Nguyên lý hoạt động của Radar.

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



1.2. Các loại anten được sử dụng trong radar.

Trong radar hàng hải người ta sử dụng rất rộng rãi các loại anten như: anten

loa, anten khe với gương phản chiếu parabol, kể cả tổ hợp anten khe – loa.

* Anten loa

Anten loa là ống dẫn sóng có đầu cuối hở và bị biến dạng thành hình loa



Hình 3.1: Anten loa



Anten loa có tính định hướng cao hơn rất nhiều ống dẫn sóng hở đầu cuối đơn

thuần. Tính định hướng của anten loa theo hai hướng dọc và ngang của anten

cũng khác nhau, chúng tỉ lệ nghịch với độ lớn của các cạnh loa, nghĩa là theo

phương ngang góc mở của búp sóng hẹp hơn nhiều so với phương đứng.

Anten loa có thể làm việc ở dải tần rộng mà không bị méo dạng đặc tính

hướng là do anten loa không có bước sóng giới hạn, vì khi khoảng cách giữa các

thành ống tăng lên đã làm cho vận tốc pha của trường trong ống xấp xỉ với vận

tốc pha của không gian tự do. Tần số thấp nhất của dải tần anten được xác định

bởi tần số giới hạn của ống dẫn sóng, còn tần số cực đại giới hạn bởi kích thước

của anten. Nhược điểm lớn nhất của anten loa là cồng kềnh, đặc biệt khi cần có

được đặc tính định hướng cao, vì thế chúng ít được sử dụng hơn anten khe.

* Anten khe\



24



Aten khe hay còn gọi là anten nhiễu xạ có nguyên lý hoạt động: Nếu trên bề

mặt dẫn vô hạn được khoét một khe hẹp, có độ dài λ/2 và tại điểm giữa của các

khe được cấp áp từ một nguồn dao động siêu cao có tần số thích hợp thì khe sẽ

bức xạ ra sóng điện từ vào trong không gian như một chấn tử nửa bước sóng. Sự

khác nhau giữa anten khe và chấn tử nửa bước sóng ở chỗ là thành phần từ

trường trong khe dọc theo khe và điện trường là ngang. Các loại anten khe có

thể hình thành trên cơ sở kỹ thuật ống dẫn sóng vì các ống dẫn sóng thường

được khép kín bởi các mặt tường.

Anten đơn khe thường có độ định hướng rất kém, để tăng độ định hướng lên

người ta thường thiết kế và sử dụng rộng rãi các loại anten đa khe. Các loại

anten náy thường được hình thành từ một đoạn ống dẫn sóng có khoét một dãy

các khe liên tiếp trên thành hẹp của ống, vị trí và khoảng cách giữa chúng được

chọn sao cho trường biến đổi trong các khe là đồng pha nhau. Anten đa khe có

thể coi như một hệ thống các anten đơn tuyến tính ULA (Uniform Linear

Antena).

2. Anten trong hệ thống VTS.

2.1. Giới thiệu.

VTS (Vessel Traffic Service) là hệ thống điều khiển lưu thông giữa các tàu

thuyền trong luồng và vùng biển nên cần độ chính xác để bảo đảm an toàn cho

tất cả các tàu thuyền tham gia lưu thông. Radar trong hệ thống VTS được lắp đặt

với anten có độ định hướng cao và có tầm hoạt động xa nhất có thể để bao quát

được hết tất cả tàu thuyền trong luồng, vùng biển. Có nhiều loại anten được thiết

kế sao cho phù hợp với hệ thống VTS và để đáp ứng nhu cầu về gia tăng khu

vực kiểm soát trên biển, những anten có độ định hướng cao đã ra đời.

Các thách thức đòi hỏi phải có một số hệ thống radar phải có khả năng phát

hiện tàu ở vị trí cách bờ biển 150 km ngoài Đại Tây dương nơi có các đường

biển chính nằm tại đó. Để thực hiện phát hiện các mục tiêu tầm xa, Terma đã phát triển

một hệ thống anten mới có chiều dài 21-feet. Anten mới này sẽ là một thành phần thiết yếu

25



của các hệ thống radar đặt cao để phát hiện tàu từ một khoảng cách dài. Anten của radar phải

được đặt càng cao càng tốt để cung cấp một độ cao phù hợp nhằm tăng tầm xa quan sát của

radar.

2.2. Anten quét Terma.

Anten quét Terma là anten khe có độ định hướng cao hoạt động trên băng tần X. Anten

được chế tạo với các đặc tính riêng biệt có thể thỏa mãn những nhu cầu của các hệ thống có

đặc thù và tính chuyên nghiệp cao. Anten có thời gian hoạt động lâu dài với độ bền cao, chất

lượng sử dụng tốt và độ làm việc đáng tin cậy.

Anten quét Terma được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực có tính bảo mật và an toàn

như:

+ Dịch vụ giám sát bờ biển – CSS (Coastal Surveillance Service).

+ Dịch vụ quản lý điều khiển giao thông tàu thuyền trong các luồng và vùng biển VTS.

+ Radar giám sát bề mặt – SMR (Surface Movement Radar).

Chùm sóng bức xạ của anten Terma có ba hình dạng như cánh quạt, cosecant và đảo

cosecant phân cực của anten tồn tại cả phân cực tròn và phân cực ngang tùy vào mục đích sử

dụng.

Hiệu suất của hệ thống được gia tăng đạt được khi kết hợp tần số thu phát đa dạng với độ

lệch của các khe ống dẫn sóng sẽ khiến cho dao động của mục tiêu giảm dần và nhiễu do

biển cũng bị giảm bớt.



26



Hình 3.2: Trạm anten được lắp đặt



Anten có nhiều loại mẫu để thỏa mãn các nhi cầu của từng khu vực cũng như cách làm

việc tại mỗi trạm radar như:

21’ HG-CP-F-38 (21 ft Circularly Polarized Fan beam antenna system).

21’ HG-HP-F-38 (21 ft Horizontally Polarized Fan beam antenna system).

21’ HG-CP-C-37 (21 ft Circularly Polarized cosec2 beam antenna system).

27