Bài giảng Kỹ thuật định vị và dẫn đường điện tử - Kỹ thuật Radar

Trường Đại học Bách Khoa Hà NộiKhoa Điện tử Viễn thông Kỹ thuật định vịvà dẫn đường điện tửElectronics Positioning and Navigations TS. Đỗ Trọng Tuấn Bộ môn Kỹ thuật thông tin Hà Nội, 8-2010 Phần 1 Kỹ thuật Radar ξ 1. Khái niệm và phân loại Radar (tiếp theo) s(t) = a(t)cos(w0t+f0) a(t) : đường bao xung - “pulsed radar” Nguyên lý cơ bản của Radar xung Tính toán cự ly Range Calculation Cự ly - Range, R = (c TR)/2 Range : km hoặc nm (nautical miles) TR : s (microseconds) R(km) = 0.15TR(s) hoặc R(nmi) = 0.081 TR (s) 1 km  6.67 s 1 nmi  12,34 s Xác định cự ly theo đơn vị km và nmi tương ứng với độ trễ thời gian 27 s? Tính toán cự ly Range Calculation R(km) = 0.15TR(s) hay R(nmi) = 0.081 TR (s) = 0.15  27 hay = 0.081  27 = 4.05 km hay = 2.187 nmi Radar sơ cấp PRF = 10 kHz M #1, 6 km M #2, 18 km thời gian seconds Tính toán cự ly Range Calculation Biên độ Thời gian, t (ms) 0 Xung phát ambiguous range : cự ly xảy ra nhầm lẫn Tính toán cự ly Range Calculation Radarsơ cấp PRF = 10 kHz M #1, 6 km M #2, 18 km Thời gian seconds Range [km] = 0.15TR(s), → A-scan PRF = 10 kHz→ mỗi xung được lặp lại sau 0.0001 s = 0.1 ms Tính toán cự ly Range Calculation Biên độ Thời gian, t (ms) 0 0.04 0.1 0.12 0.14 Xung phát xung phản xạ M #1 M #1 M #2 Cự ly 6 km tương ứng với độ trễ 40 s và cự ly 18 km tương ứng với độ trễ 120 sChú ý rằng mục tiêu M #2 ở quá xa trạm radar nên tín hiệu phản xạ (echo) sẽ nhận được trong chu kỳ kế sau, tạo nên cự ly không chính xác là 3 km ambiguous range : cự ly xảy ra nhầm lẫn Tính toán cự ly Range Calculation 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 ? Độ phân giải cự ly - Range Resolution ΔR: độ phân giải cự ly Độ phân giải cự ly - Range Resolution unresolved return 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: Tần số lặp xung PRF (fr) yêu cầu Chu kỳ lặp xung PRT ( IPP = T) Độ rộng xung phát t . Cự ly phân giải mục tiêu ΔR Hãy cho biết ảnh hưởng của các tham số đến cự ly làm việc tối đa của một hệ thống Radar. Ví dụ t=0,3 ms T = 20,3 ms dt=1.5% Ảnh hưởng của các tham số đến cự ly làm việc của hệ thống Radar xung Power Range 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: Sóng điện từ truyền lan với vận tốc hữu hạn , không đổi. c = 3 *108 (m/s) Sóng điện từ truyền thẳng. Năng lượng sóng điện từ sẽ phản xạ khi gặp môi trường không đồng nhất (mục tiêu). 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. theo phương góc tà ∆β theo phương góc phương vị ∆φ Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất ( công suất đỉnh giảm đi một nửa  suy hao – 3 dB) Mẫu bức xạ Radiation pattern HPBW: half power beam width Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất ( suy hao – 3 dB) Phương vị ∆φ Góc ngẩng ∆β THE PLAN POSITION INDICATOR Độ rộng búp sóng lớn RADAR Độ rộng búp sóng quan trọng hơn công suất PPI THE PLAN POSITION INDICATOR RADAR Độ rộng búp sóng nhỏ Độ rộng búp sóng quan trọng hơn công suất PPI Mẫu bức xạ Radiation pattern HPBW: half power beam width Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất ( suy hao – 3 dB) Độ rộng thep hướng vị ∆φ Độ rộng theo hướng góc tà ∆β Anten Parabol d: độ mở anten (m) - apeture λ: bước sóng làm việc (m) (From Understanding Radar Systems) Hệ số khuếch đại anten Hệ số khuếch đại anten Hệ số khuếch đại anten 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. Hãy xác định kích thước búp sóng và hệ số khuếch đại của anten G(dB) ? Hệ số khuếch đại của anten Ví dụ Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất: Hệ số khuếch đại của anten Ví dụ Hệ số khuếch đại của anten Kích thước búp sóng tại mức nửa công suất: Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler Dịch tần Doppler trong đó: Hiệu ứng Doppler Dịch tần Doppler Theo hướng RS → M: trong đó: → Hiệu ứng Doppler Rất nhỏ → bỏ qua Hiệu ứng Doppler Đo vận tốc v đo độ lệch tần số Δf Dấu + : vào gần ; dấu - : ra xa Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler 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 được sai lệch so với tần số phát là 5 KHz. Vận tốc mục tiêu: ξ 3. Các bước xử lý tín hiệu Radar  Các bước xử lý tín hiệu Radar Bước 1: Phát hiện mục tiêu ( Detection ). Bước 2: Đo đạc tham số ( Measurement ~ Ranging). Bước 3: Phân biệt mục tiêu ( Display ). Bước 4: Nhận biết mục tiêu (Recorgnition) Bước 1: phát hiện mục tiêu Công suất thời gian ngưỡng công suất phát hiện mục tiêu quyết định bởi tỷ số S/N của trạm Radar Pngưỡng tín hiệu thu ( echo) Xác suất phát hiện nhầm: gây nên do tín hiệu phản xạ từ các đối tượng không cần quan sát (clutter) hoặc nhiễu. ngưỡng Bước 2: đo đạc Cự ly R  đo độ trễ Đo góc ( φ,β) căn cứ vào hướng tính của búp sóng radar. Đo vận tốc  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 Δβ ΔR Vpb= ΔR* Δφ*Δβ 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. Δφ Vpb= ΔR* Δφ*Δβ Thể tích phân biệt 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 thông tin ( truyền số liệu ) với đối tượng (mục tiêu) 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 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 np: Số xung phản xạ/ vòng TSC: Thời gian búp sóng quét hết một vòng (giây/vòng) PRF: Tần số lặp xung (xung/giây) Kích thước búp sóng tính theo radian Kích thước búp sóng tính theo độ 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 ? Số xung phản xạ từ mục tiêu