[Tìm hiểu] Radar là gì? Nguyên lý và Ứng dụng của radar

Radar là gì? Thử tưởng tượng để hạ cánh một chiếc máy bay khổng lồ, có kích thước của một tòa nhà lớn trên một dải đường nhựa ngắn, ở giữa một thành phố, dưới độ sâu của màn đêm, trong sương mù dày đặc. Nếu bạn không thể nhìn thấy nơi bạn sẽ đến, làm thế nào bạn có thể hy vọng hạ cánh an toàn? Các phi công máy bay đã vượt qua khó khăn này bằng cách sử dụng radar, một cách “nhìn” sử dụng sóng vô tuyến tần số cao. Radar ban đầu được phát triển để phát hiện máy bay địch trong Thế chiến II, nhưng hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trong mọi thứ, từ súng dò tốc độ của cảnh sát đến dự báo thời tiết, hay các cảm biến radar trong công nghiệp…

Vậy radar là gì? Chúng ta cùng tìm hiểu nhé!

Tóm Tắt Nội Dung

Radar là gì

RADAR là viết tắt của từ “RAdio Detection And Ranging”. Chúng có nghĩa là dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến. Về cơ bản, nó là một hệ thống điện từ được sử dụng để phát hiện vị trí và khoảng cách của một vật thể từ điểm đặt RADAR. Nó hoạt động bằng cách tỏa năng lượng vào không gian và theo dõi tín hiệu dội lại hoặc phản xạ từ các vật thể. Nó hoạt động trong phạm vi sóng UHF và vi sóng.

Cấu tạo của hệ thống radar là gì

Hệ thống RADAR thường bao gồm một máy phát tạo ra tín hiệu điện từ được phát ra không gian bằng ăng ten. Khi tín hiệu này bị chặn bởi bất kỳ đối tượng nào, nó sẽ bị phản xạ hoặc dội lại theo nhiều hướng. Tín hiệu dội lại hoặc phản xạ này được nhận bởi ăng ten radar đưa nó đến máy thu, nơi nó được xử lý để xác định số liệu thống kê địa lý của vật thể.

Khoảng cách được xác định bằng cách tính thời gian của tín hiệu để truyền từ RADAR đến mục tiêu và quay lại. Vị trí của mục tiêu được đo theo góc, từ hướng tín hiệu dội biên độ cực đại, ăng ten chỉ tới. Để đo phạm vi và vị trí của các vật thể chuyển động, người ta sử dụng hiệu ứng Doppler.

Các bộ phận chính của một hệ thống radar là gì

Dưới đây là 6 phần chính của hệ thống RADAR:

Máy phát: Nó có thể là bộ khuếch đại công suất như Klystron, Travelling Wave Tube hoặc bộ tạo dao động công suất như Magnetron. Tín hiệu đầu tiên được tạo ra bằng cách sử dụng bộ tạo dạng sóng và sau đó được khuếch đại trong bộ khuếch đại công suất.
Ống dẫn sóng: Các ống dẫn sóng là đường truyền để truyền tín hiệu RADAR.
Ăng-ten: Ăng-ten được sử dụng có thể là một gương phản xạ parabol, mảng phẳng hoặc mảng pha được điều khiển bằng điện tử.
Bộ song công: Bộ song công cho phép sử dụng ăng-ten làm máy phát hoặc máy thu. Nó có thể là một thiết bị dạng khí sẽ tạo ra một ngắn mạch ở đầu vào tới máy thu khi máy phát hoạt động.
Bộ thu: Nó có thể là bộ thu thanh đổi tần (máy thu siêu ngoại sai) hoặc bất kỳ bộ thu nào khác bao gồm bộ xử lý để xử lý tín hiệu và phát hiện nó.
Ngưỡng quyết định: Đầu ra của máy thu được so sánh với ngưỡng để phát hiện sự hiện diện của bất kỳ đối tượng nào. Nếu đầu ra dưới bất kỳ ngưỡng nào, sự hiện diện của nhiễu được giả định.

Nguyên lý hoạt động radar

Nguyên lý radar hoạt động rất giống với nguyên tắc phản xạ sóng âm. Nếu bạn hét theo hướng của một vật thể phản xạ âm thanh (như hẻm núi đá hoặc hang động), bạn sẽ nghe thấy tiếng vang. Nếu bạn biết tốc độ âm thanh trong không khí, thì bạn có thể ước tính khoảng cách và hướng chung của vật thể. Thời gian cần thiết để tiếng vang trở lại có thể được chuyển đổi gần đúng thành khoảng cách nếu biết tốc độ âm thanh.

Radar sử dụng các xung năng lượng điện từ theo cách tương tự. Năng lượng tần số vô tuyến (RF) được truyền đến và phản xạ từ vật thể phản xạ. Một phần nhỏ năng lượng phản xạ trở lại bộ radar. Năng lượng được trả lại này được gọi là ECHO. Các bộ radar sử dụng tiếng vang để xác định hướng và khoảng cách của vật thể phản xạ.

Trong một số điều kiện, hệ thống radar có thể đo hướng, chiều cao, khoảng cách, tiến trình và tốc độ của các vật thể này. Tần số của năng lượng điện từ được sử dụng cho radar không bị ảnh hưởng bởi bóng tối và cũng xuyên qua sương mù và mây. Điều này cho phép các hệ thống radar xác định vị trí của máy bay, tàu hoặc các chướng ngại vật khác mà mắt thường không nhìn thấy được do khoảng cách, bóng tối hoặc thời tiết.

Radar hiện đại có thể trích xuất nhiều thông tin hơn từ tín hiệu dội lại của mục tiêu so với khoảng cách của nó. Nhưng việc tính toán khoảng cách bằng cách đo thời gian trễ là một trong những chức năng quan trọng nhất.

Radar xung là gì

RADAR xung gửi các xung công suất cao và tần số cao tới đối tượng mục tiêu. Sau đó nó chờ tín hiệu dội lại từ đối tượng trước khi một xung khác được gửi. Khoảng cách và độ phân giải của RADAR phụ thuộc vào tần số lặp lại xung. Nó sử dụng phương pháp dịch chuyển Doppler.

Nguyên lý RADAR phát hiện các vật thể chuyển động bằng cách sử dụng dịch chuyển Doppler hoạt động trên thực tế là tín hiệu dội lại từ các vật thể đứng yên cùng pha và do đó bị hủy trong khi tín hiệu dội lại từ vật thể chuyển động sẽ có một số thay đổi cùng pha.

Hai loại RADAR xung là:

Pulse Doppler RADAR

Nó truyền xung tần số cao lặp lại để tránh những Doppler không rõ ràng. Tín hiệu truyền và tín hiệu dội lại được trộn trong máy dò để có được sự dịch chuyển Doppler và tín hiệu khác biệt được lọc bằng bộ lọc Doppler nơi tín hiệu nhiễu không mong muốn bị loại bỏ.

RADAR MTI

Nó truyền xung tần số thấp lặp lại để tránh những khoảng cách không rõ ràng. Trong hệ thống MTI RADAR, tín hiệu dội lại từ đối tượng được hướng về phía bộ trộn, trong đó chúng được trộn với tín hiệu từ bộ tạo dao động cục bộ ổn định (STALO) để tạo tín hiệu IF. Tín hiệu IF này được khuếch đại và sau đó được đưa đến bộ dò pha trong đó pha của nó được so sánh với pha của tín hiệu từ bộ tạo dao động kết hợp (COHO) và tín hiệu khác biệt được tạo ra. Tín hiệu Coherent có cùng pha với tín hiệu máy phát. Tín hiệu kết hợp và tín hiệu STALO được trộn lẫn và đưa cho bộ khuếch đại công suất được bật và tắt bằng bộ điều chế xung.

Radar sóng liên tục là gì

RADAR sóng liên tục hiện không đo được khoảng cách của mục tiêu mà là tốc độ thay đổi của khoảng cách bằng cách đo sự dịch chuyển Doppler của tín hiệu trở lại. Trong một bức xạ điện từ CW RADAR được phát ra thay vì các xung. Về cơ bản nó được sử dụng để đo tốc độ.

Tín hiệu RF và tín hiệu IF được trộn trong giai đoạn trộn để tạo ra tần số dao động cục bộ. Tín hiệu RF là tín hiệu truyền đi và tín hiệu thu được bởi anten RADAR bao gồm tần số RF cộng với tần số dịch chuyển Doppler. Tín hiệu thu được trộn với tần số dao động cục bộ trong giai đoạn hỗn hợp thứ hai để tạo tín hiệu tần số IF. Tín hiệu này được khuếch đại và đưa đến giai đoạn hỗn hợp thứ ba, nơi nó được trộn với tín hiệu IF để thu được tín hiệu có tần số Doppler. Tần số Doppler hoặc dịch chuyển Doppler này cho tốc độ thay đổi khoảng cách của mục tiêu và do đó vận tốc của mục tiêu được đo.

Ứng dụng của Radar là gì

Hiện nay sóng radar được dùng trong rất nhiều ứng dụng, cả trong quân sự, công nghiệp và dân dụng. Chúng ta cùng tìm hiểu một vài ứng dụng tiêu biểu của radar nhé.

Ứng dụng quân sự:

Trong phòng không, nó được sử dụng để phát hiện mục tiêu, nhận dạng mục tiêu và kiểm soát vũ khí (hướng vũ khí đến các mục tiêu được theo dõi).
Trong hệ thống tên lửa để dẫn đường cho vũ khí.
Xác định vị trí của kẻ thù trong bản đồ.

Kiểm soát không lưu:

Để kiểm soát không lưu gần sân bay. RADAR giám sát không khí được sử dụng để phát hiện và hiển thị vị trí máy bay trong các nhà ga sân bay.
Để hướng dẫn máy bay hạ cánh trong điều kiện thời tiết xấu bằng cách sử dụng RADAR.
Để quét bề mặt sân bay cho các vị trí máy bay và mặt đất

Viễn thám:

RADAR có thể được sử dụng để quan sát thời tiết hoặc quan sát các vị trí hành tinh và giám sát băng biển để đảm bảo tuyến đường thông suốt cho tàu.

Kiểm soát giao thông mặt đất bằng radar

RADAR cũng có thể được cảnh sát giao thông sử dụng để xác định tốc độ của phương tiện, kiểm soát chuyển động của phương tiện bằng cách đưa ra cảnh báo về sự hiện diện của các phương tiện khác hoặc bất kỳ chướng ngại vật nào khác phía sau chúng.

Không gian:

Để hướng dẫn phương tiện không gian hạ cánh an toàn trên mặt trăng
Quan sát các hệ hành tinh
Để phát hiện và theo dõi các vệ tinh
Để theo dõi các thiên thạch

Ứng dụng của radar trong công nghiệp

Các cảm biến đo mức sử dụng sóng radar để đo mức các đối tượng không tiếp xúc như: đo nước thải, đo hoá chất axit ăn mòn, đo thực phẩm, đồ uống… bằng cách phát ra sóng radar và nhận lại tín hiệu phản hồi. Sau đó mạch điện tử trong cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu 4-20mA gửi đến các thiết bị hiển thị hoặc điều khiển.