radar và ứng dụng trong dự báo thời tiết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
--------------o0o--------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VỀ RADAR VÀ ỨNG DỤNG
TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT

Sinh viên thực hiện:

Giáo viên hướng dẫn:
Thầy HỒ HỮU HẬU

THẠCH THỊ THU NGUYÊN

Giáo viên phản biện:

MSSV:1090212

Thầy Phạm Văn Tuấn

Lớp: SP Vật Lý K35

Thầy Dương Quốc Chánh Tín

Cần Thơ 5 - 2013


LỜI CẢM ƠN

……
Đạt được kết quả như ngày hôm nay, ngoài sự nổ lực của bản thân, em còn
nhận được sự dạy bảo tận tình, sự động viên, an ủi và khích lệ rất nhiều từ phía nhà
Trường, Thầy Cô, Gia đình và Bạn bè.
Trong quá trình thực hiện đề tài “ Tìm hiểu về radar và ứng dụng trong dự
báo thời tiết ” bản thân em đã gặp không ít khó khăn, vướng mắc. Trước tiên, em xin
bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn chân thành, sâu sắc tới các Thầy Cô Trường Đại
học Cần Thơ nói chung, Thầy Cô Khoa Sư Phạm, cũng như quý thầy cô trong thư
viện khoa, thư viện trường, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn sư phạm vật lý đã
tạo điều kiện thuận lợi cho em tìm kiếm tài liệu tham khảo, nghiên cứu, học hỏi. Em
xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồ Hữu Hậu, người thầy đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm đề tài.
Bên cạnh những gì đạt được trong quá trình thực hiện đề tài thì tất yếu sẽ
không thể tránh khỏi những thiếu sót vì kiến thức của em còn hạn chế. Em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để em bổ sung kiến thức
và đề tài được hoàn thiện tốt hơn.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã nhiệt tình giúp
đỡ em trong suốt những năm vừa qua. Em xin chúc tất cả quý thầy cô và các bạn dồi
dào sức khỏe và thành công trong cuộc sống.

Sinh viên thực hiện

Thạch Thị Thu Nguyên


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………
Ngày …Tháng … Năm

GVHD: Thầy Hồ Hữu Hậu


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................................1
PHẦN MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................5
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................................5
2. Các giả thuyết của đề tài.............................................................................................................6
3. Các bước thực hiện đề tài ...........................................................................................................6
4. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài .......................................................................6
PHẦN NỘI DUNG .......................................................................................................................7
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................................7
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ RADAR ..................................................................................7
1.1. Sóng điện từ - Lý thuyết bức xạ ...........................................................................................7
1.1.1. Điện từ trường tự do. Sóng điện từ trong môi trường đồng chất. Sóng phẳng .................7
1.1.1.1. Điện từ trường tự do...............................................................................................7
1.1.1.2. Sóng điện từ trong môi trường đồng chất ................................................................8
1.1.1.3. Sóng phẳng ............................................................................................................8
1.1.2. Sóng điện từ phẳng đơn sắc ........................................................................................ 10
1.1.3. Sóng điện từ trong chất dẫn điện ................................................................................. 13
1.1.4. Phản xạ và khúc xạ của sóng điện từ ở mặt giới hạn của hai điện môi .......................... 15
1.1.4.1. Điều kiện biên đối với vector sóng điện từ............................................................ 15
1.1.4.2. Tần số của các tia phản xạ và khúc xạ ..................................................................16
1.1.4.3. Các góc phản xạ và khúc xạ ................................................................................. 17
1.1.4.4. Biên độ của sóng phản xạ và khúc xạ ...................................................................18
1.1.4.5. Hệ số phản xạ và khúc xạ ..................................................................................... 19
1.1.5. Bức xạ sóng điện từ ....................................................................................................21
1.1.5.1. Thế vector và thế vô hướng .................................................................................. 22
1.1.5.2. Các phương trình của thế vector và thế vô hướng ................................................. 22
1.1.5.3. Nghiệm của các phương trình thế. Thế trễ ........................................................... 23
1.1.5.4. Bức xạ của lưỡng cực .......................................................................................... 25
1.1.5.5. Điện từ trường của dao động tử tuyến tính ........................................................... 28
1.1.5.6. Tính chất điện từ trường của dao động tử tuyến tính............................................. 31

1.1.5.7. Lưỡng cực bức xạ tuần hoàn ................................................................................ 32
1.1.6. Sự suy yếu sóng điện từ khi lan truyền trong khí quyển ............................................... 33

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

1.1.6.1. Sự suy yếu trong không khí .................................................................................. 33
1.1.6.2. Sự suy yếu trong mây........................................................................................... 34
1.1.6.3. Sự suy yếu trong mưa........................................................................................... 35
1.1.7. Hiệu ứng Doppler ....................................................................................................... 35
1.2. Giới thiệu chung về radar ..................................................................................................37
1.2.1. Lịch sử phát hiện sóng Radar ...................................................................................... 37
1.2.2. Khái niệm Radar ......................................................................................................... 40
1.2.3. Nguyên tắc hoạt động .................................................................................................41
1.2.4. Phân loại radar ............................................................................................................ 43
1.2.5. Phương trình radar đối với mục tiêu điểm trong chân không ........................................ 44
1.2.6. Tính năng kĩ thuật – chiến thuật của Radar ..................................................................45
1.2.6.1. Tính năng kĩ thuật ................................................................................................ 45
1.2.6.2. Tính năng chiến thuật ........................................................................................... 46
1.3. Thông số khai thác và kỹ thuật của radar ........................................................................... 46
1.3.1. Thông số khai thác ...................................................................................................... 46
1.3.1.1. Tầm xa cực đại của radar: (tầm xa tác dụng ) Dmax ................................................ 46
1.3.1.2. Tầm xa cực tiểu của radar (vùng chết của radar ): Dmin ......................................... 48
1.3.1.3. Độ phân giải theo khoảng cách: ............................................................................ 49

1.3.1.4. Độ phân giải theo góc: ......................................................................................... 50
1.3.2.2. Chiều dài xung phát  x ......................................................................................... 51
1.3.2.3. Chu kỳ lặp xung Tx. Tần số lặp xung

....................................................................51

1.3.2.4. Công suất phát xung:............................................................................................ 52
1.3.2.5. Độ nhạy máy thu Pth.min : ...................................................................................... 53
1.3.2.6. Hệ số định hướng của anten Ga: ........................................................................... 53
1.3.2.7. Tốc độ vòng quay của anten: n (vòng /phút)

......................................................... 54

1.4. Mục tiêu, nguyên tắc nhận tin tức về mục tiêu và ảnh hưởng của môi trường tới tầm tác
.......................................................................................................................... 54
dụng của radar
1.4.1. Mục tiêu radar

............................................................................................................ 54

1.4.1.1. Mục tiêu riêng biệt:

.............................................................................................. 54

1.4.1.2. Mục tiêu nhóm: ....................................................................................................54
1.4.1.3. Mục tiêu khối: ...................................................................................................... 55
1.4.2. Nguyên tắc nhận tin tức về mục tiêu: .......................................................................... 55

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

1.4.3. Phân loại hệ thống radar và dải tần làm việc................................................................ 58
1.4.3.1. Radar thụ động:....................................................................................................58
1.4.3.2. Radar chủ động: ...................................................................................................58
1.4.3.3. Radar liên tục....................................................................................................... 60
1.4.3.4. Radar xung: ......................................................................................................... 61
1.4.3.5. Dải tần làm việc ...................................................................................................63
1.4.4. Tầm xa tác dụng của radar .......................................................................................... 63
1.4.4.1. Tầm xa tác dụng của radar khi không có tác động của môi trường: ....................... 63
1.4.4.2. Tầm xa tác dụng của radar khi có tác dụng của môi trường: ..................................65
CHƯƠNG 2 ................................................................................................................................ 66
ỨNG DỤNG CỦA RADAR TRONG DỰ BÁO THỜI TIẾT ................................................... 66
2.1. Ứng dụng của Radar .......................................................................................................... 66
2.2. Giới thiệu về cấu tạo và các thông số kĩ thuật của Radar thời tiết ....................................... 67
2.2.1. Nguyên lý radar thời tiết ............................................................................................. 67
2.2.2.Các bộ phận chính của hệ thống radar. Phân loại radar thời tiết ....................................67
2.2.3. Các thông số kĩ thuật của radar thời tiết ...................................................................... 69
2.2.3.1. Thông số kĩ thuật của hệ thống phát ..................................................................... 69
2.2.3.2. Thông số kĩ thuật của hệ thống thu ....................................................................... 70
2.2.3.3. Thông số của hệ thống anten ................................................................................ 71
2.3. Hệ thống chỉ thị ................................................................................................................. 73
2.4. Thể tích xung và mật độ năng lượng sóng trong xung phát ................................................. 75
2.5. Các kiểu phản hồi .............................................................................................................. 77
2.6. Mục tiêu khí tượng ............................................................................................................ 77

2.6.1. Khái niệm về mục tiêu khí tượng ................................................................................ 77
2.6.2. Tính chất của mục tiêu khí tượng ................................................................................ 78
2.7. Phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ
sóng điện từ. ............................................................................................................................ 78
2.8. Ảnh Radar ......................................................................................................................... 81
2.8.1. Đặc điểm của Ảnh radar.............................................................................................. 81
2.8.2. Nguyên lý ................................................................................................................... 82
2.8.3. Đặc điểm hình học của ảnh radar ................................................................................ 83
2.8.4. Đặc điểm tương tác của sóng radar và bề mặt vật thể .................................................. 84
2.9. Sử dụng vệ tinh radar để dự báo thời tiết ........................................................................... 87
2.9.1. Nguyên lý đo lượng mưa bằng radar ........................................................................... 87

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

2.9.2. Nhận biết dông ........................................................................................................... 90
2.9.3. Nhận biết đường tố ..................................................................................................... 90
2.9.4. Nhận biết lốc và vòi rồng ............................................................................................ 91
2.9.5. Nhận biết bão ............................................................................................................. 93
2.9.5.1. Cấu trúc của trường PHVT mây và mưa trong bão ............................................... 93
2.9.5.2. Quan hệ giữa đặc điểm PHVT mây bão với cường độ bão ....................................94
2.10. Những sai số xuất hiện khi dùng radar, đặc điểm và vị trí đặt radar. .................................94
2.10.1. Những sai số xuất hiện từ việc sử dụng rađa. ............................................................. 95
2.10.2. Mức độ sai số khi dùng số liệu rađa. ......................................................................... 96

2.11. Sự cần thiết việc sử dụng rađa kết hợp với các số liệu quan trắc ở các trạm đo. ................ 97
2.12.Trạm Radar thời tiết ở Việt nam ....................................................................................... 98
PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 101

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay con người đã đưa những thành tựu khoa học kỹ thuật, những phát
minh, phát kiến mới ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ…
nhằm phục vụ cho cuộc sống của con người ngày một tiến bộ hơn. Những thành tựu
khoa học đó đã được đúc kết và kế thừa từ kho tàng tri thức của nhân loại, đó là kết
quả nghiên cứu của cả một quá trình lao động không mệt mỏi của biết bao thế hệ
các nhà khoa học thuộc mọi lĩnh vực; trong đó vật lý học đã góp phần không nhỏ
cho sự phát triển chung của nền khoa học hiện đại.
Chúng ta được sinh ra và lớn lên trong hoà bình nhưng dư âm của cuộc chiến
tranh vẫn vang mãi trong chúng ta qua những lời kể của những người đã trực tiếp
tham gia cuộc chiến tranh bảo vệ tổ quốc này hay qua những thước phim tư liệu lịch
sử. Dù không ít thì nhiều nhưng trong những trận đánh bảo vệ vùng trời tổ quốc
chúng ta đều nghe đến hai từ “Radar”. Và với nhiệm vụ to lớn của nó chúng ta còn
đã mường tượng ra nó là một chiếc máy gì đó to lớn và vĩ đại mới có thể phát hiện
ra máy bay, tàu chiến ở cách xa hàng trăm thậm chí hàng nghìn km. Nhưng càng

lớn lên được tiếp thu thêm nhiều kiến thức chúng ta mới hiểu Radar là gì, nó hoạt
động theo nguyên tắc nào và nó được ứng dụng như thế nào.
Hiện nay trái đất của chúng ta đang phải đối mặt với nhiều thiên tai, động
đất, sóng thần, biến đổi khí hậu,… để phòng tránh và làm giảm thiệt hại do thiên tai
gây ra đòi hỏi công việc dự báo thời tiết phải chính xác và hiện đại. Thời tiết ảnh
hưởng rất lớn đến đời sống kinh tế – xã hội của loài người .Việc dự báo một cách
chính xác các hiện tượng thời tiết ngày càng trở nên cần thiết và trở thành mối quan
tâm của nhiều quốc gia trên thế giới. Do vậy việc nghiên cứu, phát triển Radar được
các nước trên thế giới đặc biệt quan tâm và chú trọng. Vì vậy tôi quyết định chọn đề
tài: “Tìm hiểu về Radar và ứng dụng trong dự báo thời tiết”. Việc chọn đề tài này
cũng nhằm để bổ sung thêm kiến thức khoa học đồng thời giúp ích phần nào cho
công tác giảng dạy của tôi sau này.

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD : HỒ HỮU HẬU

2. Các giả thuyết của đề tài
- Cơ sở lý thuyết liên quan đến radar? Radar là gì? Nó hoạt động theo nguyên
tắc nào ? Radar được phân loại ra sao?
- Ứng dụng của radar trong đời sống? Radar được ứng dụng như thế nào
trong dự báo thời tiết?
Do đó, nội dung nghiên cứu của tôi gồm 2 phần:
- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về radar.
- Nghiên cứu ứng dụng của radar trong đời sống, đặc biệt là trong dự báo

thời tiết.
3. Các bước thực hiện đề tài
- Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt của đề tài.
- Tìm các tài liệu liên quan đến đề tài, nghiên cứu tài liệu.
- Tiến hành viết đề cương và trao đổi với giáo viên hướng dẫn để tham khảo
ý kiến và chỉnh sửa.
- Viết luận văn hoàn chỉnh.
- Báo cáo luận văn.
4. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài
4.1. Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết tổng quan về radar.
 Đọc, tra cứu và tổng hợp về hệ thống radar thời tiết và ứng dụng của nó.
 Tìm hiểu tình hình sử dụng radar của các nước trên thế giới hiện nay. Đặc
biệt thực trạng sử dụng radar ở Việt nam.
4.2. Phương tiện thực hiện đề tài
 Các giáo trình chuyên ngành Vật lý như Điện Động Lực Học, Quang.
 Các tài liệu tham khảo: Luận văn tốt nghiệp đại học, sách, bài giảng, các
trang web khoa học và công nghệ.

SVTH : Thạch Thị Thu Nguyên

Page 6


Đây là bản xem thử. Vui lòng download về bản đầy đủ