Radar Principles
&
Systems
With your facilitator,
LT Mazat
I. Mục tiêu nghiên cứu

A. Tìm hiểu về hoạt động cơ bản của một của hệ thống radar xung đơn giản .

B. Tìm hiểu về các thuật ngữ: độ rộng xung, tần số lặp lại xung, tần số sóng mang, công suất đỉnh, năng lượng trung bình và chu kỳ công tác.

C. Tìm hiểu về sơ đồ khối của một hệ thông và các bộ phận chủ yếu của radar xung đơn giản .
I. Mục tiêu nghiên cứu

D. Tìm hiểu về sự vận hành cơ bản của sóng liên tục trong hệ thống radar.

E. Hiểu về nguyên lý dịch tần của hiệu ứng doppler.

F. Biết về một sơ đồ khối của một sóng liên tục đơn giản trong hệ thống radar và hiểu về các thành phần chủ yếu của hệ thống đó, bao gồm bộ khuếch đại, kđ công suất, dao động và ống dẫn sóng.
I. Mục tiêu nghiên cứu
G. Tìm hiểu về việc sử dụng bộ lọc sóng liên tục trong hệ thống radar.

H. Biết về những phương tiện cơ bản của sự truyền đạt thông tin đến sóng vô tuyến và tìm hiểu về cách sử dụng, thuận lợi và bất lợi của nhiều phương tiện khác nhau.
I. Tìm hiểu về chức năng và các đặc tính của radar/ anten radar và thông tin về chùm sóng.
I. Mục tiêu nghiên cứu
J. Tìm hiểu về các nhân tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của radar.

K. Hiểu về điều chế tần số CW như là một cách để nhận biết và xác định khoảng cách.

L. Tìm hiểu về các nguyên lý cơ bản của xung doppler radar và hệ thống MTI.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.1 Sóng vô tuyến
1.2 Chùm sóng
1.3 Ảnh hưởng của sóng biển lên chùm sóng radar
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.1 Sóng vô tuyến
Xung năng lượng điện từ trường
Tần số 3000 – 10000 MHz
Di chuyển theo đường thẳng
Tốc độ tương đương ánh sáng
Dễ bị khúc xạ trong môi trường truyền
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.1 Sóng vô tuyến
Căn cứ vào vận tốc di chuyển của sóng điện từ trường, người ta tính khoảng cách mục tiêu: là khoảng ½ thời gian sóng di chuyển đến mục tiêu và trở về thiết bị thu phát.
Đơn vị thời gian được sử dụng là microsecond.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.1 Sóng vô tuyến
Căn cứ vào vận tốc di chuyển của sóng điện từ trường, người ta tính khoảng cách mục tiêu: là khoảng ½ thời gian sóng di chuyển đến mục tiêu và trở về thiết bị thu phát.
Đơn vị thời gian được sử dụng là microsecond.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.1 Sóng vô tuyến
Sự di chuyển của sóng cũng giống sóng biển
Đặc tính sóng gồm: năng lượng, tần số, biên độ, tốc độ di chuyển, kiểu phân cực sóng.
Tần số : Hz,
Tốc độ: 300000 km/s
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
Một số mô hình phát xạ sóng vô tuyến
Anten Dipole
Anten Hình Kèn
Anten dạng Tấm Dẹp
Anten dạng 4x4 Tấm Dẹp
Anten dạng 8x8 Tấm Dẹp
Anten vi dãy
Mô phỏng 3D bức xạ anten
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
1.2 Chùm sóng radar
Sóng được hội tụ lại theo cách đặc biệt thành chùm
Hình thành các búp sóng chính, búp sóng phụ
Năng lượng chính nằm ở búp sóng chính dọc theo trục của chùm tia.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
Độ rộng chùm sóng radar
Đối với một mức công suất phát đã cho trước, búp sóng chính của chùm tia radar vươn đến một khoảng cách xa hơn với độ tập trung công suất cao hơn trong độ rộng chùm tia hẹp hơn.
Để tăng tối đa tầm phát hiện mục tiêu, năng lượng được tập trung thành chùm càng hẹp đến mức tối đa có thể.
Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào tần số hay bước sóng của năng lượng phát đi, thiết kế ănten và kích thước của anten.
Chùm tia radar ba chiều thông thường được định nghĩa theo độ rộng của hướng ngang và hướng dọc.
Độ rộng chùm tia là góc giữa các điểm mà ở đó cường độ trường đạt đến 71% so với giá trị tối đa.
Còn biểu diễn theo tỉ lệ mức công suất, thì độ rộng chùm tia là góc giữa các điểm có giá trị ½ lần so với giá trị công suất đỉnh..
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
Độ rộng chùm sóng radar

Trong thực tế xem xét liên quan tới việc phát hiện mục tiêu và phân biệt mục tiêu, do vậy chỉ có độ rộng chùm tia theo chiều ngang là thật hẹp, giá trị tiêu biểu được cho giữa 0.65 đến 2.0 độ.

Độ rộng chùm tia theo hướng thẳng đứng tương đối lớn, giá trị độ rộng này vào khoảng 15 đến 30 độ
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1. Các đặc tính truyền phát Radar
Độ rộng chùm sóng radar
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1.3. Ảnh hưởng mặt biển lên sóng radar
Chùm tia radar hình thành ra sao?
Sóng radar được phát đi ở gần vùng lân cận với mặt biển, búp sóng chính của chùm tia radar một cách tổng thể, nó bao gồm một số các búp sóng rời nhau tạo thành trong không gian.

Hiện tượng này là kết quả của sự xuyên nhiễu trực tiếp giữa các sóng radar được phát đi và các sóng này được phản xạ từ phía mặt nước biển.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
1.3. Ảnh hưởng mặt biển lên sóng radar
Độ rộng theo phương thẳng đứng của chùm tia của radar hàng hải như trong lúc phát đi bình thường, sóng radar sẽ chạm với mặt nước biển ở các điểm gần với anten (tùy thuộc vào độ cao của anten và độ mở của góc thẳng đứng).

Sóng gián tiếp này được phản xạ tiếp theo (xem hình) có thể phối hợp với sóng trực tiếp tạo thành sự cộng hưởng hoặc triệt tiêu sóng trực tiếp, do đồng pha hay nghịch pha so với sóng trực tiếp.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
2. YẾU TỐ KHÍ QUYỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG CHÂN TRỜI RADAR
2.1 Đường chân trời
Sự ảnh hưởng của khí quyển lên đường chân trời của radar là một yếu tố khác mà ta không nên bỏ qua khi đánh giá khả năng phát hiện mục tiêu nào đó và đặc biệt đó là các đường bờ biển.

Thông thường, sóng radar bị giới hạn trong việc ghi nhận lại tầm xa các đối tượng nằm thấp nơi đường chân trời.

Tầm xa của đường chân trời tùy thuộc vào độ cao của anten và độ bẻ cong sóng radar. Sự bẻ cong này gây ra bởi sự nhiễu xạ và khúc xạ. Sự nhiễu xạ là đặc tính vốn có của sóng điện từ. Khúc xạ là tùy vào điều kiện khí quyển nào đó.
Khoảng cách đến đường chân trời radar, bỏ qua sự khúc xạ, có thể biểu diễn theo công thức sau. Trong đó h là độ cao của anten theo feet, khoảng cách d tính theo mile, trong điều kiện khí quyển chuẩn có thể theo công thức sau:
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
2. YẾU TỐ KHÍ QUYỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG CHÂN TRỜI RADAR
2.1 Đường chân trời – Khúc xạ - Nhiễu xạ
Sự ảnh hưởng của khí quyển lên đường chân trời của radar là một yếu tố khác mà ta không nên bỏ qua khi đánh giá khả năng phát hiện mục tiêu nào đó và đặc biệt đó là các đường bờ biển.

Thông thường, sóng radar bị giới hạn trong việc ghi nhận lại tầm xa các đối tượng nằm thấp nơi đường chân trời.

Tầm xa của đường chân trời tùy thuộc vào độ cao của anten và độ bẻ cong sóng radar. Sự bẻ cong này gây ra bởi sự nhiễu xạ và khúc xạ. Sự nhiễu xạ là đặc tính vốn có của sóng điện từ. Khúc xạ là tùy vào điều kiện khí quyển nào đó.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
2. YẾU TỐ KHÍ QUYỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG CHÂN TRỜI RADAR
2.2 Các yếu tố thời tiết ảnh hưởng sóng radar
Trong trường hợp có mưa, các phần tử nước trong mưa sẽ tác động làm phân tán và suy hao. Sự phân bố lượng mưa có ảnh hưởng đến mức độ suy hao tín hiệu radar.

Nếu kích thước hình dạng hạt mưa có tỉ lệ đáng kể với bước sóng 3cm, thì sự cản trở xung dội mạnh sẽ được sinh ra tán xạ suy hao. Nếu mục tiêu nằm bên trong vùng có mưa, xung dội từ đó sẽ bị suy giảm và ảnh hưởng đến tầm hoạt động radar.

Nếu có một trận bão mạnh, hình ảnh radar sẽ có khả năng bị xóa sạch vì cường độ suy hao quá lớn.
.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
2. YẾU TỐ KHÍ QUYỂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG CHÂN TRỜI RADAR
2.2 Các yếu tố thời tiết ảnh hưởng sóng radar
Sương mù
Trong hầu hết các trường hợp có sương mù, các xung phản hồi radar không thật sự chịu ảnh hưởng. Nhưng ở các vùng có sương mù dày đặc có thể khiến cho sự suy hao đến tầm hoạt động của radar.
Mây
Hình dạng hạt nước tạo thành đám mây quá nhỏ để tạo ra sự đáp ứng đối với tín hiệu ở bước sóng 3cm. Nếu có một lượng mưa trong đám mây, người khai thác có thể thấy nó trên màn hình radar.
.
Mưa đá
Xét về khía cạnh nước, mưa đá về cơ bản là các hạt mưa đóng băng phản xạ năng lượng sóng radar ít hơn so với nước. Vì vậy, trong thực tế độ suy hao từ mưa đá thấp hơn so với mưa thường.
Tuyết
Cũng tương tự như ảnh hưởng của mưa đá, sự ảnh hưởng cản trở chung của tuyết trên hình ảnh radar ít hơn so với mưa. Tuyết rơi sẽ chỉ thấy trên màn hình với sóng 3cm ngoại trừ tuyết rơi mạnh.
Bụi
Bụi cũng làm ảnh hưởng đến tầm hoạt động radar như trong các trận bão cát. Theo các kích thước phần tử bụi khác nhau có thể khai thác viên sẽ không chắc thấy được sự suy hao.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
Khái niệm chung về radar
Radar là lĩnh vực kỹ thuật radio sử dụng hiện tượng phản xạ hoặc phát sóng điện tử của những mục tiêu khác nhau để phát hiện và xác định tọa độ của chúng. Radar viết tắt của chữ Radio Detect and Ranging.
Mục tiêu là những vật thể bất kỳ có tính chất khác với tính chất của môi trường truyền sóng. Trên mặt biển thì đó là tàu bè, núi băng di chuyển, phao, bờ biển, bến cảng… các công trình xây dựng trên bờ, núi đá. Trên không thì đó là mây, mưa, sương mù, bão cát, mưa đá, tuyết, máy bay…
Ý tưởng về radar thật ra rất đơn giản: một tín hiệu được phát đi, nó dội lại từ vật cản rồi trở về nơi phát và được thu bằng máy thu. Điều này cũng giống như thu được tiếng âm thanh vang vọng lại từ một bức tường (xem hình bên).

Tuy nhiên radar không sử dụng sóng âm thanh, thay vào đó là sóng điện từ.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
Radar sử dụng sóng cực ngắn (dãy sóng xentimet) vì: bước sóng càng nhỏ so với kích thước mục tiêu thì sóng phản xạ từ mục tiêu càng mạnh, để phát hiện mục tiêu nhỏ cần chọn bước sóng ngắn.

Bước sóng ngắn có khả năng chế tạo anten định hướng tốt với kích thước nhỏ, nhờ đó cũng tăng độ chính xác xác định góc, phân biệt theo góc.

Sóng cực ngắn sẽ làm giảm chiều dài của xung phát, tăng khả năng phân biệt theo độ xa và giảm bán kính vùng mù.

Ở dãy sóng centimet, sự ảnh hưởng của khí tượng thủy văn tới lan truyền sóng là ít nhất.
Băng tần sử dụng cho radar xung hàng hải
Khái niệm chung về radar
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.1 Các hằng số của một radar
Tần số Sóng mang
Tần số lặp lại xung
Độ dài xung
Quan hệ công suất
Tần số sóng mang là tần số mà tại đó năng lượng tần số vô tuyến được phát sinh. Các yếu tố về nguyên lý ảnh hưởng đến việc lựa chọn tần số sóng mang là: tính định hướng, việc phát và nhận năng lượng sóng vô tuyến.
Đối với việc quyết định hướng và tập trung năng lượng sóng phát đi, mức độ thực hiện được sẽ quyết định ưu thế của radar, vậy nên anten phải có tính định hướng cao. Tần số sóng mang càng cao, hay bước sóng càng ngắn, thì anten sẽ càng nhỏ và cho hình dạng búp sóng phát xạ càng hẹp.
Khái niệm radar xung
Radar xung làm việc theo nguyên tắc sau:
- Phát những xung cao tần ngắn vào không gian theo chu kỳ tuần hoàn;
- Trong khoảng thời gian giữa các xung phát, radar sẽ thu các xung phản xạ từ các mục tiêu. Sóng phản xạ từ những mục tiêu khác nhau sẽ sắp dặt xê dịch trên màn hình tương ứng với khoảng cách từ máy phát đến nó.
- Từ đó, ưu điểm của radar xung là trong một thời gian lần lượt có thể theo dõi và xác định vị trí của nhiều mục tiêu phân bố trong tầm hoạt động của máy phát.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
PHẢN XẠ SÓNG RADIO VÀ KHÚC XẠ DỊ THƯỜNG
Tất cả mọi vật có tính chất khác với tính chất của môi trường truyền sóng và nằm trên đường lan truyền của sóng điện từ, khi có tác dụng của điện từtrường sẽ xảy ra hiện tượng xuất hiện dòng điện cao tần. Nguồn năng lượng thứ cấp này sẽ bức xạ năng lượng ngược trở lại về phía nguồn phát. Sự phản xạ này phụ thuộc vào kích thước vật thể so với bước sóng λ.
Phản xạ gương
Phản xạ phân kỳ
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 λ.
Đối với những vật thể nhưvậy, năng lượng trở về radar lớn nên ảnh của mục tiêu rõ nét hơn.
Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích
thước lớn hơn rất nhiều so với λnhưng có bề mặt gồ ghề. Trường hợp này năng lượng phản xạtrở về nhỏ và ảnh mục tiêu trên màn hình
mờ nhạt.
Hiện tượng này xảy ra đối với các vật thể có kích thước bằng hoặc xấp xỉ λ.
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.
Phản xạ cộng hưởng
Sự phát xung
Độ rộng xung (PW)
Chiều dài hay khoảng thời gian của một xung
Thời gian lặp lại xung (PRT=1/PRF)
PRT là thời gian từ lúc bắt đầu của một xung cho đến khi bắt đầu một xung tiếp theo.
PRF là tần số mà tại đó các xung liên tiếp nhau được phát ra.
PW có thể xác định được tầm xa tối thiểu của radar, PW có thể xác định được tầm xa tối đa của radar .
PRF có thể xác định được tầm xa tối đa của radar.
2. Pulse repetition frequency (PRF)
a. Tổng số xung trong một giây
b. Có liên quan tới thời gian lặp lại xung (PRT)
c. Các sự ảnh hưởng của PRT
(1) Tầm xa tối đa
(2) Mức độ chính xác
3. Công suất đỉnh
a. Công suất tín hiệu tối đa của bất kỳ một xung
b. Ảnh hưởng tầm xa tối đa của radar
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.1 Các hằng số của một radar
Tần số Sóng mang
Tần số lặp lại xung
Độ dài xung
Quan hệ công suất
Tần số lặp lại xung (PRF), thỉnh thoảng xem là tốc độ lặp lại xung (PRR), là tổng số xung được phát trong một giây. Một vài thông số có giá trị có thể là 600, 1000, 1500, 2200 và 3000 xung trong một giây. Phần lớn các radar hàng hải hiện đại hoạt động trong dãy từ 400 đến 4000 xung trong một giây.
Đây là một vòng chu kỳ phát xung và thu xung dội, chu kỳ này phải được hoàn tất trước khi một xung tiếp theo được phát đi.
Đó chính là lý do tại sao các xung phát phải được cách ly với nhau trong một khoảng thời gian đủ dài (gọi là thời gian không phát). Nếu không, việc phát sẽ xảy ra trong quá trình thu xung dội của chu kỳ phát trước đó.
Trong khi tầm xa tối đa phụ thuộc vào tần số lặp lại xung và cường độ xung phát, thì tầm đo tối thiểu phụ thuộc vào độ rộng xung phát.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.1 Các hằng số của một radar
Tần số lặp lại xung
Khoảng cách đến một mục tiêu được quyết định bằng cách đo thời gian cần thiết cho một xung di chuyển về phía mục tiêu và phản hồi về nguồn phát. Đây là một vòng chu kỳ phát xung và thu xung dội, và chu kỳ này phải được hoàn tất trước khi một xung tiếp theo được lập tức phát đi.

Đây là lý do tại sao các xung phát phải được cách ly với nhau trong một khoảng thời gian đủ dài (gọi là thời gian không phát).

Nếu không, việc phát sẽ xảy ra trong quá trình thu xung dội của chu kỳ phát trước đó.

Vì cùng sử dụng chung một anten cho việc phát và thu nên cường độ tín hiệu xung dội sẽ có thể bị triệt chặn mất vì các xung phát cường độ quá lớn.
 
Khi ănten đang quay, chùm sóng năng lượng đập vào một mục tiêu trong một thời gian tương đối ngắn. Trong quá trình này, một số lượng đủ lớn các xung phải được phát đi để tăng cường các xung dội về và cho ảnh hiển thị đối tượng mục tiêu đủ rõ trên màn hình.

Với anten xoay 15 vòng trong một phút, thì radar có tỉ số lặp lại xung phát vào khoảng 800 xung trên một giây sẽ sản sinh một lượng cỡ 9 xung cho mỗi độ.
Khả năng phân biệt theo góc (phương vị) đặc trưng bởi góc nhỏ nhất kẹp giữa hai mục tiêu ở cùng độ xa và cùng tốc dộ, mà tín hiệu phản xạ từ hai mục tiêu đó hiện trên màn ảnh là hai chấm sáng riêng biệt.

Khả năng phân biệt theo góc phụ thuộc vào chiều rộng búp phát anten theo măt phẳng nằm ngang, khoảng cách đến mục tiêu, tỉ lệ xích hình ảnh đường kính chấm sáng.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.1 Các hằng số của một radar
Tần số Sóng mang
Tần số lặp lại xung
Độ dài xung
Quan hệ công suất
Độ dài xung được định nghĩa là khoảng thời gian phát xung radar và thường được đo bằng micro giây.
Tầm đo tối thiểu mà tại đó mục tiêu có thể được phát hiện và được xác định bởi độ dài của xung phát. Nếu một mục tiêu quá gần đối với máy phát mà xung dội trở về máy thu trước khi thời gian phát kết thúc, việc thu xung dội này bị che chắn bởi thời gian phát xung còn chưa chấm dứt.
Ví dụ: một thiết bị radar có độ dài xung phát vào khoảng 1 micro giây sẽ có tầm đo tối thiểu là 164 yards. Điều này có nghĩa là xung dội của mục tiêu nằm bên trong vùng này không được phát hiện.
Cùng một độ rộng xung 1𝝁S, hai mục tiêu ở gần nhau
Cùng một độ rộng xung 1𝝁S, hai mục tiêu ở xa nhau
Nếu tầm xa tối đa của radar hoạt động tốt nhờ các xung dài, thì độ chính xác và độ phân giải tốt lại đạt được nhờ các xung ngắn.

Do đó xung ngắn hơn thì cho độ phân giải tầm xa tốt hơn
Xác định tầm xa với xung radar
c = 3 x 108 m/sec
t : thời gian nhận được xung phản hồi
Chia cho 2 bởi vì xung đi hai đoạn đường bằng nhau từ tàu đến vật thể phản xạ và từ vật thể phản xạ về tàu.
Khoảng cách đối với Power/PW/PRF
 
Khoảng cách đối với Power/PW/PRF
Tầm hoạt động cực tiểu bị giới hạn bởi độ cao anten: do độ mở của búp sóng, anten càng cao thì tầm quét tối thiểu càng lớn.
Tầm hoạt động cực tiểu, là khoảng cách gần nhất, tính từ vị trí đặt anten, mà những mục tiêu nằm trong vòng bán kính đó radar không phát hiện ra được.
Khoảng cách đối với Power/PW/PRF
Tầm xa cực tiểu phụ thuộc vào độ rộng xung 𝜻, thời gian phục hồi độ nhạy của thiết bị thu 𝜻v, chiều cao vị trí đặt anten radar, chiều rộng của búp phát trong mặt phẳng đứng, trạng thái mặt biển…
Tầm cực tiểu
Vùng mù
Khoảng cách phát hiện tối thiểu: Nếu vẫn còn đang phát và đã có xung phản hồi  Không thấy phản hồi.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.1 Các hằng số của một radar
Tần số Sóng mang
Tần số lặp lại xung
Độ dài xung
Quan hệ công suất
Công suất thông thường được đo lường theo giá trị trung bình của toàn bộ chu kỳ xung. Bởi vì máy phát radar nghỉ trong một thời gian dài hơn so với thời gian phát, do đó công suất trung bình chia ra suốt chu kỳ hoạt động khiến cho nó có giá trị thấp hơn công suất đi trong khi đang phát xung.
Thời gian lặp lại xung (PRT) hay toàn bộ thời gian của một chu kỳ hoạt động, có mối quan hệ nghịch đảo với tỉ lệ lặp lại xung PRR.

Các yếu tố khác giữ nguyên không đổi, thì thời gian xung càng dài, công suất trung bình càng cao; thời gian lặp lại xung càng chậm, công suất trung bình càng giảm.
Ở ví dụ tiếp sau đây, giả định là công suất đỉnh là 200kw. Vì thế, trong một thời gian 2 micro giây một công suất đỉnh là 200kW được đưa đến anten, trong khi 1998 micro giây còn lại công suất ra bằng 0. Bởi vì công suất trung bình bằng với thời gian công suất đỉnh của chu kỳ công tác,

average power = 200 kw x 0.001 = 0.2 kilowatt
4. Công suất trung bình
a. Tổng cs phát ra trên một đơn vị thời gian
b. Mối liên hệ giữa công suất trung bình với độ rộng xung và tần số lặp lại xung PRT
5. Chu kỳ công tác
a. Tỉ lệ PW (thời gian phát) với PRT (thời gian chu kỳ, thời gian phát trừ đi thời gian nghỉ)
b. Cũng bằng với tỉ lệ của cs trung bình và cs đỉnh.
C. Thảo luận về việc xác định tầm xa với một radar xung.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.2 Các thành phần cấu thành và chức năng
Có rất nhiều chủng loại radar xung khác nhau, tuy nhiên chức năng cơ bản của chúng thì tương tự nhau.
Radar xung có thể được chia thành 6 bộ phận chính:
Khối nguồn cung cấp trang bị tất cả các điện áp AC và DC cần thiết cho hoạt động của các thành phần hệ thống.
Khối điều chế tạo tín hiệu đồng bộ kích cho máy phát một số lượng lần trong một giây. Nó cũng kích chu kỳ quét hình và phối hợp với một vài mạch khác nữa.
Khối Phát sinh ra năng lượng tần số vô tuyến dưới dạng các xung ngắn năng lượng cao.
Hệ thống anten mang năng lượng sóng tần số vô tuyến từ máy phát, phát xạ ra không gian ở chùm tia định hướng cao, nhận về các xung phản hồi và đưa thẳng đến bộ thu.
Máy thu khuếch đại tín hiệu xung dội tần số vô tuyến yếu ớt trở về từ mục tiêu và tái tạo tín hiệu tương ứng dưới dạng hình ảnh đưa đến màn hình chỉ thị.
Màn hình chỉ thị sinh ra chỉ báo hình ảnh của xung dội theo cách cung cấp thông tin cần thiết.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Khối cung cấp nguồn cho hệ thống
Sự phân chia của các thiết bị vật lý trong hệ thống khiến cho nguồn cung cấp không thể gom lại thành một khối duy nhất.
Vậy nên các nguồn cung cấp khác nhau là cần thiết để cung cấp cho các loại yêu cầu khác nhau về điện áp trong hệ thống máy radar.
Một khối nguồn radar điển hình.
Yêu cầu hoạt động ở nguồn vào dãy rộng, đa dạng nguồn đầu ra, ổn định với nhiệt độ, chịu tải tốt, chống nhiễu đường line và cấp nguồn chất lượng cao cho các mạch khuếch đại tín hiệu, xử lý hình ảnh...
Khối điều chế
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Chức năng của bộ điều chế là làm bảo đảm tất cả mọi mạch điện nối với hệ thống radar vận hành theo tiến trình thời gian ăn khớp nhau và thời gian xen kẽ giữa các xung có độ dài chuẩn xác.
Bộ điều chế gửi đồng thời tín hiệu đồng bộ đến kích máy phát và điều khiển quét hiển thị màn hình radar.
Điều này thiết lập sự điều khiển tốc độ lặp lại xung (PRR) và cung cấp sự tham chiếu cho thời gian di chuyển của xung phát đến mục tiêu và xung dội trở về.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Máy phát về cơ bản là một bộ dao động sinh hài tần số vô tuyến năng lượng cao dưới dạng xung ngắn nhờ kết quả của việc tắt mở bởi các tín hiệu kích thích từ bộ điều chế.
Khối máy phát xung radar
Trong thời gian nghỉ trước khi xung phát bắt đầu, dãy tụ tạo dạng xung có thời gian tích lũy điện áp từ nguồn cao áp.
Khi có xung kích thích từ bộ Modulator đưa đến, Thyatron hoặc Magnetron sẽ được kích hoạt và tạo cao áp đưa đến cuộn sơ cấp của biến áp.
Phía cuộn thứ cấp của biến áp, xung vô tuyến cao áp được hình thành và đưa ra ống dẫn sóng để đến anten rồi được bức xạ ra không gian.
Khối anten thu phát
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Chức năng của hệ thống anten là:
- Nhận lấy năng lượng sóng r-f từ máy phát, phát xạ năng lượng này ở chùm tia có tính định hướng cao.
- Nhận bất cứ xung phản hồi hay phản xạ nào của xung đã phát ra từ mục tiêu, rồi đưa nó đến máy thu.
Các thông số đặc trưng của một anten radar:
- Tính định hướng.
- Độ lợi.
- Thời gian quay anten (vòng /phút)
- Độ dài cánh …
Diode limiter & MIC
Circulator (duplexer)
Antenna
Magnetron
Pulse Modulator
Khối máy thu
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Chức năng của máy thu là khuếch đại hay tăng cường cường độ của tín hiệu xung dội rất yếu ớt và tái tạo lại chúng dưới dạng tín hiệu hình ảnh đưa đến màn hình chỉ thị. Máy thu có bộ trộn thạch anh và tầng khuếch đại tần số trung tần để sinh ra tín hiệu video đưa đến màn hình chỉ thị.
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 máy thu hơn nên tín hiệu về sau (thời điểm t2) nên ảnh ở xa tâm màn hình hơn.
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Chức năng chính của khối hiển thị là cung cấp một cái nhìn về tầm và hướng của các mục tiêu nhờ thu được các xung dội về.

Ở một hệ thống radar cơ bản, loại trình hiện được sử dụng là màn hình hiển thị vị trí phẳng (Plan Position Indicator – PPI), với cách này, sơ đồ cực là chính, tàu phát tín hiệu radar nằm ở trung tâm.

Hình ảnh của các xung dội mục tiêu được thu về và hiển thị ở hướng tương đối hay hướng thật, và ở khoảng cách so với trung tâm màn hình PPI.
Đèn ống điện tử (Cathode-Ray Tube CRT), là trái tim của bộ chỉ thị. Màn CRT được tráng một lớp phim bằng vật liệu lân quang (lưu huỳnh), được gọi là PPI. Súng electron ở đầu kia của ống đèn hình phát sinh ra các chùm electron tự do hẹp và được lái đến trung tâm của PPI hoặc bị làm lệch bởi các phương tiện tĩnh điện và điện từ trường. Do bên trong màn hình có tráng lớp lân quang nên khi dòng electron đập vào nó, các đốm sáng sẽ được hình thành và lưu giữ trong một thời gian ngắn rồi mờ dần đến tắt hẳn.
Khối Radar display
Khi chùm tia electron được lái quét nhanh chóng liên tục và lặp lại từ tâm màn hình ra đến rìa, một đường sáng được gọi là đường vết hình thành trên mặt hiển thị phẳng.

Khi các electron dừng lại thì đường vết này vẫn còn tiếp tục rực sáng trong một thời gian ngắn bởi nhờ lớp tráng lâng quang. Sự suy giảm càng chậm độ sáng càng lâu.
Anten và tia quét quay đồng bộ, đồng pha. Mục tiêu nhỏ, búp phát lướt qua nhanh nên tín hiệu phản xạ trở về nhỏ → ảnh trên màn hình nhỏ. Giả sử có mục tiêu là 1 dãi bờ, tín hiệu phản xạ trở về là 1 dãi sáng liên tục. Vậy các mục tiêu nhỏ thời gian sóng phản xạ ít nên ảnh thể hiện nhỏ & ngược lại..
Để tia quét quay đồng bộ, đồng pha với anten, người ta tạo ra ở cổ CRT 1 từ trường xoay 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 tạo ra xung răng cưa đưa vào cuộn lái
tia để xung này điều khiển các tia điện tử chuyển động từ tâm ra biên.
Khối Duplexer – chuyển mạch tín hiệu Phát Thu
CHƯƠNG I.
SÓNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG
3. HỆ THỐNG RADAR CƠ BẢN
3.3 Chức năng của các bộ phận trong radar
Trong hệ thống radar, một anten dùng chung cho hai chức năng Phát – Thu, phải sử dụng một chuyển mạch được gọi là Duplexer.
Chuyển mạch cho anten giữa chế độ thu và chế độ phát có một vấn đề: bảo đảm rằng năng lượng tối đa phát đi không bị thất thoát, năng lượng rất nhỏ thu về không bị tiêu hao, năng lượng công suất rất cao từ khối phát không ảnh hưởng sang khối thu trong khi đang phát.
Tx
Ant
Rx

Giải pháp đơn giản là sử dụng chuyển mạch để chuyển anten tuần tự sang khối phát, ngắt khối thu và ngược lại. Trong thực tế, không có một chuyển mạch cơ khí nào có thể thực hiện được công việc này vì thời gian chuyển mạch vô cùng bé cỡ vài micro giây. Vì thế phải sử dụng đến chuyển mạch điện tử.
Hai Kiểu Radar Cơ Bản
Phát các xung
Sóng liên tục
D. Mô tả các thành phần của một radar điều chế xung.
1. Bộ phận giữ đồng bộ tín hiệu
2. Máy phát
3. Antenna
4. Duplexer
5. Máy thu
6. Bộ phận hiện ảnh
7. Bộ cung cấp nguồn hoạt động cho thiết bị.
Sơ đồ khối xung radar
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG RADAR
SƠ ĐỒ KHỐI CHI TIẾT RADAR CRT
Radar sóng liên tục
Sử dụng bộ phát sóng liên tục
Hai anten thu và phát riêng rẽ
Dựa trên sự “DỊCH CHUYỂN DOPPLER”
Dịch chuyển tần số Doppler
Đi về phía xa:
Tần số xung phản hồi giảm
Đi về phía ta:
Tần số xung phản hồi tăng
Các bộ phận Radar sóng liên tục
Phân loại
KĐ
Trộn
CW RF
Oscillator
Chỉ báo
OUT
IN
Máy phát
Antenna
Antenna
Xung đối với sóng liên tục
Xung dội
Một Antenna
Cho tầm thu, cũng như độ cao
Dễ bị chập hình
Khoảng cách vật lý được xác định bởi độ rộng xung PW và chu kỳ lặp lại xung PRF.
Sóng liên tục
Dùng 2 Antennae
Thông tin tầm hay độ cao
High SNR
Khó chập hình nhưng dễ bị lừa
Bộ khuếch đại có thể điều chỉnh để xem tần số mong muốn.
Điều chế sóng RADAR
Điều chế biên độ
Thay đổi biên độ của sóng mang hình sine
Điều chế tần số
Thay đổi tần số của sóng mang sine
Điều chế xung-biên độ
Thay đổi biên độ của các xung
Điều chế xung – tần số
Thay đổi tần số mà ở mỗi xung xảy ra
Modulation
Antennae
Hai Nhiệm vụ Chính:
Phát xạ năng lượng RF
Định dạng chùm và độ hội tụ của tia
Phải là 1/2 của bước sóng cho bước sóng tối đa được sử dụng.
Dạng tia dầy để tìm kiếm và, Dạng tia mỏng hẹp để bám theo dõi.
Beamwidth Vs. Accuracy
Azimuth Angular Measurement
Azimuth Angular Measurement
Determining Altitude
Tập trung năng lượng Radar nhờ vào độ hội tụ
Dãy tương tự
Sử dụng nguyên lý cộng sóng (giao thoa tổng hợp) theo một hướng đặc biệt và bù trừ sóng (giao thoa phân tán) theo những hướng khác.
Tạo nên từ hai hay nhiều ănten ½ bước sóng đơn giản khác nhau.
Quasi-optical
Dùng các tấm phản chiếu như“lăng kính” để tạo hình chùm tia.
Basic Dipole Antenna and Beam Forming
Half-Wave Dipole Antenna
Basic Beam Formed
Wave Shaping Linear Array
Beam Forming
Side
Bottom
Types of Linear Arrays
Broadside
Endfire Array
Wave Shaping Linear Array

Parasitic Element
Hình dạng bộ phản xạ
Paraboloid – Hình quét nón dùng để điều khiển súng – có thể là CW hay xung
Orange Peel Paraboliod – Thường là CW và chủ yếu là để điều khiển súng.
Parabolic Cylinder – Chùm tia dò tìm rộng- và dùng trong các ứng dụng dò tìm tầm xa – Xung
Tạo dáng sóng- Hệ thống quang-Quasi
Bộ phản xạ
Lăng kính
Ống dẫn sóng
Được dùng như là một môi trường kín năng lượng cao.
Dùng một Từ trường để giữ năng lượng tập trung ở giữa ống dẫn sóng.
Phù đầy khí ga trơ để ngăn ngừa hồ quang điện do cao áp bên trong ống dẫn sóng.
Questions?
Please read Ch 9.
Nguyên Lý RADAR & Hệ Thống
Phần II
Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động của Radar
Tín hiệu thu được
Băng thông máy thu
Dạng xung
Quan hệ công suất
Độ rộng xung
Tần số lặp lại xung
Tần số phát
Độ lợi ăn ten
Điểm giao tiếp radar và mục tiêu…
Tỉ lệ tín hiệu / nhiễu
Độ nhạy máy thu
Độ nén xung
Tốc độ quét
Cơ học
Điện tử
Tần số mang
Độ hở anten
Máy thu Radar và Các Yếu tố Hoạt động
Việc thu tín hiệu
Tỉ số Signal-to-Noise
Băng thông máy thu
Độ nhạy của máy thu
Việc thu nhận tín hiệu
Tỉ số Tín hiệu trên Nhiễu
Đo bằng đơn vị dB!
Có khả năng nhận dạng được mục tiêu trong nhiễu ngẫu nhiên.
Nhiễu thì luôn luôn có mặt.
Ở một vài tầm hoạt động, nhiễu mạnh hơn tín hiệu phản xạ.
Nhiễu làm cho thiết bị bị giới hạn tuyệt đối về độ nhạy.
Mức ngưỡng được dùng để loại bỏ mức tín hiệu nhiễu xâm nhập.
Băng thông của Máy thu
Là một khoảng tần số mà máy thu có khả năng xử lý được.
Máy thu phải xử lý được rất nhiều tần số
Các xung phát đi được tổng hợp nên từ rất nhiều sóng hình sin khác tần số nhau.
Tần số chuyển dịch xảy ra do hiệu ứng Doppler.
Hạn chế Băng thông
Tăng tỉ số tín / nhiễu signal-to-noise ratio(tốt)
Làm méo tín hiệu phát (xấu)
Độ nhạy của Máy Thu
Tín hiệu phản hồi về thấp nhất mà có thể nhận dạng được khỏi sự ảnh hưởng của nền nhiễu.
Ở dãy miliwatt.
Là một yếu tố quan trọng để xác định tầm hoạt động tối đa của thiết bị.
Hiệu quả xung cho hoạt động của Radar
Dạng Xung
Độ rộng Xung
Độ nén Xung
Công suất Xung
Hình dạng Xung
Xác định độ chính xác tầm xa và Tầm hoạt động tối thiểu, tối đa.
Một cách lý tưởng chúng ta cần một xung mà có hướng thẳng đứng và có cạnh hình như 1 vệt dài .
Tín hiệu rất rõ ràng– dễ dàng nhận biết khi nhận được các xung phản hồi.
Độ Rộng Xung
Xác định độ phân giải tầm hoạt động.
Xác định tầm phát hiện tối thiểu.
Cũng có thể xác định tầm tối đa của radar.
Xung càng hẹp thì độ phân giải càng tốt.
Độ nén xung
Tăng tần số của sóng trong một xung.
Cho phép độ phân giải tốt hơn khi cho phép nhiều công suất hơn ở một tầm hoạt động lớn nhất.
Công suất của xung
Tiếng “Ummph” để cho tín hiệu đi ra ngoài một đoạn xa.
Công suất đỉnh yêu cầu phải cao để đạt được tầm hoạt động tối đa.
Công suất thấp có nghĩa rằng radar nhỏ gọn hơn và cần ít năng lượng hơn để hoạt động.
Các yếu tố khác làm ảnh hưởng hoạt động radar
Tốc độ quét và độ rộng chùm tia
Chùm tia càng hẹp thì đòi hỏi tốc độ quay của anten càng chậm.
Tần số lặp lại xung
Xác định tầm hoạt động tối đa của radar (yếu tố chiến lược).
Tần số sóng mang
Quyết định kích thước anten, hướng tính của xung và kích thước của mục tiêu.
Cắt lớp Radar (Những gì mà Radar thấy(nhờ vào sự phản xạ))
Tính năng về kích cỡ , hình dạng, vật liệu, góc phản xạ và tần số sóng mang.
Summary of Factors and Compromises
Các loại chỉ thị đầu ra của Radar
A Scan
Dùng điều khiển súng
Thông tin về tầm xa chính xác.
B Scan
Dùng điều khiển súng mang trên máy bay
Tầm và góc, nhìn về trước
E Scan
Dùng cho độ cao
PPI
Dùng cho tìm kiếm và hành hải
Vài loại Radar điển hình
Radar điều chế sóng mang CW
Dùng cho radar chỉ độ cao và hướng dẫn tên lửa.
Hiệu ứng Doppler Xung
Tần số sóng mang trong một xung được so sánh với một tín hiệu tham chiếu để phát hiện ra mục tiêu chuyển động.
Hệ thống Chỉ báo mục tiêu di động (MTI – Moving Target Indicator)
Tín hiệu được so sánh với cái trước đó để làm nổi bật các mục tiêu di động. (radar tìm kiếm)
Hệ thống tần số thay đổi nhanh
Khó bị nhiễu.
Vài loại radar điển hình
SAR / ISAR
Dãy so pha- Aegis
Tầm phủ cần thiết 360°
Dịch pha và dịch tần cho phép dãy phẳng được lái thành chùm tia.
Cũng cho phép công suất ra cao hay thấp tùy theo nhu cầu sử dụng.
Questions?
Transmission
Echo
Wasted Echo