Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống radar
I. Cấu hình hệ thống radar
Công nghệ hiện đại không ngừng phát triển, các thiết bị và dụng cụ hàng hải mới dựa trên nền tảng thông tin liên tục xuất hiện. Các thiết bị mới này đã thực hiện tích hợp dữ liệu và chia sẻ thông tin với radar hàng hải. Hệ thống định vị điện tử (Electronic Position Fixing System, EPFS) thường sử dụng GPS, Beidou, Glonass, v.v., để cung cấp dữ liệu vị trí tàu và thời gian tham chiếu cho radar. Thiết bị đo tốc độ và quãng đường của tàu (Speed and Distance Measuring Equipment, SDME) thường là máy đo quãng đường, cung cấp tốc độ của tàu cho radar. AIS cung cấp cho radar thông tin nhận dạng mục tiêu, bao gồm thông tin nhận dạng tàu, dữ liệu động và dữ liệu mốc hải lý. Thiết bị truyền hướng (Transmitting Heading Devices, THD) như la bàn con quay cung cấp hướng đi của tàu cho radar. Bản đồ hàng hải điện tử (Electronic Navigational Chart, ENC) hoặc hệ thống bản đồ hàng hải véc-tơ khác cung cấp dữ liệu bản đồ hàng hải cho radar. Radar cung cấp hình ảnh và dữ liệu theo dõi mục tiêu cho thiết bị ghi dữ liệu hành trình trên tàu (Voyage Date Recorder, VDR) để lưu trữ và ghi lại. Các cảm biến khác, chẳng hạn như hệ thống báo động trực ca trên buồng lái, cũng có thể kết nối với radar để cùng tạo thành hệ thống thông tin hàng hải đa chức năng, đa nhiệm vụ và có độ chính xác cao.
Dựa trên hình thức lắp ráp, thiết bị radar cơ bản có thể được chia thành radar dưới cột buồm (thường gọi là radar ba đơn vị) và radar trên cột buồm (thường gọi là radar hai đơn vị). Phần chính của radar dưới cột buồm được lắp ráp thành ba hộp: ăng-ten, bộ thu phát và màn hình. Trong đó, ăng-ten được lắp đặt trên cột buồm chính hoặc cột radar, màn hình được lắp đặt trong buồng lái, bộ thu phát thường được lắp đặt trong phòng hải đồ hoặc khoang thiết bị gần buồng lái. Nếu bộ thu phát và đế ăng-ten được kết hợp thành một và lắp đặt trên cột buồm, thì được gọi là radar trên cột buồm. Radar dưới cột buồm dễ bảo trì, được sử dụng nhiều trên các tàu lớn và công suất phát thường lớn. Các tàu cỡ vừa và nhỏ thường sử dụng cấu hình trên cột buồm, cấu hình này có công suất phát thấp hơn, chi phí thiết bị cũng thấp hơn, nhưng khó bảo trì hơn.
Hệ thống radar hàng hải có cấu trúc khá phức tạp, có thể chia thành các bộ phận như bộ phận ăng-ten, bộ phận thu phát, bộ xử lý, bộ hiển thị, bộ điều khiển và nguồn điện. Từ góc độ chức năng, bộ phận thu phát có thể chia nhỏ thành bốn phần: bộ định thời, hệ thống phát, hệ thống thu và bộ chuyển mạch hai chiều. Hình 1-1-1 thể hiện cấu trúc hệ thống của một mẫu radar của Furuno.
Hình 1-1-1 Cấu trúc hệ thống của một loại radar của Guno
II. Radar timer and transmission system
(1) Bộ hẹn giờ
Bộ định thời, còn được gọi là bộ tạo xung kích hoạt, có chức năng tạo ra xung kích hoạt và điều phối hoạt động của các bộ phận radar. Mạch kích hoạt sẽ tạo ra các tín hiệu thời gian cần thiết cho bộ thu phát. Radar hiện đại sử dụng bộ dao động tinh thể có độ ổn định cao làm nguồn dao động. Sau khi chia tần số, nó tạo ra xung TTL có tần số đầu ra trong khoảng 0,5~4 kHz. Đỉnh xung này được sử dụng làm tín hiệu thời gian tham chiếu cơ bản cho hoạt động của radar. Tần số lặp lại của xung phát radar được quyết định bởi tần số lặp lại của xung kích hoạt. Mạch kích hoạt phát ra nhiều tín hiệu kích hoạt, được gửi đến các bộ phận của radar như hệ thống phát, màn hình hiển thị, màn hình giám sát hiệu suất, v.v. Khi các thiết bị như ECDIS, VDR, v.v. được kết nối với radar, xung kích hoạt cũng được phát ra dưới dạng tín hiệu thời gian đến các thiết bị này.
Sau khi nhân viên vận hành kết nối nguồn điện radar, cần bật công tắc nguồn trên bảng điều khiển màn hình. Sau khi radar được làm nóng trong 3 phút, nhân viên vận hành nhấn nút điều khiển phát sóng, hệ thống phát sóng radar sẽ bắt đầu hoạt động. Lúc này, ống từ tạo ra các xung vi sóng tần số siêu cao, các xung này được truyền qua ống dẫn sóng đến ăng-ten và được ăng-ten phát ra.
(2) Hệ thống phóng
Dưới sự điều khiển của xung kích hoạt, hệ thống phát sóng tạo ra các xung sóng vô tuyến hình chữ nhật có công suất cao với độ rộng và biên độ cụ thể. Các xung này được truyền qua đường truyền sóng vi ba đến ăng-ten và phát ra không gian. Hệ thống phát sóng radar chủ yếu bao gồm bộ điều chế, ống từ và mạch phụ trợ. Hệ thống phát của radar FURANO FAR-2827 nằm ở phần dưới của đơn vị thu phát, như thể hiện trong Hình 1-1-2. Hệ thống phát này bao gồm ống magnetron, bảng mạch điều chế (bảng mạch MD) và biến áp xung.
Hình 1-1-2 Cấu trúc hệ thống phát radar FAR-2827 của Kono
Mạch điều chế tạo ra xung âm áp cao, xung này được sử dụng để điều khiển ống magnetron và kiểm soát quá trình phát xạ của nó. Thời điểm bắt đầu của xung điều chế được xác định bởi cạnh trước của xung kích hoạt, trong khi độ rộng của xung được điều khiển bằng nút chọn dải đo hoặc độ rộng xung trên bảng điều khiển radar. Độ lớn của xung điều chế liên quan đến điện áp cực cao và công suất phát xạ; độ lớn càng cao, điện áp cực cao cần thiết càng cao và công suất phát xạ cũng càng lớn. Thông thường, biên độ xung điều chế nằm trong khoảng 10~18 kV, biên độ của các bộ điều chế khác nhau sẽ có sự khác biệt lớn.
Trong những năm gần đây, mặc dù hệ thống radar liên tục thay đổi, nhưng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, radar trên tàu vẫn sử dụng rộng rãi ống từ. Hiện nay, trên thị trường, công suất của ống từ trên tàu rất đa dạng, từ vài kilowatt đến vài chục kilowatt. Ví dụ, ống magnetron 10 kW, 30 kW, 60 kW, v.v. thích hợp cho radar băng tần S; ống magnetron 2 kW, 4 kW, 6 kW, 10 kW, 12,5 kW, 25 kW, 30 kW, 50 kW, 60 kW, v.v. thích hợp cho radar băng tần X. Ống magnetron hàng hải đạt tiêu chuẩn phải vượt qua các bài kiểm tra về nhiệt độ, độ mặn, độ ẩm, rung động động, tuổi thọ, v.v.
1. Cấu trúc và đặc điểm hoạt động của bộ dao động ống từ
Magnetron là một thiết bị điện tử chân không dao động vi sóng công suất lớn có cấu trúc đặc biệt. Bên ngoài nó được trang bị một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh, bên trong có cực âm và cực dương. Các loại magnetron khác nhau có sự khác biệt đáng kể về ngoại hình. Magnetron radar hàng hải MG5223F của Kuno có ngoại hình như hình 1-1-3, thiết kế nhẹ nhàng và hiệu suất hoạt động xuất sắc. Trong điều kiện hoạt động bình thường, ống magnetron cần điện áp dây tóc để làm nóng cực âm, cực dương nối đất, cực âm áp dụng tín hiệu điều chế cao áp cực âm. Lúc này, bên trong ống magnetron sẽ tạo ra dao động vi sóng có biên độ bằng nhau. Công suất đầu ra chủ yếu được quyết định bởi giá trị điều chế cao áp, còn tần số dao động chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc của chính ống magnetron.
Hình 1-1-3 Ống từ MG5223F của Furuno
Tuổi thọ làm việc của ống từ được quyết định bởi khả năng phát xạ điện tử của cực âm, thường là từ 4000h đến 20000h. Theo tiêu chuẩn hiệu suất radar của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), ống từ cần được làm nóng trước trong 3 phút trước khi phát xạ bình thường. Qua quá trình làm nóng trước, cực âm có thể được làm nóng đầy đủ, khả năng phát xạ điện tử được cải thiện, ống từ có thể đạt được trạng thái làm việc với dòng điện mạnh, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Dòng điện của ống từ là thông số quan trọng phản ánh trạng thái hoạt động của hệ thống phát sóng radar, là giá trị dòng điện trung bình trong chu kỳ hoạt động của máy phát radar. Đối với các mẫu radar mới, người vận hành có thể kiểm tra dòng điện của ống từ trong kết quả tự kiểm tra hệ thống và so sánh với giá trị tiêu chuẩn được cung cấp trong tài liệu hướng dẫn hoặc trên thiết bị radar. Nếu giá trị dòng điện magnetron nằm trong phạm vi bình thường, điều đó cho thấy hệ thống phát radar hoạt động bình thường; nếu giá trị dòng điện quá nhỏ hoặc không có dòng điện, đồng thời xuất hiện tín hiệu phản hồi yếu hoặc mất tín hiệu, thì cần xem xét khả năng magnetron bị lão hóa hoặc hệ thống phát có sự cố. Về phương pháp kiểm tra dòng điện magnetron, có thể tham khảo cụ thể trong phần 4 của chương này “I. Tìm kiếm và khắc phục sự cố radar — (IV) Các phương pháp khắc phục sự cố khác — 1. Tự kiểm tra hệ thống”.
Khi tiến hành bảo dưỡng hệ thống phóng hoặc thay thế ống từ, nhân viên vận hành phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định vận hành sau đây:
(1) An toàn cá nhân
Khi radar hoạt động, nó sẽ tạo ra điện áp cao. Khi bảo trì thiết bị, nhân viên vận hành phải ngắt nguồn điện trước tiên, sau đó tiến hành xả điện cho các bộ phận có điện áp cao trước khi tiến hành sửa chữa. Nếu cần phải làm việc trong điều kiện có điện, phải thực hiện các biện pháp bảo vệ trước, nghiêm ngặt phòng ngừa tai nạn điện giật do điện áp cao và tránh tổn thương do bức xạ điện từ. Do xung quanh ống từ có từ trường mạnh, nhân viên bảo trì phải giữ đồng hồ, điện thoại di động và các vật liệu từ tính khác xa khỏi ống từ khi thao tác.
(2) An toàn thiết bị
Để kéo dài tuổi thọ của ống từ, khi khởi động phải làm nóng trước ít nhất 3 phút. Đặc biệt khi tàu neo đậu tại cảng và không sử dụng radar trong thời gian dài, hoặc trong điều kiện thời tiết lạnh và ẩm ướt, cần kéo dài thời gian làm nóng trước một cách thích hợp. Để bảo vệ tính chất từ trường của nam châm vĩnh cửu, nghiêm cấm để các vật liệu từ tính gần ống từ, khi tháo lắp phải sử dụng dụng cụ không từ tính. Thông thường, phụ tùng ống từ được đựng trong hộp đựng đặc biệt, khi sử dụng phải đảm bảo ống từ cách các vật liệu từ tính khác ít nhất 10 cm, và khoảng cách giữa hai phụ tùng phải lớn hơn 20 cm.
(3) Thay thế ống từ và thao tác “thành thạo”
Khi thay thế phụ tùng ống từ, cần phải thực hiện thao tác “làm quen” với ống từ mới để tăng độ chân không bên trong ống, ngăn chặn hiện tượng đánh lửa bên trong ống khi hoạt động và gây hư hỏng cực âm. Cách “làm quen” cụ thể là: đặt radar ở trạng thái chờ (Standby) trong hơn nửa giờ, sau đó tiến hành phát sóng trong hơn 10 phút. Trong quá trình này, người vận hành phải quan sát sự thay đổi của dòng điện ống từ, chú ý hiện tượng hiển thị trên màn hình và lắng nghe âm thanh hoạt động của ống. Nếu kim đồng hồ điện ổn định không rung, màn hình quét đều và ống không phát ra âm thanh phóng điện khi hoạt động, có thể tắt máy, điều chỉnh điện áp cao về giá trị bình thường để radar phát sóng. Sau khi xác nhận dòng điện của ống từ ổn định, quét đều và không có âm thanh bất thường khi phát sóng, quá trình “làm quen” kết thúc. Nếu không, cần kéo dài thời gian làm nóng radar ở trạng thái chuẩn bị. Nếu điều kiện cho phép, tốt nhất nên sử dụng ống từ dự phòng luân phiên mỗi sáu tháng một lần.
(3) Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của hệ thống phóng
1. Dải tần số làm việc
Radar được sử dụng trên tàu thương mại có hai loại bước sóng là 3cm và 10cm. Trong đó, dải tần số của radar bước sóng 3cm là 2,9~3,1 GHz, còn dải tần số của radar bước sóng 10cm là 9,3~9,5 GHz. Khi thời gian sử dụng radar tăng lên, tần số phát sóng của nó sẽ xuất hiện sai số. Đối với radar băng tần X, phạm vi dao động tần số của nó thường nằm trong khoảng ±55 MHz.
2. Độ rộng xung
Trong mỗi chu kỳ phát sóng của radar, thời gian dao động của xung tần số vô tuyến được gọi là độ rộng xung, thường được ký hiệu bằng τ. Để đáp ứng yêu cầu quan sát của radar, độ rộng xung phát sóng sẽ thay đổi tùy theo dải đo được lựa chọn. Một radar thường có nhiều độ rộng xung, phạm vi thông thường nằm trong khoảng 0,04~1,2 μs.
3. Tần số lặp lại xung
Số lượng xung mà radar phát ra mỗi giây được gọi là tần số lặp xung, có thể được biểu thị bằng fr, PRF (Pulse Repetition Frequency) hoặc PPS (Pulses Per Second), và giá trị nghịch đảo của nó là chu kỳ lặp xung T. Thông thường, tần số lặp xung của radar nằm trong khoảng 400~4000 Hz.
4. Công suất phát
Radar sử dụng hệ thống xung có công suất phát đỉnh thường từ 4 đến 30 kW.
III. Radar duplexer
Bộ chuyển mạch hai chiều còn được gọi là bộ chuyển mạch thu phát. Do radar sử dụng ăng-ten chung cho cả thu và phát, nếu xung công suất cao từ hệ thống phát bị rò rỉ vào hệ thống thu, có thể gây hỏng mạch phía trước của hệ thống thu. Khi hệ thống phát hoạt động, bộ chuyển mạch hai chiều sẽ kết nối ăng-ten với hệ thống phát; sau khi phát xong, bộ chuyển mạch sẽ tự động ngắt kết nối giữa ăng-ten và hệ thống phát, đồng thời tái thiết lập kết nối giữa ăng-ten và hệ thống thu, từ đó thực hiện chức năng chung cho cả thu và phát của ăng-ten. Do đó, bộ chuyển đổi song công có thể ngăn chặn xung phát vào hệ thống thu, đóng vai trò bảo vệ mạch thu. Hiện nay, bộ chuyển đổi song công chủ yếu sử dụng bộ tuần hoàn ferrite (Ferrite Circulator).
Bộ chia tín hiệu hình chữ T ba cổng có cấu trúc bên trong gồm các cột ferit hình trụ hoặc hình lăng trụ, và một trường từ trường cố định được áp dụng dọc theo trục của các cột ferit, như minh họa trong Hình 1-1-4. Ferit được từ hóa sẽ tạo ra hiệu ứng dịch chuyển trường đối với sóng radar đi qua. Khi sóng radar được truyền vào từ cổng 1 (hệ thống phát), nó chỉ được truyền đến cổng 2 (ăng-ten); sóng điện từ được truyền vào từ cổng 2 (ăng-ten) chỉ bị lệch sang cổng 3 (hệ thống thu), không vào cổng 1 (hệ thống phát), từ đó tạo ra đặc tính truyền sóng điện từ định hướng, thực hiện chức năng của bộ chuyển đổi song công. Hình 1-1-5 cho thấy hình dáng thực tế của một bộ chuyển đổi sóng dẫn.
Hình 1-1-4 Cấu trúc bộ lọc vòng ba cổng loại T
Hình 1-1-5 Thiết bị vòng dẫn sóng
Trong quá trình sử dụng thực tế, một phần năng lượng phát ra sẽ bị rò rỉ ngược qua bộ lọc vòng vào hệ thống thu, đồng thời các xung phản xạ mạnh cũng sẽ xâm nhập vào hệ thống thu. Để bảo vệ mạch đầu vào của hệ thống thu khỏi bị hỏng, thường lắp đặt bộ giới hạn công suất vi sóng giữa bộ lọc vòng và hệ thống thu. Bộ giới hạn thường được cấu tạo từ điốt vi sóng, khi xuất hiện xung rò rỉ công suất cao, bộ giới hạn sẽ được kích hoạt để dẫn ngược, đưa nó vào trạng thái giới hạn. Sau khi xung rò rỉ kết thúc, điốt giới hạn sẽ trở lại trạng thái ngắt, cho phép sóng phản hồi đi vào nhánh hệ thống thu. Thời gian phục hồi mạch cần thiết cho toàn bộ quá trình không quá 0,2 μs, thời gian này được gọi là thời gian chuyển đổi thu phát của ăng-ten radar.
Hình 1-1-6 Hệ thống truyền dẫn vi sóng và ăng-ten của FURANO FAR-2328W
IV. Hệ thống truyền dẫn vi sóng và ăng-ten
(1) Hệ thống truyền dẫn vi sóng
Hệ thống truyền dẫn vi sóng có chức năng truyền tín hiệu vi sóng giữa bộ thu phát radar và ăng-ten. Đối với radar dưới cột, radar băng tần 3 cm thường sử dụng ống dẫn sóng để truyền vi sóng, trong khi radar 10 cm thường sử dụng cáp đồng trục để truyền. Tuy nhiên, một số ít radar 10 cm do khoảng cách giữa ăng-ten và bộ thu phát gần nhau, cũng sử dụng ống dẫn sóng để truyền sóng radar. Các đơn vị ăng-ten radar và các đơn vị khác của hệ thống được kết nối với nhau bằng cáp chuyên dụng.
1. Ống dẫn sóng
Ống dẫn sóng thường được gọi tắt là ống dẫn sóng, được làm từ đồng thau hoặc đồng đỏ, có hình dạng ống rỗng hình chữ nhật với bề mặt bên trong có độ nhẵn cao. Kích thước ống dẫn sóng của radar 3cm là 23mm × 10mm, còn của radar 10cm là 72mm × 34mm. Khi lắp đặt ống dẫn sóng, cần hướng đầu nối phẳng về phía ăng-ten, đầu nối chặn về phía bộ thu phát. Như vậy, ngay cả khi các đầu nối không tiếp xúc vật lý với nhau, vẫn có thể đảm bảo tính liên tục về mặt điện của sóng vi ba. Khi lắp đặt ống dẫn sóng, cần lưu ý những điểm sau:
Hình 1-1-7 Ống dẫn sóng và các thành phần của ống dẫn sóng
- (1) Kiểm tra độ sạch: Các đầu của phụ tùng ống dẫn sóng được trang bị nắp đậy kín, cần mở ra trước khi sử dụng. Sau khi mở, cần kiểm tra kỹ lưỡng xem bề mặt bên trong của ống dẫn sóng có sạch sẽ hay không. Nếu cần thiết, có thể sử dụng cồn tinh khiết để làm sạch bề mặt bên trong.
- (2) Chiều dài và suy giảm: Hướng dẫn sóng có tác dụng suy giảm nhất định đối với sóng vi ba, do đó chiều dài lắp đặt không nên vượt quá 20m và số lượng hướng dẫn sóng uốn cong không nên vượt quá 5 cái. Hướng dẫn sóng quá dài sẽ làm tăng đáng kể tổn thất truyền tín hiệu.
- (3) Cấm sử dụng ống dẫn sóng mềm: Do ống dẫn sóng mềm dễ bị lão hóa, nên không thích hợp để lắp đặt ngoài trời.
- (4) Hướng mặt bích và bảo vệ: Trong quá trình lắp đặt, cần hướng mặt phẳng của flange về phía ăng-ten, hướng flange chặn dòng về phía bộ thu phát, và lắp đặt vòng cao su chống thấm nước. Các bu lông kết nối phải được cố định chắc chắn, sau khi lắp đặt hoàn tất cần sơn phủ để phòng ngừa gỉ sét.
- (5) Chống thấm nước: Để ngăn chặn nước rò rỉ từ ăng-ten vào bộ thu phát, nên phủ một miếng mica lên lỗ thoát sóng của bộ thu phát.
- (6) Giá đỡ cố định: Khi lắp đặt, cần tránh để ống dẫn sóng chịu lực tác động quá lớn từ bên ngoài. Cần lắp đặt giá đỡ cố định cách nhau 1~2 m. Tại các vị trí ống dẫn sóng dễ bị va chạm, cần lắp đặt thêm vỏ bảo vệ khi cần thiết.
2. Cáp đồng trục
Cáp đồng trục được cấu tạo bởi hai phần dẫn điện bên trong và bên ngoài được bố trí đồng trục. Phần dẫn điện bên trong là một ống đồng mỏng, phần dẫn điện bên ngoài là một ống uốn lượn. Giữa hai phần dẫn điện bên trong và bên ngoài được hỗ trợ bởi vật liệu cách điện có tổn thất vi sóng thấp, lớp ngoài cùng được bọc bằng vật liệu cao su cách điện bảo vệ. So với ống dẫn sóng, khi truyền vi sóng có cùng bước sóng, cáp đồng trục có đặc điểm là kích thước nhỏ hơn và lắp đặt thuận tiện hơn.
(2) Khe hở ống dẫn sóng bức xạ
Radar sử dụng ăng-ten quét định hướng, tốc độ quay của ăng-ten thường là 20~40 vòng/phút, tốc độ này phù hợp với tàu thương mại thông thường. Hình 1-1-8(a) cho thấy ăng-ten khe sóng dẫn thường được sử dụng trong radar chế độ xung. Ăng-ten này bao gồm bộ phát sóng bên trong khe sóng dẫn, tải hấp thụ và mặt nạ ăng-ten. Từ hình 1-1-8 (b), có thể thấy cấu trúc của bộ phát bên trong ăng-ten khe hở, bên trong có nhiều khe hở.
Hình 1-1-8 Cấu trúc ăng-ten radar
(3) Bộ mã hóa vị trí
Hệ thống quét hướng của radar bao gồm bộ mã hóa hướng trong đế ăng-ten, bộ nhớ tín hiệu hướng trong màn hình và các mạch liên quan. Chức năng của bộ mã hóa là chuyển đổi tín hiệu tham chiếu hướng của ăng-ten (tín hiệu hướng mũi tàu) và tín hiệu vị trí góc ăng-ten tức thời thành thông tin số có độ phân giải cao hơn 0,1°. Những thông tin số này sẽ được truyền đến hệ thống xử lý và hiển thị thông tin, đồng thời được ghi lại trong đơn vị lưu trữ hướng tương ứng. Bằng cách đo góc giữa mục tiêu và đường mũi tàu, hệ thống có thể thu được dữ liệu hướng của mục tiêu.
(4) Động cơ truyền động và thiết bị truyền động
Động cơ truyền động thường được cấp điện từ hệ thống điện của tàu, ăng-ten radar thường hoạt động đồng bộ với công tắc phát radar. Trên đế ăng-ten radar thường được trang bị công tắc an toàn, khi nhân viên thực hiện công tác bảo trì gần ăng-ten, công tắc an toàn có thể ngắt nguồn điện để ngăn radar khởi động bất ngờ. Để đảm bảo ăng-ten quay ổn định, tốc độ quay của động cơ truyền động thường nằm trong khoảng 1000~3000 vòng/phút. Động cơ giảm tốc thông qua bộ truyền động gồm ròng rọc và/hoặc bánh răng, giúp ăng-ten quay với tốc độ định mức ổn định. Khi bảo trì, cần kiểm tra độ căng của dây đai hàng năm và thay dầu bôi trơn chống đông để đảm bảo bộ truyền động hoạt động bình thường.
(5) Trình giám sát hiệu suất (PM)
Trong thực tế vận hành hàng hải, việc giám sát toàn diện và chính xác hiệu suất hoạt động của radar gặp nhiều khó khăn. Khi công suất phát của radar và độ nhạy của bộ thu nằm trong phạm vi quy định, bộ giám sát hiệu suất (PM, Performance Monitor) được lắp đặt trong đơn vị ăng-ten sẽ hiển thị các chỉ báo chính xác trên màn hình radar. Vị trí lắp đặt của bộ giám sát hiệu suất được thể hiện trong Hình 1-1-9.
Hình 1-1-9 Vị trí lắp đặt bộ giám sát hiệu suất
(6) Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của ăng-ten
1. Đặc tính hướng: Chùm sóng bức xạ lý tưởng của ăng-ten radar có hình dạng đối xứng như vỏ sò. Về mặt lý thuyết, đồ thị hướng tính thường được sử dụng để mô tả tính năng bức xạ của ăng-ten. Trong chùm sóng bức xạ radar, chùm sóng có cường độ bức xạ mạnh được gọi là chùm chính, công suất đầu ra của nó chiếm hơn 90% tổng công suất bức xạ của radar. Xung quanh chùm chính phân bố đối xứng nhiều chùm phụ có cường độ bức xạ yếu, thường không gây ảnh hưởng đáng kể đến quan sát radar.
2. Độ rộng chùm tia: Độ rộng chùm sóng của ăng-ten được định nghĩa là góc giữa hai điểm công suất nửa chùm chính. Để đảm bảo độ chính xác và khả năng phân giải hướng của mục tiêu radar, ăng-tenĐộ rộng chùm tia ngang (HBW)Rất hẹp, thường là 1°~2°. Để tránh việc tàu thuyền mất mục tiêu trên biển trong điều kiện thời tiết xấu như sóng gió, radarChiều rộng chùm tia dọc (VBW)Lớn hơn, khoảng 20°~30°.
3. Tăng cường: Hướng tính của ăng-ten cũng có thể được biểu thị bằng hệ số lợi. Hệ số lợi của ăng-ten là tỷ lệ giữa mật độ công suất tín hiệu do ăng-ten thực tế và đơn vị bức xạ lý tưởng tạo ra tại cùng một điểm trong không gian, trong điều kiện công suất đầu vào bằng nhau.
V. Hệ thống thu sóng radar
Hệ thống thu radar có tính chọn lọc tốt, độ lợi cao, dải tần số thông qua rộng và dải động rộng, có khả năng tách biệt các tín hiệu mục tiêu hữu ích có sự biến đổi cường độ lớn khỏi các tín hiệu nhiễu và tiếng ồn phức tạp, sau đó xử lý và khuếch đại chúng, đồng thời xuất ra tín hiệu video rõ nét đến thiết bị hiển thị.
(1) Cấu tạo cơ bản của hệ thống thu radar
Hệ thống thu của radar FAR-2827 được đặt ở phần trên của đơn vị thu phát, như hình 1-1-10. Hệ thống thu bao gồm bộ khuếch đại tích hợp vi sóng và bộ chuyển đổi tần số (bộ phận MIC), mạch khuếch đại tần số trung gian (bảng mạch IF), và bảng mạch điều khiển tần số vô tuyến (bảng mạch nguồn RFC).
Hình 1-1-10 Hệ thống thu nhận của radar FAR-2827 của Furuno
1. Bộ khuếch đại tích hợp vi sóng và biến tần (MIC): MIC module bao gồm hai phần: bộ khuếch đại tần số cao vi sóng (high-gain amplifier) và bộ chuyển đổi tần số. Chức năng của bộ khuếch đại tần số cao là khuếch đại trực tiếp tín hiệu phản xạ tần số cao, từ đó nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu phản xạ tần số cao. Bộ chuyển đổi tần số bao gồm bộ trộn tần số và bộ dao động nội bộ, có chức năng chuyển đổi tần số mang của tín hiệu phản xạ từ tần số cao sang tần số trung bình có tần số thấp hơn. Khi đo bộ trộn tần số, người vận hành nên sử dụng đồng hồ vạn năng.Ω×100 hoặc Ω×1k。
2. Bộ khuếch đại tần số trung bình (bảng mạch IF): Amplifier tần số trung bình là thành phần chính của bộ thu, có dải tần rộng, độ lợi cao, dải động rộng và đặc tính tiếng ồn thấp. Amplifier này có thể tự động điều chỉnh độ lợi ở khoảng cách gần, từ đó ức chế nhiễu do phản xạ sóng biển gây ra.
3. Các mạch khác: Bao gồm mạch ức chế nhiễu sóng biển, bộ thu sóng và bộ khuếch đại video.Mạch ức chế nhiễu sóng biển STCPhạm vi ức chế tối đa có thể đạt tới 8 n dặm. Tín hiệu tần số trung bình của sóng phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu video phản xạ thông qua bộ điều biến. Bộ khuếch đại video hoạt động như mạch đệm, thực hiện chức năng cách ly và khớp trở kháng.
(2) Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của hệ thống thu radar
- 1. Tần số trung bình: Tùy theo mẫu mã của nhà sản xuất thiết bị, tần số trung bình của radar thường sử dụng 30 MHz, 60 MHz hoặc 45 MHz.
- 2. Độ nhạy và hệ số khuếch đại: Độ nhạy thường được biểu thị bằng công suất tín hiệu nhỏ nhất có thể phân biệt được Prmin, thường đạt 10⁻¹²~10⁻¹⁴W. Yêu cầu hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tần số trung bình phải đạt 120~160 dB。
- 3. Dải tần số thông qua: Còn được gọi là băng thông. Băng thông càng rộng, độ méo tín hiệu càng nhỏ, độ chính xác quan sát càng cao, nhưng việc duy trì độ nhạy càng khó khăn.
6. Hệ thống hiển thị radar
Radar hiện đại sử dụng màn hình phẳng chất lượng cao (như TFT, OLED, v.v.) làm thiết bị hiển thị thông tin xử lý radar. Màn hình radar hàng hải hiển thị nhiều nội dung phong phú, bao gồm bản đồ biển màu (nếu kết nối với ECDIS), đồ họa đánh dấu, phản hồi mục tiêu radar, biểu tượng mục tiêu AIS và menu vận hành hệ thống, v.v. Màn hình radar bao gồm giao diện đầu vào/đầu ra (I/O), bộ xử lý video, bộ xử lý thông tin, bộ điều khiển chính và thiết bị đầu cuối hiển thị và điều khiển tổng hợp.
(1) Bộ điều khiển: Bộ điều khiển chính là trung tâm điều khiển của hệ thống xử lý và hiển thị thông tin, thường sử dụng chip CPU công nghiệp hiệu suất cao, phối hợp với các bộ phận liên quan như bus, bộ nhớ, v.v. để điều phối hoạt động của các bộ phận trong hệ thống.
(2) Giao diện đầu vào/đầu ra và bộ xử lý video: Bộ đồng bộ (trước đây thường được gọi là đường trễ) có chức năng điều phối thời điểm hiển thị và phát tín hiệu, loại bỏ sai số đo khoảng cách của hệ thống. Bộ chuyển đổi tọa độ chuyển đổi tín hiệu video dưới dạng tọa độ cực sang tọa độ góc vuông, thực hiện hiển thị lưới quang học. Xử lý video bao gồm ức chế nhiễu do mưa tuyết, ức chế nhiễu cùng tần số, hiển thị vệt đuôi, xử lý liên quan đến quét, mở rộng tín hiệu phản hồi, v.v.
(3) Bộ xử lý thông tin: Chịu trách nhiệm xử lý tổng hợp thông tin từ các cảm biến, thực hiện theo dõi mục tiêu và tích hợp thông tin, cung cấp hỗ trợ tránh va chạm cho thuyền viên.
(4) Màn hình hiển thị tổng hợp và thiết bị điều khiển vận hành: Người vận hành có thể sử dụng các công cụ như vòng tròn khoảng cách hoạt động (VRM), đường định hướng điện tử (EBL), đo khoảng cách và định hướng (EBRLs) và đường mũi tàu (HL) trên thiết bị đầu cuối. Biểu tượng đồ họa của các công cụ đo lường được hiển thị trong Hình 1-1-12.
Hình 1-1-11 Thiết bị điều khiển hiển thị tổng hợp |
Hình 1-1-12 Biểu tượng đồ họa của công cụ đo lường
7. Nguồn điện radar
Vỏ máy xử lý radar FURANO FAR-2328W như hình 1-1-13, bao gồm bo mạch chủ, nguồn điện, bộ chuyển đổi tín hiệu mạng (LAN), quạt, bảng đầu nối (TB), cầu chì, v.v. Nguồn điện xoay chiều là 100~230V AC; nguồn điện một chiều là 24V DC. Thông số nguồn điện tiêu chuẩn của màn hình là 100~230 V AC. Nguồn điện của bộ chia cổng (HUB) tùy chọn là 100~230 V AC.
Hình 1-1-13 Vỏ máy xử lý FRA-2328W của Furuno
Các lưu ý khi kiểm tra nguồn điện:
Khi tiến hành bảo trì nguồn điện radar, ví dụ như sử dụng đồng hồ vạn năng để đo điện áp, có nguy cơ bị điện giật, bỏng do hồ quang điện. Nhân viên bảo trì cần đảm bảo đã đội mũ bảo hiểm, mặc quần áo bảo hộ cách điện, sử dụng dụng cụ cách điện và đeo găng tay cách điện, khi cần thiết còn phải đeo kính bảo hộ hoặc mặt nạ. Trước khi bảo trì ăng-ten, cần tắt công tắc nguồn và dán biển cảnh báo.Lưu ý đặc biệt: Khi nguồn điện chính được kết nối, tất cả các bộ phận của bộ thu phát đều mang điện áp cao. Ngay cả khi thiết bị ở trạng thái tắt, điện áp cao chỉ được loại bỏ sau khi nguồn điện được ngắt hoàn toàn.
8. Cảm biến bên ngoài radar
Giao diện I/O radar chịu trách nhiệm nhận dữ liệu bên ngoài thông qua bộ vi điều khiển, tốc độ điều chế được thiết lập theo đặc tính cổng với tốc độ bit (4800~38400 bit/s). Các thiết bị ngoại vi như hình 1-1-14 cho thấy, bao gồm la bàn con quay hồi chuyển, AIS, GPS, máy đo quãng đường, ECDIS, AMS và VDR, v.v. Dữ liệu phải đáp ứng IEC 61162 và AD-10 Yêu cầu về định dạng.
Hình 1-1-14 Sơ đồ cấu trúc cảm biến ngoại vi
(1) Giao diện nhập liệu: Kết nối mạng nên sử dụng cáp xoắn đôi có lớp chắn. Các thiết bị hiện đại thường sử dụng các giao thức như RS-232, RS-422 và RS-485.
Giao diện đầu vào sẽ nhập thông tin cảm biến vào hệ thống radar. Nếu định dạng thông tin không phù hợp với yêu cầu của thiết bị radar, cần phải chuyển đổi định dạng thông qua giao diện. Kết nối giữa các thiết bị nên sử dụng cáp xoắn đôi có lớp chắn.
Các thiết bị hàng hải hiện đại chủ yếu sử dụng giao diện kỹ thuật số, không cần chuyển đổi định dạng, việc kết nối tương đối đơn giản. Đối với giao diện mở rộng sử dụng giao thức truyền thông nối tiếp của radar, các giao diện nối tiếp phổ biến có thể chia thành RS-232, RS-422 và RS-485, một số radar còn được trang bị giao diện USB để truyền dữ liệu. Lấy ví dụ về giao diện radar series FAR-28×7 của Furuno, như hình 1-1-15. Radar Furuno FAR-28×7 series sử dụng bộ thu phát RS-485 để nhận dữ liệu từ cảm biến hướng đầu, tốc độ truyền tải có thể chọn 4800 bit/s hoặc 38,4 kbit/s, như trong hình 1-1-15(a). Kết nối radar với máy đo khoảng cách hoặc thiết bị định vị khác như trong hình 1-1-15(b). Một số mẫu radar và ECDIS có thể kết nối với nhau, kết nối được hiển thị trong Hình 1-1-15(c).
(2) Cổng xuất: Radar phải truyền dữ liệu ít nhất đến VDR. Định dạng RGB (1280×1024 pixel)Tín hiệu video mô phỏng hoặc tín hiệu giao diện Ethernet/DVI.
Cổng xuất được sử dụng để truyền thông tin video radar đến các thiết bị hoặc hệ thống điều hướng khác. Theo tiêu chuẩn kiểm tra hiệu suất radar IEC, radar phải có ít nhất một giao diện để xuất tín hiệu video analog định dạng RGB (1280×1024 pixel) sang VDR. Nếu hiệu suất hiển thị của radar không tương thích với định dạng RGB, thì cần phải trang bị giao diện DVI (Digital Visual Interface) hoặc Ethernet, và băng thông mạng phải hỗ trợ truyền tải ít nhất một ảnh chụp màn hình radar hoàn chỉnh mỗi 15 giây.
(3) Lỗi kết nối cảm biến: Sự cố sẽ kích hoạt cửa sổ cảnh báo (Alert Box). Ví dụ, việc thiết lập tốc độ truyền dữ liệu không nhất quán có thể dẫn đến lỗi truyền dữ liệu.
Lỗi truyền dữ liệu cảm biến sẽ kích hoạt cảnh báo radar, cửa sổ cảnh báo (Alert Box) sẽ hiển thị thông tin cảnh báo cụ thể. Một số thông tin cảnh báo liên quan đến kết nối cảm biến radar được liệt kê trong Bảng 1-1-3.
Bảng 1-1-3 Thông tin cảnh báo liên quan đến kết nối cảm biến radar Guno
| Cảnh báo | Chi tiết báo động | Giải pháp |
| Lỗi gửi tin nhắn AIS | Không thể truyền tin nhắn AIS | Không thể truyền tin nhắn AIS, nhấn nút xác nhận báo động, kiểm tra nguồn điện và kết nối radar với AIS. |
| Mất tín hiệu AIS
COM |
Kiểm tra AIS hoặc giám sát câu | Nếu không nhận được dữ liệu AIS trong vòng 30 giây, nhấn nút xác nhận báo động, kiểm tra nguồn điện và kết nối radar với AIS. |
| Cảnh báo | Chi tiết báo động | Giải pháp |
| LOST GYRO
SIGNAL |
Kiểm tra cảm biến hướng hoặc giám sát câu | Nếu không nhận được thông tin hướng của la bàn trong vòng 5 giây, nhấn nút xác nhận báo động để khôi phục tín hiệu la bàn và loại bỏ báo động này. |
| LOST
LOG(WT)SIG |
Kiểm tra cảm biến tốc độ hoặc giám sát câu lệnh | Khi [LOG(WT)] được đặt làm tốc độ tham chiếu, nếu không nhận được thông tin tốc độ từ máy đo khoảng cách trong vòng 30 giây, hãy nhấn nút xác nhận báo động và kiểm tra kết nối giữa radar và máy đo khoảng cách. |
| LOST
LOG(BT)SIG |
Kiểm tra cảm biến tốc độ hoặc giám sát câu lệnh | Khi [LOG(BT)] được đặt làm tốc độ tham chiếu, nếu không nhận được thông tin tốc độ từ máy đo khoảng cách trong vòng 30 giây, hãy nhấn nút xác nhận báo động và kiểm tra kết nối giữa radar và máy đo khoảng cách. |
|
LOST COG/ SOG SIG |
Kiểm tra cảm biến vị trí hoặc giám sát câu lệnh |
Khi [EPFS] được đặt làm tốc độ tham chiếu, nếu không nhận được dữ liệu COG/SOG từ EPFS trong vòng 30 giây, hãy nhấn nút xác nhận báo động và kiểm tra kết nối giữa radar và EPFS (GPS hoặc Beidou).
Kết nối |
|
Vị trí bị mất |
Kiểm tra cảm biến vị trí hoặc giám sát câu lệnh | Cảnh báo EPFS, không nhận được tín hiệu từ thiết bị EPFS trong vòng 30 giây.
Dữ liệu vị trí, nhấn nút xác nhận báo động, kiểm tra kết nối radar với EPFS (GPS hoặc Beidou). |
|
Mất tín hiệu UTC |
Kiểm tra cảm biến vị trí hoặc giám sát câu lệnh |
Báo động UTC, không nhận được dữ liệu ngày hoặc giờ trong vòng 30 giây, nhấn nút xác nhận báo động, kiểm tra kết nối cảm biến cung cấp UTC (GPS hoặc Beidou). |
|
LOST ECDIS COM |
Kiểm tra ECDIS hoặc màn hình theo dõi câu lệnh |
Khi [ECDIS] được đặt ở chế độ tham chiếu tốc độ, nếu không nhận được dữ liệu ECDIS trong vòng 30 giây, hãy nhấn nút xác nhận báo động và kiểm tra nguồn điện và kết nối ECDIS. |
(4) Ví dụ về giao diện radar:
Khi kết nối hệ thống radar, nên ưu tiên sử dụng dây kết nối do nhà sản xuất cung cấp hoặc đảm bảo dây kết nối đáp ứng các yêu cầu cơ bản trong hướng dẫn lắp đặt radar.
Lấy radar hàng hải SPERRY VISIONMASTER FT làm ví dụ, cấu hình cảm biến và cài đặt thông số của nó được thể hiện trong Bảng 1-1-1. Cần đặc biệt lưu ý rằng tốc độ truyền dữ liệu phải được cài đặt theo yêu cầu. Nếu tốc độ truyền dữ liệu không nhất quán, sẽ dẫn đến lỗi truyền dữ liệu.
Bảng 1-1-1 Cấu hình và cài đặt thông số cảm biến radar SPERRY VISIONMASTER FT
| cổng | Tốc độ truyền dữ liệu/(bit/s) | cảm biến | Loại cổng nối tiếp |
| COM3 | 38400 | Lao Jing | RS-232 hoặc RS-422 |
| COM3 | 4800 | Máy tính tiền | RS-232 hoặc RS-422 |
| COM4 | 9600 | Màn hình giám sát | RS-422 |
| COM5 | 38400 | AIS | RS-232 hoặc RS-422 |
| COM7 | 4800 | GPS | RS-232 hoặc RS-422 |
| COM8 | 4800 | Switch tích hợp | RS-232 hoặc RS-422 |
Cấu hình I/O của radar FAR-2××7 series và một số cảm biến được trình bày trong Bảng 1-1-2. Nguồn điện của radar này cần cung cấp điện cho các bộ phận như bộ xử lý, màn hình, bộ điều khiển và ăng-ten. Chức năng vẽ tự động được tích hợp trong bộ xử lý tín hiệu, trong khi bộ giám sát hiệu suất được tích hợp như một tùy chọn trong bộ phận ăng-ten. Chức năng chuyển mạch tích hợp của radar hoạt động thông qua kết nối mạng cục bộ (LAN).
Giao tiếp giữa đơn vị ăng-ten và đơn vị xử lý sử dụng giao thức RS-422 với tốc độ 115,2 kbit/s; Bộ xử lý và bộ điều khiển cũng sử dụng giao tiếp RS-422 với tốc độ 19,2 kbit/s, cả hai đều sử dụng giao tiếp không đồng bộ. Thông qua kết nối HUB-100, có thể kết nối tối đa 8 radar cùng loại. Hệ thống định vị quán tính (INS) hỗ trợ LAN và cổng nối tiếp (RS-422/4800).
bit/s) kết nối.
Bảng 1-1-2 Radar và một số cảm biếnI/O Cấu hình
| cảm biến | Signal | I/O | Kết nối phần cứng |
|
Cảm biến hướng mũi tàu |
HDG A |
IN |
RS-422
IEC 61162-1 IEC 61162-2 (4800~38400 bit/s có thể điều chỉnh) |
| HDG B | |||
| thiết bị định vị | NAV A |
IN |
RS-422
IEC 61162-1 IEC 61162-2 (4800~38400 bit/s có thể điều chỉnh) |
| NAV B | |||
|
Máy đo quãng đường (chỉ dành cho dữ liệu nối tiếp) |
LOG A |
IN |
RS-422
IEC 61162-1 IEC 61162-2 (4800~38400 bit/s có thể điều chỉnh) |
| LOG B | |||
|
AIS |
AIS TD A |
OUT |
RS-422 IEC 61162-2 (38400 bit/s) |
| AIS TD B | |||
| AIS RD A |
IN |
||
| AIS RD B | |||
|
ECDIS |
ARPA A |
OUT |
IEC 61162-1
(4800 bit/s) |
| ARPA B | |||
|
LAN |
INS |
IN | 100 Base-Tx |
| OUT | 100 Base-Tx |
9. Kết nối hệ thống radar đa năng
Theo Công ước SOLAS 1974, các tàu có tổng trọng tải từ 3.000 tấn trở lên phải lắp đặt ít nhất hai hệ thống radar, trong đó ít nhất một hệ thống phải là radar băng tần X. Nhiều radar có thể được lắp đặt với thiết bị chuyển đổi (Interswitch Unit) để chia sẻ hình ảnh. Hệ thống được trang bị cơ chế bảo vệ an toàn khi một thiết bị bị hỏng.
(1) Hệ thống radar kép: Được chia thành cấu hình cùng tần số (đều thuộc dải tần X) và cấu hình khác tần số (dải tần X và S). Trong hệ thống khác tần số, bộ phát, ăng-ten và đường truyền phải được hoán đổi như một thể thống nhất. Việc chuyển đổi được thực hiện thông qua thiết bị hoán đổi được hiển thị trong Hình 1-1-16.
Hình 1-1-16 Cấu trúc hệ thống radar kép
(2) Hệ thống đa radar: Ba bộ radar trở lên có thể thông qua HUB-3000 Thực hiện cấu hình mạng. Phải thiết lập chính xác địa chỉ IP, mặt nạ mạng con và cổng mạng. Sau khi thay đổi địa chỉ IP, cần khởi động lại tất cả các radar và thiết bị liên quan kết nối với mạng LAN.
Hình 1-1-17 Cấu hình mạng radar đa năng và ECDIS
