Bài giảng Định vị và dẫn điện tử - Chương 4: Nguyên lý và hệ thống Rada

Nguyên lý và hệ thống Radar Radar Principles &Systems ξ 4. Sai số phép đo tham số mục tiêu Radar Nhiễu nhiệt - Noise FBKTN 0= • Đơn vị: W hoặc dB • K: hằng số Boltzman; k = 1,38*10-23 (J/0K) • T0: nhiệt độ của hệ thống; T0 = 290 (0K) • F: hệ số nhiễu nhiệt ( NF: Noise Figure); F = vài dB • B: băng thông của hệ thống Radar [Hz] • Tính theo dB )()()lg(10)( 0 dBBdBFKTdBN ++= )()(204)( dBBdBFdBN ++−= Sai số phép đo tham số mục tiêu • Tổng quát: Mδ SNRM ×= 2 • M: đại lượng cần đo → cự ly R, tần số Doppler fD, vận tốc xuyên tâm vxt • Đơn vị: theo đại lượng đo [m], [Hz], [m/s] Sai số phép đo độ cự ly • Tổng quát: M M =δ SNR×2 • M → cự ly R 2 τcR = B 1=τ B cR 2 = SNRB c SNR R R ×××=×= 222δ Ví dụ Một trạm Radar bức xạ sóng điện từ với độ rộng xung là 1,5 µs và tỷ số SNR yêu cầu là 13 dB Hãy cho biết:. a. Băng thông của trạm radar. b. Sai số phép đo cự ly của trạm Radar ? c. Sai số phép đo cự ly là bao nhiêu khi tăng độ rộng xung lên hai lần. Cho nhận xét. Sai số phép đo độ tần số Doppler • Tổng quát: M M =δ SNR×2 Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): Understanding radar systems t f ff t D 111 =→≈Δ≈ DD fD 1δ SNRtSNRfD ×=×= 22 Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler t (sec): The length of time taken to make an observation with a radar set is called the integration time, because all the data on a target are integrated or added up until the measurements are sufficiently accurate. Very roughly, the integration time needed to 1 resolve two doppler frequencies seperated by Δfd is given by [ ]s Δf t D ≈ (source: Understanding radar systems) Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler (integration time) (source: Understanding radar systems) Sai số phép đo độ vận tốc xuyên tâm • Tổng quát: M M =δ SNR×2 Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): νν xtxt D ff 22 == λν ×= Dxt f fD 1=λc λ 2 t λ SNRtSNR xt xt ×=×= 222 νδν txt 2 ν = Ví dụ Một chiếc tàu chuyển động với vận tốc 5 m/s được giám sát bởi 2 hệ thống radar. - Một trạm làm việc ở băng tần VHF tại tần số 138 MHz - Một trạm làm việc ở băng tần S tại tần số 3 GHz a. Hãy xác định khoảng thời gian cần thiết để hai hệ thống trên có thể phân biệt tín hiệu phản xạ từ con tàu và từ đất liền. b. Giả thiết tỷ số SNR là 20 dB. Hãy cho biết sai số phép đo vận tốc. ξ 5. Phương trình Radar 1 Diện tích phản xạ hiệu dụng radar. - ký hiệu: RCS hoặc δ - RCS : Radar Cross Section - Đơn vị: + Tuyệt đối: δ(m2) hoặc δ(sqm) sqm: square meter + Tương đối: δ(dbsqm) = 10 lg[δ(sqm)] Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS R d C S tia ar ross ec on. )( 2mkkSRCS ××== δ Sp: diện tích bề mặt vật lý của mục tiêu được chiếu xạ dfp →Hình dạng , kích thước của mục tiêu kf: hệ số phản xạ → Vật liệu cấu thành mục tiêu, tính chất của bề mặt phản xạ. ốkd: hệ s hướng tính → Tỷ lệ năng lượng phản xạ trở lại theo hướng trạm radar so với tất cả các hướng ( tán xạ đều – uniform scattering ) echoes echoes tán xạ đều tá ề hí t ớ Uniform scattering Forward scattering Backward scattering n xạ v p a rư c tán xạ về phía sau Các kiểu tán xạ - scattering Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS của một số bề mặt điển hình Mặt cầu, bán kính = a 2aRCS πδ == Tấm phẳng hình vuông cạnh = a 44πδ aRCS == , 2λ 224 b Tấm phẳng hình chữ nhật, rộng = a , dài = b 2λ πδ aRCS == Mặt trụ, bán kính = a , chiều cao = h πδ 22 ahRCS == λ Ví dụ Xác định diện tích phản xạ hiệu dụng của tấm phẳng chữ nhật có độ dài cạnh là a = 0,093 m ; b = 1m khi được chiếu xạ bởi tín hiệu từ trạm Radar có tần số làm việc là 1 GHz và 10 GHz ? Nhận xét - Diện tích phản xạ hiệu dụng có thể lớn hơn h ặ hỏ h ấ hiề ới diệ í h ậ lý o c n ơn r t n u so v n t c v t của mục tiêu được chiếu xạ. - Khi tần số tăng hoặc giảm thì diện tích phản xạ ệ ủ ù ộ ê ẽ ăhi u dụng radar c a c ng m t mục ti u s t ng hoặc giảm. - RCS của mục tiêu hình cầu không phụ thuộc vào tần số. Radar Cross Section Experimental RCS Diện tích hiệu dụng Radar của máy bay ném bom B26 tần số chiếu xạ: 3 GHzRCS thay đổi theo hướng chiếu xạ trên ẳmặt ph ng ngang góc phương vị 25 dB Diện tích phản xạ hiệu dụng radar của một số đối tượng điển hình ĐỐI TƯỢNG RCS (m2) Diện tích mặt cắt (m2) Xe tải 200 10 Máy bay phản lực thương mại 100 1000 Máy bay chiến đấu 6 100 cỡ lớn Chim - Bird 0.001 ~0.001 Máy bay chiến đấu tàng hình Stealth fighter 0.0001 70 Stealth Fighter F117 Radar Cross Section 0.003m2 2. Mật độ công suất 1. khái niệm: Khi 1 anten bức xạ vô hướng năng lượng có công suất P. Tại cự ly D, mật độ công suất PD sẽ được xác định như sau: D ( ) ]/[ 2mWPD ]/[ 4 2 2 mWD PP tD π= ][WPt m 22ệ í ặ ầ - Anten vô hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng đẳng hướng EIRP )(4 mDS π=S = Di n t ch m t c u bán kính D (m) - Anten định hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng ERP 2. Mật độ công suất -Anten vô hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng đẳng hướng Kí hiệu: EIRP Effective Isotropic Radiated Power- đơn vị dBi -Anten định hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng kí hiệu : ERP - Effective Radiated Power đơn vị dB ][WGPGEIRPERP ttt =×= ]/[ 2WGPERPP tt 44 22 m DDD ππ == Hệ số khuếch đại của anten định hướng - Anten định hướng → Hệ số khuếch đại anten G 2 4 λ π eAG = Ae: diện tích hiệu dụng của anten A: diện tích góc mở vật lý của anten AAe ×=η Ví dụ: Một máy phát bức xạ sóng điện từ vô hướng tại η: hiệu suất của anten. với: tần số 1 GHz với công suất 100 KW. Hãy xác định: a. Mật độ công suất tại khoảng cách 100 feet. b. Công suất thu tại anten thu có hệ số khuếch đại 10 dB đặt tại vị trí đó 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp Máy phát P Mô hình vật lý Mục tiêu M RCS = δ (m2) t Máy thu Nguồn bức xạ sơ cấp R (km) Pr Mô hì h h điệ tươ đươ Nguồn bức xạ thứ cấp Pt Gt Gδ n mạc n ng ng -α (dB) -α (dB) GrPr 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp - RS → M: tại khoảng cách R Công suất thu tại M ][ 4 2 ' W R GPPAPP ttDeDr π δδ =×=×= '' PP rt = 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp - M → RS : tại khoảng cách R Công suất thu tại RS ][ 4 2 ' ' WA R PAPP eteDr π=×= 2 4 λ π e r AG = π λ 4 2 r e GA =→ Phương trình radar S = Pr min ( ) ( ) ][444 43 22 22 W R GGPG R GPP rttrttr π δλ π λ π δ == Phương trình cự ly radar = độ nhạy thu 4 1 2GGP ⎟⎞⎜⎛ δλ 4 1 2GGP ⎟⎞⎜⎛ δλ( ) ][4 3 mPR r rtt ⎟⎠⎜⎝ = π ( ) ][4 3max mSR rtt ⎟⎠⎜⎝= π 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp rtt GGPGGPP ×××××== 2 141 πδδλ ( ) rttr RRR ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ 22243 444 λ πλ λ ππ Biểu diễn theo đơn vị dB: )()()()()()( 11 dBGdBGdBdBGdBPdBP rttr +−+−+= αα δ 22 44 ⎞⎛⎞⎛ fRRTrong đó: 1 lg10lg10)( ⎟⎠⎜⎝=⎟⎠⎜⎝= cdB π λ πα 4 ⎞⎛( ) ( ) )(lg20lg20)( 11 dBKRfcRfdB +×=⎟⎠⎜⎝ ××= πα 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp Trong đó: ⎟⎞⎜⎛ ××=⎟⎞⎜⎛= 2 4lg104lg10)( fdBG πδπδ ⎠⎝⎠⎝ 22 cλδ ( ) ( ) )(lg20lg10)( 2 dBKfdBG ++= δδ Bảng tra cứu hệ số K1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= c dBK π4lg20)(1 Bảng tra cứu hệ số K2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 22 4lg10)( cdBK π Bảng tra cứu thông số hệ số Gδ (dB) [1]+20 (dB) [4]+10 (dB) [8] -3 (dB)Quy tắc : [2]+3 (dB) [5]+10 (dB) [6]+10 (dB) [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Giản đồ công suất P(dBm) Gt -αt Pt -αt Gδ Gr Pr t n o p q r s t Ví dụ Một trạm radar làm việc tại tần số 10 GHz có công suất phát 75 dBm sử dụng chung anten thu phát có hệ số khuếch đại là 48 dB. Suy hao đường truyền (cáp) từ máy thu, phát đến anten là 6 dB. Một máy bay cách trạm radar 31 km có diện tích phản xạ hiệu dụng 5 m2 Hãy cho biết công suất thu được tại. trạm radar là bao nhiêu dBm. Minh họa các thông số trên hình vẽ và giản đồ công suất ?