Nghiên cứu khả năng phát hiện mục tiêu radar hàng hải

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : - Hội đồng bảo vệ Trƣờng ĐHHH;
- Khoa Điện-Điện tử, Viện Sau đại học-Trƣờng ĐHHH
Tôi tên là : Nguyễn Văn Minh
Lớp
: Cao học Kỹ thuật điện tử-2013
Tên đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu khả năng phát hiện mục tiêu Radar Hàng hải “
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân đƣợc xuất phát từ
yêu cầu thực tế công việc để hình thành hƣớng nghiên cứu, luận văn này không
giống hoàn toàn với luận văn hoặc công trình đã có trƣớc đó.
Hải phòng, ngày

tháng

TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Minh

i

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau 2 năm học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành khóa học và luận văn tốt
nghiệp của mình. Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các Thầy, cô
giáo trong Khoa Điện - Điện tử và Viện sau đại học Trƣờng đại học Hàng hải Việt
nam đã mang hết tinh thần và trách nhiệm giảng dạy để truyền đạt những kiến thức
bổ ích, tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình tham gia học tập tại Trƣờng.

Qua đây, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Giảng viên TS. Phạm
Văn Phƣớc-Trƣờng đại học Hàng hải Việt nam, ngƣời đã hƣớng dẫn và có ý kiến
bổ sung, chỉnh sửa quý báu trong quá trình thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, những ngƣời đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố gắng
làm tốt đề tài tốt nghiệp. Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, các anh chị
đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Hải Phòng, ngày

tháng 09 năm 2015

Học viên

Nguyễn Văn Minh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN. ...................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................... vii
MỞ ĐẦU……………. .......................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG RADAR ....................... 3
1.1. Lịch sử phát triển. .................................................................................................3
1.2. Khái niệm mục tiêu và các tham số cơ bản của Radar. ........................................4
1.2.1. Mục tiêu Radar. .............................................................................................4
1.2.2. Tham số xác định vị trí. .................................................................................5

1.2.3. Qũy đạo mục tiêu. ..........................................................................................9
1.3. Chức năng và phân loại Radar............................................................................10
1.3.1 Chức năng của radar....................................................................................10
1.3.2. Phân loại radar. ..........................................................................................10
1.4. Cấu trúc Radar hàng hải. ....................................................................................12
1.4.1. Phần phát.....................................................................................................13
1.4.2. Phần thu.......................................................................................................13

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ VÀ HỆ THỐNG RADAR HÀNG HẢI ............... 18
2.1. Nguyên lý hoạt động của Radar chủ động sơ cấp điều chế xung. .....................18
2.1.1. Sóng điện từ. ................................................................................................ 18
2.1.2. Nguyên lý của xác định mục tiêu của Radar phát xung. .............................19
2.1.3. Tính toán cự ly . ...........................................................................................22
2.1.4. Cự ly phân giải mục tiêu. ............................................................................24
2.2. Nguyên lý xác định vân tốc mục tiêu theo hiệu ứng Doppler. ..........................26
2.2.1. Hiệu ứng Doppler. .......................................................................................26
2.2.2. Các bước xử lý tín hiệu radar. ....................................................................29
2.3. Phƣơng trình cự ly của Radar hàng hải. .............................................................30
2.3.1. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu radar (Radar cross Section). ...30

iii


2.3.2. Phương trình radar hàng hải. .....................................................................31
2.3.3. Sự ảnh hưởng của tạp nhiễu. .......................................................................36
2.3.4. Phương trình radar đối với tần số lặp xung thấp. ......................................37
2.3.5. Phương trình radar với tần số lặp xung cao. ..............................................38
2.3.6. Bức xạ trong radar hàng hải. ......................................................................39

CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CỰ LY MỤC TIÊU

RADAR…………………. ...................................................................................... 53
3.1. Tính toán cự ly phát hiện mục tiêu. ....................................................................53
3.2 Mô phỏng tính toán cự ly phát hiện mục tiêu Radar. ..........................................61

KẾT LUẬN………….. ....................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 70
PHỤ LỤC……………. ....................................................................................... 71

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích

AGL

Average Ground Level

MSL

Mean Sea Level

ACP

Azimuth-Change-Pulses

PRF

Pulse repetition frequency

SHM

Ship Heading Marker

PRF

Pulse Repeatition Frequency

MTI

Moving Target Indicator

PRT

Pulse repetition Time

RCS

Radar cross Section

EIRP

Effective Isotropic Radiated Power

ERP

Effective Radiated Power

ECDIS

Electronic Chart Display and Information Systems

AGC

Automatic Gain Control

IHO

International Hydrographic Organization

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Ảnh hƣởng của các tham số đến cự ly Radar

26

2.2

Diện tích phản xạ hiệu dụng của một sối bề mặt điển hình

31

2.3

Diện tích phản xạ hiệu dụng theo chuẩn của tổ chức IHO

35

2.4

Vùng khí hậu mƣa

49

3.1

Tổng suy hao trong Radar theo thống kê

54

3.2

Bảng thông số tính toán cự ly cực đại Radar

55

3.3

Bảng thông số Radar và mục tiêu

56

3.4

Thông số radar JMA-8252 băng X và S.

59

3.5

Tổng suy hao và tạp âm áp dụng cho Radar JMA-625

59

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Trang bìa bằng sáng chế radar

3

1.2a

Nhiễu Radar do đám mây, mƣa trên biển

4

1.2b

Mục tiêu nằm trong búp sóng phát của radar

5

1.3a

Độ cao mục tiêu theo địa hình.

6

1.3b

Độ cao mục tiêu trong không gian

7

1.4a

Vị trí mục tiêu trong hệ trục tọa độ x,y,z

8

1.4b

Vị trí mục tiêu trên màn hình Radar.

9

1.5

Các loại chỉ báo mục tiêu radar.

9

1.6

Phân loại radar theo chức năng

10

1.7

Phân loại radar theo sóng điều chế

12

1.8

Sơ đồ phần phát và thu của Radar

12

1.9

Mạch dao động nội dùng diode Gann

14

1.10

Mạch trộn cân bằng dùng cặp diode

15

1.11

Mạch khuếch đại trung tần

16

2.1

Đồ thị sóng trong không gian 3D

18

2.2

Phân cực sóng điện từ trong không gian

19

2.3

Mô tả nguyên lý xác định mục tiêu của radar phát xung

20

2.4

Hình minh họa bài toán xác định công suất trung bình

21

2.5

Xung truyền đi và xung phản hồi

22

2.6

Biểu diễn khoảng cách nhầm lẫn của mục tiêu M2

23

2.7

Ảnh mục tiêu M1 và M2 trên màn hình Radar

23

2.8

Phân giải cự ly với các mục tiêu

24

2.9a

Phản xạ xung của hai mục tiêu M1,M2

25

2.9b

Chuyển động của mục tiêu phản ánh qua bƣớc sóng

26

2.10

Quá trình truyền sóng từ radar và sự phản xạ sóng từ mục tiêu

27

2.11

Hình ảnh minh họa cho góc hƣớng trạm của mục tiêu

28

vii


Số hình

Tên hình

Trang

2.12

Phát hiện mục tiêu.

28

2.13

Thể tích phân biệt mục tiêu.

29

2.14

Các kiểu tán xạ của mục tiêu Radar.

30

2.15

Mật độ công suất tại điểm cách tâm cầu khoảng cách R

31

2.16

Độ lợi ăng ten định hƣớng.

32

2.17

Mô hình hóa quá trình phát-thu của Radar.

33

2.18

Cự ly phát hiện mục tiêu phụ thuộc độ cao ăng ten.

38

2.19

Khoảng cách mục tiêu do khúc xạ bề mặt.

39

2.20

Sơ đồ biểu diễn hằng số k của bán kính hiệu dụng trái đất.

41

2.21

Hiện tƣợng khúc xạ theo độ cao búp sóng

43

2.23

Biểu diễn khúc xạ, phản xạ và đƣờng ống

43

2.24

Suy hao hai chiều phát và thu với góc nâng búp sóng 0,5 độ.

43

2.25

Suy hao bầu khí quyển với góc nâng búp sóng 1 độ

45

2.26

Suy hao bầu khí quyển cả chiều phát và thu, góc nâng búp sóng
5 độ

45

2.27

Suy hao do sƣơng mù với tầm nhìn 30m, 122m và 610m, ở 180

46

2.28

Đồ thị suy hao do mƣa tính theo một chiều radar-mục tiêu.

46

2.29

Đồ thị lƣợng mƣa các vùng.

47

2.30

Mƣa và độ nhậy máy thu radar

48

3.1

Ứng dụng Radar trong Tìm kiếm – Cứu nạn

57

3.2

Cự ly nhận biết mục tiêu theo phân loại của IMO

58

3.3

Quan hệ giữa khoảng cách và tỷ số tín hiệu trên nhiễu khi số
xung đập vào mục tiêu thay đổi

65

3.4

Quan hệ giữa số xung đập vào mục tiêu và tỷ số

65

3.5

Phƣơng trình radar với tần số lặp PRF xung cao

68

viii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Cùng với sự tiến bộ không ngừng của nền văn minh nhân loại là sự phát
triển nhanh, mạnh của các nền khoa học kỹ thuật phục vụ cho đời sống con ngƣời
trong đó không thể không kể đến Radar- “ Radio Dectection and Ranging ”, Radar
là phƣơng tiện dùng sóng vô tuyến điện để phát hiện và xác định vị trí mục tiêu.
Radar không chỉ phát hiện mục tiêu quân sự mà còn giúp ích trong lĩnh vực khí
tƣợng thủy văn, giúp cho việc dự báo thời tiết đƣợc chính xác và thuận lợi
hơn rất nhiều. Radar có thể phát hiện đƣợc sự bất thƣờng của khí quyển xa hàng
trăm Km, giúp máy bay, tàu bè có thể phòng tránh đƣợc thiên tai. Nhờ có Radar
mà máy bay có thể hạ cánh và cất cánh trong bất kỳ trƣờng hợp thời tiết nào. Các
tàu biển đi lại đƣợc an toàn, tránh đƣợc sự va chạm với các tàu bè khác, tránh các
chƣớng ngại trên biển. Phải nói rằng Radar đƣợc ứng dụng trong rất nhiều ngành
kỹ thuật và đời sống.
Ngày nay không chỉ ở Việt Nam mà ở tất cả các nƣớc có bờ biển ngành vận tải
biển, khai thác, đánh bắt hải sản rất phát triển và đƣợc quan tâm đặc biệt. Chính vì
vậy mà mật độ phƣơng tiện tham gia giao thông hàng hải rất dày đặc. Khi đó giải
pháp an toàn cho ngƣ dân khi hoạt động trên biển không chỉ là đảm bảo thông tin
liên lạc và thông tin dự báo thời tiết thông suốt đặc biệt mùa mƣa bão mà còn là
giải pháp an toàn phòng tránh tai nạn trên biển do va chạm giữa các tàu cá với tàu
hàng và giữa tàu cá với nhau. Với ý nghĩa đó để giảm thiểu tối đa các vụ tai nạn
đâm va trên biển, các tàu hoạt động trên biển rất cần trang bị ra đa hàng hải để có
thể phát hiện đƣợc mục tiêu trong đêm và trong điều kiện thời tiết xấu, đảm bảo an
toàn cho tàu và ngƣời trên biển. Trong lĩnh vực quân sự rađa hàng hải cũng đƣợc
sử dụng để xác định các mục tiêu xâm phạm chủ quyền biển đảo, thềm lục địa
thiêng liêng của tổ quốc.

Nhận thức đƣợc sự quan trọng của rađa hàng hải trong công tác khai thác
đánh bắt thủy hải sản và trong sự nghiệp bảo vệ chủ quyền biển đảo thềm lục địa
1


thiêng liêng của Tổ quốc em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng phát hiện
mục tiêu Radar hàng hải”.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.
Nghiên cứu các tham số cơ bản, nguyên lý hệ thống Radar nói chung. Đi
sâu nghiên cứu hệ thống Radar hàng hải, nguyên lý xác định mục tiêu, vận tốc,
phân tích mô hình hóa và lập phƣơng trình Radar hàng hải trong trƣờng hợp có tần
số lặp xung khác nhau. Tính toán và mô phỏng phƣơng trình Radar trên phần mềm
Matlab.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu: Nghiên cứu các loại Radar, trong đó tập trung nghiên
cứu ra đa hàng hải.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng phát hiện mục tiêu của ra đa hàng
hải.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp tổng hợp, phân tích: Tổng hợp và phân tích các tài liệu, công
trình có liên quan chọn lọc các nội dung phù hợp với đề tài.
Sử dụng phần mềm matlab để phân tích, tính toán mô phỏng về cự ly phát hiện
mục tiêu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Trên cơ sở nghiên cứu đề tài đã:
- Lập phƣơng trình cự ly của Radar hàng hải.
- Tính toán, mô phỏng cự ly phát hiện mục tiêu trên phần mềm matlab.
Ý nghĩa thực tiễn: Giúp cán bộ hàng hải xác định chính xác vị trí tàu của
mình và sự chuyển động tƣơng quan với các mục tiêu trên biển, nhằm đảm bảo an
toàn trong giao thông hàng hải, nâng cao hiệu quả khai thác các tiềm năng về biển,

bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo thềm lục địa thiêng liêng của Tổ quốc.

2


CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG RADAR
1.1. Lịch sử phát triển.
Năm 1904, kỹ sƣ lĩnh vực tần số ngƣời Đức Christian Hülsmeyer sáng chế ra
“Telemobiloskop” có thể giám sát phƣơng tiện trên mặt nƣớc nhờ việc đo 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 thử nghiệm radar thực tế đầu
tiên. Ông đã đăng ký phát minh tại Vƣơng quốc Anh và Đức.

Hình 1.1 Trang bìa bằng sáng chế radar
Năm 1921, Nhà vật lý ngƣời Mỹ Albert Wallace Hull phát minh ra đèn
Magnetron dùng trong máy phát Radar.
Năm 1922, các kỹ sƣ điện ngƣời Mỹ của Phòng nghiên cứu hải quân - Albert H.
Taylor và Leo C. Young lần đầu tiên định vị đƣợc một tàu gỗ.
Năm 1931, tàu đƣợc trang bị radar sử dụng ăng ten đĩa với đầu bức xạ dạng loa.
Năm 1936, George F. Metcalf và William C. Hahn – đã phát triển đèn sóng chạy
Klystron, một linh kiện thiết yếu cho các bộ khuếch đại hoặc giao động của radar .
Năm 1937, Sir Watson-Watt Vƣơng quốc Anh phát triển hệ thống radar xác định
máy bay.
Năm 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.

3


Từ năm 1940, các loại radar khác nhau đƣợc phát triển ở Mỹ, Nga, Đức, Pháp và

Nhật Bản.
1.2. Khái niệm mục tiêu và các tham số cơ bản của Radar.
1.2.1. Mục tiêu Radar.
a. Khái niệm.
Mục tiêu radar là những vật thể vật lý bất kỳ có thể phản xạ sóng điện từ nằm
trong tầm phát hiện của radar. Trong điều kiện hàng hải đó là: tàu thuyền , các mốc
hàng hải, bờ biển, băng trôi, công trình biển…Những thông tin hữu ích về mục tiêu
đều do sóng điện từ mang lại đƣợc xử lý phù hợp để trở thành những kết quả đo
lƣờng và chỉ báo hữu ích tại trạm radar.
b. Phân loại.
Mục tiêu quan sát: Là mục tiêu cần quan sát cho mục đích của ngƣời quan sát.
Mục tiêu nhân tạo: Là các phƣơng 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, động đất, sóng thần,...
Mục tiêu giả: là những đối tƣợng không cần quan sát nhƣng xuất hiện trong
vùng phủ sóng của trạm radar, gây nhiễu cho các mục tiêu cần quan sát. Ví dụ ảnh
của cơn mƣa trên màn hình radar khi con tàu chạy trong đó, ảnh đám mây hoặc
sóng biển khi cần quan sát tàu thuyền hoặc chƣớng ngại trên mặt nƣớc để dẫn tàu.

Hình 1.2.a. Nhiễu Radar do đám mây, mƣa trên biển

4


Hình 1.2b. Mục tiêu nằm trong búp sóng phát của radar
Radar hàng hải có thể bị nhiễu do phản xạ từ vật không muốn quan sát hoặc đa
đƣờng từ mặt biển.
1.2.2. Tham số xác định vị trí.
 Vị trí tuyệt đối: Vị trí của một mục tiêu đƣợc ghi theo kinh độ và vĩ độ. Khi

Radar kết nối tín hiệu từ GPS thì có thể xác định vị trí mục tiêu theo vị trí tuyệt đối.
 Vị trí trên bề mặt địa cầu - mặt đất, mặt biển – gọi là vị trí theo mặt phẳng
chân trời( Horizontal position) với độ cao trung bình (AGL và MSL). Vị trí này xác
định theo không gian (2-D) gồm kinh độ và vĩ độ.
 Vị trí trong không gian xác định theo không gian 3 chiều (3-D) Gồm kinh và vĩ
độ, độ cao mục tiêu so với mức AGL/MSL; hoặc xác định khoảng cách, góc phƣơng vị
và góc nghiêng tới một mục tiêu trong không gian từ một điểm mốc cố định.
 Vị trí tƣơng đối: Vị trí của một mục tiêu đƣợc xác định bằng khoảng cách và
góc phƣơng vị tới một điểm cố định đã biết trƣớc vị trí trên bản đồ hoặc hải đồ. Ví
dụ xác định vị trí một tàu mục tiêu thông qua việc thao tác trên Radar.
 Khoảng cách nghiêng - Slant Range:
Khoảng cách này gây ra bởi thực tế rằng thiết bị RADAR đo khoảng cách
trong không gian, đo cự ly khác nhau của 2 máy bay song song trên mặt thẳng
đứng do đó chúng có cùng khoảng cách về địa hình đối với trạm RADAR (hình
5


1.3. trái), nhƣng khoảng cách nghiêng khác nhau. Trong trƣờng hợp này phép đo
cần sử dụng phần mềm hiệu chỉnh hoặc Radar số hiện đại, module phần mềm này
phải thích nghi đặc biệt với vị trí địa lý của trạm Radar. Việc tính toán phức tạp và
cần có dữ liệu thời tiết để hiệu chỉnh.

Hình 1.3a. Độ cao mục tiêu theo địa hình.
 Xác định hƣớng - Direction determination.
Phƣơng vị - Bearing: Hƣớng của mục tiêu đƣợc xác định nhờ độ định hƣớng
của ăng ten radar. Độ định hƣớng còn đƣợc gọi là độ lợi về hƣớng, đó là khả năng
tập trung năng lƣợng phát của ăng ten Radar vào một hƣớng riêng tới mục tiêu. Do
đó có thể xác định đƣợc góc phƣơng vị - azimuth và góc nâng – elevation của mục
tiêu, đồng thời đo đƣợc khoảng cách nhờ sóng phản xạ từ mục tiêu đƣợc thu về
Radar. Sự chính xác của phép đo góc đƣợc xác định bởi độ định hƣớng của ăng

ten, nó là một hàm của kích thƣớc ăng ten ( nêu trong chương II).
Phƣơng vị thực -The True Bearing (Theo hƣớng Bắc thực): Phƣơng vị thực
của một mục tiêu là góc giữa hƣớng Bắc thực và hình chiếu trên mặt ngang của
đƣờng thẳng từ Radar tới mục tiêu. Góc này đƣợc đo theo mặt phẳng chân trời theo
chiều kim đồng hồ so với hƣớng Bắc thực. Góc phƣơng vị tới mục tiêu Radar cũng
có thể đƣợc đo bằng góc theo chiều kim đồng hồ từ hƣớng mũi tàu hoặc máy bay
tới đƣờng phƣơng vị điện tử nối giữ tàu và mục tiêu - đƣợc gọi là góc mạn. Sự phát
xạ chính xác và nhanh của thông tin phƣơng vị giữa điểm quay với vị trí ăng ten và
chỉ báo màn hình Radar có thể đƣợc thực hiện với hệ thống điều khiển trợ động,
hoặc đếm số xung biến đổi phƣơng vị. Hệ thống điều khiển trợ động đƣợc dùng
6


trong các ăng ten Radar và các bộ phóng tên lửa trong quân sự hoạt động với sự trợ
giúp của các thiết bị phát và thu mô men quay. Với các loại Radar khác có thể xác
định bằng hệ thống đo các xung thay đổi phƣợng vị (system of ACP). Trong mỗi
vòng quay của ăng ten Radar một bộ mã hóa gửi các xung đƣợc đếm trong bộ chỉ
báo. Các Radar này áp dụng quét pha điện tử theo phƣơng vị hoặc theo góc nâng
(ăng ten dàn- quay pha).
Hƣớng mũi tàu – Heading: Đƣợc xác định và chỉ báo theo la bàn con quay
hoặc la bàn từ. Trên màn hình Radar, hƣớng mũi đƣợc chỉ báo bằng đƣờng đánh
dấu (SHM). Các thiết bị Radar và Hệ thống hải đồ điện tử -ECDIS, có 3 chế độ chỉ
báo hƣớng về phía trƣớc màn hình (Course-Up, Head-Up và North-Up).
Góc nâng - Elevation Angle: Là góc giữa mặt phẳng chân trời và tầm nhìn
thẳng tới mục tiêu, nó đƣợc đo theo mặt phẳng đứng. Góc này thƣờng ký hiệu theo
tiếng Hy lạp là Epsilon (ε), nó là giá trị dƣơng trên mặt phẳng chân trời và âm
dƣới mặt phẳng đó.
Độ cao- Altitude/Height: Độ cao một mục tiêu trên mặt địa cầu gồm Độ cao
trên mặt biển (Altitude/MSL) và Độ cao trên mặt đất (Height/AGL). Độ cao đƣợc
ký hiệu là H trong các công thức sau. Độ cao thực (true altitude) là khoảng cách

máy bay thực tế trên mặt biển (tính theo MSL). Thông số này có thể đƣợc tính toán
theo giá trị khoảng cách R và góc nâng ε, theo hình 1.2. sau:
h  R.sin 

R2
H  R .sin  
2 re

Trong đó: R cự ly nghiêng của mục tiêu, ε
là góc nâng đo đƣợc, re là bán kính trung bình
của trái đất (re khoảng 6370 km,
1hải lý= 1852,018518518519~ 1852km).
Mục tiêu M1 có góc nâng ε>0.
Mục tiêu M2 có góc nâng ε<0.
Hình 1.3b. Độ cao mục tiêu trong không gian.
7


Tuy nhiên trong thực tế bức xạ sóng điện từ bị khúc xạ, chùm tia phát của
Radar không bức xạ hoàn toàn theo đƣờng thẳng mà bị uốn cong tùy thuộc vào các
thông số: Độ dài bƣớc sóng, áp suất khí quyển, nhiệt độ môi trƣờng không khí và
độ ẩm. Do đó các công thức trên đều đƣợc tính gần đúng.
Độ chính xác-Accuracy: Là mức độ phù hợp chuẩn giữa vị trí ƣớc tính và vị
trí đo đƣợc hoặc vận tốc của điểm gốc tại một thời điểm cho trƣớc và vận tốc hoặc
vị trí thực của nó. Độ chính xác dẫn đƣờng bằng vô tuyến luôn đƣợc thể hiện bằng
phép đo thống kê của sai số hệ thống. Độ chính xác này không gây nhầm lẫn với
độ phân giải của Radar. Giá trị độ chính xác đƣa ra so với yêu cầu đặc trƣng cho sự
không chắc chắn của các giá trị đo đƣợc liên quan tới giá trị thực và chỉ ra khoảng
dung sai trong đó giá trị thực nằm trong phạm vi xác suất đƣợc biết. Xác suất yêu
cầu cần đạt 95%, tƣơng ứng với độ lệch chuẩn bậc 2 so với trung bình của của

phân bố chuẩn (Gaussian) của các biến.

Hình 1.4a. Vị trí mục tiêu trong hệ trục tọa độ x,y,z
Trong không gian 3D: Vị trí mục tiêu tại P đƣợc 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: P ( XP, YP, ZP) )
Trong hình vẽ: mặt phẳng XOY là mặt phẳng chân trời, Radar đặt trên mặt đất
θ=900- λ
Góc phƣơng vị α tính từ hƣởng Bắc thực theo chiều kim đồng hồ α = 3600- Φ
Góc Φ tính từ trục X ngƣợc chiều kim đồng hồ.
Vị trí điểm trong hệ tọa độ tuyệt đối.
8


Hình 1.4b. Vị trí mục tiêu trên màn hình Radar.
Trong không gian 2D: Vị trí mục tiêu P(target) đƣợc xác định theo hệ tọa độ
tƣơng đối.P(r, β)
Trong đó : r=range, là khoảng cách từ tàu chủ đến mục tiêu; β là góc mạn
1.2.3. Qũy đạo mục tiêu.
Là tập hợp các vị trí của mục tiêu theo thời gian. Vết mục tiêu cho biết sự
chuyển động của mục tiêu so với tàu chủ tại tâm màn hình
Mục tiêu Radar có thể đƣợc chỉ báo theo 4 loại nhƣ hình 1.5. Radar hàng hải
chỉ sử dụng chỉ báo PPI với mục đích thuận tiện cho quan sát và dẫn tàu tránh
chƣớng ngại trên biển hay chạy trong luồng.

Hình 1.5. Các loại chỉ báo mục tiêu radar.
9


1.3. Chức năng và phân loại Radar.

1.3.1 Chức năng của radar.
1. Đo khoảng cách của mục tiêu (nhờ xác định khoảng thời gian trễ của tín hiệu
phản xạ thu đƣợc).
2. Đo vận tốc của mục tiêu (dựa vào ần số Doppler)
3. Góc phƣơng vị (dựa vào xung đánh dấu phƣơng vị hoặc hƣớng mũi tàu theo
búp phát ăng ten radar)
4. Xác định kích thƣớc mục tiêu (nhờ vào độ lớn tín hiệu phản xạ thu đƣợc)
5. Xác định hình dạng của mục tiêu và các thành phần (nhờ tín hiệu phản xạ nhƣ
một hàm phƣơng hƣớng)
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 (theo tính chất phản xạ của vật liệu).
8. 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 lƣu, lũ, mực nƣớc sông, ...
Radar hàng hải chỉ thực hiện các chức năng 1 đến 3 nêu trên.
1.3.2. Phân loại radar.
a. Phân loại theo chức năng.

Hình 1.6. Phân loại radar theo chức năng
10


Phân loại theo chức năng thì radar gồm hai loại chính đó là với mục đích dân sự
và quân sự có một số radar có thể vừa dung trong quân sự và dân sự nhƣ radar
thời tiết, truy bám dẫn đƣờng, tìm kiếm giám sát, tạo ảnh và bản đồ độ phân giải
cao. Với mục đích dân sự có radar xác định vùng bay và radar đo độ sâu ít sử dụng
trong quân sự, đƣơng nhiên trong quân sự cũng có những radar không dùng trong
dân sự nhƣ radar điều khiển nổ tên lửa khi tới mục tiêu, radar đối phó mục tiêu
b. Phân loại theo tính chất hoạt động.
Radar chủ động: Trạm radar thực hiện phát, thu và xử lý sóng điện từ phản xạ
từ mục tiêu radar. Trong đó có radar điều chế xung tích cực chủ động phát hiện

mục tiêu sử dụng rộng rãi trong hàng hải đƣợc nghiên cứu trong đồ án này.
Radar bị động (Passive system, còn gọi là Biastic Radar): Radar chỉ thu và xử lý
sóng điện từ bức xạ từ mục tiêu loại radar này thƣờng đƣợc áp dụng khi không có
linh kiện hoặc thiết bị thu phát với chuyển mạch có sự cách ly phù hợp. Máy phát
radar chi phí đắt cả phí chế tạo và vận hành. Vì vậy mục đích là dùng tín hiệu phản
xạ từ máy phát và ăng ten khác để cho ảnh radar của vùng quan sát. Để tìm ra
khoảng cách thì cần sử dụng bài toán tính toán điểm giao cắt của đƣờng elip và
hyperbol.
Radar thứ cấp (Secondary radar): Radar đặt trên máy bay dùng bộ phát đáp, chỉ
trả lời khi có yêu cầu phát đi từ radar quản lý không lƣu mặt đất.
c. Phân loại theo dạng sóng
PRF: Pulse Repeatition Frequency -Tần số lặp xung.
MTI: Moving Target Indicator - Chỉ báo mục tiêu chuyển động
Phân loại theo dạng sóng điều chế có hai loại chính đó là:
Radar phát sóng liên tục gồm có radar phát sóng liên tục có điều chế và không
điều chế.
Radar phát xung đồng bộ hoặc không đồng bộ, trong loại này có thể sử dụng tần
số xung lặp thấp, cao hoặc trung bình

11


Hình 1.7. Phân loại radar theo sóng điều chế
1.4. Cấu trúc Radar hàng hải.
Sơ đồ cấu trúc radar hàng hải.

Hình 1.8. Sơ đồ phần phát và thu của Radar
12

1.4.1. Phần phát.
Mạch tạo sóng siêu cao là một bộ tạo dao động siêu cao, bản chất là giao động
tự kích. Trong dải centimet và milimet ngƣời ta thƣờng dùng một đèn điện tử chân
không hai cực đặc biệt, phổ biến trong Radar hàng hải dùng Magnetron. Dao động
của bộ dao động dùng Magnetron đƣợc điều khiển bằng cách khống chế điện áp
anode-katot của đèn. Magnetron chỉ tạo ra các dao động siêu cao khi anode đƣợc
cấp áp hoặc Katot đƣợc cấp xung điện áp lớn khoảng 4 đến 27kV, dao động này
chấm dứt khi điện áp anode-katot không còn nữa .
Nhƣ vậy mạch cấp áp cho Magnetron có thể coi nhƣ một mạch điều chế biên độ
và các xung điều chế chính là các xung điện áp cấp cho đèn. Đƣơng nhiên, bộ điều
chế xung đƣợc khống chế bởi các xung vuông có độ rộng và tần số lặp lại tƣơng
ứng với các thang đo khác nhau của trạm radar cho trƣớc. Các xung khống chế này
đƣợc gọi là các xung đồng bộ vì chúng thƣờng đƣợc tạo ra từ một bộ tạo xung
chuẩn và dùng để khống chế hoạt động của nhiều mạch khác nhau trong trạm
radar. Nguồn cung cấp cho máy phát Radar bao gồm nguồn cao áp của mạch điều
chế và nguồn điện áp nung nóng cho sợi đốt của đèn Magnetron.
1.4.2. Phần thu.
a.Yêu cầu đối với máy thu radar.
Ở dải sóng centimét, máy thu radar hàng hải phải đảm bảo những yêu cầu sau:
- Độ nhạy cao, dải thông đủ rộng để thu không méo các tín hiệu cần thu thuộc
dạng xung.
- Hệ số khuếch đại đủ lớn để đảm bảo khả năng quan sát mục tiêu bằng chỉ
báo hiển thị, chế độ công tác tin cậy và có khả năng tự động bám theo mục tiêu.
- Thời gian phục hồi hệ số khuếch đại của máy thu phải đủ ngắn, đảm bảo thu
đƣợc tín hiệu phản xạ từ các mục tiêu ở gần trạm nhất.
- Có chế độ tự động điều chỉnh tần số thu khi tần số phát có sai lệch.
- Có khả năng chống nhiễucao để có thể phát hiện đƣợc những mục tiêu khác
nhau với xác suất đảm bảo, với độ chính xác cần thiết khi có tác động của nhiễu.
13

- Có khả năng thay đổi hệ số khuếch đại, hằng số thời gian của các mạch
điện để hạn chế đƣợc nhiễu mƣa, nhiễu biển, đặc biệt khi phạm vi biến động biên
độ tín hiệu phản xạ lớn.
- Chế độ công tác phải ổn định trƣớc những nhân tố bất ổn định của môi trƣờng
biển.
Ngoài ra máy thu radar phải đảm bảo hàng loạt các yêu cầu khác do các đặc tính
khai thác và kỹ thuật của trạm radar hàng hải đặt ra.
b. Đổi tần.
Mạch đổi tần bao gồm mạch trộn tần và dao động nội. Trong dải sóng centimet
và milimet phần tử bán dẫn thƣờng đƣợc sử dụng làm nhiệm vụ trộn đó là diode
bán dẫn. So với các phần tử phi tuyến khác chúng có ƣu điểm nhƣ: Dung kháng
nhỏ, hệ số tạp âm thấp, đặc tính truyền khá tuyến tính với mức điện áp thấp.
Nhƣợc điểm là khá nhạy cảm với quá tải do tiếp giáp bán dẫn khá mỏng không
chịu đƣợc dòng tải lớn. Nhƣng độ ổn định nhiệt lại cao.
Ở những trạm radar cũ thƣờng dùng đèn klistron phản xạ bởi dải tần rộng, phạm
vi điều chỉnh tần số lớn, công suất khá lớn, xong mức tạp âm cao, tốn năng lƣợng
cho nung nóng katot và đặc biệt cồng kềnh. Do đó mà công nghệ bán dẫn phát
triển bởi chúng gọn nhẹ, tiêu tốn năng lƣợng không đáng kể, dải tần công tác đủ
rộng, công suất dao động đảm bảo ở 0,5-1mW, diode Gann đã trở thành phần tử
dao động phổ biến trong máy thu radar.

Hình 1.9. Mạch dao động nội dùng diode Gann
14


Diode Gann là linh kiện bán dẫn, không tiếp giáp hình thành từ một khối tinh
thể các hợp chất nhƣ: InSb, CdtE, ZnSe, GaAs,..
Hiện tƣợng Gann: Khi đặt lên khối bán dẫn 1 điện trƣờng đủ lớn thì trong khối
bán dẫn đó xuất hiện 1 dòng cao tần có tần số tỷ lệ với độ dài l.

Ở đây DG là diode Gann tạo dao động nội. Dv là diode biến dung để điều chỉnh
tần số dao động trong mạch. Với cách này, tần số dao động nội có thể tự động thay
đổi thông qua mạch tự điều chỉnh tần số(AGC).
Mạch trộn trong các máy thu radar thông thƣờng là mạch trộn cầu hay cân
bằng dùng 2 diode, sơ đồ mạch nhƣ hình 1.10.
Điện áp đầu vào giống nhau, nhƣng lệch pha nhau một góc 180 0 tức là ur1=Ursin
ωr, ur2=Ursin (ωr+ π) , đƣợc đặt lên hai diode cân bằng. Điện áp dao động nội uL01=
uL02= uL0 đƣợc đƣa vào hai biến áp đối xứng Tr1 và Tr2. Dòng điện chạy qua 2
diode này là
i1  I 01 sin(r  LO )t



i2   I 02 sin  (r  LO ) t   

(0.1)

Vì I01=I02=I0 nên dòng điện ở cửa ra của mạch trộn
i  i1  i2  2I 0 sin IF t

(0.2)

là tần số góc trung gian, nếu chia cho chúng ta có tần số trung gian. Trong khi
đó dòng tạp âm hai cuộn bằng nhau nhƣng ngƣợc chiều nhau, nên dòng tổng ở hai
cuộn ra sẽ có giá trị khử nhau qua 2 nửa biến áp.
iN  iN 1  iN 2  0

Đây cũng chính là ƣu điểm của mạch trộn cân bằng.

Hình 1.10. Mạch trộn cân bằngdùng cặp diode

15

(0.3)


c.Khuếch đại trung tần.
Là mạch khuếch đại ở tần số trung gian, thấp hơn tần số thu và cao hơn tần số
tín hiệu thị tần sau mạch tách sóng. Tầm xa hoạt động, khả năng phân giải cũng
nhƣ tất cả các thông số khai thác của trạm radar phụ thuộc rất nhiều vào phẩm chất
của các mạch khuếch đại trung tần này. Vì chúng ảnh hƣởng tới độ nhạy của máy
thu.
Những chỉ số chất lƣợng cơ bản của một mạch khuếch đại trung tần trong các
máy thu radar phát xung gồm : tần số trung gian, dải thông của mạch, hệ số
khuếch đại, thời gian phục hồi độ nhạy, độ ổn định các thông số, tính ổn định của
các thông số, tính ổn định và độ tin cậy của chế độ công tác. Việc lựa chọn tần số
trung gian cho máy thu radar dựa trên các cơ sở nhƣ: Đảm bảo tính đối xứng cho
các mạch cộng hƣởng, giảm thiểu tạp âm do mạch ngoại sai mang vào, dễ dàng
phân tách các thành phần tín hiệu thị tần ( video signal) và tín hiệu ở tần số trung
gian ( trung tần) ở cửa ra của mạch tách sóng, cải thiện chế độ công tác của hệ
thống tự động điều chỉnh tần số, đảm bảo chế độ công tác ổn định của các tầng
khếch đại trung tần. Với radar hàng hải ở dải sóng cm và mm ngƣời ta chọn từ 3060 MHz.
Trong các máy thu đổi tần hệ số khuếch đại của toàn thiết bị thƣờng do các
tầng khuếch đại trung tần quyết định, do đó số tầng khuếch đại từ 3 đến 5 tầng, khi
đó hệ số khuếch đại có thể đạt từ 100-110 dB (>1000 lần). Các mạch khuyếch đại
trung tần thƣờng là các mạch khuếch đại có tải là các mạch cộng hƣởng, các mạch
này có thể đơn hoặc kép, đồng cộng hƣởng hay lệch cộng hƣởng nhƣ mô tả trên
hình 1.12.

Hình 1.11. Mạch khuếch đại trung tần
Các mạch đồng cộng hƣởng, thƣờng có đặc tính cộng hƣởng tổng, có tính chọn

lọc cao hơn song đặc tính pha và độ bằng phẳng đỉnh xung lại kém hơn, khả năng
16


đồng chỉnh cũng kém hơn. Các mạch khuếch đại trung tần lệch cộng hƣởng thì
ngƣợc lại.
d.Tách sóng và khuếch đại thị tần.
Tách sóng: Trong máy thu radar, để biến đổi các chùm sóng phản xạ từ mục
tiêu trở về ở tần số trung gian thành các xung thị tần, thƣờng dùng các mạch tách
sóng điều biên dùng các diode bán dẫn hoặc transistor. Đặc tính trội của tách sóng
dùng điode là tính tuyến tính của các đặc tính tách sóng đối với các tín hiệu cả lớn
lẫn nhỏ và không có khả năng quá tải. Tuy nhiên nhƣợc điểm của mạch là hệ số
truyền đạt nhỏ, trở kháng vào không cao. Những nhƣợc điểm này, không mang ý
nghĩa đặc biệt vì hệ số truyền đạt nhỏ có thể bù lại bằng việc sử dụng nhiều tầng
khuếch đại thị tần sau tách sóng. Trở kháng vào nhỏ sẽ tạo điều kiện mở rộng dải
thông của các tầng khuếch đại trung tần trƣớc đó.
Khuếch địa thị tần: Khác với mạch khuếch đại thị tần trong máy thu hình, trong
các máy thu radar yêu cầu đối với các mạch khuếch đại thị tần không thật cao. Tuy
nhiên để đảm bảo hệ số khuếch đại khoảng 20-40 lần(40-50 dB) và không làm méo
dạng xung, thƣờng sử dụng các mạch khuếch địa tải RC.

17