Bài giảng Kỹ thuật định vị và dẫn đường điện tử - Sai số phép đo tham số mục tiêu Radar

Bộ môn Kỹ thuật Thông tin Hà nội, 09 - 2009 Email: dotrongtuan@gmail.com Giảng viên: TS. Đỗ Trọng Tuấn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện tử - Viễn thông Định vị và dẫn đường điện tử( Electronics Positioning and Navigation ) Nguyên lý và hệ thống Radar Radar Principles &Systems ξ 4. Sai số phép đo tham số mục tiêu Radar Nhiễu nhiệt - Noise 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 Sai số phép đo tham số mục tiêu Tổng quát: 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 → cự ly R 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: Băng thông của trạm radar. Sai số phép đo cự ly của trạm Radar ? Sai số phép đo cự ly là bao nhiêu khi tăng độ rộng xung lên hai lần. Cho nhận xét. Ví dụ Băng thông của hệ thống radar xung Sai số phép đo độ tần số Doppler Tổng quát: Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): Understanding radar systems 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 resolve two doppler frequencies seperated by Δfd is given by Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler t (sec): (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: Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): 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 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. Giả thiết tỷ số SNR là 20 dB. Hãy cho biết sai số phép đo vận tốc. Ví dụ Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): Ví dụ Thời gian nhận biết tần dịch tần Doppler là t (sec): ξ 5. Phương trình Radar  + Tương đối: δ(dbsqm) = 10 lg[δ(sqm)] 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  Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS Radar Cross Section. Sp: diện tích bề mặt vật lý của mục tiêu được chiếu xạ →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. kd: hệ số 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 ) Các kiểu tán xạ - scattering tán xạ đều tán xạ về phía trước tán xạ về phía sau echoes echoes Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS của một số bề mặt điển hình Mặt cầu, bán kính = a Mặt trụ, bán kính = a , chiều cao = h Tấm phẳng hình vuông, cạnh = a Tấm phẳng hình chữ nhật, rộng = a , dài = b 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 ? f = 1 GHz Diện tích mặt cắt vật lý: Ví dụ f = 10 GHz Diện tích mặt cắt vật lý: Nhận xét Diện tích phản xạ hiệu dụng có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn rất nhiều so với diện tích vật lý của mục tiêu được chiếu xạ. Khi tần số tăng hoặc giảm thì diện tích phản xạ hiệu dụng radar của cùng một mục tiêu sẽ tăng 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 GHz RCS thay đổi theo hướng chiếu xạ trên mặt phẳng ngang góc phương vị 25 dB Diện tích phản xạ hiệu dụng radar của một số đối tượng điển hình 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: - Anten vô hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng đẳng hướng EIRP - Anten định hướng → Công suất bức xạ hiệu dụng ERP D (m) S = Diện tích mặt cầu bán kính D (m) 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 Hệ số khuếch đại của anten định hướng Anten định hướng → Hệ số khuếch đại anten G Ví dụ: Một máy phát bức xạ sóng điện từ vô hướng tại tần số 1 GHz với công suất 100 KW. Hãy xác định: Mật độ công suất tại khoảng cách 100 feet. Công suất thu tại anten thu có hệ số khuếch đại 10 dB đặt tại vị trí đó Ae: diện tích hiệu dụng của anten A: diện tích góc mở vật lý của anten η: hiệu suất của anten. với: Ví dụ Mô hình vật lý 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp Mục tiêu M RCS = δ (m2) Nguồn bức xạ sơ cấp Nguồn bức xạ thứ cấp R (km) 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp - RS → M: tại khoảng cách R Công suất thu tại M 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp - M → RS : tại khoảng cách R Công suất thu tại RS → Phương trình radar Phương trình cự ly radar S = Pr min = độ nhạy thu 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp Biểu diễn theo đơn vị dB: Trong đó: 3. Phương trình radar chủ động sơ cấp Trong đó: Bảng tra cứu hệ số K2 Bảng tra cứu hệ số K1 Bảng tra cứu thông số hệ số Gδ (dB) [1]+20 (dB) [2]+3 (dB) [4]+10 (dB) [5]+10 (dB) [6]+10 (dB) [8] -3 (dB) [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Quy tắc : Giản đồ công suất Gt Pt -αt -αt Gδ Gr Pr P(dBm) 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 ? Ví dụ Mục tiêu M RCS = 5 (m2) R = 31 (km) 75 dBm ? dBm f = 10 GHz Lt = 6dB Lr = 6dB Gt=Gr = 48 (dB) Giản đồ công suất Gt -α1 -α1 Gδ Gr Pr P(dBm) t       Lt Lr  Pt