Về trang chủ


19/11/2018

Giới thiệu về radar biển

Radar là thuật ngữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Radio Detection and Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến). Đây là một hệ thống sử dụng để định vị và đo khoảng cách và lập bản đồ các vật thể trong phạm vi lớn.

I. CẤU TRÚC HỆ THỐNG RADAR BIỂN

1. Các thiết bị phần cứng
 
- Ăng ten phát tín hiệu
- Ăng ten thu tín hiệu
- Máy phát tín hiệu
- Máy thu tín hiệu
- Hệ thống xử lý tín hiệu thu 
- Máy tính phục vụ cài đặt, điều khiển vận hành và chạy các phần mềm trong hệ thống radar.
- Hệ thống Đảm bảo:
+ Nguồn điện
+ Kết nối thông tin mạng
+ Chống sét…
 
2. Các phần mềm
 
a. Phần mềm tại các trạm radar
 
- Phần mềm thu và xử lý số liệu sóng
- Phần mềm thu và xử lý số liệu dòng chảy hướng tâm
- Phần mềm Website: Quản lý và hiển thị các thông tin của trạm radar
 
b. Phần mềm tại trạm Điều hành
 
- Phần mềm cập nhật số liệu: Sóng, dòng chảy hướng tâm, các thông tin về trạng thái của các trạm radar
- Phần mềm xử lý và hiển thị dòng chảy hai chiều (2D)
- Phần mềm xử lý và hiển thị các tham số sóng
- Phần mềm quản lý các trạm radar biển.
 
3. Các sản phẩm đầu ra của hệ thống radar biển
 
- Dữ liệu dòng chảy quan trắc, phân tích và dự báo (dạng file text và bản đồ) trong phạm vi hoạt động của hệ thống radar biển;
 
- Dữ liệu sóng (Chu kỳ, hướng sóng, độ cao sóng) dạng biểu đồ và dạng text trong phạm vi hoạt động của hệ thống radar biển;
 
- Các sản phẩm thứ cấp được phân tích, tính toán từ số liệu sóng và dòng chảy(ví dụ như dữ liệu vật thể trôi phục vụ tìm kiếm cứu nạn…và các dạng khác).

II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR BIỂN
 
1. Nguyên lý chung
 
Radar là thuật ngữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Radio Detection and Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến). Đây là một hệ thống sử dụng để định vị và đo khoảng cách và lập bản đồ các vật thể trong phạm vi lớn.
 
Trong kỹ thuật radar, một chùm xung vô tuyến có công suất lớn được phát đi và thu sóng phản xạ lại bằng máy thu. Bằng cách phân tích sóng phản xạ, vật phản xạ được định vị, và đôi khi được xác định hình dạng. Chỉ với một lượng nhỏ sóng phản xạ, tín hiệu radio có thể dễ dàng thu nhận và khuyếch đại. 
 
Bước sóng radar càng ngắn thì độ phân giải hình ảnh trên màn radar càng rõ. Tuy nhiên các sóng radar ngắn cần nguồn năng lượng cao và định hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ, không dễ dàng đi xa như sóng có bước sóng dài.
 
Radar biển Seasonde là loại radar sử dụng tần số trong dải 4-50 MHz, bước sóng 6-75m (bước sóng dài, gọi là radar tần số cao – HF Radar) trong trường hợp không bị vật cản có thể lan truyền xa, dải hoạt động rộng hơn so với hệ thống radar sử dụng sóng siêu cao tần và cũng tiêu hao năng lượng nhỏ hơn nhiều lần. 
 
Radar biển Seasonde hoạt động dựa trên nguyên lý Doppler. Tín hiệu từ ăng ten phát của radar chạm vào bề mặt biển (sóng biển chuyển động) sau đó phản hồi lại và được thu bởi ăng ten thu. Trong quá trình thu sẽ có sự lệch pha tần số (Doppler shift) do sóng biển chuyển động. Sự lệch pha này tỉ lệ với tốc độ sóng/tốc độ dòng chảy biển, qua các phần mềm và thuật toán ta biết được tốc độ của dòng chảy biển. 
 
Quá trình thu tín hiệu radar và phân tích thành các đặc trưng của sóng và dòng chảy được chia thành 3 giai đoạn chính: phân tích vận tốc mục tiêu (tín hiệu sóng vô tuyến thu được), khoảng cách đến mục tiêu và hướng của mục tiêu.
 
a. Phân tích vận tốc của mục tiêu
 
Nếu như mặt biển là một bề mặt phẳng hoàn toàn, các tín hiệu radio phát đi từ radar sẽ không phản hồi trở lại do không gặp bề mặt phản xạ. Trên thực tế, bề mặt biển luôn luôn nhiễu động, tín hiệu radio phát đi sẽ phản hồi trở lại theo nhiều hướng. Từ đó, để thu nhận được những tín hiệu phân tán này ta cần sử dụng cơ chế cộng hưởng để khuếch đại các tín hiệu phản hồi dựa trên nguyên lý Bragg. Hiện tượng cộng hưởng chỉ xảy ra đối với bước sóng bằng hai lần bước sóng trên bề mặt biển, khi đó tín hiệu phản hồi sẽ được khuếch đại. 
 
Một số dải tần mà radar Seasonde sử dụng: 
 
- Tần số 25 MHz~ bước sóng radio λ = 12m ~ bước sóng biển L = 6m;
- Tần số 12 MHz~bước sóng radio λ = 25m ~ bước sóng biển L = 12.5m;
- Tần số 5 MHz ~bước sóng radio λ  = 60m ~ bước sóng biển L = 30m.
 
Trong thực tế, bề mặt biển luôn nhiễu động và sóng biển luôn luôn di chuyển. Điều này dẫn tới một hiện tượng là các tín hiệu thu về luôn bị lệch tần số so với ban đầu. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Doppler. Độ lệch tần số của tín hiệu thu về tương ứng với vận tốc sóng trên bề mặt biển. Do đó nếu như sóng biển trên bề mặt tiến về phía radar, tần số của tín hiệu thu về cao hơn so với ban đầu và ngược lại. Từ đó ta có thể thấy mức thay đổi của tần số sẽ nhận giá trị dương khi sóng biển tiến về radar và nhận giá trị âm khi sóng biển đi ra xa radar. Độ lớn của mức thay đổi tần số được tính theo công thức sau: Δf=2v/λ
 
Trong đó: Δf là mức thay đổi của tần số sóng radio thu được và truyền đi
               v là vận tốc dòng chảy
 
Sử dụng công thức Doppler ta sẽ tính toán được vận tốc dòng chảy từ tín hiệu radio thu được. Cũng cần lưu ý rằng thành phần vận tốc dòng chảy tính toán được trong trường hợp này là vận tốc hướng tâm. Để có thể tính hướng cũng như vận tốc dòng chảy trên bềmặt biển cần ít nhất hai trạm radar đặt tại hai vị trí khác nhau với sai số ít hơn 4cm/s. 
 
b. Phân tích khoảng cách đến mục tiêu
 
Cũng giống như những loại radar khác, radar Seasonde sử dụng phương pháp xác định thời gian giữ chậm giữa tín hiệu phát đi và tín hiệu thu về để tính toán khoảng cách đến mục tiêu. Khoảng cách đến mục tiêu được tính bằng tích nửa tổng thời gian từ lúc tín hiệu phát đi đến lúc thu về với vận tốc sóng. Tuy nhiên bề mặt biển luôn nhiễu động, đồng thời tổng thời gian từ lúc phát đi tín hiệu đến lúc thu về là rất nhỏ do sóng radio truyền với vận tốc ánh sáng. Từ đó để khắc phục nhược điểm của các loại radar khác trong công tác quan trắc sóng, dòng chảy, radar Seasonde sử dụng phương pháp truyền đi một dải tín hiệu có tần số tăng tuyến tính. Lấy hiệu của dải tín hiệu phát đi và thu về ta thu được khoảng cách đến mục tiêu. 
 
2.1.4. Phân tích hướng của mục tiêu
 
Hướng sóng quan trắc được tính toán dựa trên sự kết hợp của ba phần tử ăng ten độc lập trên ăng ten thu: 1 ăng ten monopole thu tín hiệu vô hướng và 2 ăng ten loop được đặt vuông góc với nhau.
 
Ăng ten Monopole thu tín hiệu có hướng và vô hướng được sử dụng để đồng hóa số liệu từ 2 ăng ten loop. Tín hiệu radio thu được từ hai ăng ten loop sau khi đã được đồng hóa với ăng ten monopole sẽ được phần mềm tính toán, xử lý để xác định hướng sóng truyền tới. 
 
2. Đặc tính kỹ thuật chung của trạm Radar biển Seasonde 
 
Thông thường, radar biển Seasonde được chia thành 3 loại:
 
- Loại chuẩn (Standard), có độ phân giải từ 500 m - 3 km, tầm quan trắc 20 - 60 km; 
- Loại có độ phân giải cao (Hi-res), có độ phân giải từ 200 - 500 m, tầm quan trắc từ 15 - 30 km; 
- Loại có tầm quan trắc lớn (Long-Range), có độ phân giải từ 3 - 12 km, tầm quan trắc từ 100 - 220 km. 
 
Tùy theo yêu cầu sử dụng mà trang bị loại radar thích hợp. Ngoài ra, với công nghệ mới “Dual Transmitter Twin TX Ăng ten” lắp thêm một ăng ten phát có thể tăng tầm quan trắc của radar Seasonde lên đến hơn 300 km, đây là định hướng cho các radar biển được lắp đặt sau này cũng như nâng cấp các radar hiện có. Hiện tại trạm Nghi Xuân (Hà Tĩnh) và trạm Đồng Hới (Quảng Bình) đã sử dụng hai ăng ten phát để nâng bán kính quan trắc lên đến 372 km.  
 

radar bien 1
 
Thống kê về phạm vi quan trắc xa nhất (màu xanh) và số số liệu thu thập theo từng giờ (màu đỏ) tại 2 trạm Nghi Xuân (trên) và Đồng Hới (dưới) năm 2015 có thể thấy rõ tầm quan trắc của hệ thống radar biển. Số liệu này được truy suất bất kỳ thời điểm nào khi trạm hoạt động. 
 
 

radar bien 2
Tầm quan trắc của 3 trạm radar
 
Nhìn trên hình vẽ từ máy có thể thấy rõ tầm quan trắc và giao thoa các véc tơdòng chảy xuyên tâm với các trạm trên 200 km, trạng thái mặt biển thích hợp cho việc quan trắc có thể lên đến hơn 300 km với hai ăng ten phát cùng hai máy phát tại các trạm ven bờ.
 
Như đã trình bày ở trên, mỗi cụm radar biển Seasonde bao gồm: Ăng ten phát/thu; Bộ thu (Receiver chasis)/Bộ phát (Transmitter chasis); Máy tính/ phần mềm hoạt động dựa trên hệ điều hành Macintosh. Phần mềm là bộ não của radar biển Seasonde, đóng góp tới 70 - 80% giá trị của radar. Phần mềm có bản quyền của hãng được cài đặt trong máy tính tại trạm đo và máy tính tại trạm Trung tâm, nơi các số liệu gửi về từ radar được tự động thu thập. Từ đó, trạm Trung tâm sẽ thu thập và tổng hợp số liệu của toàn bộ mạng lưới trạm radar biển được lắp đặt.
 
3.Các đặc tính kỹ thuật khác biệt giữa radar ven bờ và trên đảo
 
a. Đối với trạm ven biển
 
Do được cung cấp điện lưới, diện tích sử dụng để xây dựng trạm ít bị hạn chế vì vậy các thiết bị thu và phát cho những trạm này được thiết kế theo các tiêu chuẩn chung. Đối với máythu và phát tín hiệu được thiết kế riêng rẽ, có công suất lớn và đi kèm với chúng là chiếm diện tích đáng kể trong không gian của tủ Rack chuyên dụng.
 
b. Đối với trạm radar trên đảo
 
Do trên đảo chưa có điện lưới nên nguồn điện cấp cho hệ thống được lấy từ Pin năng lượng mặt trời, diện tích để lựa chọn xây dựng trạm rất hạn chế, vì vậy đặc tính kỹ thuật của máy thu và máy phát tín hiệu có sự thay đổi để phù hợp với điều kiện tại đây. Cụ thể, máy thu, phát và máy tính macbook minni được thiết kết nhỏ gọn, tất cả được thiết kế nằm gọn trong hộp có kích thước 38 x 45 cm.

Trung tâm Hải văn 
Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam