Bài giảng Định vị và dẫn điện tử - Chương 3: Kỹ thuật Radar

Phần 1 Kỹ thuật Radar ξ 1. Khái niệm và phân loại Radar (tiếp theo) Nguyên lý cơ bản của Radar xung tần số làm việc f0 cos(ω0t+φ0) ON T a(t) OFF s(t) sr(t) echo Thời gian∆t đo độ trễ cự ly mục tiêu • s(t) = a(t)cos(ω0t+φ0) • a(t) : đường bao xung - “pulsed radar” Tính toán cự ly Range Calculation C l R R ( T )/2• ự y - ange, = c R • Range : km hoặc nm (nautical miles) T ( i d )• R : μs m crosecon s R(km) = 0.15TR(μs) hoặc R( i) 0 081 T ( )nm = . R μs 1 k Ù 6 67 m . μs 1 nmi Ù 12,34 μs Tính toán cự ly Range Calculation Xác định cự ly theo đơn vị km và nmi tương ứng với độ trễ thời gian 27 μs? R(km) = 0.15TR(μs) hay R(nmi) = 0.081 TR (μs) = 0 15 × 27 hay = 0 081 × 27 . . = 4.05 km hay = 2.187 nmi Tính toán cự ly M #2 Range Calculation , 18 km M #1, Radar sơ cấp 6 km PRF = 10 kHz thời gian seconds Tính toán cự ly Range Calculation Biên độ Xung phát Thời gian, t (ms)0 0 1 . ambiguous range : cự ly xảy ra nhầm lẫn Ví dụ 2 Giả sử một trạm Radar giám sát hàng không có công suất đỉnh là 100 KW, bức xạ tín hiệu theo kiểu xung với độ rộng 10 µs và chu kỳ lặp xung là 1 ms Hãy xác định cự ly làm việc (tối đa và. tối thiểu) và độ phân giải về mặt cự ly của trạm Radar trên ? τc)( τ−Tc 2min R = 2max =R Độ phân giải cự ly - Range Resolution ∆R: độ phân giải cự ly Độ phân giải cự ly - Range Resolution unresolved return a. Hai mục tiêu không thể phân biệt về cự ly tc Δτ + 2 b. Hai mục tiêu có thể phân biệt về cự ly Ví dụ Một hệ thống Radar xung có cự ly làm việc tối đa 3000 km và băng thông là 3 33 kHz Hãy xác định:. . a. Tần số lặp xung PRF (fr) yêu cầu b. Chu kỳ lặp xung PRT ( IPP = T) c. Độ rộng xung phát τ . d. Cự ly phân giải mục tiêu ∆R e Hãy cho biết ảnh hưởng của các tham số đến cự ly. làm việc tối đa của một hệ thống Radar. Ảnh hưởng của các tham số đến cự ly làm việc của hệ thống Radar xung)( τ−Tc •Power Range 2max =R •Pulse Width Range •PRT Range • PRF Range • Frequency Range ξ 2. Cơ sở vật lý của Radar Cơ sở vật lý Radar • Radar làm việc dựa trên 4 tính chất của sóng điện từ: 1. Sóng điện từ truyền lan với vận tốc hữu hạn , không đổi. c = 3 *108 ( / ) m s 2. Sóng điện từ truyền thẳng. 3. Năng lượng sóng điện từ sẽ phản xạ khi gặp môi trường không đồng nhất (mục tiêu). 4. Tần số thu được tại trạm Radar sai lệch so với tần số phát, gây nên do sự chuyển động tương đối giữa mục tiêu và trạm Radar và được xác định thông qua hiệu ứng Doppler. M Anten radar bức xạ định hướng tần số làm việc của radar h RS ec o theo phương góc tà ∆β Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất ( công suất đỉnh giảm đi một nửa Ù suy hao – 3 dB) theo phương góc phương vị ∆φ Mẫ bứu c xạ Radiation pattern Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất ( suy hao – 3 dB) Phương vị ∆φ Góc ngẩng ∆β HPBW: half power beam width RADARĐộ rộng búp sóng t h ô ấtquan rọng ơn c ng su THE PLAN POSITION INDICATOR Độ rộng búp sóng lớn PPI RADAR Độ ộ bú ó r ng p s ng quan trọng hơn công suất THE PLAN POSITION INDICATOR Độ rộng búp sóng nhỏ PPI Mẫu bức xạ Anten Parabol Radiation pattern )(rad d λβϕ ≈Δ=Δ Kích thước búp sóng tại mức nửa )(deg6000 ree d λβϕ ≈Δ=Δ công suất ( suy hao – 3 dB) d: độ mở anten (m) - apeture λ: bước sóng làm việc (m) Độ rộng thep hướng vị ∆φ Độ rộng theo hướng góc tà ∆β 41253G HPBW: half power beam width 00 βϕ Δ×Δ= (From Understanding Radar Systems) Hệ số khuếch đại anten βsinra = ϕsinrb = ϕsinsin2 βrabS == caumattichDienG suatcongnuamuctaisongbupcatmattichDien __________ ___= ππ 44 2rG ϕβϕβ sinsinsinsin2 == r S β ϕ βΔϕΔ ?G = Hệ số khuếch đại anten βsinra = ϕsinrb = ϕsinsin2 βrabS == caumattichDienG suatcongnuamuctaisongbupcatmattichDien __________ ___= ππ 44 2rG ϕβϕβ sinsinsinsin2 == r S β ϕ βΔϕΔ orπππG 4125341253360360444 =⎟⎞⎜⎛ ×=== ( ) ree)β(ree)β(ππβradianββ degdeg22sinsin Δ×Δ×⎠⎝ × ϕϕϕϕϕ Hệ số khuếch đại anten 1d λϕ =Δ βΔ ϕΔ ?),( == λeAfG Kích thước anten nhỏ →búp sóng lớn? (small antenna → wide beam width) Ví dụ Giả sử hệ thống Radar thời tiết làm việc tại Băng C, tần số 5625 Mhz, sử dụng anten parabol có đườngkính 2,44 m. ố ếHãy xác định kích thước búp sóng và hệ s khu ch đại của anten G(dB) ? 00 41253 βϕ Δ×Δ=GHệ số khuếch đại của anten Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler c tf =λDịch tần Doppler λ ν=Df trong đó: ' rf tf '' rt ff = rf Hiệu ứng Doppler c tf =λDịch tần Doppler λ ν=Df trong đó: ν Dtr fff ±='• Theo hướng RS → M: )1(' ffff νν ±± tD fc f = → cc tttr == ' ν' Dtr fff ±= '' tfcf D = '' )1(''' c ff c ff tttr νν ±=±= rfft = ⎟⎞⎜⎛ ⎞⎛ 22 2)1( c ff tr ν±= ⎟⎠⎜⎝ ⎟⎠⎜⎝+±= 1 ccff tr υν Hiệu ứng Doppler ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ ⎟⎞⎜⎛+±= 221ff υν ⎠⎝ ⎠⎝ cctr <<⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 2 c υ Rất nhỏ → bỏ qua ⎞⎛ ν2 ⎟⎠⎜⎝ ±= cff tr 1 Hiệu ứng Doppler DTT T TTR fff ffff ±=±=±=±= λ ννν 22)21( cc Dấu + : vào gần ; dấu - : ra xa TTR fc fff ν2=−=Δ νν 22 ν2f λθλ )cos( ==Df λ=D fc Δ× 00=θgóc Tf× = 2 ν Đo vận tốc v đo độ lệch tần số ∆f Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler θ θϕ β )cos(2 θν×=f )cos()cos()cos( βθθθ =λd ϕ Ví dụ Hãy xác định vận tốc (knots) của máy bay khi trạm radar làm việc tại tần số 3 GHz biết rằng tín hiệu phản xạ thu ầ ốđược sai lệch so với t n s phát là 5 KHz. ξ 3 Các bước xử lý. tín hiệu Radar Các bước xử lý tín hiệu Radar 1. Bước 1: Phát hiện mục tiêu ( Detection ). 2 Bước 2: Đo đạc tham số ( Measurement ~ Ranging). . 3. Bước 3: Phân biệt mục tiêu ( Display ). 4. Bước 4: Nhận biết mục tiêu (Recorgnition) Bước 1: phát hiện mục tiêu Công suất tín hiệu thu ( echo) Pngưỡng ngưỡng thời gian ngưỡng công suất phát hiện mục tiêu quyết định bởi tỷ số S/N của trạm Radar Xác suất phát hiện nhầm: gây nên do tín hiệu phản xạ từ các đối tượng không cần quan sát (clutter) hoặc nhiễu. Bước 2: đo đạc • Cự ly R Õ đo độ trễ • Đo góc ( φ,β) căn cứ vào hướng tính của búp sóng radar. • Đo vận tốc Õ hiệu ứng Doppler → xác định được vị trí và vẽ được quỹ đạo của mục tiêu ( đối tượng) M → tính được gia tốc của M Bước 3: phân biệt mục tiêu Thể tích phân biệt ∆φ ∆βVpb=∆R* ∆φ*∆β ∆R Thể tích phân biệt là thể tích mà hai mục tiêu kề nhau đặt tại tâm của hai thể tích đó có thể được phân biệt. Thể tích phân biệt mục tiêu tiêmục u Mục tiêu Vpb=∆R* ∆φ*∆β Bước 4 : nhận biết mục tiêu • Chỉ thực hiện được với Radar chủ động thứ cấp. • Radar chủ động thứ cấp là hệ thống radar có khả năng trao đổi thô ti ( t ề ố liệ ) ới đối t ( tiê )ng n ruy n s u v ượng mục u • Quá trình trao đổi số liệu giữa M và RS được thực hiện khi M nằm lọt trong búp sóng radar. • Thời gian trao đổi số liệu phụ thuộc vào tốc độ quét cánh sóng và kích thước búp sóng của trạm Radar M Bộ phát đáp transponder RS Radar mode S Bước 4 : nhận biết mục tiêu • Radar thứ cấp truyền các tín hiệu được mã hóa đến bộ phát đáp của mục tiêu. • Transponder phúc đáp bằng bản tin được mã hóa với các thông tin của đối tượng ( airplane ) • Một transponder có thể thiết lập tối đa khoảng 4096 mã nhận dạng identifying codes- • Trong lĩnh vực quân sự , các transponders được gọi là IFF (Identification, Friend or Foe) Số xung phản xạ từ mục tiêu )/()( /)( PRFòTdΔ Kích thước búp sóng tính theo radian )/( )(2 secsec vòngxung rad xungv ngran scp π ϕ ××= )/()( /0 PRFòTΔ Kích thước búp sóng tính theo độ )/( 360 secsec 0 vòngxung xungv ngn scp ××= ϕ Số hả / ò ? np: xung p n xạ v ng TSC: Thời gian búp sóng quét hết một vòng (giây/vòng) PRF: Tần số lặp xung (xung/giây) Ví dụ Giả sử một trạm Radar có độ rộng búp sóng tại mức nửa công suất theo phương ngang là 30, tốc độ quét của búp sóng là 450/sec với tần số lặp xung là 300Hz . Hãy xác định số xung phản xạ từ mục tiêu về trạm Radar sau mỗi vòng quét ?