Nghiên cứu khả năng phát hiện mục tiêu radar

PHẦN MỞ ĐẦU
Việt Nam đang hướng tới là một quốc gia kinh tế biển, thu nhập từ nguồn lợi
hải sản và khai thác tài nguyên trên biển chiếm tỷ trọng lớn nền kinh tế quốc gia.
Nước ta có chiều dài bờ biển lớn, nhiều đặc khu kinh tế và vùng lãnh thổ trên biển
cần bảo vệ. Tuy nhiên, tình hình biển Đông ngày càng phức tạp, số lượng cũng như
tính chất các vụ “va chạm” trên biển ngày càng tăng. Trước những mối đe dọa tiềm
tàng trên biển, Hải Quân Nhân Dân Việt Nam đã và đang được xây dựng hiện đại
với rất nhiều vũ khí trang bị mới, trong đó có các trang thiết bị ra đa hiện đại. Việc
khai thác, làm chủ những vũ khí trang bị này hiện nay rất khó khăn, do yêu cầu kỹ
thuật, chiến thuật của các loại ra đa cảnh giới, điều khiển hỏa lực là rất phức tạp.
Việc hiểu nguyên lý hoạt động cũng như các tham số ảnh hưởng đến cự ly phát
hiện mục tiêu của ra đa, nhằm phát huy tốt hiệu quả trong quá trình khai thác, vận
hành các đài ra đa cảnh giới, điều khiển hỏa lực của các trắc thủ ra đa đang là nhu
cầu cấp thiết của Hải quân Nhân Dân Việt Nam.
Do tính chất bí mật quân sự nên các công trình nghiên cứu của các nước tiên
tiến về lý thuyết và công nghệ mới không được phổ biến, chủ yếu là thông tin
thương mại. Đối với Việt Nam đây là lĩnh vực mới, hiện có rất ít các đề tài nghiên
cứu về lĩnh vực này. Nền tảng về lĩnh vực này của ta là những du học sinh, nghiên
cứu sinh đã học tập ở Liên Bang Nga cùng những kiến thức, tài liệu thu thập được.
Vì vậy mục đích nghiên cứu của đê tài là nêu ra được những đặc trưng của đài
ra đa cảnh giới, phân loại các đài ra đa, đưa ra được những phương pháp phân tích
tính toán đo cự ly, các yếu tố ảnh hưởng đến cự ly phát hiện mục tiêu của ra đa
trong các chế độ quan sát. Căn cứ theo các số liệu nghiên cứu, đề tài tính toán và
mô phỏng Matlab một số mục tiêu điển hình.

1


Chương 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG RADAR
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống radar.

- Năm 1886, Nhà vật lý người Anh, James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết
mô tả sóng điện từ và truyền lan của sóng điện từ.
- Năm 1904, kỹ sư lĩnh vực tần số cao người Đức, Christian Hülsmeyer sáng chế ra
“Telemobiloskop” cho giám sát lưu lượng trên mặt nước, đã đo được thời gian
chạy của sóng điện từ tới mục tiêu kim loại (con tàu) và phản xạ về, do đó có thể
tính khoảng cách từ nơi phát sóng tới mục tiêu. Đây là việc thử nghiệm radar thực
tế đầu tiên. Ông đã đăng ký phát minh tại Vương quốc Anh và Đức.
RADAR
RAdio Detection And
Ranging:
Việc dùng sóng điện từ để
định vị các con tàu đã được
đăng ký cho kỹ sư người Đức
Düsseldor Christian
Hülsmeyer vào năm 1904 tại
Anh và Đức như một bằng
công nhận sáng chế.
Hình 1.1. Ảnh trang bìa Bằng sáng chế radar
- Năm 1937, Sir Watson-Watt Vương quốc Anh đã phát triển hệ thống radar xác
định máy bay.
- Ngày 28/3/1938, radar tạo ảnh đầu tiên trên máy bay đã nhận biết tín hiệu phản
xạ từ tàu trên mặt biển ở khoảng cách hàng chục dặm.
- Năm 1940, các loại radar khác nhau được phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và
Nhật Bản.
1.2. Khái niệm Radar
1.2.1. Khái niệm radar-PPI (Position Plan Indication)
Radar chủ động sơ cấp phát xung không điều chế (Primary pulsed radar,
P0N) Là loại Radar phổ biển, thông thường dùng cho quan sát ảnh mục tiêu; đo
khoảng cách, phương vị, xác định vị trí tương đối của nó so với trạm radar và sự
2

chuyển động của mục tiêu. Ảnh mục tiêu trên màn hình là các đốm hay vệt sáng.
Xét trên khía cạnh tín hiệu, mức tín hiệu ảnh mục tiêu tại cửa ra máy thu radar lớn
hơn tổng mức nhiễu và tạp âm nền.
RADAR - RAdio Detecting And Ranging:
Radar là hệ thống thiết bị tìm kiếm (searching), phát hiện (detecting), xác
định vị trí (ranging, bearing) và truy bám (tracking) đối tượng hay mục tiêu
(object/target/aim) thông qua việc phát-thu, và xử lý sóng điện từ.
- Vị trí tương đối của mục tiêu so với trạm radar được xác định bằng khoảng cách
và góc phương vị hoặc góc mạn giữa radar và mục tiêu.
Đối với tàu thuyền trên biển góc mạn là góc giữa hướng mũi của phương
tiện (heading) và vị trí mục tiêu về hai mạn trái/phải.
- Hướng mũi của tàu được đánh dấu bằng cơ khí hoặc vạch dấu điện tử.
- Đối với mục tiêu trên không như máy bay, ngoài thông số đã nêu trên, cân
phải xác định góc nâng hay góc tà của mục tiêu so với mặt phẳng ngang.

Hình 1.2. Quá trình phát –thu sóng radar.

Hình 1.3. Đồ thị thời gian tín hiệu xung phát và thu của radar.
3


- Đối với các loại Radar đặt cố định trên mặt đất, góc phương vị tới mục tiêu được
gọi là phương vị thực, tính từ hướng Bắc thực tới mục tiêu theo chiều kim đồng hồ.
- Khi mất xung đánh dấu hướng mũi tàu hoặc phương Bắc thực dẫn tới Radar sẽ
cho ảnh sai hướng còn gọi là mất đồng bộ ảnh địa hình dẫn tới khó khăn trong việc
phát hiện và xác định mục tiêu (phương vị thực và góc phương vị đã được nêu
trong chương I).
1.2.2 Mục tiêu Radar

• Mục tiêu radar là tất cả các đối tượng có khả năng phản xạ sóng điện từ nằm
trong tầm phát hiện (hay phủ sóng theo búp sóng phát) của trạm radar.

Hình 1.4. Mục tiêu nằm trong búp sóng phát của radar
Radar có thể bị nhiễu do phản xạ từ vật không muốn quan sát hoặc đa đường từ
mặt đất, hoặc mặt biển.

Hình 1.5. Bức xạ đa đường trong radar.
• Phân loại mục tiêu Radar:
+ Mục tiêu quan sát: Là mục tiêu cần quan sát cho mục đích của người quan
sát.

4


+ Mục tiêu nhân tạo: Là các phương tiện trên biển và trên không; Ví dụ tàu
thuyền, máy bay, vệ tinh, dàn khoan, phao luồng, công trình trên biển...
+ Mục tiêu tự nhiên: Do thiên nhiên tạo ra; Ví dụ bờ biển, bờ sông, lùm cây, đồi
núi, mây, cơn bão, dòng thủy triều, lũ, sóng thần,...
+ Mục tiêu giả: là những đối tượng không cần quan sát nhưng xuất hiện trong
vùng phủ sóng của trạm radar, gây nhiễu đối với các mục tiêu cần quan sát. Ví dụ
ảnh của các đám mây, sóng biển, đồi núi trên màn hình radar.
Nhiễu nhân tạo: Là các dây kim loại được máy bay thả ra.

Hình 1.6. Mục tiêu và nhiễu trong radar.
1.2.3. Tham số xác định vị trí mục tiêu radar.
Vị trí mục tiêu: có thể được xác định trong hệ tọa độ tuyệt đối hoặc tương đối.
- Trong không gian 3D: Vị trí mục
tiêu tại P được đo bằng các tham số:
P(r, Ф, λ ) hoặc P(H, r, Ф),

trong đó: H = r*sin (λ)
- (trong hệ tọa độ tuyệt đối: vị trí
điểm P
P ( XP, YP, ZP) )
Hình 1.7. Vị trí điểm trong hệ tọa độ tuyệt đối.
- Trong hình vẽ: mặt phẳng X-O-Y là mặt phẳng chân trời, Radar đặt trên mặt đất;
θ=900- λ
Góc phương vị α tính từ hướng Bắc thực theo chiều kim đồng hồ. α = 3600- Φ
Góc Φ tính từ trục X ngược chiều kim đồng hồ.

5


Hình 1.8. Vị trí tương đối của mục tiêu trên màn hình radar.
- Trong không gian 2D: Vị trí mục tiêu P(target) được xác định theo hệ tọa độ
tương đối.
- P(r, β)
Trong đó r = range, là khoảng cách từ tàu chủ đến mục tiêu, β là góc mạn.
Quỹ đạo mục tiêu: Là tập hợp các vị trí của mục tiêu theo thời gian.

Hình 1.9. Các loại chỉ báo mục tiêu radar.
Vết mục tiêu cho biết chuyển động của mục tiêu so với radar tại tâm màn hình.

6


1.3. Sơ đồ khối Radar
1.3.1. Radar chủ động sơ cấp
Radar chủ động sơ cấp là loại máy thu và máy phát dùng chung ăng ten.

Hình 1.10. Sơ đồ khối radar chủ động sơ cấp.
Khối Duplexer chuyển đổi ăng ten; khi phát xung, năng lượng sóng từ máy phát
được đưa ra ăng ten và ngắt máy thu, ngược lại khi thu ăng ten nối tới máy thu.
Máy thu sử dụng bộ siêu tạo phách để trộn tần số (superheterodyne) tạo ra tần số
trung tần (IF) đưa tới các khối lọc (Matched Filter) và khuếch đại thị tần. Tần số
giao động nội do khối (Local Oscillator) tạo ra cho cả máy phát và máy thu. Bộ
khuếch đại thị tần (Video Amplifier) khuếch đại tín hiệu ảnh đưa ra khối chỉ báo
(Display).
1.3.2. Radar kỹ thuật số
Đó là Radar chủ động sơ cấp máy thu/phát chung ăng ten, sử dụng kỹ thuật
xử lý tín hiệu và xử lý ảnh nhờ máy tính ở phía máy thu nhằm cải thiện chất lượng
ảnh.

Hình 1.11. Sơ đồ chức năng radar kỹ thuật số.
7


Hình 1.12. Sơ đồ khối Radar kỹ thuật số
1.3.3. Radar tần số kép
Đây cũng là loại Radar chủ động sơ cấp. Hệ thống sử dụng hai máy thu và
hai máy phát hoạt động ở hai tần số F1 và F2, với mục đích xác định các mục tiêu
có diện tích phản xạ hiệu dụng biến thiên, như máy bay bay lượn trên bầu trời.

Hình 1.13. Sơ đồ khối Radar tần số kép.
1.3.4. Radar thứ cấp – Secondary Radar (SSR)
Radar thứ cấp còn có tên gọi là radar giám sát thứ cấp (Secondary
Surveillance Radar – SSR) có tên ban đầu là Hệ thống xác định bạn-thù
(Identification Friend or Foe –IFF). Hệ thống Radar đặt tại trạm mặt đất phối hợp
với radar trên máy bay. Radar mặt đất đóng vai trò như một ‘’Máy hỏi –
8

Interrogator” và Radar trên máy bay là một bộ phát đáp – Transponder để trả lời
khi nhận được tín hiệu yêu cầu.
Radar mặt đất là loại chủ động sơ cấp, máy phát và thu sử dụng chung ăng
ten. Khối mã hóa (Coder) mã hóa số hiệu và các yêu cầu khác (gồm tên quốc gia,
hãng và số chuyến bay, thông số vị trí, độ cao, tình trạng...) để đưa vào điều chế
máy phát. Khối giải mã (Decoder) làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu phát đáp thu
được từ máy bay được yêu cầu. Radar trên máy bay sử dụng chung ăng ten. Bộ
giải mã làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu thu được để chuyển thông tin tới khối mã
hóa. Khối này mã hóa các thông số yêu cầu và đưa vào điều chế máy phát để phát
trả lời trạm mặt đất trong vùng quản lý không lưu.

Hình 1.14. Sơ đồ khối radar hàng không.
Tần số hoạt động 1030MHz được dùng cho phát hỏi và 1090MHz được
dùng phát trả lời. Các xung phát P1, P3 cho việc hỏi và xung P2 (phát sau P1)
dùng cho điều khiển. Khoảng thời gian giữa P1-P3 xác định chế độ hỏi như sau:
Mode A: 8 ± 0, 2 μs; Mode C: 21 ± 0, 2 μs. Thời gian giữa P1 –P2 là 2,0μs.
Khoảng thời gian của các xung P1, P2 và P3 là 0,8 ± 0,1
Chế độ phát: Sáu tổ hợp xung hỏi được chuẩn hóa, mỗi tổ hợp có ý nghĩa
riêng và chúng được gọi là MODES trong hệ thống SSR. Các chế độ gồm mode A,
B, C và D.
Mode A: yêu cầu bộ phát đáp máy bay cho biết nhận dạng và giám sát.
9


Mode C: yêu cầu bộ phát đáp cho biết áp suất-độ cao và giám sát.
Mode A/C/S all-call: Yêu cầu trả lời để giám sát của mode A/C và cho nhận biết mode S
Mode A/C-only all-call: Yêu cầu trả lời để giám sát của mode A/C, Bộ phát đáp mode S
không trả lời.

Mode S gồm:
- Mode S-only all-call: yêu cầu trả lời để nhận biết của mode S.
- Broadcast: quảng bá thông tin cho tất cả bộ phát đáp mode S. Không cần trả lời.
- Selective: Phát lựa chọn cho giám sát của, và thông tin với các bộ phát đáp mode
S riêng. Mỗi lần hỏi một bộ phát đáp duy nhất trả lời.

Hình 1.15. Đồ thị thời gian xung tín hiệu radar thứ cấp.
Kết nối dữ liệu loại có thể thao tác cho phép trao đổi dữ liệu mặt đất-máy bay sử
dụng mode S như một mạng chuyển mạch gói.

Hình 1.16. Tương thích các chế độ hỏi-đáp của radar hàng không.

10


1.3.5. Radar hiệu ứng Dopller phát sóng liên tục – CW Doppler Radar
Radar phát sóng liên tục sử dụng hiệu ứng Doppler để đo vận tốc của mục tiêu dựa
trên tần số phát và thu. Một trong ứng dụng tiêu biểu của loại này là đo vận tốc xe với
mục đích tăng cường an toàn giao thông.

CW-Doppler Radar
Hình 1.17. Sơ đồ khối radar Doppler phát sóng liên tục.
Bộ tạo giao động (G1-generator) tạo ra tần số phát (f S) để phát đi. Bộ tạo giao động thứ
hai (G2) tạo giao động nội để trộn tần cho ra tần số trung gian (f ZF+FS). Bộ trộn M1 và
lọc băng hẹp (BPF) tạo ra tần số ổn định (f S+fZF). Bộ trộn thứ 2 (M2) trong máy thu tạo
phách biến đổi tín hiệu thu được ở tần số f S+fD thành tần số trung tần –IF. Máy thu có độ
nhậy cao để thu tín hiệu phản xạ yếu từ mục tiêu. Bộ trộn thứ 3 (M3) cho ra tần số dịch
chuyển Doppler (fD) để tính toán ra vận tốc của mục tiêu. Độ chính xác tùy thuộc vào góc
xuyên tâm tạo ra bởi hướng chuyển động của mục tiêu và đường thẳng nối từ radar đến
mục tiêu.

1.3.6. Radar lập ảnh địa hình - Imaging Radar system
Hệ thống Radar này được đặt trong không gian để ghi hoặc chụp ảnh địa hình (3D) quan sát và nghiên cứu trái đất.
Đây là loại radar điều chế xung trong khoảng thời gian hạn chế - độ rộng xung rất
hẹp. Nó cho phép tương tác với cả các phong cảnh thiên nhiên. Hệ thống dùng tần số lặp
xung (pulse repetition frequency) có thể rất nhỏ khi cự ly ảnh ở xa. Độ rộng xung phát
hẹp quyết định độ phân giải ảnh. Điều quyết định chất lượng hệ thống là khối Định thời
và điều khiển tần số (Timing and frequency control). Xung tri-gơ tạo ra ở khối này được
đưa vào Bộ điều chế (Pulse generation and modulation) của máy phát. Cả máy phát và
thu cùng chung ăng ten. Bộ giải điều chế tách tín hiệu trực pha (I và Q) đưa tới khếch đại

11


và chuyển đổi tương tự-số đối với tín hiệu tạo ảnh thu nhận được. Dữ liệu nhận được đưa
tới máy tính xử lý ảnh.

Hình 1.18. Sơ đồ khối radar tạo ảnh địa hình.

1.4. Chức năng của Radar
1.4.1. Chức năng của Radar thông thường (PPI)
1. Đo khoảng cách (range) của mục tiêu (nhờ việc xác định khoảng thời gian trễ của tín
hiệu phản xạ thu được).
2. Đo vận tốc của mục tiêu (dựa vào dịch chuyển tần số Doppler)
3. Góc phương vị (dựa vào xung đánh dấu phương vị hoặc hướng mũi tàu)
4. Xác định kích thước mục tiêu (nhờ vào độ lớn tín hiệu phản xạ thu được)
5. Xác định hình dạng của mục tiêu (nhờ tín hiệu phản xạ như một hàm phương hướng)
6. Xác định các mục tiêu chuyển động (nhờ sự thay đổi của sóng phản xạ)
7. Xác định cấu tạo vật liệu của mục tiêu (dựa vào tính chất phản xạ của vật liệu)
1.4.2. Chức năng của Radar SAR
Hệ thống radar SAR dùng để tạo ảnh cho mục đích quan sát trái đất từ xa hoặc

nghiên cứu trái đất, định vị tâm bão, dòng hải lưu, lũ, mực nước sông, ...

1.5. Tần số Radar
1.5.1. Bảng phân loại theo phổ tần và chức năng Radar của Hoa Kỳ
Bảng 1.1. Bảng phân loại theo phổ tần và chức năng Radar
5-25 MHz
420-450 MHz
902-928 MHz

Radar cảnh báo sớm (Over The Horizon Radar)
Radar hàng không - space search, airborne search
Radar hàng không - air search

12


1215-1400 MHz
2700-2900 MHz
2900-3100 MHz

Radar hàng không cự ly xa - long range air search
Radar điều khiển không lưu - air traffic control (terminals)
Radar hàng hải và hàng không, thời tiết-air & marine search,

weather
3100-3700 MHz
5250-5925 MHz
8.5-10.5 GHz
13.4-14.0 GHz
15.7-17.7 GHz

24.05-24.25 GHz

Radar hàng không - air search
Radar hàng không, thời tiết - air search, weather
Radar hàng không - airborne functions
Radar hàng không - airborne functions
Radar hàng không - airborne functions
Radar cảnh sát công suất thấp - low power (e.g., police radars)

Radar loại “Over The Horizon Backscatter” ((U.S) OTH/B) ( cảnh báo sớm
mục tiêu tán xạ) của Mỹ hoạt động ở 5-28MHz, Radar loại “Navy Relocatable
Over The Horizon Radar (ROTHR)” ( tái định vị radar và mục tiêu) của Mỹ và
Woodpecker của Nga hoạt động ở băng HF.
Radar cảnh báo sớm – Early Warning Radars (EWR) hoạt động ở băng tần
VHF và UHF. Radar cảnh báo sớm cho tên lửa (BMEWS) nhằm tìm và truy bám
mục tiêu hoạt động ở 245MHz.
Hệ thống radar dàn pha đa chức năng trên tàu hải quân Mỹ - AEGIS hoạt
động ở băng S (2-4GHz).
1.5.1. Phân loại theo phổ tần radar của EU:

Hình 1.19. Dải tần số Radar A và B băng HF và VHF. Vạch màu Lục là phổ tần radar.

Các băng tần radar dưới 300MHz được dùng cho radar cảnh báo sớm (Over The
Horizon -OTH Radars). Sử dụng tần số thấp phù hợp khi thiết kế máy phát công
suất cao. Suy giảm sóng điện từ thấp hơn so với tần số cao. Mặt khác, độ chính xác
bị giới hạn vì tần số thấp yêu cầu ăng ten kích thước vật lý rất lớn để xác định độ
phân giải và sự chính xác góc. Những tần số này cũng dùng cho thông tin và phát
thanh do đó băng thông của radar bị giới hạn.
13

Băng C (UHF radar): Một số radar riêng dùng băng tần 300MHz – 1GHz. Đây là
băng tần tốt cho các radar nhận biết và truy bám của các vệ tinh và tên lửa đạn đạo
trên cự ly xa. Những radar này hoạt động cho việc cảnh báo và nhận biết mục tiêu
sớm giống như radar giám sát cho Hệ thống phòng không mở rộng (Medium
Extended Air Defense System - MEADS). Một số radar thời tiết, ví dụ quan sát
gió, hoạt động ở các tần số này vì sóng điện từ ít bị ảnh hưởng bởi các đám mây và
mưa. Công nghệ mới – Radar băng thông siêu rộng (Ultrawideband (UWB)
Radars) sử dụng tất cả băng tần từ A tới C. Radar UWB phát xung rất hẹp đồng
thời trên tất cả các tần số. Chúng được dùng để kiểm tra vật liệu về mặt kỹ thuật
như là radar nhìn thấu mặt đất (Ground Penetrating Radar -GPR) cho khám phá
khảo cổ.
Băng D (L-Band Radar): Băng tần 1-2GHz dùng cho radar giám sát hàng không
cự ly xa khoảng 400km. Các radar phát xung công suất lớn băng rộng và thường
được điều chế mã trước đèn công suất – magnetron. Do bề cong của trái đất, cự ly
cực đại bị giới hạn khi mục tiêu bay ở độ cao thấp, sẽ biến mất nhanh sau đường
chân trời. Trong các radar giám sát không lưu cự ly xa (Air Traffic Management
(ATM) long-range surveillance radars) như Radar hàng tuyến (Air Route
Surveillance Radar (ARSR)) hoạt động trong băng tần này. Kết hợp với radar giám
sát thứ cấp đơn xung ( Secondary Surveillance Radar (MSSR)) chúng sử dụng ăng
ten kích thước lớn có vòng quay chậm hơn.
Băng E/F (S-Band Radar): Trong băng này, suy giảm sóng điện từ cao hơn so với
băng D. Trạm radar này cần công suất phát cao hơn so với các băng tần thấp để có
cự ly cự đại. So với radar công suất trung bình (Medium Power Radar (MPR)) nó
cần một công suất phát xung tới 20 MW. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết cao
hơn so với băng D. Do đó, một cặp radar thời tiết hoạt động ở băng E/F, nhưng cần
phải nhiều radar hơn cho điều kiện khí hậu của vùng nhiệt đới, vì ở đây radar có
thể quan sát vượt ra ngoài phạm vi một cơn bão. Các trạm radar giám sát hàng
không đặc biệt (Special Airport Surveillance Radars (ASR)) được dùng tại các sân
bay để nhận biết và hiển thị vị trí máy bay trong khu vực cảng với cự ly khoảng

14


100km. Một radar giám sat ASR nhận biết vị trí máy bay và điều kiện thời tiết
trong khu vực lân cận của sân bay dân sự và quân sự. Băng tần này dùng ăng ten
nhỏ và cự ly ngắn hơn ngược hẳn với băng L.
Băng G (C-Band Radar): Băng này có nhiều phương tiện chiến đấu lưu động của
quân sự, điều khiển tên lửa và radar giám sát mặt đất với cự ly ngắn hoặc trung
bình. Kích thước ăng ten đủ lớn sẽ cho ra độ phân giải và độ chính xác vượt trội,
nhưng các ăng ten kích thước nhỏ cũng không làm ảnh hưởng việc định vị. Thời
tiết xấu ảnh hưởng mạnh ở băng này. Do vậy các radar giám sát hàng không
thường dùng ăng ten phân cực tròn.
Băng I/J (X- & Ku- Band Radars): Trong băng 8 và 12GHz, quan hệ giữa độ dài
bước sóng và kích thước ăng ten tốt hơn đáng kể so với băng tần thấp hơn. Đây là
băng tần radar phổ biến cho quân sự, giống như radar hàng không cho việc thực
hiện các vai trò của đánh chặn, chiến đấu và tấn công máy bay đối phương và của
các mục tiêu mặt đất. Một ăng ten kích thước nhỏ cũng hoạt động tốt ở băng tần
này. Các hệ thống hướng dẫn tên lửa ở băng này có kích thước thuận tiện và băng
tần này ứng dụng cho các hoạt động lưu động và trọng lượng nhẹ. Băng này được
dùng rộng rãi cho radar hàng hải và hải quân. Các ăng ten kích thước nhỏ và rẻ với
tốc độ quay cao (khoảng 24 vòng/phút) phù hợp cho cự ly khá xa (đến 120NM) và
độ chính xác tốt. Các ăng ten dùng ống dẫn sóng hoặc cáp đồng trục nối với thiết
bị, và được bọc trong vỏ bảo vệ. Băng này cũng phổ biến cho radar hàng không
hoặc radar tạo ảnh lắp trên máy bay (SAR) cả cho tình báo điện tử quân sự và tạo
ảnh địa lý trong dân sự. Radar đặc biệt (Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR))
được dùng như thiết bị hàng hải-hàng không kiểm soát ô nhiễm.
Băng K (K- and Ka- Band Radars): Băng tần này bị suy hao cao hơn với bầu khí
quyển. Radar băng này cung cấp cự ly ngắn, độ phân giải rất cao và tốc độ cập
nhật ảnh dữ liệu cao. Trong quản lý không lưu-ATM, các bộ radar này được gọi là

radar quan sát chuyển động bề mặt (Surface Movement Radar (SMR)) hoặc thiết bị
nhận dạng mục tiêu trên sân bay (Airport Surface Detection Equipment (ASDE)).

15


Sử dụng xung phát xạ rất ngắn cỡ nano giây để đạt phân giải cự ly và cho thấy rõ
máy bay trên màn hình radar.
Băng V: Bởi sự phân tán do độ ẩm không khí, băng này bị suy giảm mạnh. Các
radar chỉ dùng cho cự ly ngắn một vài mét.
Băng W: Có hai hiện tượng: suy giảm cực đại ở khoảng 75GHz và cực tiểu ở
khoảng 96GHz. Băng 75-76GHz dùng cho radar hỗ trợ dừng đỗ trên ô tô. Dải tần
này suy hao lớn do các phân tử ô xy, tạo nên nhiễu cho radar.
1.6. Ăng ten Radar
1.6.1. Chức năng của ăng ten
- Chuyển đổi năng lượng phát thành sóng điện từ trong không gian với sự phân bố
và hiệu quả theo yêu cầu.
- Đảm bảo rằng tín hiệu đáp ứng theo yêu cầu trong không gian. Đó là búp sóng
phải đủ hẹp để cho độ phân giải theo yêu cầu.
- Cung cấp tần suất mong muốn khi cập nhật các vị trí mục tiêu. Trong trường hợp
ăng ten quét cơ khí nó cân bằng với tốc độ quay. Tốc độ quay cao là một vấn đề cơ
khí quan trọng. Ăn ten ở những băng tần nhất định là một gương phản xạ với kích
thước rộng và có thể nặng vài tấn.
- Đo điểm hướng với độ chính xác cao. Cấu trúc ăng ten phải đảm bảo duy trì hoạt
động dưới mọi điều kiện môi trường. Nó được bọc vỏ trong điều kiện môi trường
khắc nghiệt. Hiện nay có hai loại ăng ten mang lại hiệu quả đó là: Ăng ten đĩa para-bol và ăng ten dàn.
1.6.2. Thông số ăng ten:
- Độ rộng búp sóng tại mức nửa công suất - Half power beamwidth, HPBW (θB)
- Sự phân cực của ăng ten - Polarization
- Mức công suất của búp phụ - Sidelobe level

- Tạp âm nhiệt của ăng ten - Antenna noise temperature ( TA)
- Băng thông - Operating bandwidth
- Diện tích phản xạ hiệu dụng và đặc trưng của mục tiêu- Radar cross section and
other signatures

16


- Độ lợi của các loại ăng ten – Gain.
1.6.3. Các loại ăng ten radar
Ăng ten ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của radar. Khi thiết kế radar, nhà sản suất
sử dụng ăng ten phản xạ có cấu trúc phù hợp để cung cấp vùng bao phủ theo yêu
cầu. Năng lượng cao tần được đưa từ loa tiếp sóng tới một bộ phản xạ tạo nên búp
sóng. Ba loại mặt phản xạ ăng ten cơ bản được nêu trong hình vẽ (a), (b) và (c)
dưới đây.

Hình 1.20. Mẫu búp sóng ăng ten radar
Hình (a) là loại ăng ten đĩa parabol dùng mặt phản xạ tròn, tạo ra búp sóng hẹp,
gọi là búp bút chì. Mặt phản xạ được quay tới tọa độ góc sao cho búp sóng hướng
tới mục tiêu. Nó phù hợp cho truy bám và quan sát các mục tiêu riêng. Do búp
sóng hẹp và lướt nhanh được giới hạn bởi quét cơ khí, nó không hiệu quả để giám
sát vùng rộng.
Ăng ten phản xạ parabol (hình b) thường có mép hình chữ nhật hoặc ô-val. Mép
bề ngang dạng parabol, tạo ra búp sóng hội tụ hẹp theo phương vị. Hình mặt phản
ảnh và ống dẫn sóng chiếu theo mặt đứng để tạo nên góc nâng rộng giống cánh
quạt. Radar loại này luôn quay để quét búp sóng theo trục phương vị. Mẫu ăng ten
theo góc nâng được làm thích ứng để tạo nên vùng bao phủ độ cao mong muốn.
Thể tích quét của radar tỷ lệ với chu kỳ lặp và theo vòng quay ăng ten. Chu kỳ này
khoảng 5 đến 20 giây, radar loại này được giới hạn khả năng truy bám các mục
tiêu có điều khiển và tạo ra tỷ lệ quan sát cao các mục tiêu.

17


Ăng ten dàn pha (hình c) áp dụng kỹ thuật mới, giá thành cao hơn 2 loại trên.
Chúng tạo nên sự mềm dẻo hơn cho các ứng dụng đa chức năng. Radar loại này sử
dụng mặt phẳng gồm một dàn các chấn tử bức xạ. Pha của sóng bức xạ RF từ mỗi
chấn tử có thể được điều khiển bằng điện tạo nên một búp sóng rọi tới nơi mong
muốn trong khoảng 60 độ trên hướng bề mặt dàn. Điều này cho phép nhanh chóng
lái búp sóng điện tử. Dàn phẳng thường tạo ra búp sóng bút chì, mặc dù diện tích
hiệu dụng của búp sóng có thể là hình elip nếu dàn không tròn hoặc vuông. Các
ăng ten dàn pha tuyến tính, trong đó tạo ra búp sóng hình cánh quạt đôi khi được
sử dụng.
Ăng ten dàn pha trên mặt đất thường được đặt hướng cố định. Do vùng bao
phủ của dàn phẳng được giới hạn trong một hình nón có nửa góc khoảng 60 độ,
nên cần từ 3 bề mặt dàn bao phủ nửa bán cầu.
Ăng ten dàn pha cho vệ tinh hoặc máy bay và một số radar mặt đất có thể
được đặt hướng bằng cơ khí để tạo ra vùng bao phủ theo hướng mong muốn.
Do tái định vị búp sóng nhanh, các ăng ten dàn pha có thể hỗ trợ cả giám sát
vùng rộng và quan sát mục tiêu với tốc độ dữ liệu cao và truy bám nhiều mục tiêu.
Hầu hết ăng ten loại này được điều khiển bằng máy tính, nhiều loại cho phép sử
dụng nhiều dạng sóng, chế độ hoạt động và xử lý tín hiệu. Chúng có khả năng hoạt
động đa chế độ có thể đan xen việc tìm mục tiêu, truy bám và chức năng đo xác
định, có thể phản ứng nhanh chóng trong tình huống chiến thuật và nhu cầu khác.
Tuy nhiên có nhiều loại ăng ten lai kết hợp đặc trưng của ăng ten phản xạ và ăng
ten dàn để cung cấp vùng bao phủ theo yêu cầu.
Ăng ten radar hàng hải có độ rộng búp sóng chiều nâng khoảng 20 độ, trong
khi đó độ rộng theo phương vị khoảng 1 độ để tăng phân giải ngang của mục tiêu
Búp sóng đặc trưng của ănten radar hàng hải được nêu trong hình sau:

18


Hình 1.21. Búp sóng ăng ten Radar JMA 625
1.6.4. Mẫu bức xạ ăng ten
-Hệ tọa độ cực: Hầu như các ăng ten radar bức xạ có định hướng. Mẫu bức xạ là
một cách đánh dấu năng lượng bức xạ từ một ăng ten. Năng lượng được đo ở các
góc khác nhau ở cùng một khoảng cách từ ăng ten. Có hai loại hệ được dùng đó là
hệ tọa độ vuông góc và hệ tọa độ cực. Đồ thị hướng trong hệ tọa độ cực được dùng
phổ biến hơn, trong đó các điểm được xác định dọc theo bán kính quay giao cắt với
các vòng tròn đồng tâm.

Hình 1.22. Đồ thị hướng của ăng ten trong hệ tọa độ cực
- Búp chính (main beam) là vùng quanh hướng bức xạ cực đại trong phạm vi (3dB) từ đỉnh búp chính.
Độ lợi tại mức nửa công suất:
GHPBW = 10log

0,5 P
= 10 * ( −0,301029995663981) ≈ −3,01dB
P

19


-Hệ tọa độ vuông góc: Trong hệ này các điểm được xác định theo hai trục vuông
góc. Trục hoành tương ứng với các đường tròn của hệ tọa độ cực, trục tung tương
ứng với bán kính quay của hệ tọa độ cực. Thang tỷ lệ có thể tuyến tính hoặc theo tỷ
lệ logarit. Từ đó có thể xác định tỷ lệ độ lợi của búp chính và các búp phụ. Trong
hình vẽ sau đây cho thấy búp phụ theo hướng 180 độ đạt -34dB, hướng 6 độ đạt
-20dB

Hình 1.23. Đồ thị mẫu bức xạ ăng ten
- Sóng mặt và chùm tia

Hình 1.24. Đồ thị bề mặt sóng trong không gian 3-D
Trong trường xa của ăng ten (ở khoảng cách R>2D2/λ)., các sóng là mặt cầu.
Mặt sóng ở khoảng cách xa là mặt phẳng cục bộ. Bức xạ sóng có thể được mô hình
hóa chính xác bằng một sóng mặt cục bộ.
Đặc trưng quan trọng nhất đối với ăng ten là độ rộng búp sóng, độ lợi và mức búp
phụ. Mẫu bức xạ ăng ten được định nghĩa theo trường xa của ăng ten. Đây là
khoảng cách mà ở đó các tia từ ăng ten song song nhau (gọi là vùng Fraunhofer).

20


Hình 1.25. Mô tả trường xa của ăng ten.
Khoảng cách trường xa bắt đầu:
RF =

2w 2
λ

Trong đó: RF khoảng cách trường xa; w là kích thước ăng ten trong mặt phẳng
mà các mẫu được đo; λ là độ dài bước sóng.
Tại khoảng cách này, độ lợi ăng ten khoảng 99% so với độ lợi tại khoảng cách
không xác định.
Độ rộng búp sóng được tính theo đỉnh búp chính ở mức -3dB, gọi là độ rộng
nửa búp sóng (θ): θ =

k A .λ

, trong đó, kA là hệ số độ rộng búp sóng, k A ≤ 1 và phụ
w

thuộc vào mẫu rọi của ăng ten.
Độ rộng búp sóng bao gồm hai mặt cắt vuông góc theo phương ngang – trục x
và phương đứng-trục y. Do đó góc: θ y (hay θE) là độ rộng búp sóng mặt đứng, θ x
(hay θA) là độ rộng búp sóng theo mặt ngang.
Đối với ăng ten hai góc trên tương ứng với độ rộng búp sóng trong mặt phẳng
đứng θE và độ rộng búp sóng trong mặt phương vị θA.
Đối ăng ten vuông hoặc tròn, các độ rộng búp sóng vuông góc này bằng nhau.
Đối với các ăng ten hình chữ nhật hoặc oval, hai góc này không bằng nhau. Đối
với radar quay bám và giám sát, ví dụ radar hàng hải góc búp sóng đứng lớn hơn
góc búp sóng theo phương ngang (ví dụ radar 625 có góc búp sóng đứng 20 độ,
góc ngang 1 độ).

21


Độ lợi búp chính của ăng ten được định nghĩa là cường độ bức xạ cực đại chia
bởi cường độ bức xạ từ một nguồn đẳng hướng không suy hao, ký hiệu G.
1.6.5. Độ lợi của ăng ten
- Độ lợi-Gain: Là tỷ số giữa năng lượng bức xạ theo một hướng nhất định so với
năng lượng bức xạ đẳng hướng tương đương của một ăng ten.
Nguồn năng lượng bức xạ của một ăng ten theo mọi hướng là tương đương nhau
được gọi là bức xạ đẳng hướng tương đương (isotropic radiation). Ăng ten định
hướng là loại có năng lượng bức xạ theo một hướng nào đó lớn hơn các hướng
khác. Một ăng ten phát có độ lợi nhất định nếu được dùng làm ăng ten thu thì sẽ có
cùng độ lợi.

Hình 1.26. Độ lợi ăng ten phụ thuộc độ mở hay kích thước ăng ten

- Độ lợi của một ăng ten thu được định nghĩa tại điểm cực đại:
G = (Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten)/(Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten đẳng
hướng).
- Độ lợi ăng ten phát định nghĩa tương tự nhưng thay Mật độ công suất phát cho
Công suất tín hiệu ở công thức G trên.
- Độ lợi bao gồm cả suy hao giữa các điểm đầu vào và ra.
+ Nếu không tính tới suy hao, độ định hướng của ăng ten được định nghĩa:
Directivity=D = (Công suất tín hiệu đầu ra ăng ten)/(Công suất tín hiệu đầu ra ăng
ten đẳng hướng).
- Ăng ten đẳng hướng- isotropic antenna: bức xạ hoặc thu công suất tín hiệu
như nhau theo mọi hướng.
- Nếu trong một ăng ten được chọn, tất cả tín hiệu bức xạ được ép vào trong
một góc khối Ώ(radian) thì phương trình thể tích cầu và hình nón như sau:
22


4 3 1
4π
π .r = Ω.D ==> D =
, với r = 1 đơn vị
3
3
Ω

- Cách khác để tính độ định hướng D: đó là so sánh diện tích một ăng ten là
AA và một ăng ten đẳng hướng có diện tích λ2/4П, ta có:
D=

AA 4π . AA
=

λ2
λ2
4π

Hình 1.27. So sánh ăng ten đẳng hướng và ăng ten định hướng
+ Từ đó tính Độ lợi ăng ten: G = D.ε =

4π . A
4π . AA
4π * A
G
=
=
,
hay
;
2
λ
λ 2 .LA .LE
λ2

Trong đó: A = AA * ε là diện tích hiệu dụng của ăng ten
AA là diện tích của ăng ten
ε = 1/LA.LE hệ số hiệu dụng, 0 ≤ ε ≤ 1 (khoảng 0,6-0,7)

LA - là suy hao thuần trở của ăng ten,
LE - là suy hao do hiệu suất độ mở
λ=

c

là độ dài bước sóng, c=3*108m/s, và f là tần số phát
f

- Để tăng độ lợi cần phải giảm độ rộng búp sóng, đạt được bằng cách tăng
kích thước ăng ten tương ứng với tăng độ dài bước sóng (vì kích thước tỷ lệ
với λ/2)
- Đối với Radar, độ lợi cao và búp sóng hẹp là mong muốn với việc nhận biết
và truy bám mục tiêu ở xa và đo hướng chính xác.
- Độ lợi là một hàm của kích thước vật lý của ăng ten, độ dài bước sóng và suy
hao ăng ten.
23


- Ăng ten có mặt phản xạ (khẩu độ) chữ nhật: chiều ngang w, và cao h có
diện tích là Wh sẽ có độ định hướng: D =

4π .W .h
4π .Wh.
.ε
, G=
2
λ
λ2

- Độ lợi của ăng ten Pa-ra-bol:

Hình 1.28. Diện tích mặt cắt tại mức nửa búp sóng (HPBW hay θ3dB)
Hình ABCD là mặt cắt tại mức nửa công suất có diện tích tương ứng là S. Góc
quét ngang búp sóng φ nhỏ, góc quét đứng búp sóng β nhỏ (tương tự ở mục 4. trên
θy là độ rộng búp sóng mặt đứng, θx là độ rộng búp sóng theo mặt ngang).

- Tam giác cầu RCD cho cung:

b = r *sin ϕ =

- Tam giác cầu RHC cho cung: a = r * sinβ =

2π * r 0
ϕ
3600

2π * r 0
β
3600

- Diện tích mặt cắt: S = a * b = r 2 * sinϕ *sin β =

(2π * r ) 2 0
ϕ *β0
0
0
360 .360

2
- Diện tích mặt cầu bán kính r: SCau = 4π * r

- Suy ra:
G=

G=

Scau
4π * r 2
4π * r 2
= 2
=
(2π * r ) 2 0
S
r *sin ϕ *sin β
ϕ *β0
0
0
360 .360

129.600
129600
41252,996 41253
2
=
=
= 0
0
0
0
0
0
0
0 (độ) ;
π *ϕ * β
3,141259 ^ *ϕ * β
ϕ *β

ϕ *β

λ
- ăng ten Pa-ra-bol có độ định hướng cao: ϕ = β ≈ 1,02899 (rad )
d

λ
ϕ 0 = β 0 = 58,957 (deg rees)
d

24


Trong đó: d là đường kính của ăng ten
- Nhiễu mục tiêu với búp sóng ăng ten:
Ăng ten có vai trò như bộ lọc đầu tiên trong một chuỗi lọc của radar, búp chính
được dùng để định hướng và tập trung năng lượng từ máy phát và chọn tín hiệu
phản xạ từ mục tiêu mong muốn. Mỗi búp phụ cũng phát và thu năng lượng tín
hiệu nhiễu và tạp âm môi trường. Nếu búp chính không quét vào mục tiêu thì các
búp phụ có thể gây ra các vấn đề nhiễu.
Nhiễu với các radar quân sự hay hàng không được mô tả theo hình vẽ sau:

Hình 1.29. Nhiễu địa hình và nhiễu mục tiêu do đặc điểm bức xạ của ăng ten.
Trong tình huống quân sự, máy bay tấn công được bay kèm các máy bay gây
nhiễu. Khi nó đi vào vùng giám sát của radar, máy bay hộ tống có gắn thiết bị điện
tử chống radar (ECM) sẽ gây mù tín hiệu phản xạ từ máy bay tấn công bằng cách
phát tín hiệu gây nhiễu đủ lớn để tạo nhiễu xung quanh đội hình khi tín hiệu này đi
vào búp phụ ở gần. Máy bay gây nhiễu xa hoạt động ngoài cự ly của radar phòng
không tạo nên hàng rào tín hiệu nhiễu sử dụng nhiễu công suất lớn xâm nhập vào
búp phụ ăng ten.

25