ radar tới mục tiêu thì chỉ cần đo khoảng

cách từ tâm màn hình tới ảnh mục tiêu qua cơ cấu biến đổi tỉ lệ.

Hơn nữa: tmax =



Cr

2Dmax r

= nên v =

.

2 Dmax

C

v



Nghĩa là ở thang tầm xa khác nhau thì tốc độ tia quét cũng khác nhau.

19



Giả sử có hai mục tiêu 1 và 2 cùng nằm trên một đường phương vị so với

radar. Khi đó các mục tiêu 1 và 2 sẽ có ảnh tương ứng là I và II trên cùng đường

phương vị trên màn hình tỉ lệ với khoảng cách D 1 và D2 của các mục tiêu 1 và 2

so với radar trong thực tế.



Hình 2.2: Đo khoảng cách trong radar

3.5. Nguyên lý đo góc.

Để đo được góc của mục tiêu, khi anten quay và phát sóng vào không gian dò

tìm mục tiêu thì trên màn hình hiển thị tia quét cũng quay. Người ta thiết kế sao

cho chúng quay đồng pha và đồng bộ với nhau, nghĩa là anten và tia quét có

cùng tốc độ quay và khi búp phát trùng với mặt phẳng trục dọc của radar thì tia

quét cũng chỉ đúng hướng 00 trên mặt chỉ báo.

Radar phải cùng lúc bao quát được cả khu vực quanh trạm, và đảm bảo phân

biệt được từng mục tiêu ở các hướng khác nhau khi chúng không nằm dính vào

nhau. Để thực hiện điều này, người ta thiết kế sao cho anten quay tròn 360 0 và

có tính định hướng sóng phát: anten radar bức xạ sóng điện từ vào không gian

có giản đồ phát hình búp (gọi là búp phát radar).

20



Đặc trưng của búp phát là góc mở ngang α n và góc mở đứng αđ nghĩa là các

góc theo mặt cắt ngang và đứng. Búp phát radar có αn << αđ để tập trung năng

lượng vào góc mở đứng đồng thời đảm bảo phát hiện được các mục tiêu ngay

khi tàu lắc.

Giả sử có hai mục tiêu 1 và 2 ở vj trí có góc tương ứng ω1 và ω2 ngoài thực

địa như hình vẽ:



Hình 2.3: Đo góc trong radar

Khi anten quay góc chụp vào mục tiêu 1 thì tia quét trên màn ảnh cũng quay

được góc ω1. Do đó ảnh của mục tiêu 1 cũng nằm trên đường thẳng hợp với

đường dọc trên màn hình bằng một góc ω1 của mục tiêu. Tương tự, với mục tiêu

2 ta cũng xác định được góc trên màn hình bằng góc ngoài thực tế ω2 của mục

tiêu.



21



Như vậy theo nguyên lý trên ta có độ sáng của ảnh mục tiêu trên màn hình

phụ thuộc vào:

- Sự tăng, giảm độ sáng ( do người dùng thay đổi).

- Sóng phản xạ, khoảng cách tới mục tiêu, thời tiết…



CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ANTEN TRONG RADAR

1. Giới thiệu chung.

1.1. Tổng quan.



Anten radar dùng để bức xạ năng lượng điện từ sinh ra từ máy phát và hấp thụ

năng lượng tín hiệu phản xạ từ mục tiêu để đưa tới máy thu. Đó là những anten



22



định hướng và có thể quay tròn. Do những đặc điểm công tác riêng của các trạm

radar hàng hải, anten radar phải thỏa mãn những yêu cầu riêng sau:

- Có khả năng thu phát sóng theo góc phương vị là 3600.

- Độ định hướng cao và có đặc tính hướng theo yêu cầu cả trong mặt phẳng

ngang cũng như mặt phẳng đứng.

- Dải thông tần đủ rộng.

- Các búp phụ là tối thiểu cả về biên độ lẫn số lượng.

- Độ bền vững cơ điện đảm bảo, kích thước, trọng lượng và hướng cản gió là

tối thiểu.

Yêu cầu quay tròn là cần thiết để quan sát trạng thái xung quanh trong vùng

hoạt động của radar. Độ định hướng cao cho phép quan sát định hướng các vật

thể và nâng cao độ phân giải, độ chính xác, mật độ công suất rọi mục tiêu, tỷ số

tín hiệu trên tạp âm và cuối cùng là mở rộng tầm hoạt động của radar.

Độ định hướng của anten còn đảm bảo khả năng lựa chọn không gian trong

chế độ thu ưu tiên và hạn chế tác động phụ của tạp nhiễu tới anten từ các hướng

khác. Mặc dù mỗi trạm radar hoạt động dựa trên một tần số sóng mang xác định,

tín hiệu phát và thu mang đặc tính xung nhưng do có sự thay đổi nhất định tần

số phát nên anten phải đảm bảo có một dải thông đủ rộng.Trong dải sóng

centimet và milimet, độ rộng dải thông của anten nằm trong giới hạn 40 - 50

MHz. Sự xuất hiện của các búp sóng phụ đã gây nên sự phân tán năng lượng của

máy phát, tăng mức tạp âm ở cửa vào của máy thu là tiêu đề cho những sai lẫn

trong xác định hướng mục tiêu. Vì vậy, mức công suất của các búp sóng phụ

phải nằm dưới mức giới hạn 20 – 30 dB so với búp sóng chính.

Những thông số của anten radar có thể kể ra như: Đặc tính hướng trong mặt

phẳng ngang và mặt phẳng đứng, hệ số khuếch đại, hệ số định hướng tác dụng,

trở kháng đầu vào, trở kháng bức xạ, tổn hao, hệ số hiệu dụng, đặc tính tần.



23