ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG
----------

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG 1
Ứng dụng của hệ thống FMCW Radar tầm ngắn
trong đo đạc khoảng cách và vận tốc của vật thể

GVHD: TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG
SVTH : HUỲNH THANH DƯ - 41300697
LÊ QUỐC PHÚ
- 41302982

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 12/2016


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………….……………
………….………………………………………………………………………………………
………………….………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………….……………
………….………………………………………………………………………………………
………………….………………………………………………………………………………
…………………………….………………………………………………

Điểm đánh giá: ……/10
Xác nhận của GVHD

Ngày…., tháng …., năm 2017

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………….……………
………….………………………………………………………………………………………
………………….………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………….……………
………….………………………………………………………………………………………
………………….………………………………………………………………………………
…………………………….………………………………………………
Điểm đánh giá: ……/10
Xác nhận của GVPB

Ngày…., tháng …., năm 2017

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

1


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện Đồ án 1 của nhóm, trải qua thời gian nghiên cứu và tìm tòi, điều đó
giúp chúng em tích lũy nhiều kiến thức về chuyên ngành của mình.

Bên cạnh sự nổ lực và cố gắng của nhóm, chúng em gửi lời cám ơn chân thành đến tới các
thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và các thầy
cô giáo trong khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điện tử - Viễn thông nói riêng đã tận tình giảng
dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua.
Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn của nhóm - TS. Huỳnh Phú Minh
Cường. Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em không chỉ được tiếp thu thêm nhiều kiến
thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc,
hiệu quả, cách làm việc chuyên nghiệp của một kĩ sư, của một nhà nghiên cứu, hơn hết là kỹ
năng làm việc, học tập, đó chính là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và
công tác sau này.
Qua đây, nhóm chúng em cũng gửi lời cám ơn đến Th.S Nguyễn Tấn Phát, người anh đã tận
tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và giải đáp các thắc mắc để chúng em có thể hoàn thành đồ
án này, gửi lời cám ơn đến những người bạn đã bên cạnh động viên, giúp đỡ chúng em rất
nhiều.
Trong quá trình thực hiện luận án chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót, do vậy chúng
em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy để có thể học hỏi
thêm nhiều kinh nghiệm và hoàn thiện đồ án của nhóm, đặc biệt là làm tốt hơn nữa trong Đồ
Án 2, Luận văn, hơn hết là các nghiên cứu sắp tới của mình.
Sau cùng, chúng em kính chúc thầy cô trường Đại học Bách Khoa và thầy Cường thật nhiều
sức khỏe, đạt nhiều thành công hơn nữa trong cuộc sống và công tác.
Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn.

TP. Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2016
HUỲNH THANH DƯ
LÊ QUỐC PHÚ

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

2



Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

LỜI NÓI ĐẦU
Radar là một thiết bị sóng điện từ và sự phát hiện sự có mặt, vị trí và các tính chất của các loại
mục tiêu nhờ vào các sóng phản xạ, chúng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống và
nghiên cứu. Có nhiều loại radar được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như hàng không,
hàng hải, khí tượng, giao thông,…chúng mang lại nhiều hiệu quả cũng như tạo tương tác, giải
quyết công việc trở nên tốt hơn.
Trong kỹ thuật xử lí tín hiệu của tín hiệu radar là một đề tài được sự quan tâm nhầm cải thiện
kết quả đo đạc một cách tối ưu nhằm khắc phục những hạn chế mà các thiết bị, phần cứng về
radar hiện có. Cùng với xu hướng đó, việc tiếp cận đề tài về “Ứng dụng của hệ thống Radar
FMCW tầm ngắn trong đo đạc khoảng cách và vận tốc của vật thể” trở hơn hấp dẫn hơn với
nhóm thực hiện đồ án chúng em.
Trong thực tế, có rất nhiều loại radar cung cấp các ứng dụng cụ thể, như radar xung, radar
CW, radar FMCW…tùy vào mục đích thực hiện thì sẽ lựa chọn loại radar phù hợp. Nhưng
trong khuôn khổ đồ án 1 chúng em, việc nghiên cứu hệ thống radar FMCW là một sự tiếp cận
tốt và dễ dàng hơn trong các bước tính toán và thực hiện. Hơn nữa trên thực tế loại radar này
được sử dụng một cách rộng rãi và tiện lợi hơn các loại radar còn lại vì nó đơn giản, cần công
suất thấp hơn, có nhiều lợi điểm hơn trong đo đạc khoảng cách và vận tốc.
Xuất phát từ thực tế này, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Huỳnh Phú Minh Cường,
nhóm chúng em đã thực hiện các bước nghiên cứu đầu tiên của mình trên hệ thông radar
FMCW băng X, dựa trên sensor transceiver RX3400X (hãng SiverIMA, Thụy Điển), được
thầy Cường cung cấp và hỗ trợ cho nhóm trong quá trình thực hiện.
Bước đầu thực hiện vẫn còn thiếu sót về kiến thức, kỹ năng làm việc dẫn đến nhiều hạn chế
trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Trong phần báo cáo tiếp theo của đề tài nhóm
chúng em sẽ trình bày từ tổng quan về radar đến các phần liên quan đến giải thuật xử lí tín
hiệu radar nhằm giúp người đọc nắm được cơ bản về nguyên lí hoạt động của một hệ thống

radar.
Xin chân thành cám ơn!

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

3


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ........................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................................... 2
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ............................................................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................................... 6
1.

2.

3.

4.

Mục đích và yêu cầu đồ án: ......................................................................................................... 7
1.1.

Mục đích ................................................................................................................................. 7


1.2.

Yêu cầu đồ án ......................................................................................................................... 7

Tổng quan về radar ...................................................................................................................... 8
2.1.

Thuật ngữ và lịch sử phát triển ............................................................................................ 8

2.2.

Ứng Dụng................................................................................................................................ 9

2.3.

Phân loại ............................................................................................................................... 10

Nguyên lí hoạt động cơ bản Radar: .......................................................................................... 13
3.1.

Tổng quan về nguyên lí cơ bản ........................................................................................... 13

3.2.

Hiệu ứng Doppler ................................................................................................................ 14

3.3.

Phương trình Radar ............................................................................................................ 17


3.3.1.

Phương trình Friss ....................................................................................................... 18

3.3.2.

Diện tích phản xạ (Radar Cross Section - RCS) ........................................................ 19

3.3.3.

Phương trình radar ...................................................................................................... 20

Hệ thống Radar cơ bản .............................................................................................................. 24
4.1.

Sơ đồ hệ thống ...................................................................................................................... 24

4.2.

Chi tiết chức năng các khối ................................................................................................. 24

4.2.1.

Anten.............................................................................................................................. 24

4.2.2.

Duplexer ........................................................................................................................ 25


4.2.3.

Bộ trộn tần (Mixer) ...................................................................................................... 25

4.2.4.

Bộ tạo dao động (Oscillator) ........................................................................................ 26

4.2.5.

Bộ khuếch đại công suất PA (Power Amplifier) ........................................................ 26

4.2.6.

Bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier)............................................ 26

4.2.7.

Bộ phát radar ................................................................................................................ 27

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

4


Đồ án viễn thông 1
4.2.8.
5.

6.


7.

Bộ thu radar .................................................................................................................. 27

Nguyên lí hoạt động của FMCW Radar ................................................................................... 29
5.1.

Cấu trúc hệ thống FMCW Radar ...................................................................................... 29

5.2.

Các tính toán trong đo đạc của hệ thống FMCW Radar ................................................. 33

5.3.

Nguyên lí hoạt động của SFCW Radar.............................................................................. 36

5.4.

Transceiver RS3400X .......................................................................................................... 39

Xử lý tín hiệu Radar ................................................................................................................... 41
6.1.

Tín hiệu IF và loại bỏ Coupling .......................................................................................... 41

6.2.

Hàm cửa sổ Gaussian .......................................................................................................... 43


6.3.

Giải thuật FFT ..................................................................................................................... 44

6.4.

Nội suy................................................................................................................................... 44

Phân tích các kết quả thực nghiệm:.......................................................................................... 45
7.1.

8.

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Kết quả sử dụng Matlab: .................................................................................................... 45

Kết luận và hướng phát triển .................................................................................................... 49
8.1.

Kết luận................................................................................................................................. 49

8.2.

Hướng phát triển ................................................................................................................. 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 50

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú


5


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.1 – Hệ thống Radar với Duplexer .......................................................................... 13
Hình 3.2 – Hệ thống Radar với Duplexer .......................................................................... 14
Hình 3.3 – Hiệu ứng Doppler ............................................................................................ 15
Hình 3.4 – Mô hình truyền sóng radar cơ bản ................................................................... 20
Hình 3.5 – Quan hệ khoảng cách và công suất nhận ......................................................... 22
Hình 4.1 – Sơ đồ khối của một hệ thống Radar đơn giản. ................................................. 24
Hình 4.2 – Sơ đồ khối của bộ circulator ............................................................................ 25
Hình 4.3 – Sơ đồ khối của bộ mixer ................................................................................. 26
Hình 4.4 – Mô hình bộ phát tín hiệu radar cơ bản ............................................................. 27
Hình 4.5 – Mô hình bộ thu tín hiệu radar cơ bản ............................................................... 28
Hình 5.1 – Cấu trúc hệ thống FMCW radar cơ bản .......................................................... 30
Hình 5.2 – Đồ thị dạng sóng ngõ ra của mạch điều chế tần số với dạng điều chế đầu vào hình
tam giác .............................................................................................................................. 31
Hình 5.3 – Đồ thị dạng sóng ngõ ra của mạch điều chế tần số với dạng điều chế đầu vào hình
răng cưa. ............................................................................................................................. 31
Hình 5.4 – Đồ thị dạng sóng ngõ ra của mạch điều chế tần số với dạng điều chế đầu vào hình
sine. .................................................................................................................................... 31
Hình 5.5 – Các dạng điều chế trong hệ thống FMCW radar ............................................. 32
Hình 5.6 – Tần số phát và thu đối với dạng điều chế tam giác khi vật thể đứng yên ........ 34
Hình 5.7 – Tần số phát và thu đối với dạng điều chế tam giác khi vật thể di chuyển (ra xa) 35
Hình 5.8 – So sánh dạng điều chế tần số tuyến tính và dạng tần số bước rời rạc ............. 36

Hình 5.9 – Dạng điều chế tần số rời rạc trong SFCW radar .............................................. 37
Hình 5.10 – Sơ đồ nguyên lý hệ thống SFCW Radar ........................................................ 38
Hình 5.11 – Bộ giải điều chế I/Q ....................................................................................... 38
Hình 6.1 – Sơ đồ khối xử lý tín hiệu .................................................................................. 41
Hình 6.2 – Xử lý tín hiệu tại bộ mixer ............................................................................... 42
Hình 6.3 –Tín hiệu khi chưa loại bỏ hiện tượng coupling ................................................. 42
Hình 6.4 –Tín hiệu IF......................................................................................................... 43
Hình 6.5 – Tín hiệu ở ngõ ra hàm cửa sổ Gaussian ........................................................... 43
Hình 6.6 – Ba vị trí có giá trị S[k] lớn nhất ....................................................................... 44
Hình 7.1 – Tín hiệu IF........................................................................................................ 45
Hình 7.2 – Phổ biên độ tín hiệu IF ..................................................................................... 45
Hình 7.3 – Bộ lọc thông cao FIR được thiết kế trên SPTool của Matlab. ......................... 46
Hình 7.4 – Tín hiệu IF ở ngõ ra bộ lọc thông cao .............................................................. 47
Hình 7.5 – Phổ biên độ tín hiệu IF ở ngõ ra bộ lọc thông cao. .......................................... 47
Hình 7.6 – Tín hiệu và phổ tín hiệu tại R = 0m ................................................................. 48

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

6


Đồ án viễn thông 1

1.

Mục đích và yêu cầu đồ án:

1.1.

Mục đích


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Mục đích của đồ án này là tìm hiểu nguyên lý hoạt động và xây dựng giải thuật của hệ thống
FMCW Radar để đo khoảng cách của vật thể trong tầm ngắn.
1.2.

Yêu cầu đồ án

Đồ án 1 này thực hiện nghiên cứu về radar, trước hết có thể nắm khái quát về nguyên lí hoạt
động của một hệ thống radar cơ bản, sau đó tập trung vào xây dựng giải thuật đo khảng cách
và vân tốc của vật thể trong tầm ngắn sử dụng transceiver RS3400X thu phát tín hiệu, xử lý
tín hiệu nhận về trên phần mềm Matlab và trên DSP TMS320F28069.
 Đo đạc vận tốc và khoảng cách của vật thể trong tầm ngắn.
 Sử dụng các phương pháp xử lý số tín hiệu để tính toán sai số đo đạc, tối ưu giải thuật
xử lí để có sai số là tốt nhất.

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

7


Đồ án viễn thông 1

2.

Tổng quan về radar

2.1.


Thuật ngữ và lịch sử phát triển

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Radar là thuật ngữ viết tắt của cụm từ "Radio Detection and Ranging" nghĩa là phát hiện và
đo khoảng cách bằng sóng vô tuyến điện. Radar là một thiết bị được phát minh trong những
thập niên đầu của thế kỉ 20 dùng để nhận dạng từ xa và xác định cự ly của các vật thể bằng
sóng điện từ.
Những giai đoạn lịch sử của radar từ những khám phá đầu tiên về lý thuyết trường điện từ cho
đến rất nhiều thử nghiệm radar trên thực tế kéo dài từ thế kỷ 19 cho đến tận đầu thế kỷ 20
trước khi nó được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong và sau thế chiến thứ 2.
Cuối thế kỉ 19, các phát hiện về sóng âm, hiệu ứng Doppler, các phương trình về lý thuyết
điện từ hay còn gọi là phương trình Maxwell đã tạo một bước chuyển về những ý tưởng hình
thành thiết bị giống radar.
Năm 1886, những lý thuyết của Maxwell được thử nghiệm trên thực tế và được Heinrich
Hertz chứng minh những lý thuyết trên đúng với cả sóng điện từ và sóng ánh sáng.
Năm 1888, Heinrich Hertz chứng minh rằng sóng vô tuyến có thể bị phản xạ khi gặp các
vật thể kim loại hoặc các vật liệu điện môi.
Những năm 1900, nhà phát minh Nikola Tesla đã đưa ra ý tưởng về những thiết bị giống
radar.
Những thử nghiệm phát hiện vật thể với sóng vô tuyến (radio wave) đầu tiên được thực
hiện vào năm 1904 bởi nhà phát minh người Đức Christian Hulsmeyer. Ông đã chứng minh
khả năng phát hiện một con tàu trong điều kiện sương mù dày đặc nhưng không thể xác định
khoảng cách so với máy phát.
Một vài năm trước khi Thế chiến thứ hai bùng nỗ các hệ thống radar phát sóng liên tục CW
được thử nghiệm ở nhiều quốc gia. Các hệ thống radar này hoạt động chủ yếu ở băng tần HF
(high frequency: 3 đến 30MHz) và VHF (very high frequency: 30 đến 300MHz) và đạt cự ly
phát hiện lên đến 50 dặm. Các radar CW dùng hiệu ứng dịch tần Doppler đo sự dịch chuyển
của mục tiêu sinh ra làm nền tảng cho việc phát hiện mục tiêu mà không có thêm bất kì thông
tin nào về cự li hay vị trí.

Trong suốt Thế chiến hai, các hệ thống radar được sử dụng một cách có hệ thống như một
công cụ để cải thiện hệ thống phòng thủ quân sự, bằng cách phát hiện sớm các máy bay và tàu
chiến quân địch, Trong thời kỳ đó, các radar xung cũng được phát minh để cung cấp thông tin
về cự ly dựa trên việc đo lường thời gian trễ giữa xung phát và xung phản xạ về từ mục tiêu.
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

8


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Từ đó, các hệ thống radar được phát hiện và cải tiến liên tục cả vế phần cứng (máy phát, máy
thu, anten radar v.v.) lẫn phần mềm (khi máy tính xuất hiện làm công cụ cho việc phân tích và
biểu diễn dữ liệu radar). Hiện nay, radar đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực của đời
sống như điều khiển không lưu, định vị hàng hải, dự báo thời tiết, các ứng dụng trong đời
sống như radar phát hiện mỏ khoáng sản, mỏ dầu,…, radar kiểm tra các công trình xây dựng,
radar đo tốc độ xe lưu thông và các ứng dụng quân sự như giám sát, định vị, điều khiển, và
dẫn đường cho các loại vũ khí.
2.2.

Ứng Dụng

Ứng dụng trong quân sự
Radar đầu tiên được thiết kế và chế tạo vào những năm 1930 nhằm mục đích chống lại các
máy bay ném bom của các bên tham chiến. Do vậy, vai trò của radar đối với việc phòng thủ
trong chiến tranh là vô cùng quan trọng. Trong các trận giao tranh, radar được sử dụng như
một thiết bị theo dõi các vật thể trên bầu trời như máy bay chiến đấu, trực thăng, tên lửa và
các vật thể bay không xác định khác. Ngoài ra, radar còn được sử dụng để điều khiển các vũ

khí đánh chặn, súng cối, đại bác hoặc tên lửa.
Viễn thám môi trường
Ứng dụng chủ yếu của các loại radar viễn thám đó là quan sát và theo dõi tình hình thời tiết,
từ đó đưa ra những dự đoán để đánh giá về diễn biến của các loại thời tiết như mưa, bão,...
Ngoài ra, radar viễn thám còn được sử dụng trên các loại máy bay nhằm xác định độ cao của
máy bay so với mực nước biển hoặc các loại radar tái hiện hình ảnh mặt đất được sử dụng
trên máy bay hoặc vệ tinh.
Điều khiển không lưu
Ta biết rằng, tai nạn trong hàng không luôn gây thiệt hại rất lớn về con người. Do vậy, an toàn
là một vấn đề quan trong hàng đầu đối với vận chuyển không lưu hiện nay. Các máy bay dân
dụng luôn được trang bị hệ thống radar giúp phi cơ kiểm soát được đường bay, quan sát và
theo dõi các máy bay lân cận khác cũng như cung cấp thông tin về thời tiết giúp định hướng
đường bay phù hợp cho máy bay nhằm hạn chế những rủi ro có thể xảy ra.
Ứng dụng khác
Radar còn được sử dụng trong các trạm quan sát đại dương với vai trò điều hướng cho các
loại tàu biển cũng như tìm kiếm cứu nạn đối với các loại tàu, thuyền gặp sự cố trên
biển.Ngoài ra, radar còn được sử dụng để khảo sát bề mặt của các hành tinh lân cận Trái đất
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

9


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

trong hệ mặt trời chẳng hạn như sao Kim. Bên cạnh đó, radar còn được ứng dụng trong các
lĩnh vực dân sự như thiết bị kiểm tra tốc độ của phương tiện giao thông - một ứng dụng của
CW Radar - hoặc được ứng dụng trong sinh học với việc khảo sát sự si chuyển của các loại
chim hoặc côn trùng,...

2.3.

Phân loại

Các hệ thống Radar nói chung sử dụng các dạng sóng điều chế và anten định hướng để phát
năng lượng điện từ vào một thể tích nhất định trong không gian nhằm phát hiện mục tiêu. Các
vật thể (mục tiêu) nằm trong không gian tìm kiếm sẽ phản xạ lại một phần năng lượng (tín
hiệu phản xạ) trở lại đài radar. Các tín hiệu phản xạ này sẽ được máy thu của đài radar xử lý
để tách các thông tin về mục tiêu như cự ly, vận tốc, góc phương vị, và một số đặc tính khác.
Radar có thể được phân loại theo vị trí đặt hệ thống radar như mặt đất, máy bay, không gian
hay tàu thủy. Ngoài ra, hệ thống radar cũng có thể phân ra thành nhiều loại khác nhau dựa vào
các đặc tính của radar như băng tần số, loại anten và dạng sóng phát. Ta cũng có thể phân loại
radar theo chức năng nhiệm vụ của đài radar như radar khí tượng, radar cảnh giới, radar dẫn
đường…
Radar dùng hệ thống bức xạ (Phased array radar) là loại radar sử dụng dãy anten đa chức
năng. Dãy anten được hình thành từ hai hay nhiều anten tổng hợp nên một búp sóng hẹp có
định hướng và có thể quét vòng được bằng cơ khí hay bằng điện. Việc quét vòng bằng điện tử
được điều khiển bởi pha của các tín hiệu đưa vào các phần tử của dãy anten. Thông thường
radar được phân loại theo dạng sóng hay theo tần số hoạt động. Theo dạng sóng, radar có thể
được phân thành hai loại là phát sóng liên tục (CW) và phát xạ xung.
Radar phát sóng liên tục là loại radar phát năng lượng điện từ liên tục và sử dụng hai anten
phát và thu riêng biệt. Radar phát xạ xung liên tục không điều chế có thể đo được chính xác
vận tốc xuyên tâm của mục tiêu (độ dịch Doppler) và góc phân vị. Thông tin về cự ly của mục
tiêu chỉ có thể biết được khi sử dụng điều chế. Ứng dụng cơ bản của dạng radar này là xác
định vận tốc mục tiêu trong radar cảnh giới và dẫn đường.
Radar xung sử dụng chuỗi các xung (chủ yếu được điều chế). Trong kiểu radar này hệ thống
được phân loại dựa theo tần số lặp lại xung (PRF – Pulse Repetition Frequency) với các dạng
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

10



Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

là PRF thấp, PRF trung bình, PRF cao. Các radar PRF thấp được sử dụng để đo cự ly khi
không cần quan tâm đến vận tốc của mục tiêu (độ dịch Doppler). Radar PRF cao chủ yếu
được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu. Radar phát sóng liên tục cũng như radar phát xạ
xung đều có thể đo được cả cự ly và vận tốc xuyên tâm của mục tiêu, bằng cách sử dụng các
sơ đồ điều chế.
Phân loại radar dựa trên tần số hoạt động.
Ký hiệu dải tần

Tần số (GHz)

Bước sóng (cm)

HF

0,003 ÷ 0,03

10.000 ÷ 1.000

VHF

0,03 ÷ 0,3

1.000 ÷ 100


UHF

0,3 ÷ 1

100 ÷ 30

L

1÷2

30 ÷ 15

S

2÷4

15 ÷ 7,5

C

4÷8

7,5 ÷ 3,75

X

8 ÷ 12,5

3,75 ÷ 2,4


Ku

12,5 ÷ 18,0

2,4 ÷ 1,67

K

18,0 ÷ 26,5

1,67 ÷ 1,13

Ka

26,5 ÷ 40

1,13 ÷ 0,75

MMW

> 40

< 0,75

Bảng 1. Phân loại radar dựa trên tần số hoạt động.

Radar HF dùng các bức xạ điện từ phản xạ từ tầng điện ly để phát hiện các mục tiêu phía sau
đường chân trời

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú


11


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Radar trong băng L thường được sử dụng trong các hệ thống mặt đất và trên tàu cho mục đích
quân sự và điều khiển không lưu cự ly xa.
Phần lớn các hệ thống radar cự ly trung bình mặt đất và trên tàu hoạt động ở băng S. Tuy
nhiên hầu hết các radar khí tượng hoạt động ở băng C.
Các radar dẫn đường, cảnh giới cự ly trung bình và các radar đo lường cũng hoạt động ở băng
C.
Băng X được sử dụng cho các hệ thống radar, trong đó anten có kích thước nhỏ. Các hệ thống
này được sử dụng trong hầu hết các radar quân sự đa chức năng trên máy bay. Các hệ thống
radar trong đó đòi hỏi khả năng phát hiện mục tiêu tốt và ít chịu tác động của suy hao khí
quyển đến băng tần số cao đều được sử dụng ở băng X.
Các băng tần số cao hơn (Ku, K, và Ka) chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của suy hao khí quyển
và thời tiết, do đó các radar sử dụng băng tần số này chỉ giới hạn trong các ứng dụng cự ly
ngắn như radar cảnh sát giao thông. Các radar bước sóng milimet chủ yếu giới hạn hoạt động
ở các hệ thống cự ly ngắn và các hệ thống thí nghiệm.

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

12


Đồ án viễn thông 1


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

3.

Nguyên lí hoạt động cơ bản Radar:

3.1.

Tổng quan về nguyên lí cơ bản

Radar hoạt động dựa trên sự bức xạ và phản xạ của sóng điện từ trong không gian. Sóng điện
từ lan truyền trong không gian theo đường thẳng và với tốc độ xấp xỉ bằng với tốc độ ánh
sáng trong chân không (3.108m/s). Cụ thể, radar tạo ra một lượng năng lượng điện từ bức xạ
vào không gian và phân tích năng lượng điện từ phản xạ ngược trở về từ vật chắn trong tầm
hoạt động của nó. Lấy một ví dụ đơn giản, khi ta đứng trong một hang động ta có thể nghe
được tiếng vọng của mình từ vách của hang động hoặc việc con dơi có khả năng dò tìm
đường đi của nó bằng cách phân tích sóng siêu âm phản xạ lại do chính nó phát ra, cơ bản cho
ta nguyên lý hoạt động của radar. Một hệ thống radar đơn giản được minh họa ở hình 3.1. Hệ
thống radar trên bao gồm một bộ phát, một bộ thu và 2 anten có nhiệm vụ bức xạ năng lượng
điện từ ở phía phát (Transmitter) và thu nhận năng lượng điện từ phản xạ lại từ vật thể ở phía
thu (Receiver). Cụ thể, hệ thống sẽ tạo ra tín hiệu RF (Radio Frequency - vô tuyến) ở phía bộ
phát và bức xạ ra không gian nhờ anten ở phía phát. Tín hiệu trên khi gặp vật chắn sẽ bị phản
xạ lại, tuy nhiên theo nhiều hướng khác nhau trong đó sẽ có những tín hiệu phản xạ lại về
phía anten thu. Từ đó, anten ở phía thu sẽ thu nhận tín hiệu phản xạ lại rồi chuyển sang bộ
thu, bộ thu sẽ phân tích sự sai biệt giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu để đưa ra những thông tin
về khoảng cách, vận tốc, hướng di chuyển của vật thể, ...
Một cải tiến cho hệ thống radar ở trên đó là thay vì sử dụng 2 anten (1 cho phía phát và 1
cho phía thu) hệ thống radar ở hình 2.2 chỉ sử dụng 1 anten cho việc thu và phát. Tuy nhiên
với hệ thống này, do chỉ sử dụng 1 anten nên cần phải cách ly tín hiệu phát và tín hiệu thu
người ta dùng thêm một bộ duplexer cho anten, từ đó giảm được sự cồng kềnh của hệ thống

này so với hệ thống sử dụng 2 anten ở trên. Ngoài ra duplexer còn giúp bảo vệ bộ thu khỏi
những tín hiệu công suất lớn từ bộ phát. Ở phần tiếp theo chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết.

Hình 3.1 – Hệ thống Radar với Duplexer

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

13


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Hình 3.2 – Hệ thống Radar với Duplexer

3.2.

Hiệu ứng Doppler

Christian A. Doppler đã có một phát biểu về một hiện tượng của sóng âm vào năm 1842, mà
sau này hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng Doppler.
Hiệu ứng Doppler có thể trình bày đơn giản như sau:
 Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần số thu
bằng tần số phát.
 Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu nhận
sóng thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại: bước sóng ngắn lại (tần số tăng) khi đầu thu
và đầu phát di chuyển lại gần nhau, ngược lại bước sóng sẽ dài ra (tần số giảm) khi đầu
thu và đầu phát di chuyển ra xa nhau.
Hiện ứng Doppler là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vì khi người

dùng chi chuyển (lại gần hoặc ra xa) đối với trạm BTS thì tần số sóng tới máy thu sẽ thay đổi,
từ đó ảnh hưởng đến việc thu nhận và xử lý thông tin.
Các radar sử dụng tần số Doppler để tách ra vận tốc xuyên tâm của mục tiêu cũng như để
phân biệt giữa mục tiêu đứng yên và mục tiêu di động. Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng dịch tần
số trung tâm của sóng tới theo sự chuyển động của mục tiêu so với nguồn phát. Tùy theo
hướng chuyển động của mục tiêu mà giá trị tần số dịch này có thể dương hay âm. Hiệu ứng

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

14


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Doppler chỉ xảy ra khi mục tiêu chuyển động so với radar, tần số Doppler f d là độ dịch tần
giữa tần số sóng bức xạ f0 và tần số sóng phản xạ f0’ thu về trong radar.

Hình 3.3 – Hiệu ứng Doppler
Giả sử mục tiêu di chuyển với vận tốc v (c là vận tốc ánh sáng)
Hiệu ứng Doppler xuất hiện 2 lần:
 Lần đầu tiên: Do mục tiêu chuyển động so với đài nên tần số sóng “nhận được” bởi
mục tiêu chuyển động fpx (tần số của tín hiệu phản xạ), khác với tần số dao động bức
xạ f 0 :

cv
f px  f 0 

 c 


Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

(3.2.1)

15


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

 Lần thứ hai: Tần số dao động nhận được bởi máy thu của đài radar (tần số của tín hiệu
thu f 0 ' , lúc này đài radar được coi là chuyển động so với mục tiêu) khác với tần số tín
hiệu phản xạ :

Vì vậy:

 c 
f 0'  f px 

c v

(3.2.2)

cv
f 0'  f 0 

c v


(3.2.3)

Trường hợp radar và mục tiêu lại gần nhau:

cv
f 0'  f 0 

cv

(3.2.4)

Trường hợp radar và mục tiêu ra xa nhau:

cv
f 0'  f 0 

cv

(3.2.5)

Gọi fd là độ dịch tần Doppler (tần số Doppler) của tín hiệu radar phản xạ từ mục tiêu, được
xác định bằng cách lấy hiệu của f 0 ' và f 0 : f d  f0'  f0
Vì vậy:

fd 

2v
f0
cv


(3.2.6)

Với v là giá trị đại số, v > 0 khi radar và mục tiêu lại gần nhau, v < 0 khi radar và mục tiêu
ra xa nhau.
Trên thực tế v

c , vì thế: f d 

2v
2v
f0 
c


(3.2.7)

Vậy tốc độ xuyên tâm của mục tiêu (gọi tắt là thành phần xuyên tâm của tốc độ mục tiêu) phụ
thuộc vào độ dịch tần Doppler của tín hiệu:

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

16


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

v


fd
c
2 f0

(3.2.8)

Do đó, ta thấy rằng nhờ có hiệu ứng Doppler mà radar có thể phân biệt được các loại mục tiêu
chuyển động và mục tiêu đứng yên. Đồng thời cũng nhờ có hiệu ứng Doppler mà radar có thể
xác định được tốc độ di chuyển của mục tiêu.

3.3.

Phương trình Radar

Xét một radar có anten bức xạ đẳng hướng. Do loại anten này có dạng bức xạ hình cầu nên ta
có thể định nghĩa mật độ công suất đỉnh (công suất trên một đơn vị diện tích) ở bất kỳ điểm
nào trong không gian là

(

PD =

)

(3.3.1)

Mật độ công suất tại cự li R so với radar (giả sử không suy hao trên môi trường truyền) là
PD =

(3.3.2)


Trong đó Pt là công suất phát đỉnh và 4πR2 là diện tích của mặt cầu bán kính R.
Hệ thống radar sử dụng các anten định hướng để tăng cường mật độ công suất theo một
hướng nhất định. Các anten định hướng thường có độ lợi anten là G và diện tích hiệu dụng
anten là Ae.
Ae =



(3.3.3)

Trong đó λ là bước sóng. Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng anten là Ae và diện tích vật lý A là
Ae = ρA

(3.3.4)

0≤ρ≤1

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

17


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

ρ là hiệu suất diện tích, anten càng tốt thì ρ →1. Trong thực tế, giá trị ρ = 0.7 thường được sử
dụng.
Mật độ công suất tại khoảng cách R so với radar, dùng anten định hướng có độ lợi G cho bởi


PD 

PG
t
4 R2

(3.3.5)

3.3.1. Phương trình Friss
Công suất sẵn có tại đầu ra của anten thu:
2
PG
PG
t T
t T GR 
PR  PD Ae 
Ae 
.
4 R2
4 R2 4

  
 PR  Pt 
 GT GR
4 R
2

(3.3.7)


PT: Công suất bức xạ tại anten phát
PR: Công suất nhận được từ anten thu
GT :Độ lợi anten phát
GR : Độ lợi anten thu
Phương trình trên là phương trình Friss.
Trong trường hợp sử dụng một anten, phương trình Friss trở thành:

 G 
PR  Pt 

4 R

2

(3.3.7)

Phương trình Friis được dùng để ước lượng công suất được truyền từ anten phát đến anten thu
thông qua không gian tự do với một mức công suất cho trước Pt. Phương trình Friss được sử
dụng nhiều trong việc thiết kế tuyến liên lạc vệ tinh và viba.
Giả sử đặt vào anten phát một mức công suất biết trước Pt, biết được độ lợi anten phát và
anten thu. Từ đó dựa vào phương trình Friis ta sẽ ước lượng được khoảng cách lớn nhất Rmax
mà tại đó anten vẫn còn thu được mức tín hiệu thấp nhất (so với công suất nhiễu PN = kTB)
mà không bị mất thông tin.
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

18


Đồ án viễn thông 1


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

3.3.2. Diện tích phản xạ (Radar Cross Section - RCS)
Khi năng lượng bức xạ của radar đập vào mục tiêu, bề mặt dẫn của mục tiêu sẽ bức xạ năng
lượng điện từ theo mọi hướng. Lượng năng lượng bức xạ sẽ tùy thuộc vào kích thước, hướng,
hình dạng vật lý và vật liệu của mục tiêu. Các nhân tố đó được kết hợp lại theo một thông số
đặc trưng của mục tiêu gọi là diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS – Radar Cross Section),
kí hiệu là σ.
Thông số RCS là một thông số được xét ở trường xa của tín hiệu phát (far-field), nó là đại
lượng đặc trưng cho tính tán xạ sóng điện từ của vật thể và được định nghĩa là bề mặt mà
sóng phản xạ ngược về anten thu khi mà sóng tới vật thể và tán xạ theo nhiều hướng khác
nhau.
Đặc tính tán xạ của vật thể trong truyền và nhận sóng radar
Vật thể

RSC (m2)

RCS (dBsm)

Xe tải

200

23

Ô tô

100

20


Máy bay dân dụng

100

20

Tàu biển

10

10

Máy bay chiến đấu loại lớn

6

7.78

Máy bay chiến đấu loại nhỏ

2

3

Con người (trưởng thành)

1

0


Tên lửa

0.5

-3

Chim

0.01

-20

Côn trùng

0.00001

-50

Bảng 2 – RCS của một số vật thể điển hình
Diện tích phản xạ hiệu dụng được định nghĩa là tỉ số giữa công suất được phản xạ trở về đài
radar trên mật độ công suất tới mục tiêu
 = Pr / PD [m2]
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

(3.3.8)
19


Đồ án viễn thông 1


GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Trong đó Pr là công suất phản xạ từ mục tiêu.
3.3.3. Phương trình radar
Hình 3.2 mô tả một mô hình truyền sóng radar điển hình, trong đó, sóng điện từ được bức xạ
ra không gian với công suất phát là Pt tới vật thể bay trong trường hợp này là một chiếc máy
bay và một phần sóng điện từ phản xạ lại anten với công suất nhận là Pr. Qua đó ta thấy rằng,
dựa vào thời gian trễ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát ta có thể tính toán được khoảng cách
của chiếc máy bay trên với hệ thống radar. Ngoài ra, việc xác định được sự thay đổi tần số
giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát còn cho ta thông tin về vận tốc của chiếc máy bay đó thông
qua hiệu ứng Doppler.
Tuy nhiên, ta cần xác định mức công suất thu cần thiết để có thể thu được hai thông tin đã đề
cập ở trên.

Hình 3.4 – Mô hình truyền sóng radar cơ bản
Công suất phản xạ trở về radar:

PR  PD 

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

PG
t T

4 R2

(3.3.9)

20



Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Do vậy, tổng công suất chuyển đến bộ xử lý tín hiệu radar của anten là
PDr 

PG
t 

4

R



2 2

(3.3.10)

Ae

Thay giá trị của Ae vào phương trình ta có

PDr 

2 2
PG


t

4 

3

(3.3.11)

R4

Hay:
Pr = Pt + 2G + σ[dBsm] + 20log10(λ) − 30log10(4π) − 40log10(R)

(3.3.4)

Trong đó:
Pt: Công suất phát tại anten [dBm].
G: Độ lợi của anten [dBi].
λ: Bước sóng của tín hiệu phát [m], với λ= c / f
σ: Diện tích phản xạ Radar (RCS) [dBsm]
R: Khoảng cách từ anten phát đến vật thể [m].

Đặt Smin là công suất tín hiệu cực tiểu khả tách, ta có cự li radar cực đại là

Rmax

 PG 2 2
 t 3
 4  S

min


Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

1/4






(3.3.13)

21


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Hình 3.5 – Quan hệ khoảng cách và công suất nhận
Trong thực tế, các tín hiệu thu về của radar sẽ bị nhiễu, là các điện áp không mong muốn của
tất cả các tần số radar. Nhiễu về mặt tự nhiên có tính ngẫu nhiên và có thể được mô tả bằng
hàm mật độ phổ công suất pdf (Power Spectral Density). Công suất nhiễu N là một hàm của
băng thông hoạt động B của radar. Một cách chính xác, ta có
N = Noise PSD × B

(3.3.14)


Công suất nhiễu đầu vào của một anten không suy hao là
Ni = kTe B

(3.3.15)

Trong đó k =1.38× 10-23 I/K là hằng số Boltzman, và Te là nhiệt độ nhiễu hiệu dụng tính theo
độ K. Ta luôn luôn mong muốn rằng tín hiệu nhỏ nhất có thể tách sóng được (Smin) luôn lớn
hơn công suất nhiễu. Chất lượng của radar máy thu thông thường được mô tả như một đặc
tính gọi là đặc tính nhiễu F. Đặc tính nhiễu được định nghĩa như sau
F=

(

)

(

)

=(

)

(3.3.16)

(SNR)i và (SNR)o là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR – Signal to Noise Ratio) ở đầu vào và đầu
ra máy thu. Si là công suất tín hiệu vào, Ni là công suất nhiễu vào, So và No là công suất tín
hiệu và nhiễu ở đầu ra. Thay phương trình (1.29) vào phương trình (1.30) và sắp xếp lại ta có
Si = KTeBF(SNR)o


(3.3.17)

Do đó, công suất tín hiệu cực tiểu khả tách là
Si = KTeBF(SNR)omin

(3.3.18)

Ngưỡng tách sóng radar được đặt ở giá trị SNR đầu ra cực tiểu (SNR)omin . Thay phương trình
(1.33) vào phương trình (1.28) ta được

Rmax



 4


PG

t
2



3

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

2


kTe BF  SNR 0 min

1/4






(3.3.19)

22


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường

Hay tương đương là

 SNR 0 

2 2
PG

t

4 

3


kTe BFR 4

(3.3.20)

Suy hao của radar L sẽ làm giảm toàn bộ SNR, do đó

 SNR 0 

Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

2 2
PG

t

4 

3

kTe BFLR 4

(3.3.21)

23


Đồ án viễn thông 1

GVHD: TS. Huỳnh Phú Minh Cường


4.

Hệ thống Radar cơ bản

4.1.

Sơ đồ hệ thống

Một hệ thống radar cơ bản bao gồm một bộ phát, một bộ thu và hệ thống anten thu, phát.
Hình dưới minh họa một hệ thống radar với các bộ phận cơ bản mang những chức năng đặc
trưng. Sau đây chúng ta sẽ cùng làm rõ chức năng của các bộ phận riêng biệt trong radar.

Hình 4.1 – Sơ đồ khối của một hệ thống Radar đơn giản.

4.2. Chi tiết chức năng các khối
4.2.1. Anten
Trong hệ thống radar, anten đóng vai trò là bộ phận tương tác giữa chính hệ thống đó với tất
cả các loại sóng điện từ có mặt trong không gian. Nhờ đó, anten hoạt động như một bộ phận
truyền dẫn, lan truyền và định hướng bức xạ năng lượng điện từ ra không gian cũng như thu
nhận sóng điện từ p hản hồi từ vật thể.
Trong thiết kế anten, có rất nhiều thông số đượ c quan tâm chẳng hạnn hư: đồ thị bức xạ
của anten (Radiation Pattern), mật độ công suất bức xạ (W), cường độ bức xạ (U), beamwidth
(Half Power Beamwidth - HPBW, First Null Beamwid th - FNBW), độ định hướng (D), độ
lợi(Gain), hiệu suất (Antenna Efficiency), băng thông (Bandwidth) và cuối cùng là tính phân
cựccủa anten (Polarization) . Tuy nhiên, để đánh giá nhanh một anten người ta thường dựa
vào 2 thông số đó là độ lợi và đồ thị bức xạ.
Huỳnh Thanh Dư – Lê Quốc Phú

24