Giáo trình Khí tượng radar (Phần 1) - Nguyễn Hướng Điền

116 trang ngocly 2230

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Khí tượng radar (Phần 1) - Nguyễn Hướng Điền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_khi_tuong_radar_phan_1_nguyen_huong_dien.pdf

Nội dung text: Giáo trình Khí tượng radar (Phần 1) - Nguyễn Hướng Điền

đại học quốc gia hà nội trường đại học khoa học tự nhiên nguyễn hướng điền (chủ biên) - Tạ văn đa khí tượng radar Hà Nội - 2007
lời nói đầu Giáo trình Khí tượng radar ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy môn học cùng tên ở trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Toàn bộ giáo trình gồm 5 chương. Bốn chương đầu bao hàm những kiến thức cơ sở về khí tượng radar. Chương cuối đưa ra một số ảnh hiển thị radar mà chúng tôi thu thập được cùng những phân tích về chúng như phần thực hành phân tích ảnh dựa trên những kiến thức lí thuyết đã học. Chương này là phần mở của giáo trình, tức có thể được thay đổi, bổ sung theo ý người dạy. Các ảnh trong chương này đều là ảnh màu cho nên, để thuận lợi cho việc in ấn, được ghi trên đĩa CD đi kèm với giáo trình. Chương 3 do TS. Tạ Văn Đa viết bản thảo, các chương còn lại do PGS. TS. Nguyễn Hướng Điền viết. Việc sửa chữa và biên tập lại cũng do PGS. TS. Nguyễn Hướng Điền đảm nhiệm. Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn, giữa các tác giả luôn có sự bàn bạc, góp ý và cung cấp thêm tư liệu cho nhau. Một số hình ảnh sử dụng trong giáo trình do TS. Tạ Văn Đa sưu tầm hoặc thu thập từ các trạm radar thời tiết ở Việt Nam. Giáo trình cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học hoặc nghiên cứu sinh và những ai muốn tìm hiểu về khí tượng radar. Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cố gắng trình bày theo phương châm “cơ bản, hiện đại, Việt Nam”. Giáo trình cũng đã qua một số vòng giảng dạy, rút kinh nghiệm và bổ sung. Để hoàn thành giáo trình, chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, sự giúp đỡ quí báu của các bạn đồng nghiệp trong trường và ở Đài Khí tượng Cao không thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường, đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Tân Thanh, TS. Trần Duy Sơn đã cung cấp nhiều hình ảnh và tài liệu để chúng tôi có thể hoàn thành giáo trình này. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn. Giáo trình không tránh khỏi còn nhiều khiếm khuyết, do vậy chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các bạn đọc. Các tác giả
Mục lục lời nói đầu 2 Mục lục 3 Chương 1 5 Radar thời tiết và nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 5 1.1. Sóng điện từ và sự lan truyền sóng điện từ trong không gian 5 1.2. Radar và ứng dụng của nó trong đời sống 11 1.3. Giới thiệu về cấu tạo và các thông số kĩ thuật của radar thời tiết 12 1.4. Thể tích xung và mật độ năng lượng sóng trong xung phát 20 1.5. Các kiểu phản hồi 22 1.6. Mục tiêu khí tượng 22 1.7. Phương trình radar đối với mục tiêu điểm và mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ 24 1.8. Phương trình radar Probert-Jones 28 1.9. Phương trình radar đơn giản. Độ suy yếu và độ truyền qua 29 1.10. Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến và công suất 31 1.11. Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất sóng thu 33 1.12. Quan hệ giữa tần số lặp của xung và khoảng cách quan trắc đúng tối đa 36 1.13. Hiện tượng “khoảng cách ảo” 37 1.14. Hiệu ứng búp sóng phụ 40 1.15. Khúc xạ tia quét của radar và hiện tượng lớp dẫn sóng 41 1.16. Phương trình quĩ đạo sóng 42 1.17. Sai số khoảng cách và độ phân giải về khoảng cách 45 1.18. Sai số về góc hướng và độ phân giải theo góc hướng 46 1.19. Dải sáng 48 Chương 2 52 phân tích Gió Doppler và một số sản phẩm của radar Doppler 52 2.1. Giới thiệu chung 52 2.2. Nguyên lí đo tốc độ gió bằng radar Doppler 52 2.3. Độ rộng phổ Doppler 56 2.4. Tốc độ ảo 60 2.5. Dữ liệu Doppler ở khoảng cách ảo. Nhận biết và xử lí ảnh hưởng của dữ liệu ở khoảng cách ảo 62 2.6. Giải quyết tình thế “tiến thoái lưỡng nan” của radar Doppler 64 2.7. Mở rộng giới hạn đo chính xác tốc độ và khoảng cách 65 2.8. Xác định hướng và tốc độ gió 69 2.9. Xác định vùng xoáy, phân kì và hội tụ của gió 74 2.10. Quét khối và các sản phẩm cơ bản của radar Doppler 77 2.11. Các sản phẩm dẫn xuất của phần mềm EDGETM 78 Chương 3 93 Ước lượng mưa bằng radar thời tiết 93
3.1. Một số kiến thức cơ bản về mưa 93 3.2. Sử dụng radar để phát hiện mưa 99 3.3. Sử dụng radar để ước lượng mưa 100 3.4. Dự đoán mưa đá bằng radar có hai bước sóng 106 3.5. Các nguyên nhân gây ra sai số khi ước lượng mưa 107 3.6. Biến đổi của profile độ phản hồi theo khoảng cách 111 3.7. Hiệu chỉnh ước lượng mưa bằng radar theo số liệu đo mưa ở mặt đất 113 Chương 4 117 nhận biết mục tiêu khí tượng bằng radar thời tiết 117 4.1. Nhận biết các loại mây qua độ phản hồi vô tuyến của radar 117 4.2. Nhận biết hiện tượng đứt thẳng đứng của gió qua số liệu của radar không Doppler 121 4.3. Nhận biết các hiện tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (dông, tố, lốc, vòi rồng) 122 4.4. Nhận biết bão 131 Chương 5 Error! Bookmark not defined. phân tích ảNH HIểN THị RAĐA Error! Bookmark not defined. 5.1. Phân tích ảnh mô phỏng hiển thị tốc độ gió Doppler Error! Bookmark not defined. 5.2. Giới thiệu các sản phẩm của radar Doppler Error! Bookmark not defined. 5.3. ảnh hiển thị mây và mưa đối lưu của radar ở Nha Trang Error! Bookmark not defined. 5.4. ảnh hiển thị các trường hợp xảy ra vào đầu mùa hè ở Guam Error! Bookmark not defined. 5.5. Hình thế gió biển Error! Bookmark not defined. 5.6. Sự bùng phát của gió mùa tây-nam Error! Bookmark not defined. 5.7. Phân tích mặt cắt tốc độ gió Error! Bookmark not defined. 5.8. Phân tích các sản phẩm ETOP và VIL Error! Bookmark not defined. 5.9. Sự tan rã đối lưu diện rộng Error! Bookmark not defined. 5.10. ảnh phản hồi từ biển Error! Bookmark not defined. 5.11. Xoáy thuận nhiệt đới Error! Bookmark not defined. 5.12. Bão nhiệt đới Error! Bookmark not defined. 5.13. Lốc và vòi rồng Error! Bookmark not defined. 5.14. Front Error! Bookmark not defined. Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined.
Chương 1 Radar thời tiết và nguyên lí đo cường độ phản hồi vô tuyến 1.1. Sóng điện từ và sự lan truyền sóng điện từ trong không gian 1.1.1. Dao động điện từ và sóng điện từ Chúng ta đã có khái niệm về trường điện từ. Muốn từ đó đi đến khái niệm về sóng điện từ cần phải thông qua khái niệm về dao động điện từ. Ta có một mạch điện gồm tụ C và cuộn dây L nối với nhau (hình 1.1). Ta tích điện cho tụ C, giữa hai bản của tụ điện sẽ có điện trường. ở ngoài tụ điện không có điện trường do tác dụng triệt tiêu lẫn nhau của các điện tích trái dấu ở hai bản. Cuộn dây L do những vòng dây dẫn điện hợp thành. Nó có tính chất là, khi có dòng điện đi qua, sẽ tạo nên một từ trường tập trung trong lõi cuộn dây và lan ra ngoài rất ít. Khi nối công tắc K, tụ C phóng điện, điện tích sẽ chuyển động qua cuộn dây L và tạo thành từ trường trong lõi cuộn dây. Từ trường này đạt giá trị cực đại khi toàn bộ điện tích rời khỏi tụ điện, nghĩa là điện trường giữa các bản của tụ điện trên triệt tiêu. Do chuyển dịch của dòng điện, hai bản của tụ điện C lại tích điện, nhưng trái dấu, cho đến khi điện trường giữa hai bản của tụ C đạt cực đại, còn từ trường trong cuộn dây triệt tiêu. Sau đó tụ C lại phóng điện, các điện tích lại tiếp tục chuyển động theo chiều ngược lại. Đến đây ta thấy rằng hiện tượng trao đổi giữa điện trường (của tụ) và từ trường (của cuộn dây) cũng giống như hiện tượng trao đổi giữa thế năng và động năng của con lắc. Dòng điện chạy trong mạch, nếu giả thiết không có tổn hao, sẽ biến thiên theo thời gian giống hình 1.2 và tiếp tục như thế mãi mãi. Tương ứng với dòng điện, điện trường trong tụ và từ trường trong cuộn dây cũng biến thiên như vậy. Đó là dao động điện từ, mạch LC gọi là mạch dao động. Trong khoảng không gian giữa hai bản tụ điện có một điện trường biến đổi tuần hoàn và theo lí thuyết thì điện trường biến đổi tại một điểm sẽ tạo ra một từ trường biến đổi tại điểm đó và vùng lân cận, từ trường biến đổi đến lượt nó lại tạo ra điện trường biến đổi ở vùng lân cận. Cứ như vậy, điện trường và từ trường biến đổi qua lại và lan rộng dần trong không gian từ bản tụ này sang bản tụ kia. Đó chính là sóng điện từ.
Hình 1.1. Khung dao động Hình 1.2. Dao động điện từ trong khung dao động Hình 1.3. Minh hoạ sự phát sóng điện từ vào không gian Nếu hai bản của tụ điện mở rộng dần ra, sóng điện từ sẽ lan truyền từ bản này sang bản kia qua một khoảng không gian rộng hơn (hình 1.3a). Khi hai bản tụ điện
rời xa nhau thì chúng sẽ trở thành anten phát và anten thu (hình 1.3b). ở nơi phát, người ta phải có riêng bộ phận tạo và duy trì dao động (hình 1.3c) bù lại những tổn hao trong mạch. Một trong những thông số đặc trưng của dao động điện từ hay sóng điện từ là chu kì dao động. Trong vô tuyến điện, chu kì dao động thường thay đổi từ 10-6 đến 10-10 s. Những dao động có chu kì ngắn như vậy thường được gọi là dao động cao tần, nghĩa là có tần số cao. Theo công thức (1.1), ứng với dao động có chu kì T = 10-6 s thì tần số f = 106 Hz hay 1 MHz; ứng với dao động có chu kì T = 10-7 s thì tần số f = 10 MHz. Sóng điện từ lan truyền trong chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng c ( 3.108 m/s). Sóng điện từ, ngoài chu kì dao động T và tần số f, còn được đặc trưng bởi độ dài bước sóng . Độ dài bước sóng là khoảng cách mà sóng điện từ lan truyền được trong thời gian một chu kì. Như vậy: c λ cT . (1.1) f Trong thông tin vô tuyến, người ta sử dụng sóng điện từ có tần số hàng ngàn Hz trở lên, và được gọi là sóng vô tuyến. Phổ tần số sóng vô tuyến có thể chia ra như trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Tên gọi, bước sóng và tần số của các dải sóng vô tuyến TT Tên gọi Bước sóng Tần số 1 Sóng cực dài và dài 100 km- 3 km 3 kHz - 100 kHz 2 Sóng trung 50 m - 3 km 6 MHz - 100 kHz 3 Sóng ngắn 10 m - 50 m 30 MHz - 6 MHz 4 Sóng mét 1 m - 10 m 300 kHz - 300 kHz 5 Sóng đề xi mét 0,1 m - 1 m 3 GHz -3 GHz 6 Sóng cen ti mét 1 - 10 cm 30 GHz - 3 GHz 7 Sóng mi li mét 1 - 10 mm 300 GHz – 30 GHz Ngoài ra trong chiến tranh, để đảm bảo bí mật, ở dải sóng cực ngắn dùng cho radar, người ta còn dùng chữ cái để phân chia thành các băng sóng L, S, X Sau này vẫn tiếp tục sử dụng các phân chia này (bảng 1.2). Bảng 1.2. Tên gọi, bước sóng và tần số của một số dải sóng cực ngắn dùng cho radar TT Tên gọi Bước sóng Tần số 1 Băng L 30 cm - 15 cm 1 GHz - 2 GHz 2 Băng S 15 cm - 8 cm 2 GHz - 4 GHz 3 Băng C 8 cm - 4 cm 4 GHz – 8 GHz 4 Băng X 4 cm - 2,5 cm 8 GHz – 12 GHz 5 Băng Ku 2,5 cm - 1,7 cm 12 GHz – 17 GHz 6 Băng K 1,7 cm - 1,2 cm 17 GHz- 27 GHz
1.1.2. Sự tán xạ sóng điện từ Nếu trên đường lan truyền, sóng điện từ gặp các vật thể mà tính chất điện (hằng số điện môi và hệ số từ thẩm) khác với môi trường truyền thì trên bề mặt vật thể xuất hiện các dòng điện cảm ứng biến thiên mà tần số bằng tần số của sóng. Các dòng điện này tạo ra sóng điện từ thứ cấp lan truyền đi mọi hướng và một phần theo hướng ngược lại phía sóng tới. Đó là hiện tượng tán xạ hay là phản xạ sóng điện từ. Các vật thể nói trên được gọi là mục tiêu. Với năng lượng sóng tới và khoảng cách đến mục tiêu không đổi, năng lượng phản xạ về phía radar phụ thuộc vào kích thước, tính chất, hình dáng và sự bố trí của mục tiêu. Thông thường để sử dụng trong tính toán và đánh giá độ phản xạ của mục tiêu người ta đưa ra đại lượng đo, đó là diện tích tán xạ hiệu dụng. Mỗi mục tiêu được đặc trưng bởi một diện tích tán xạ hiệu dụng. Diện tích tán xạ hiệu dụng của mục tiêu là diện tích của mặt phản xạ lí tưởng đặt vuông góc với đường truyền sóng và phản xạ năng lượng sóng chiếu vào nó ra mọi hướng, tạo ra tại điểm thu một năng lượng sóng điện từ bằng năng lượng thực tế nhận được ở điểm thu đó. Diện tích tán xạ hiệu dụng đo bằng m2 (hoặc cm2), nó phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và tính chất của mục tiêu. Nó không phụ thuộc vào năng lượng sóng tới và khoảng cách đến mục tiêu. Thông thường diện tích tán xạ hiệu dụng được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. 1.1.3. Hiện tượng khúc xạ sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền trong chân không với quỹ đạo thẳng và có tốc độ không đổi, bằng tốc độ ánh sáng. Nhưng trong môi trường không khí hoặc trong môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ lan truyền với tốc độ nhỏ hơn và quỹ đạo có thể bị uốn cong. Trong các điều kiện bình thường của khí quyển, nếu sóng được truyền ngang, quỹ đạo này cong về phía mặt đất và độ cong bằng 1/4 độ cong bề mặt trái đất. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng khúc xạ sóng điện từ. Tỉ số của tốc độ truyền sóng trong chân không trên tốc độ truyền sóng cho môi trường bất kì được gọi là chỉ số khúc xạ của môi trường: c n , (1.2) v trong đó: n là chỉ số khúc xạ thực (chiết suất) của môi trường. c là tốc độ truyền sóng trong chân không. v là tốc độ truyền sóng trong môi trường. Trong lí thuyết, người ta thường sử dụng chỉ số khúc xạ phức m của môi trường được tính bằng công thức: m = n + i k , (1.3) trong đó: i 1 ,
k - phần ảo của chỉ số khúc xạ phức, đặc trưng cho mức độ hấp thụ sóng bởi môi trường. Trong môi trường không khí, ở độ cao mực nước biển chỉ số khúc xạ n có giá trị vào khoảng 1,0003. Trong điều kiện khí tượng bình thường, chỉ số khúc xạ n giảm dần từ 1,0003 ở sát mặt đất cho đến 1,000 ở tầng trên cùng của khí quyển. Thông thường có một sự giảm đều khi độ cao tăng lên. Để tiện trong tính toán, người ta chuyển đổi chỉ số khúc xạ sang một khái niệm khác, đó là độ khúc xạ (hay chỉ số khúc xạ qui đổi) N, và xác định như sau: N = (n-1). 106 . (1.4) Chỉ số khúc xạ qui đổi hoặc độ khúc xạ của khí quyển tự do phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ không khí và áp suất hơi nước trong khí quyển như sau: 77,6 e N (p 4810 ) , (1.5) T T trong đó: T là nhiệt độ không khí tính ra độ Kelvin; p là áp suất khí quyển, tính ra hPa; e là áp suất hơi nước, tính ra hPa. Trong tầng đối lưu thường ta tính được N nhờ số liệu thám không. 1.1.4. Sự suy yếu sóng điện từ khi lan truyền trong khí quyển Sự suy yếu sóng điện từ trong khí quyển chủ yếu do hiện tượng hấp thụ và hiện tượng tán xạ (bao gồm cả hiện tượng phản xạ) gây ra. ở dải sóng centimet trở lên, sự hấp thụ của không khí là không đáng kể, nhưng sự suy yếu trong mây và giáng thuỷ cần phải được tính đến trong toàn bộ dải sóng có bước sóng dưới 10 cm, đặc biệt là đối với các sóng 1 cm và 3 cm. 1.1.4.1. Sự suy yếu trong không khí Không khí chứa nitơ, ôxy, hyđrô, hơi nước và các khí khác. Suy yếu sóng điện từ trong nitơ và các khí khác là không đáng kể, trong khi đó suy yếu trong hơi nước và trong ôxy cần phải được tính đến. Hình 1.4 cho thấy sự suy yếu sóng điện từ trong ôxy và trong hơi nước, đồng thời cho thấy sự phụ thuộc của nó vào tần số của sóng. Từ hình vẽ thấy rằng, sự suy yếu không đáng kể đối với dải tần số thấp hơn 16 GHz. Tất nhiên khi hơi nước đậm đặc hơn độ suy yếu sẽ lớn hơn. Chú ý rằng độ suy yếu được tính ra dB/km, do đó sóng lan truyền trên quãng đường 100 km thì sự suy yếu sẽ là đáng kể. 1.1.4.2. Sự suy yếu trong mây Sự suy yếu trong mây dao động nhiều so với không khí vì bản thân mây cũng rất thay đổi. Bảng 1.3 cho ta thấy độ suy yếu sóng điện từ phụ thuộc vào bước sóng,
nhiệt độ mây và phụ thuộc vào trạng thái mây (nước hay mưa đá). Đối với trạng thái đá của mây, sự suy yếu nằm trong dải 0,0006 đến 0,09 dB/km. Hiển nhiên, ta thấy độ suy yếu sóng trong đá nhỏ hơn nước. Với mây nước, độ suy yếu sóng không thể bỏ qua đối với các sóng dùng trong radar. Độ suy yếu (dB/km) 0 0 0 0 0 0 0, 0, 0, Hình 1.4. Suy yếu sóng điện từ trong khí quyển: Suy yếu trong ô xy; Suy5 yếu do hơi nước với độ ẩm 7,5 g/cm3 và áp suất không khí 1013,25 mb; (theo Bean và Dutton, 1968) Bảng 1.3. Độ suy yếu trong mây (dB/km)/(g/m) Theo Gunn và East, 1954 Pha của Nhiệt độ Bước sóng (cm) mây (0C) 0,9 1,24 1,8 3,2
20 0,647 0,311 0,128 0,0483 Mây 10 0,681 0,401 0,179 0,0630 nước 0 0,99 0,532 0,267 0,0858 -8 1,25 0,684 0,34* 0,122* Mây 0 0,00874 0,00635 0,00436 0,00246 băng -10 0,00291 0,00211 0,00146 0,00081 -20 0,00200 0,00145 0,00100 0,00056 * Giá trị ngoại suy 1.1.4.3. Sự suy yếu trong mưa Sự suy yếu của sóng điện từ trong mưa lớn hơn trong mây nhiều. Bảng 1.4 cho ta thấy độ suy yếu phụ thuộc vào cường độ mưa và tần số (hoặc bước sóng ): cường độ mưa và tần số càng lớn (bước sóng càng nhỏ) thì sự suy yếu càng mạnh. Bảng 1.4. Độ suy yếu (dB/km) của sóng điện từ trong mưa ở 180C Cường độ mưa Bước sóng (cm) (mm/h) 0,5 1,0 3,0 3,2 10 0,25 0,160 0,037 0,00224 0,0019 0,0001 1,25 0,72 0,228 0,0161 0,0117 0,00042 2,5 9,49 5,47 0,656 0,555 0,0072 50 16,6 10,7 1,46 1,26 0,0149 100 29,0 20,0 3,24 2,80 0,0311 Đối với bước sóng từ 3,2 cm trở xuống, sự suy yếu rất đáng kể trong mọi loại mưa, nhất là mưa bão. 1.2. Radar và ứng dụng của nó trong đời sống “RADAR” (viết tắt từ Radio Detection And Range) là một phương tiện kĩ thuật phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Có một điều thú vị là bản thân từ RADAR trong tiếng Anh có thể đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà vẫn giữ nguyên các âm tiết như khi đọc xuôi, như thể mang một hàm ý rằng sóng của radar phát đi vào không gian lại quay trở về radar. Trước chiến tranh thế giới lần thứ hai, các nước có khoa học kĩ thuật tiên tiến đã bắt đầu nghiên cứu về radar. Mặc dù việc nghiên cứu được giữ kín trong mỗi nước, radar đã gần như phát triển đều ở các nước tiên tiến. Đến đầu chiến tranh thế giới lần thứ 2 thì Liên Xô (cũ), Anh, Hoa Kì, Đức đều có radar. Trong chiến tranh, radar được sử dụng rộng rãi cho mục đích quân sự. Các radar thế hệ đầu này đều là các radar định vị (“xác định vị trí”). Sau này người ta mới phát triển loại radar có nhiều tính năng hơn: chúng cũng phát sóng vào không gian, thu về sóng phản hồi, nhưng phân tích sóng phản hồi và so sánh với sóng phát, ta không những có thể biết được vị trí của mục tiêu mà còn biết được nhiều thông tin về mục tiêu (hình dạng gần đúng, độ phản xạ sóng của mục tiêu, tốc độ di chuyển, ). Các radar
thời tiết thuộc loại này. Radar có thể được gắn trên máy bay, vệ tinh , song trong khí tượng radar người ta chỉ nghiên cứu các thông tin do radar đặt tại mặt đất đem lại. Mặc dù quan trắc từ vệ tinh có nhiều lợi thế như có thể quan sát một vùng rộng lớn, sóng điện từ ít bị khí quyển làm cho suy yếu , nhưng quan trắc bằng radar đặt tại mặt đất lại có những lợi thế khác. Một trong những lợi thế của radar đặt tại mặt đất là nó có thể quan trắc được các hiện tượng xảy ra dưới mây ở khoảng cách gần, chẳng hạn như giáng thuỷ. Radar có tác dụng rất lớn trong quốc phòng cũng như trong các ngành kinh tế quốc dân và nghiên cứu khoa học. Về mặt quân sự, radar định vị có thể phát hiện được máy bay đi từ xa hàng trăm kilômét. Nó có thể tự động bám sát mục tiêu, có thể ngắm đúng mục tiêu để chỉ huy bắn trúng. Ngoài ra, radar có thể chỉ huy hàng loạt máy bay đi và hạ cánh an toàn trong bất kì điều kiện khí tượng và tầm nhìn xa nào. Trong các ngành kinh tế quốc dân khác như hàng không, hàng hải, đều có trang bị radar. Ngành hàng không sử dụng radar để quản lí hoạt động của máy bay được an toàn. Ngành hàng hải đặt các radar trên tàu để phát hiện các chướng ngại vật trên biển. Ngành giao thông đường bộ sử dụng radar để kiểm soát tốc độ của các phương tiện giao thông trên đường. Ngành Khí tượng Thuỷ văn sử dụng radar định vị để theo dõi các máy thám không vô tuyến thả theo bóng Pilot, nhận các thông tin đo đạc các yếu tố khí tượng trên cao, sử dụng radar thời tiết để theo dõi, phát hiện và thu về các sóng phản hồi từ các vùng xảy ra các hiện tượng thời tiết kèm theo mây và giáng thuỷ như dông, bão, mưa, mưa đá Phân tích các sóng này, ta có thể biết được nhiều thông tin quí giá về các hiện tượng thời tiết đó, sử dụng cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, dự báo, phòng chống thiên tai 1.3. Giới thiệu về cấu tạo và các thông số kĩ thuật của radar thời tiết 1.3.1. Nguyên lí chung Người ta sử dụng tính chất truyền thẳng với tốc độ không đổi và tính chất phản xạ của sóng điện từ để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu. Radar gồm máy phát để tạo ra sóng điện từ và nhờ anten tạo ra tia sóng hẹp truyền vào không gian, máy thu của radar thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Hướng của mục tiêu được xác định bởi anten định hướng, còn khoảng cách từ radar đến mục tiêu được xác định bởi hệ thức: cΔ t r , (1.6) 2 trong đó r là khoảng cách đến mục tiêu, t - thời gian từ lúc phát điện từ đi cho đến lúc ta thu được sóng phản xạ, c - tốc độ truyền sóng.
Nguyên lí của radar đơn giản như đã nói ở trên, nhưng để làm được như vậy cần kĩ thuật phức tạp và có nhiều cách để làm. Do đó radar có nhiều loại, tuỳ theo công dụng cần có và khả năng công nghiệp và kĩ thuật của người chế tạo. Ngày nay trên thế giới người ta đã sản xuất rất nhiều radar khác nhau về tầm hoạt động (xa, trung, gần, cực xa), bước sóng (sóng deximet, sóng cetimét) và về chế độ làm việc. Theo chế độ làm việc, có thể chia radar ra làm hai loại: radar phát liên tục và radar phát xung. Loại radar phát liên tục làm việc theo nguyên lí sau: Máy phát phát sóng liên tục trong suốt thời gian hoạt động của radar, nhưng tần số phát thay đổi tuần hoàn theo thời gian theo một qui luật nào đó, chẳng hạn như quy luật “răng cưa thẳng” (hình 1.5). Sau khi máy thu thu được sóng phản xạ, đem so sánh tần số sóng phản xạ với sóng phát ta thu được độ chênh lệch tần số f. Biết quy luật biến thiên của tần số phát ta tính được khoảng thời gian t kể từ thời điểm phát sóng và thời điểm thu sóng, nhờ đó xác định được khoảng cách đến mục tiêu. Hình 1.5. Biến đổi tần số sóng theo thời gian dạng “răng cưa thẳng” Radar loại này có nhược điểm chỉ đo được khoảng cách của một mục tiêu. Vì vậy người ta thường đặt nó trên máy bay để đo độ cao của chính máy bay đó. Nhờ độ phản xạ của mặt đất rất lớn nên không cần máy phát mạnh mà vẫn đo được cự li xa với độ chính xác cao. Thiết bị radar vì vậy khá đơn giản. Loại radar xung là loại phát sóng không liên tục mà phát gián đoạn. Trong những khoảng thời gian bằng nhau, máy phát ra năng lượng sóng siêu cao tần cực mạnh trong một khoảng khắc rất ngắn  rồi lại nghỉ (hình 1.6). Sóng điện từ được phát ra trong khoảng khắc gọi là xung phát. Xung phát được Hình 1.6. Các xung phát; T- chu kì lặp lại; - độ rộng xung
đặc trưng bởi các thông số: Công xuất xung Pu (thường là hàng trăm đến hàng vài nghìn kW), độ rộng xung  và chu kì lặp lại T (hay tần số lặp F = 1/T). Radar xung là loại được sử dụng rộng rãi và phát triển tương đối hoàn chỉnh, do đó chúng ta sẽ xem xét kĩ radar xung. Và từ nay về sau nói radar, ta hiểu là radar làm việc theo chế độ xung (hay radar xung). 1.3.2. Các bộ phận chính của hệ thống radar. Phân loại radar thời tiết Các bộ phận chính của hệ thống radar bao gồm: 1) Bộ phát tạo sóng điện từ với tần số cao; 2) Một anten bức xạ năng lượng điện từ và nhận tín hiệu phản hồi; 3) Bộ thu nhận, khuếch đại, biến đổi tín hiệu phản hồi trở thành tín hiệu thị tần (tần số thấp); 4) Hệ thống chỉ thị (màn hình), trên đó tín hiệu phản hồi có thể được hiển thị. Phần lớn các radar thời tiết đều sử dụng một anten làm việc ở cả chế độ phát và chế độ thu. Để đảm bảo an toàn người ta sử dụng một bộ khoá thu – phát tự động đóng máy thu trong một khoảng thời gian rất ngắn khi máy phát hoạt động để bảo vệ máy thu khỏi xung phát cực mạnh. Radar thời tiết có rất nhiều chủng loại, nhưng có thể phân làm hai loại chính: số hoá và không số hoá. Các radar thời tiết trước đây thường là loại không số hoá. Các tín hiệu phản hồi do chúng thu được chỉ cho ta biết vị trí và “ảnh” của mục tiêu. Dựa vào vị trí, hình dạng ảnh và cường độ phản hồi, người ta có thể biết được một số đặc điểm, tính chất của mục tiêu. Các radar cũ nhãn hiệu MRL do Nga chế tạo đặt ở Phù Liễn, Vinh thuộc loại này. Các radar thời tiết ngày nay thường là loại đã số hoá. Chúng cũng có thể phân ra làm ba loại: radar thường, radar Doppler và radar phân cực. Radar số hoá thường hay còn gọi là “NON – COHERENT RADARS”, “CONVENTIONAL RADARS”. Chúng khác với loại không số hoá ở chỗ tín hiệu (“ảnh”) phản hồi được số hoá, do vậy ta có thể dùng các phần mềm để lấy ra nhiều thông tin về mục tiêu, xử lí, cho hiển thị với màu sắc như ý và lưu trữ dễ dàng. Tuy nhiên, chúng chỉ đo cường độ phản hồi mà không đo độ lệch tần số của tín hiệu phản hồi và tín hiệu phát, do vậy không xác định được tốc độ di chuyển của mục tiêu qua một lần đo (muốn xác định tốc độ di chuyển của mục tiêu, cần phải quan trắc nhiều lần, theo dõi vị trí liên tiếp của mục tiêu theo thời gian). Chúng cũng không xác định mức độ phân cực của sóng phản hồi. Các radar loại TRS-2730 do Pháp chế tạo đặt tại Phù Liễn, Việt Trì và Vinh đều là radar loại này. Các radar Doppler hay còn gọi là “COHERENT RADARS” sử dụng nguyên l ý Doppler (xét đến độ lệch tần số của tín hiệu phản hồi và tín hiệu phát) để đo tốc độ
di chuyển của mục tiêu. Chúng cũng có thể đo được cả cường độ phản hồi vô tuyến (PHVT). Các radar phân cực có thể phát đi sóng phân cực hoàn toàn theo một phương xác định, thu về sóng phản hồi với một mức độ phân cực nào đó. Phân tích mức độ phân cực của sóng phản hồi và so sánh với sóng phát, ta có thể biết được một số thông tin về mục tiêu (như sự định hướng của mục tiêu trong không gian). Chúng cũng có khả năng đo cường độ PHVT và có thể cả tốc độ gió nữa. Các radar thời tiết số hoá hiện đại thường có 2 hoặc cả 3 khả năng nêu trên (đo được cường độ phản hồi vô tuyến, tốc độ di chuyển của mục tiêu và mức độ phân cực của sóng phản hồi như radar phân cực. Các radar được đặt tại Tam Kỳ, Nha Trang và Nhà Bè (TP. Hồ Chí Minh) đều là radar Doppler với hai khả năng: đo cường độ phản hồi vô tuyến của mục tiêu và tốc độ gió. Một số loại radar Doppler, chẳng hạn như radar DWSR-2500C, còn có thể hoạt động ở 2 chế độ xung: chế độ xung dài với  = 2.10-6s được dùng khi đo cường độ phản hồi vô tuyến và chế độ xung ngắn với  = 0,8.10-6s được dùng khi đo gió nhằm nâng cao độ chính xác. Các loại radar Doppler phân cực có cả ba khả năng nêu trên. 1.3.3. Hệ thống chỉ thị Hệ thống chỉ thị dùng để chỉ thị các thông tin về mục tiêu do radar thu được. Nó cho phép ta quan sát được mục tiêu dưới nhiều dạng khác nhau. Loại chỉ thị biên độ, cho phép ta quan sát mục tiêu dưới dạng các tín hiệu phản hồi hình xung với biên độ khác nhau (hình 1.7), trong đó một xung mạnh là tín hiệu phát, còn lại là các tín hiệu phản hồi. Hệ thống chỉ thị loại này không cho thấy “hình ảnh” của mục tiêu nên không được dùng trong các radar thời tiết mà chỉ dùng trong các radar định vị. ở các radar thời tiết có hai loại chỉ thị cơ bản: - Loại chỉ thị quét tròn cho phép ta quan sát các mục tiêu nằm trên mặt hình nón có trục thẳng đứng và đỉnh tại nơi đặt radar khi anten quét theo góc phương vị và giữ nguyên một góc cao nhất định. Các “hình ảnh” của th mục tiêu được chiếu lên mặt nằm ngang (hình 1.8). - Loại chỉ thị quét đứng hay cao-xa cho Hình 1.7. Sơ đồ màn chỉ thị biên độ phép ta quan sát các mục tiêu nằm trên một mặt cắt thẳng đứng khi anten quét trong mặt phẳng thẳng đứng theo một góc phương vị nhất định (hình 1.9). “Hình ảnh” của mục tiêu hiển thị trên màn ảnh gọi là vùng phản hồi vô tuyến (vùng PHVT).
Trước đây, khi radar chưa được số hoá thì trên màn hình chỉ có thể xuất hiện các chỉ thị như vậy với màu sắc đơn điệu (đen và trắng); còn ngày nay, các radar số hoá còn có thể cho hiển thị sự phân bố không gian của những đặc trưng khác nhau của mục tiêu với nhiều màu sắc tuỳ chọn. Hình 1.8. Màn chỉ thị quét tròn (Plan – Position Indicator, PPI) Hình 1.9. Màn chỉ thị quét đứng hay cao-xa (Range-Height Indicator, RHI) 1.3.4. Các thông số kĩ thuật của radar thời tiết Mỗi radar được đặc trưng bởi một thông số kĩ thuật xác định. Sự lựa chọn các thông số này phụ thuộc vào công dụng của radar phù hợp với tính chất mục tiêu
cần xác định. Việc chọn lựa chính xác các thông số này bảo đảm nâng cao hiệu quả hoạt động của radar. Ta có thể xem xét thông số của radar thông qua thông số của từng bộ phận của nó. 1.3.4.1. Thông số kĩ thuật của hệ thống phát - Tần số phát f: Đây là tần số siêu cao do đèn phát tạo ra trong thời gian làm việc của máy phát. Việc chọn tần số phát là dựa vào nhiều yếu tố như: tính chất của mục tiêu, kích thước của radar, yêu cầu của độ chính xác của việc xác định mục tiêu Trong thực tế giải tần làm việc của radar thường được chọn từ 100ữ10000 MHz ( = 3 m3 cm). Các sóng vô tuyến tần số này ít bị các chất khí của khí quyển hấp thụ và nó có thể xuyên sâu vào các mục tiêu khí tượng (các đám mây, vùng mưa), bị tán xạ bởi các hạt mây hoặc mưa ngay cả khi chúng nằm sâu bên trong các mục tiêu đó. - Độ rộng xung phát : là thời gian máy phát tạo ra một đợt sóng siêu cao tần. Việc chọn độ rộng xung phụ thuộc vào yêu cầu độ xa cực tiểu cần đo và độ phân giải theo khoảng cách. Trong thực tế, độ rộng xung thường được chọn trong khoảng 0,1- 15 s. - Tần số lặp lại của xung phát F: là số lượng xung phát trong một giây. Vì radar xung sử dụng khoảng thời gian giữa các xung phát để thu sóng phản xạ từ mục tiêu, do đó tần số xung được chọn sao cho thời gian giữa các xung đủ để xác định khoảng cách cực đại của radar. Trong thực tế người ta chọn tần số lặp lại F trong khoảng từ 200 đến 1500Hz, tuỳ thuộc vào công dụng và khoảng cách cực đại mà radar cần xác định. - Công suất xung phát Pt: Đây là công suất sóng điện từ trong thời gian đèn phát làm việc. Vì máy phát chỉ phát trong khoảng thời gian rất ngắn, sau đó ngừng phát một khoảng dài, do đó công suất phát trung bình P cho một chu kì thường bé hơn nhiều so với công suất xung. Thật vậy, từ PPF t  , (1.7) nếu Pt = 250 kw;  = 2 s; F = 300 Hz ta có P =150 W 1.3.4.2. Thông số kĩ thuật của hệ thống thu - Hệ số tạp âm N: Máy thu vô tuyến nào cũng có tạp âm của chính nó do các linh kiên điện tử trong mạch tạo ra. Tín hiệu khi đi qua máy thu được khuếch đại lên, nhưng tạp âm trong nó cũng tăng lên. Do đó hệ số tạp âm máy thu là con số nói lên rằng tỉ số tín hiệu/ tạp âm ở đầu ra máy thu giảm đi bao nhiêu lần so với tỉ số tín hiệu/ tạp âm ở đầu vào máy thu. Trong máy thu radar hệ số N thường thay đổi từ 5 đến 25. Một máy thu lí tưởng thì N = 1. công suất tạp am ra / công suất tín hiệu ra N 1 công suất tạp am vào / công suất tín hiệu vào
Trong một số tài liệu, hệ số tạp âm tính ra đơn vị dB, khi đó nó được gọi là mức tạp âm N’: N’[dB] = 10 lgN . (1.8) - Độ nhạy máy thu (MDS) Pw: Đây là đại lượng nói lên chất lượng máy thu. Độ nhạy máy thu chính là mức công suất nhỏ nhất của sóng phản xạ ở đầu vào máy thu mà ở đầu ra có tín hiệu bảo đảm thiết bị chỉ thị phân biệt được mục tiêu trên nền tạp âm. Với kĩ thuật ngày nay, người ta có thể chế tạo được các máy thu có độ nhạy từ 10-12 đến 10-14W. - Tần số trung: Vì sóng siêu cao tần khó khuếch đại, do đó trong máy thu người ta thường tìm cách giảm tần số xuống. Hệ số khuếch đại của máy thu chủ yếu là ở tần số này. Trong radar tần số trung được chọn là 30 MHz. - Dải thông tần máy thu: Hệ số khuếch đại của máy thu nói chung, phụ thuộc vào tần số. Dải thông tần là giải tần số mà ở đó hệ số khuếch đại đồng đều ở tất cả các tần số. - Dải động của máy thu: Hệ số khuếch đại của máy thu nói chung, ngoài sự phụ thuộc tần số, còn phụ thuộc vào công suất của tín hiệu vào. Độ lớn của tín hiệu phản xạ từ mục tiêu khí tượng lại thay đổi trong khoảng rất rộng. Dải động chính là dải công suất vào máy thu mà hệ số khuếch đại của nó ổn định. Máy thu cần phải có hệ số khuếch đại ổn định, do vậy nó cần phải được thiết kế sao cho có một dải động thích hợp và làm việc ở tần số nằm trong dải thông. 1.3.4.3. Thông số của hệ thống anten anten của các radar thời tiết có nhiều dạng khác nhau (hình 1.10). Loại anten thông dụng nhất của các radar thời tiết có dạng “chảo” tròn parabol (hình 1.10a). Nó có tác dụng tập trung năng lượng sóng phát theo một hướng nhất định, thường trùng với trục của “chảo”. Mỗi anten có một số đặc trưng sau đây: - Cánh sóng: Cánh sóng (hay búp sóng) là thông số đặc trưng cho tính chất hoạt động có hướng (hướng tính) của anten. Đồ thị hướng tính của anten được trình bày ở hình 1.11. - Độ rộng cánh sóng : Độ rộng cánh sóng là thông số đặc trưng nhất và cần quan tâm nhất của anten, vì nó quyết định độ chính xác của phép xác định toạ độ góc của mục tiêu. Độ rộng cánh sóng là góc tạo bởi các hướng theo đó “công suất” (thực chất là độ chói bức xạ) phát đi bằng 50 % “công suất” cực đại phát theo trục cánh sóng. anten parabol cho phép thu được cánh sóng hẹp. Người ta chứng minh được rằng độ rộng cánh sóng phụ thuộc vào bước sóng và kích thước anten theo hệ thức sau:
Hình 1.10. Một số dạng anten của radar thời tiết kèm các cánh sóng chính của chúng λ  73 , (1.9) D a trong đó:  là độ rộng cánh sóng (độ).  là bước sóng (m). Da là đường kính anten (m). Như vậy, ta thấy rằng muốn tạo được cánh sóng hẹp thì anten phải có đường kính lớn hoặc sử dụng bước sóng ngắn. Ví dụ: Khi bước sóng  = 5,6 cm = 5,6.10-2 m, 0 Radar của Hoa Kì có anten parabol với Da = 4,2 m  = 1 . 0 Radar của Pháp có anten parabol với Da = 3,05 m  = 1,25 . - Hệ số khuếch đại của anten G: Hệ số khuếch đại của anten G cũng là thông số đặc trưng cho tính chất hoạt động có hướng của anten. G cho ta biết công suất bức xạ anten vô hướng phải tăng lên bao nhiêu lần so với anten có hướng để nó thu
được công suất sóng phản hồi từ mục tiêu bằng với công suất mà anten có hướng thu được. Thực nghiệm chứng minh được rằng: 4π .A G e , λ2 (1.10) trong đó Ae là diện tích phản xạ hiệu dụng của anten. 0, P Hình 1.11. Đồ thị định hướng của anten - Tốc độ quay của anten: Có hai tốc độ quay của anten, đó là số vòng quay ngang và số lần chúc gật (quay thẳng đứng) của anten trong một đơn vị thời gian (có thể là một phút hoặc một giây). - Cánh sóng phụ của anten: anten lí tưởng là anten chỉ phát xạ sóng điện từ về một hướng với tia hẹp, không phát sóng theo các hướng khác. Nhưng trong thực tế, không thể chế tạo được anten như vậy. Cánh sóng phụ là phần năng lượng sóng điện từ bức xạ ra các hướng khác với cánh sóng chính (hình 1.11). Thường đối với anten parabol thì cánh sóng phụ có công suất bức xạ khoảng 10 % cánh sóng chính. Sự hiện diện của cánh sóng phụ làm tăng vùng mù của radar, đồng thời nó còn tạo ra những mục tiêu giả trên màn chỉ thị Như trên đã nói việc giảm cánh sóng phụ đòi hỏi anten phải có kích thước lớn, nhưng sẽ làm cho việc chế tạo nó khó hơn nhiều và giá thành của radar tăng lên đáng kể. 1.4. Thể tích xung và mật độ năng lượng sóng trong xung phát Máy phát của radar thời tiết phát năng lượng thành từng xung không liên tục, lan truyền đi xa từ anten của radar với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng (3.108m/s). Thể tích mỗi xung năng lượng tác động lên các mục tiêu từ đó năng lượng được phản hồi trở về radar và sẽ nhận được các sản phẩm khác nhau do radar cung cấp. Hình dáng, kích thước của anten radar, bước sóng của năng lượng phát, thời gian
phát quyết định hình dáng (độ rộng) và thể tích mỗi xung radar. Radar phát xung hẹp, với mỗi xung là hình nón cụt. Thể tích một xung của radar được xác định trong hình 1.12. Độ rộng búp sóng radar được xác định là vùng tại đó “công suất” (đúng hơn là “độ chói bức xạ”) phát đi bằng 1/2 so với công suất đỉnh (cực đại) phát theo đường tâm của búp sóng chính. Tuy nhiên độ rộng vật lí của búp sóng tăng khi khoảng cách tăng (độ dài không gian của xung vẫn là hằng số). Vì vậy thể tích xung tăng theo khoảng cách. Khi năng lượng phát đi (công suất đỉnh xung là cố định) thì mật độ dòng năng lượng của xung giảm theo theo khoảng cách. Hình 1.12. Hình ảnh búp sóng theo chiều dài và thiết diện ngang của nó Mật độ năng lượng sóng là năng lượng sóng chứa trong một đơn vị thể tích không gian. Giả sử có hai xung năng lượng được radar phát đi (hình 1.13). Xung 1 được phát đi trước đến khoảng cách lớn hơn nó có thể tích lớn hơn, mật độ năng lượng nhỏ hơn so với xung thứ 2 được phát sau. Độ dài của 2 xung là như nhau (hình 1.13a), nó được quyết định bởi thời gian radar phát xung (độ rộng xung) . Do búp sóng chính được xác định như là một hình nón, thiết diện ngang vuông góc đường tâm của búp sóng là một mặt tròn. Trên hình 1.13b, diện tích của mặt cắt xung 1 lớn gấp 4 lần mặt cắt của xung 2. Do năng lượng phát trên 2 xung là như nhau, xung thứ 2 có mật độ năng lượng lớn gấp 4 lần mật độ năng lượng xung 1. Trong trường hợp nếu 2 radar phát đi với cùng 1 giá trị năng lượng nhưng độ rộng búp sóng là khác nhau thì với radar có búp sóng hẹp hơn (nghĩa là độ rộng búp sóng nhỏ hơn) sẽ có mật độ năng lượng lớn hơn. Điều này cho phép xác định được các mục tiêu nhỏ hơn tại những khoảng cách xa hơn.
Hình 1.13. Minh hoạ sự giảm dần của mật độ năng lượng sóng theo khoảng cách 1.5. Các kiểu phản hồi Khi các thể tích xung trong búp sóng gặp các mục tiêu, năng lượng sẽ bị tán xạ ra mọi hướng. Một phần rất nhỏ năng lượng bị chặn lại, phản xạ ngược trở lại phía radar. Nó được gọi là năng lượng phản hồi. Mức độ hay giá trị của năng lượng phản hồi được quyết định bởi tính chất của mục tiêu (kích thước, hình dạng, trạng thái, mật độ hạt ) Chúng ta chỉ quan tâm đến 2 loại phản hồi Rayleigh và Non- Rayleigh hay phản hồi “Mie”. Sự phản hồi Rayleigh xảy ra đối với các mục tiêu mà đường kính của nó nhỏ hơn rất nhiều so với độ dài bước sóng phát (D /16). Độ dài bước sóng DWSR-2500C xấp xỉ 5,4 cm vì vậy sự tán xạ Rayleigh xảy ra với các mục tiêu mà đường kính của chúng nhỏ hơn hoặc bằng 3,5 mm (khoảng 0,14 inch). Những hạt mưa hiếm khi lớn hơn 7 mm nên chúng là các mục tiêu tán xạ “Rayleigh”. Hầu như tất cả các hạt mưa đá đều là mục tiêu tán xạ “non-Rayleigh” do đường kính của chúng lớn hơn. Trong trường hợp này phương trình tán xạ “Mie” phải được sử dụng để tính toán. Tuy nhiên phần lớn các mục tiêu mà radar thời tiết xác định được là các hạt mưa. Do đó, trong các mục tiếp theo, ta sử dụng lí thuyết “Rayleigh” để tính toán năng lượng phản hồi vô tuyến. 1.6. Mục tiêu khí tượng 1.6.1. Khái niệm về mục tiêu khí tượng Mục tiêu khí tượng của radar chủ yếu là mây và mưa. Rada thời tiết được sử dụng để phát hiện mây, mưa và cùng với nó là các hiện tượng thời tiết liên quan. Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tượng là loại mục tiêu đặc biệt. Chúng không phải là một khối có cấu tạo đồng nhất mà là tập hợp các hạt nước có kích thước và trạng thái khác nhau. Có hai loại mục tiêu khác nhau:
Mây: Mây là tập hợp các hạt nước, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngưng kết hơi nước. Trong một đám mây, các hạt có thể tồn tại ở một thể thống nhất hoặc hỗn hợp ở hai thể lỏng và rắn, phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác. Nhiều đám mây lúc đầu chỉ gồm các hạt nước lỏng, sau đó chuyển thành mây mà tất cả các hạt đều ở thể băng hoặc là hỗn hợp giữa các thể băng, các hạt nước lỏng và các hạt nước lỏng siêu lạnh(< 00C). Hạt nước siêu lạnh có thể tồn tại đến nhiệt độ âm, song không tồn tại khi nhiệt độ giảm xuống dưới - 400C. Các hạt mây có kích thước khác nhau. Sự phân bố hạt trong mây theo kích thước phụ thuộc vào loại mây, thời gian tồn tại, độ cao mây và điều kiện địa hình. Đối với mây tích thì ở phần dưới của mây, số lượng hạt và kích thước hạt lớn hơn ở phần trên, đối với mây tầng thì kích thước hạt tương đối đồng đều. Mây ở lục địa có nhiều hạt hơn mây ở ngoài biển. Kích thước (đường kính) hạt mây nằm trong khoảng từ 5m đến 100m Mưa: Khi các hạt mây đủ lớn, thắng được lực cản không khí và rơi xuống đất thì gọi là mưa. (Những hạt quá nhỏ có tốc độ rơi rất nhỏ và trong quá trình rơi sẽ bị bốc hơi hết). Mưa rất dễ phát hiện bởi radar. Mưa có cường độ khác nhau, từ rất nhỏ trong mưa bụi đến rất lớn trong mưa rào. 1.6.2. Tính chất của mục tiêu khí tượng Các mục tiêu khí tượng khác nhau về hình dáng, kích thước và tính chất vật lí. Mây đối lưu là những đám mây đơn lẻ hay là những cụm gồm nhiều đám nhỏ, thời gian tồn tại từ vài chục phút đến vài giờ. Mây tầng và mây vũ tầng thường là những đám có diện tích lớn, tồn tại lâu từ vài giờ đến vài ngày. Tính chất vật lí vi mô của mây cũng thay đổi nhanh theo không gian và thời gian do các quá trình vật lí xảy ra trong đó. Trong mây đối lưu, kích thước và trạng thái hạt mây thay đổi liên tục theo thời gian. Vào thời kì đầu mới hình thành, phần lớn các hạt mây ở trạng thái lỏng, kích thước nhỏ. Nhờ các quá trình gộp (hợp nhất) và vận động lên phía trên, các hạt mây lớn dần lên và có thể chuyển sang thể băng. Khi hạt mây đủ lớn, thắng được dòng thăng thì chúng rơi xuống. Sự thay đổi về kích thước và trạng thái hạt mây theo không gian và thời gian dẫn đến việc thay đổi các đặc trưng vật lí vô tuyến của mục tiêu khí tượng của radar thời tiết. Khác với các mục tiêu chỉ phản xạ bề mặt như máy bay hay những vật rắn khác, các mục tiêu khí tượng cho phép sóng vô tuyến điện từ xuyên sâu vào bên trong nó, phản xạ cả bên trong và thậm chí còn xuyên qua nó để đi tới những mục tiêu phía sau. Sóng phản xạ ở đây cũng trở về được radar mang theo cả các thông tin bên trong mục tiêu. Lưu ý rằng, tuỳ thuộc vào tần số sóng và bản chất của mục tiêu, một số dải sóng không thể xuyên sâu vào các mục tiêu (chẳng hạn như sóng ánh sáng chiếu vào mây), sự phản xạ chỉ do một lớp mỏng bề mặt của mục tiêu gây ra, do vậy, tín hiệu phản xạ chỉ cho biết các thông tin về bề mặt của mục tiêu. Tuy nhiên, sóng phản hồi không những có thể đến từ các hạt mưa, hạt mây, sương mù, tinh thể băng, bông tuyết, lớp nghịch nhiệt, các hạt lơ lửng khác trong
khí quyển (khói, hạt bụi, tinh thể muối, v.v ), mà còn từ côn trùng, chim, máy bay, (vùng có độ phản hồi lớn) và có thể gây nhầm lẫn. 1.7. Phương trình radar đối với mục tiêu điểm và mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ Khi lan truyền trong môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ ít nhiều đều bị suy yếu dọc đường do bị hấp thụ và khuếch tán bởi các phần tử của môi trường. Trong chân không, sóng điện từ không bị suy yếu bởi các hiện tượng này mà chỉ bị suy yếu nếu năng lượng sóng phải phân bố trong một vùng không gian ngày càng rộng lớn hơn. Tuy nhiên, khí quyển sạch, không chứa các hạt aerosol (xon khí) chỉ hấp thụ và khuếch tán rất ít sóng vô tuyến điện từ mà các radar thường sử dụng, do vậy có thể xem nó như một môi trường không gây ra sự suy yếu sóng. Trong mục này ta xét một mục tiêu nằm trong môi trường như vậy hoặc trong chân không. 1.7.1. Phương trình radar đối với mục tiêu điểm trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ Nếu anten phát sóng với công suất xung Pt và hệ số khuếch đại của anten là G thì tại mục tiêu ở khoảng cách r sẽ có mật độ dòng năng lượng sóng điện từ Im là: PtG Im , 4π r 2 (1.11) (Im chính là độ lớn của vector Pointing quen biết trong vật lí học). Như vậy, nếu mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là m thì dòng (thông lượng) năng lượng do mục tiêu phản xạ ngược lại sẽ là: PtG Pm I m  m m . 4πr 2 (1.12) Mật độ dòng năng lượng thu được tại anten radar Ia là: PmP tG 1 PtG Ia m  m . 4 r 2 4 r 24 r 2 16 2r 4 (1.13) Từ đây dễ dàng nhận thấy khi anten có diện tích phản xạ hiệu dụng Ae, dòng năng lượng điện từ tại anten thu (tức công suất thu) của radar sẽ là:
PtGA e PIAr a e m . 16 2r 4 (1.14) Giữa hệ số khuếch đại G và diện tích phản xạ hiệu dụng Ae của anten lại có mối quan hệ sau: G2 A . e 4 (1.15) Thay (1.15) vào (1.14) ta được công suất thu: 2 2 PGt λ Pr m . 64π3r 4 (1.16) Hệ thức (1.16) là phương trình radar cho một mục tiêu điểm trong môi trường không gây ra sự suy yếu (trong chân không). 1.7.2. Phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không hấp thụ và tán xạ sóng điện từ Việc sử dụng radar vào mục đích khí tượng dựa trên hiệu ứng phản xạ sóng điện từ bởi các mục tiêu khí tượng. Khi sóng điện từ truyền qua mây hoặc mưa, trong từng hạt sẽ xảy ra phát xạ thứ cấp. Một phần năng lượng bị các hạt hấp thụ, một phần xuyên qua hạt để đi tiếp, một phần sẽ được tán xạ ra mọi hướng, trong đó có một phần hướng về phía radar, đó là sóng phản xạ. Tần số của sóng tán xạ nói chung và phản xạ nói riêng trùng với tần số của sóng do radar truyền tới. Độ lớn của năng lượng phản xạ được đánh giá bởi thông số m , gọi là diện tích (của thiết diện) phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m phụ thuộc không những vào kích thước, trạng thái, nhiệt độ và sự phân bố của các hạt mà còn vào tần số sóng (hoặc bước sóng). Việc tính toán m bằng giải tích là phức tạp, vì như trên đã nói, bản thân mục tiêu khí tượng rất phức tạp. Để đơn giản, người ta tính toán m của mục tiêu khí tượng với các giả thiết sau: - Coi như các hạt đều có hình cầu, bán kính a của hạt nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng  (a /16 = 0,03); khi đó diện tích phản xạ hiệu dụng của một hạt thứ i nào đó được tính bằng hệ thức thu được từ lí thuyết tán xạ của Rayleigh:
5 64 6 2 i a K i , 4 i (1.17) trong đó 2 2 2 m 1 K i , i 2 mi 2 (1.18) (ở đây mi là chỉ số khúc xạ phức của hạt thứ i) phụ thuộc vào trạng thái pha, nhiệt 2 độ của hạt và bước sóng. Sự phụ thuộc của K i vào bước sóng và nhiệt độ không 2 lớn lắm. K i phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái pha của hạt. Đối với hạt nước, 2 2 K i có giá trị bằng 0,93 0,004, trong khi đó đối với hạt băng K i có giá trị bằng cỡ 0,197 tức là nhỏ hơn khoảng 5 lần. - Sự phân bố các hạt không ảnh hưởng lẫn nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các hạt đủ lớn để trường điện từ của các hạt không tác dụng qua lại, lúc đó diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng trong một đơn vị thể tích là tổng đại số của các diện tích phản xạ hiệu dụng của tất cả các hạt trong thể tích đó. Diện tích phản xạ hiệu dụng  của một đơn vị thể tích của mục tiêu khí tượng là: N 5 N 64π 2   K a6 , i 4  i i i 1 λ i 1 (1.19) trong đó N là số hạt trong một đơn vị thể tích.  còn gọi là hệ số tán xạ, có đơn vị là m-1. - Tín hiệu phản xạ thu được tại đầu vào máy thu radar là tín hiệu phản xạ từ tập hợp tất cả các hạt nằm trong thể tích xung phát. Giả thiết rằng thể tích xung phát được lấp đầy bởi các hạt (khi radar quan sát các mục tiêu khí tượng, thì có nhiều hạt nước (nước lỏng hoặc đá, tuyết) nằm trong cánh sóng radar. Bão hoặc các đám mây thường rất lớn, choán hết cánh sóng radar) thì diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m sẽ là: N m VV u  u  i . i 1
(1.20) với Vu là nửa thể tích xung phát (xem hình 1.14), được tính theo hệ thức: h VR 2 , u 2 (1.21) trong đó h/2 là độ dài của nửa khối xung trong không gian, R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R, độ rộng cánh sóng  (tính bằng rađian) và khoảng cách từ radar đến mục tiêu r có mối liên hệ:  R r . 2 (1.22) Do vậy 2 r h r2θ 2 h Vu , (1.23) 2 2 8 còn h có thể tính theo hệ thức h c . (1.24) Sở dĩ ta chỉ lấy nửa thể tích xung phát vì mặt sóng đầu ở xa radar hơn mặt sóng cuối r Vu một khoảng bằng h (do đi trước một thời gian R  h/2 bằng ), hai mặt sóng này sẽ cho tín hiệu O phản hồi về tới radar cùng một lúc nếu mặt sóng cuối đi thêm một khoảng bằng h/2 rồi Hình 1.14. Để tính nửa thể tích xung phát quay trở lại (bị phản hồi), còn mặt sóng đầu thì trở lại luôn. Tín hiệu phản hồi “đúp” (ở mỗi thời điểm đều do 2 mặt sóng cùng tạo ra) như vậy sẽ mạnh, còn các tín hiệu phản hồi “đơn” (ở mỗi thời điểm chỉ do một mặt sóng tạo ra) đều yếu, phần nhiều không được hiển thị. Như vậy coi như chỉ có một nửa thể tích xung cho tín hiệu phản hồi. Đưa các hệ thức của  và Vu từ (1.19) và (1.23) vào (1.20) ta có thể tính được diện tích phản xạ của một khối xung của mục tiêu khí tượng: 2 2 5 N 6 2 2 N π.r θ h 64π 2 πr θ h 2  K a 6 KD6 . (1.25) m4  i i 4  i i 8 λ i 1 8λ i 1 Thay m từ hệ thức trên vào hệ thức (1.16) ta có phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không suy yếu:
2 2 6 2 2 N 3 2 2 N PGt λ 64π θ h r 2 6 πPt G θ h 2 6 Pr Ki a i Ki a i 64π 3r 4 8 λ 4 λ8 2r 2  i 1 i 1 . (1.26) 3 2 2 N πP G θ c τ 2 t KD6 2 2  i i 512λ r i 1 Giá trị N 2 6 ZKD  i i i 1 (1.27) được gọi là độ phản hồi vô tuyến của mục tiêu khí tượng. Đại lượng này có thứ nguyên là m3 hoặc mm6/m3. Tuy nhiên các đơn vị này ít dùng mà người ta hay dùng một đơn vị khác là dBz (đề xi ben Z) sẽ nói đến sau. Với một radar, chúng ta có thể nhóm tất cả các thông số của nó thành một hằng: π3P G 2 θ 2 c τ C t . 512λ 2 (1.28) Khi đó phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không suy yếu có thể viết gọn lại như sau: Z PC . r r 2 (1.29) Đại lượng C chỉ phụ thuộc vào các thông số của radar. 1.8. Phương trình radar Probert-Jones Trong mục này ta sẽ xét mục tiêu khí tượng nằm trong môi trường có gây ra sự suy yếu sóng điện từ, tức là các phần tử của môi trường có thể hấp thụ, tán xạ sóng hoặc gây ra cả hai hiện tượng này. Nửa thể tích xung phát xác định như trên là tính cho anten parabol lí tưởng. Trong thực tế, dù chế tạo tốt đến đâu cũng vẫn xuất hiện các cánh sóng phụ. Với các cánh sóng phụ bằng 10 % cánh sóng chính thì, theo Probert-Jones, nửa thể tích xung phát được tính bằng hệ thức: π.r2 θ 2 h V . u 16ln 2
(1.30) Thay hệ thức (1.30) và (1.19) vào (1.20) ta có thể tính được diện tích phản xạ của mục tiêu khí tượng: 2 5 N 6 2 2 N πr θ h 64π 2 πr θ h 2  K a 6 KD6 . m4  i i 4  i i 16ln 2 λ i 1 16ln 2λ i 1 (1.31) Thay m từ hệ thức trên vào hệ thức (1.16) ta có phương trình radar đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường không suy yếu: 2 2 6 2 2 N 3 2 2 N PGt λ 64π θ h r 2 6 πPt G θ h 2 6 Pr Ki a i Ki a i 64π3r 4 16ln 2 λ 4 16λ2r 2 ln 2  i 1 i 1 . 3 2 2 N πP G θ c τ 2 t KD6 2 2  i i 1024λr ln 2 i 1 (1.32) Lưu ý đến sự suy yếu năng lượng sóng dọc đường truyền trong khí quyển và dọc đường truyền từ anten đến đầu ra của máy thu (do sự không hoàn hảo của máy thu), cần phải nhân vế phải của phương trình trên cho một hệ số L (L<1) đặc trưng cho phần (tỉ lệ) năng lượng về đến máy thu: 3 2 2 N πP G θ c τ 2 P t LKD6 . r 2 2  i i 1024λr ln 2 i 1 (1.33) Phương trình nêu trên được gọi là phương trình radar Probert-Jones. 1.9. Phương trình radar đơn giản. Độ suy yếu và độ truyền qua L trong phương trình Probert-Jones được gọi là độ truyền qua, nó có thể viết thành: LLL a rd , (1.34) trong đó La là độ truyền qua khí quyển, còn Lrd – độ truyền qua các đường dẫn sóng bên trong radar. Nghịch đảo của các đại lượng này gọi là độ suy yếu: 1 M - độ suy yếu toàn phần, L 1 Ma - độ suy yếu trong khí quyển, L a
1 Mrd - độ suy yếu qua các đường dẫn sóng bên trong radar. Lrd Khi một radar được lắp đặt, chỉ có những tham số sau đây không phải là cố định: độ phản hồi Z, độ suy yếu bởi môi trường Ma và khoảng cách r. Những tham số còn lại đều không đổi và được tổng hợp để tạo ra hằng số Cr (ở một chế độ hoạt động của radar, Cr là không đổi). Phương trình radar có thể viết dưới dạng đơn giản: C Z C Z P r r L , r 2 2 a r Ma r (1.35) trong đó π3P G 2 θ 2 c τ π3P G 2 θ 2 c τ C u u L . r 2 2 rd 1024Mrd λln 2 1024λln 2 (1.36) Cr được gọi là thế hay hằng số của radar. Giá trị của hằng số radar được sử dụng để đánh giá công tác hiệu chỉnh radar. Phương trình (1.35) gọi là phương trình radar đơn giản hoá (hay rút gọn). Độ truyền qua La luôn 1, còn Ma thì luôn 1. La = 1 trong trường hợp không có sự suy yếu (do hiện tượng hấp thụ và tán xạ sóng bởi môi trường) dọc đường truyền sóng. Sự suy yếu do khí quyển gây ra nghịch biến với góc cao và đồng biến với khoảng cách. Khi góc cao tăng lên, tín hiệu ít đi qua các vùng khí quyển dày đặc dọc theo tia quét hơn, do vậy nó sẽ ít bị suy yếu hơn ; Sự suy yếu tuân theo định luật Bouguer-Lambert, cho nên độ suy yếu trong khí quyển được tính theo công thức r M exp 2  dr . a e 0 (1.37) trong đó e là hệ số suy yếu sóng trong khí quyển (do sự hấp thụ và tán xạ sóng của các phân tử khí, bụi, hạt mây hoặc mưa trên đường truyền sóng giữa radar và mục tiêu gây ra). Tuy nhiên, khi có mây hoặc mưa dọc đường truyền sóng thì lượng bụi thường nhỏ và sự suy yếu chủ yếu do mây và mưa gây ra. Với một biến đổi nhỏ, phương trình trên sẽ có dạng:
2 2 Pr r Pr r Z Ma . Cr CLr a (1.38) Với việc đo khoảng cách r và năng lượng phản hồi về tới radar Pr, phương trình (1.38) cho phép các nhà khí tượng tính toán trực tiếp độ phản hồi vô tuyến Z của mục tiêu khi biết Cr và Ma. Trong thực tế, radar đo Pr và r rồi tự động tính Z bằng cách khuếch đại Pr với một số lần để bù lại sự suy yếu do khoảng cách và sự hao hụt cường độ phản hồi do suy yếu dọc đường truyền trong khí quyển và trong radar, r2 r 2 tức là khuếch đại lên một số lần bằng Ma hoặc . Độ suy yếu Ma hoặc độ Cr CLr a truyền qua La được tổng hợp và sử dụng cho toàn bộ khoảng cách. Độ suy yếu tăng lên mạnh khi tín hiệu phải truyền qua mây hoặc nhất là vùng đang mưa. Đối với radar DWSR-2500C giá trị cường độ phản hồi vô tuyến có thể được hiệu chỉnh do b -5 suy yếu trong mưa bằng việc lấy La = A.Z với A = 6,9.10 ; b = 0,67. Hiệu chỉnh do suy yếu trong mưa cần được thực hiện sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình. Sau khi được hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình và sự suy yếu dọc đường truyền, độ PHVT được gọi là đã hiệu chỉnh (corrected intensity). 1.10. Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến và công suất Đối với một đại lượng X bất kì có giá trị biến đổi trong một trong một phạm vi quá rộng, người ta thường sử dụng đơn vị đề xi ben (dB) để biểu thị giá trị của nó. Để biểu thị trong đơn vị này, thay cho giá trị của X, ta phải tính giá trị của X’ theo công thức sau: X X' dB 10 lg , X 0 (1.39) trong đó X0 là một giá trị nào đó được chọn làm chuẩn (nếu bỏ hệ số 10 trong công thức trên thì đơn vị của X’ được gọi là Ben, kí hiệu là B). Trong đơn vị này, giá trị của X’ biến đổi trong một trong một phạm vi hẹp hơn nhiều. Thực chất, X’ là đại lượng vô thứ nguyên. N 2 6 Độ phản hồi vô tuyến ZKD  i i (phép tính tổng được lấy trong một đơn vị i 1 thể tích) cũng là một đại lượng như vậy. Giá trị của độ phản hồi vô tuyến có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng, từ 10-3 đến 106 mm6/m3. Vì vậy, người ta cũng sử
dụng đơn vị đề xi ben, song để phân biệt với đơn vị của các đại lượng khác, người ta gọi nó là đề xi ben Z (viết tắt là dBz), còn độ phản hồi khi đó là: Z Z' dBz 10 lg , Z0 (1.40) 6 3 trong đó Z0 = 1 mm /m . Từ giá trị của độ phản hồi Z, ta dễ dàng tính được Z’. Ví dụ: Nếu Z= 4000 mm6.m-3 thì Z’ = 10(lg 4000) = 10.3,6 = 36 dBz. Giá trị Z’(dBz) là âm xảy ra khi xuất hiện các hạt cỡ cực nhỏ, giá trị Z quá thấp. Bảng 1.5 chứng minh tại sao dBz được sử dụng thay cho mm6/m3. Bảng 1.5. Giá trị Z’ và Z tương ứng Z’ (dBz) Z (mm6m-3) Z’ (dBz) Z (mm6m-3) -32 0,000631 30 1 000 -28 0,001585 41 12 589 -10 0,1 46 39 810 0 1 50 100 000 5 3,162 57 501 187 18 63,0 95 3 162 277 660 Trong kĩ thuật radar, giải công suất cần đo cũng rất lớn, từ độ nhạy máy thu P = 10-14 W đến công suất phát xung lớn hàng trăm, thậm chí cả ngàn kW. Để tiện lợi trong việc so sánh các giá trị của công suất, người ta cũng sử dụng đơn vị đề xi ben, còn công suất trong đơn vị này (còn được gọi là "mức công suất"), kí hiệu là P’ và được tính theo công thức 20K P P'(dB) 10 lg , P0 (1.41) trong đó P là công suất và P0 là công suất chuẩn (để so sánh với P). -3 Thông thường, trong khí tượng radar người ta chọn P0 = 1mW = 10 W, còn P tính ra W; khi đó đơn vị của P’ được gọi là “đề xi ben m" (dBm), còn mức công suất là: P P'(dBm) 10 lg . 10 3 W (1.42)
Ví dụ: Nếu công suất mà radar thu được là P = 10-14 W (giá trị này xấp xỉ độ nhạy máy thu của các radar hiện đại, tức xấp xỉ bằng công suất nhỏ nhất mà radar 10 14 có thể thu được), thì mức công suất tương ứng là P' 10 lg 10 lg 10 11 110 10 3 (dBm). 1.11. Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất sóng thu 1.11.1. ảnh hưởng của phổ phân bố hạt theo kích thước và trạng thái hạt Công suất sóng thu Pr tỉ lệ thuận với cường độ phản hồi vô tuyến Z. Từ công N 2 6 thức định nghĩa của độ phản hồi vô tuyến ZKD  i i , ta thấy ba đặc trưng i 1 quan trọng của mưa liên quan trực tiếp đến độ phản hồi vô tuyến là: - Số lượng hạt trong mỗi đơn vị thể tích N, - Kích thước các hạt Di, 2 - Trạng thái pha của các hạt (thể hiện qua K i ). 2 Giá trị Ki liên quan với đặc tính vật lí của bản chất mục tiêu (trạng thái 2 pha), đặc biệt với tính chất dẫn điện. Đối với hạt nước K i 0,93. Đối với tinh thể 2 2 băng Ki 0,197 tức là khoảng 5 lần nhỏ hơn so với Ki của hạt mưa cùng kích thước. Điều này dẫn đến việc đánh giá rất thấp tiềm lượng nước của tuyết và tinh thể băng và không phát hiện được mưa đá, mưa tuyết ở những khoảng cách xa do tín hiệu phản hồi quá yếu. Độ phản hồi của các mục tiêu giáng thủy tỉ lệ thuận với đường kính mũ 6 của hạt mưa (tỉ lệ với D6) trong 1 thể tích mẫu. Do vậy, năng lượng phản hồi trở về radar tăng mạnh có thể là kết quả của sự tăng lên rất ít của đường kính hạt mưa D. Nói cách khác, độ phản hồi phụ thuộc nhiều vào phổ phân bố số hạt theo kích thước. Chúng ta xét một ví dụ để chứng minh điều này. Giả sử trong 1m3 ở đó có 730 hạt mưa, trong đó 729 hạt có đường kính là 1 mm và chỉ 1 hạt có đường kính là 3 mm. Sử dụng phương trình trên để tính giá trị phản hồi như sau: 730 6 6 6 6 2 729. 1 mm 1 . 3 mm mm mm ZKD, 6 093 093, .( 729 729 ) 093,. 1458  i i 3 3 3 i 1 1m m m (1.43) Chú ý: Cường độ phản hồi của 729 hạt mưa có đường kính là 1 mm bằng cường độ phản hồi của 1 hạt mưa có đường kính 3 mm mặc dù hạt mưa có đường kính 3
mm chỉ có thể tích gấp 27 lần hạt mưa có đường kính 1 mm. Nói một cách khác là hạt mưa có đường kính 3 mm cho năng lượng phản hồi lớn hơn gấp 729 lần so với hạt mưa có đường kính là 1 mm. Như vậy, nếu các hạt mây gộp lại với nhau thì mặc dù hàm lượng nước không đổi và số lượng hạt ít đi nhưng độ phản hồi vẫn tăng lên, thậm chí tăng rất nhiều. Mối quan hệ giữa độ phản hồi Z và kích thước hạt là điều hết sức quan trọng, điều này được đề cập rõ hơn khi ta thảo luận về nguyên lí của việc ước lượng cường độ mưa bằng radar trong phần sau. Khi chúng ta không biết sự phân bố hạt thực tế theo kích thước hay cấu tạo vật lí của tất cả các mục tiêu trong một thể tích mẫu, phản hồi vô tuyến của radar được gọi là phản hồi tương đương Ze. Thông thường ta sử dụng giả thiết tán xạ Rayleigh trên các hạt nước lỏng, tức là tất cả năng lượng phản hồi đều bắt nguồn từ các hạt lỏng mà đường kính của chúng đáp ứng tán xạ Rayleigh. Hiển nhiên giả thiết này là không chính xác trong những trường hợp khi tồn tại tinh thể băng hoặc băng đang tan trong thể tích xung. Do đó thuật ngữ phản hồi tương đương nhiều khi được sử dụng thay cho phản hồi thực tế. Tuy nhiên, khi sử dụng giả thiết nêu trên người ta thường vẫn chỉ sử dụng thuật ngữ độ phản hồi Z. 1.11.2. ảnh hưởng của độ dài bước sóng Vận tốc sóng vô tuyến trong môi trường c = f là một hằng số vì vậy nếu tần số f tăng (hoặc giảm) thì độ dài bước sóng phải giảm (hoặc tăng) một số lần tương đương. Từ phương trình radar Probert-Jones (1.33) chúng ta có thể nhận thấy giá trị năng lượng phản hồi thu được tỉ lệ nghịch với bình phương độ dài bước sóng. Điều này có nghĩa là với một radar băng sóng C (độ dài bước sóng bằng 5 cm) sẽ nhận một lượng năng lượng phản hồi trở lại từ một mục tiêu, lớn hơn gấp 4 lần so với radar băng sóng S (độ dài bước sóng 10 cm) với tất cả các đặc tính kỹ thuật khác là như nhau, do mục tiêu tán xạ sóng ngắn ngược trở lại mạnh hơn sóng dài (theo lí thuyết tán xạ Rayleigh, hệ số tán xạ tỉ lệ nghịch với 4, tức là độ dài bước sóng phát càng nhỏ thì sự tán xạ càng mạnh). Tuy nhiên, sự suy yếu dọc đường đối với sóng ngắn cũng mạnh hơn so với sóng dài. Chính xác hơn, tỉ lệ kích thước hạt trên độ dài bước sóng (D/) ảnh hưởng tới độ suy yếu dọc đường. Tỉ lệ này càng lớn thì sự suy yếu càng lớn (tức M càng lớn hoặc L càng nhỏ). Khi đó bước sóng càng lớn thì độ suy yếu (tiêu hao) càng ít phụ thuộc vào kích thước hạt mưa. Như vậy đối với bước sóng ngắn ( = 5 cm) thì độ suy yếu sóng điện từ rất lớn trong mưa làm cho nó không thật phù hợp với nhiệm vụ giám sát hệ thống trên một phạm vi rộng. Nhắc lại về sự tán xạ Rayleigh, độ dài bước sóng phát càng nhỏ thì sự tán xạ Rayleigh càng mạnh và xảy ra đối với hầu hết các kích thước hạt quan sát được trong khí quyển (ngoại trừ mưa đá với D > 1 cm). Mặc dù các radar sử dụng sóng ngắn phát hiện các mục tiêu nhỏ tốt hơn, nhưng do suy yếu dọc đường lớn hơn, năng lượng phản hồi trở về sẽ nhỏ, trong nhiều trường hợp radar không thu được
tín hiệu phản hồi bởi vì năng lượng sóng điện từ phản hồi có thể bị suy yếu hết khi truyền qua trường mưa mạnh và mục tiêu sẽ không được phát hiện. 1.11.3. ảnh hưởng của khoảng cách đến mục tiêu Như với độ dài bước sóng, năng lượng trung bình phản hồi từ mục tiêu tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó tới radar. Khuếch đại năng lượng thu được lên một số lần tỉ lệ thuận với r2 là cách để bù lại sự hao hụt năng lượng do khoảng cách gây ra đối với các khoảng cách khác nhau. Nếu như không có bù khoảng cách thì khi đó những ổ dông gần radar sẽ có giá trị phản hồi lớn hơn ở các vùng xa nhờ vào mật độ năng lượng lớn hơn ở vùng gần. Nếu 2 ổ dông có cùng giá trị độ phản hồi thì dông gần radar nhất sẽ luôn luôn phản hồi trở lại một năng lượng lớn hơn dông ở xa. Ví dụ: Một mục tiêu có r = 10 km thì r2 = 100 km2; với r = 40 km thì r2 = 1600 km2. Mục tiêu ở khoảng cách r =10 km phản hồi lại một năng lượng mạnh gấp 16 lần mục tiêu ở khoảng cách r = 40 km. 1.11.4. ảnh hưởng của các yếu tố qua độ suy yếu trong khí quyển Trong phương trình radar Probert-Jones dạng rút gọn (1.35) C Z C Z P r r L r 2 2 a r Ma r ta nhận thấy Pr tỉ lệ thuận với độ truyền qua La hoặc tỉ lệ nghịch với độ suy yếu Ma trong khí quyển của tia sóng. Đến lượt nó, độ truyền qua La hoặc độ suy yếu Ma lại phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Mức độ suy yếu bởi khí quyển phụ thuộc nhiều vào trạng thái của khí quyển mà sóng truyền qua (có mây, mưa, bụi, côn trùng dọc đường truyền hay không). - Mức độ suy yếu bởi khí quyển nghịch biến với góc cao của anten  vì khi góc cao tăng lên, tín hiệu ít đi qua các vùng khí quyển dọc theo tia quét hơn. - Mức độ suy yếu cũng phụ thuộc vào độ cao của đối tượng h, cụ thể là sóng phản hồi từ những mục tiêu ở dưới thấp phải đi qua những vùng khí quyển dày đặc nên Ma lớn hơn so với trường hợp mục tiêu ở cao. - Mức độ suy yếu tăng theo khoảng cách r, tức là càng đi xa, sóng càng bị suy yếu nhiều. Tuy nhiên, ba yếu tố sau cùng này có quan hệ với nhau theo một hệ thức gần đúng: h = r.sin , cho nên chỉ hai trong số chúng là độc lập, riêng trường hợp khi  = 0 thì chỉ có r là yếu tố độc lập. Có thể coi gần đúng rằng Ma tỉ lệ thuận với r. 1.11.5. ảnh hưởng của mức độ lấp đầy búp sóng Trước đây, khi dẫn đến các phương trình radar, ta đã mặc nhiên giả định rằng thể tích xung cho tín hiệu phản hồi được lấp đầy bởi các hạt mây. Tuy nhiên, trong
thực tế, nhiều khi thể tích xung chỉ được lấp một phần. Hơn nữa, nếu hai xung đều được lấp đầy bởi các hạt của cùng một đối tượng nhưng phân bố theo kích thước của các hạt trong hai trường hợp không giống nhau thì độ phản hồi Z hoặc công suất sóng thu Pr cũng khác nhau. Ví dụ dưới đây minh hoạ rõ hơn điều này. ở hình 1.15, hai radar hoạt động đồng thời và cho kết quả phản hồi của 1 tâm nhiễu động ở những khoảng cách khác nhau so với vị trí radar. Phân bố thực tế theo kích thước hạt cho phép tính được độ PHVT từ phương trình (1.35) và (1.36). Giả sử giá trị phản hồi thực tế ở vùng tâm là 60 dBz. Nó nằm trong vùng giao nhau giữa 2 búp sóng. Tâm của vùng có độ phản hồi lớn 60dBz chỉ lấp đầy “tia B”. Do ở khoảng cách xa hơn, búp sóng A được lấp một phần bởi lõi với 60 dBz ngoài ra là các vùng phản hồi yếu hơn xung quanh nó. Kết quả là giá trị cường độ phản hồi vô tuyến trung bình của tâm nhiễu động theo radar A sẽ yếu hơn 60 dBz. Đó là nguyên nhân dẫn đến 2 radar nhận được 2 giá trị độ phản hồi khác nhau với cùng một mục tiêu ở cùng độ cao. Hình 1.15. Để giải thích ảnh hưởng của mức độ lấp đầy búp sóng đến độ PHVT 1.12. Quan hệ giữa tần số lặp của xung và khoảng cách quan trắc đúng tối đa Khoảng cách tối đa (rmax) mà radar có thể quan trắc được một cách đơn trị (đúng) tỉ lệ thuận với thời gian nghỉ giữa hai xung. Radar DWSR-2500C sử dụng một anten vừa thu, vừa phát tín hiệu. Khoảng thời gian từ thời điểm ngừng phát xung thứ nhất đến thời điểm bắt đầu phát xung thứ hai đủ để xung thứ nhất truyền đi đến mục tiêu và trở về radar (2 lần khoảng cách tới mục tiêu). Nếu chu kì lặp của xung là T, thời gian kéo dài một xung (độ rộng xung) là  thì khoảng cách đúng tối đa có thể quan trắc được là
c.(T ) r , (1.44) max 2 trong đó, c - vận tốc truyền sóng; (T-) - thời gian nghỉ phát giữa 2 xung (còn gọi là “thời gian lắng nghe”). Vì thời gian phát một xung  là rất nhỏ (s) so với T (ms) nên trong công thức trên có thể thay thế T bằng (T-). Ví dụ, nếu radar DWSR-2500C hoạt động với chế độ xung dài (với F = 250 MHz và T = 4000 s), khi đó thời gian thu sẽ là: T –  = 4000 s – 2 s = 3998 s. Như vậy, 99,95 % thời gian hoạt động của radar là thời gian dành cho việc thu tín hiệu, chỉ 0,05 % thời gian để phát xung sóng điện từ. Như vậy phương trình trên có thể được viết dưới dạng: cT c r , (1.45) max 2 2F trong đó, F là tần số lặp của xung (s-1) = 1/T . Ví dụ: Khi radar DWSR –2500C hoạt động ở khoảng cách tối đa, với F = 250s-1 -3 (T = 4.10 s), từ phương trình trên ta xác định được rmax = 600 km. Nếu mục tiêu ở xa hơn rmax thì trên màn hình nó sẽ xuất hiện ở khoảng cách khác hẳn với khoảng cách thực, đó là khoảng cách ảo. 1.13. Hiện tượng “khoảng cách ảo” Khoảng cách ảo (Range Folding) là hiện tượng radar hiển thị vùng PHVT tại một vị trí đúng về góc hướng nhưng sai về khoảng cách. Hiện tượng này xảy ra khi một mục tiêu nằm ngoài khoảng cách tối đa rmax nhưng radar vẫn phát hiện được, nghĩa là mục tiêu ở trong vùng “nghi ngờ”. Hình 1.16 là một ví dụ về sự hiển thị chính xác vị trí của vùng PHVT. Hình 1.16. Trường hợp radar hiển thị được chính xác vị trí của vùng PHVT Trong hình ta thấy một mục tiêu ở khoảng cách thực là 200 km, trong khi đó rmax = 250 km (phần trên hình 1.16), có nghĩa là một xung có thời gian di chuyển
một khoảng cách tối đa là 500 km, trước khi một xung tiếp theo được phát đi. Khi xung gặp mục tiêu ở khoảng cách 200 km, phần lớn năng lượng của xung tiếp tục truyền theo hướng đã định và một phần năng lượng phản hồi trở lại bởi mục tiêu (phần dưới hình 1.16). Khi đó phần năng lượng phản hồi truyền được tổng cộng một quãng đường là 400 km, trong khi phần còn lại tiếp tục lan truyền ra xa radar. Radar hiển thị chính xác mục tiêu ở khoảng cách là 200 km, do xung thứ hai vẫn chưa được phát đi. Kết quả là trên màn chỉ thị không có sự sai lệch về vị trí mục tiêu tại khoảng cách là 200 km. Trong hình 1.17: rmax = 250 km và mục tiêu nằm ở khoảng cách 300 km; tức vượt 50 km ngoài rmax. Xung thứ 1 tác động tới mục tiêu ở 300 km (phần trên của hình 1.17) một phần năng lượng của nó phản hồi trở lại radar trong khi phần còn lại tiếp tục được truyền đi theo hướng ban đầu (phần dưới của hình 1.17). Mỗi phần năng lượng (thể tích xung) có thời gian để di chuyển khoảng cách là 500 km trước khi xung tiếp theo được phát (xung 2). Phần năng lượng tiếp tục truyền, đạt tới khoảng cách 500 km, cùng lúc đó năng lượng phản hồi trở lại 200 km về phía radar (đó là vị trí ở khoảng cách 100 km so với radar). Khi đó xung thứ 2 (xung tiếp theo) chuẩn bị được phát đi mặc dù radar chưa nhận được tín hiệu phản hồi của xung thứ nhất. Hình 1.17. Trường hợp radar chuẩn bị phát đi xung thứ 2 nhưng chưa nhận được tín hiệu phản hồi từ xung thứ nhất ở hình 1.18 trong thời gian xung thứ hai đi 100 km đầu tiên, không có mục tiêu nào hiển thị trên màn hình vì khi đó năng lượng phản xạ bởi xung 1 mới về tới sát radar (phần hình trên). Tuy nhiên khi xung thứ hai được phát đi thì radar xác định bất kì một năng lượng phản hồi nào nhận được sau đó đều là phản hồi của xung thứ 2, nhưng thực chất đó là năng lượng phản hồi do xung thứ nhất gây ra và từ mục tiêu ở khoảng cách 300 km. Radar sẽ xác định năng lượng phản hồi đó của xung thứ
2 xuất phát từ mục tiêu ở khoảng cách là 50 km mà không phải ở khoảng cách 300 km (phần hình dưới). Về cơ bản, nếu mục tiêu nằm ở khoảng cách ngoài rmax, nó sẽ xuất hiện (hiển thị) ở khoảng cách sai lệch hẳn so với thực tế. Nếu rmax = 250 km, bất kì mục tiêu nào nằm ở khoảng cách từ 0 km đến 250 km sẽ xuất hiện ở khoảng cách chính xác. Các khoảng cách từ 250 km đến 500 km nằm trên chặng phản hồi thứ 2. Một mục tiêu ở 550 km được radar ghi nhận sẽ vẫn được hiển thị ở 50 km (nằm trên chặng phản hồi thứ 3). Một cách tổng quát, giữa khoảng cách thực rt và khoảng cách quan trắc rdo có mối liên hệ sau: rt r do kr max , (1.46) trong đó k = 0, 1, 2 , tuỳ theo đối tượng nằm trong chặng phản hồi thứ nhất, thứ hai, thứ ba, tương ứng. Hình 1.18. Radar nhận được tín hiệu phản hồi từ xung thứ nhất nhưng hiển thị mục tiêu như thể tín hiệu đó phản hồi từ xung thứ 2 Ví dụ: Với trường hợp rmax= 150 km (khoảng cách tối đa thường gặp ở các radar Doppler) và 3 mục tiêu nằm ở những khoảng cách là 30 km, 180 km và 330 km. Kết quả là sẽ có 3 giá trị số liệu riêng biệt đều ở khoảng cách 30 km. Đây là điều không tránh khỏi và radar DWSR 2500C đã cố gắng khắc phục hiện tượng này một cách tự động, nhưng không loại trừ được hoàn toàn mà vẫn có trường hợp bị bỏ sót. Bằng mắt thường, theo dõi tính liên tục theo không gian hoặc thời gian của các đám phản hồi của một mục tiêu, ta cũng có thể phát hiện ra hiện tượng này. Chẳng hạn, một mục tiêu đang hiển thị ở khoảng cách lớn và đang di chuyển ra xa, nhưng sau đó không lâu lại xuất hiện ở khoảng cách nhỏ thì khoảng cách sau là ảo v.v Ngoài ra còn phải kể đến trường hợp mục tiêu nằm ở khoảng cách lớn hơn krmax một chút, cụ thể là từ krmax đến krmax + h (với h là độ dài không gian của một xung)
thì khi tín hiệu phản hồi về tới radar là lúc radar đang phát đi một xung mới, do đó nó không thể nhận được tín hiệu phản hồi. 1.14. Hiệu ứng búp sóng phụ Nhiễu do búp sóng phụ là kết quả của sự phản hồi năng lượng của búp sóng phụ bởi các đối tượng về radar. Năng lượng được phát đi với búp sóng chính lớn hơn gấp 100 lần so với bất kì năng lượng của búp sóng phụ nào. Do vậy bất cứ sự tăng lên nào của năng lượng phản hồi bởi ảnh hưởng của búp sóng phụ đều có thể bỏ qua, ngoại trừ khi quét ở mức góc cao thấp khi tồn tại nghịch nhiệt bề mặt (ảnh hưởng của khúc xạ dị thường). Hiệu ứng búp sóng phụ lớn hơn cả sẽ xảy ra trong trường hợp tồn tại mây do đối lưu mạnh ở vùng gần radar. Nếu gradient của độ PHVT là đủ lớn, một tình huống có thể xảy ra là búp sóng chính hướng vào vùng thời tiết tốt trong khi đó búp sóng phụ lại hướng vào nơi có ổ mây đối lưu mạnh (hình 1.19). Trong trường hợp này một ảnh với độ phản hồi nhỏ sẽ được hiển thị theo góc hướng tương ứng với búp sóng chính. Trên sản phẩm PHVT, ảnh hưởng của búp sóng phụ thường xuất hiện như một hiện tượng can nhiễu với độ PHVT yếu đối với những tia quét ở các mức góc cao nhỏ. Hiệu ứng búp sóng phụ thường xảy ra từ các búp sóng phụ lệch hướng không quá 5 đến 10o góc so với búp sóng chính. Hiệu ứng búp sóng phụ yêu cầu gradient của độ PHVT theo góc phương vị và theo phương bán kính phải đủ lớn để búp sóng phụ “đủ sức” vươn tới vùng có độ phản hồi lớn. Hình 1.19. Để giải thích ảnh hưởng của búp sóng phụ Nói chung, nếu gradient phản hồi vượt quá 10 dBz độ-1 và duy trì quá 6o góc hướng trên khoảng cách không đổi, hiệu ứng búp sóng phụ có thể đủ lớn để gây nhiễu cho tín hiệu thu của radar, có thể thấy rõ trên các hiển thị PPI và RHI.
Các vật trên mặt đất như nhà cửa, cây cối ở gần radar cũng thường bị các búp sóng phụ chiếu vào, gây ra các tín hiệu phản hồi nhiễu. Nếu các vật này không di động thì hình ảnh nhiễu không thay đổi trong các lần quan trắc khác nhau, do vậy có thể tìm được cách loại bỏ nó. 1.15. Khúc xạ tia quét của radar và hiện tượng lớp dẫn sóng Radar tính độ cao của các mục tiêu dựa vào khoảng cách từ radar tới mục tiêu và góc cao của đường trung tâm tia quét của radar trong điều kiện khí quyển trung bình (điều kiện khúc xạ chuẩn). Nếu điều kiện khúc xạ trong khí quyển có sự sai lệch so với điều kiện chuẩn, các tia quét sẽ lệch so với quĩ đạo chuẩn. Nói một cách khác, nó bị khúc xạ hay bị uốn cong mạnh hơn hoặc yếu hơn mức trung bình. Hình 1.20 biểu diễn của một số đường truyền tia bức xạ trong các điều kiện truyền sóng khác nhau. 1.15.1. Khúc xạ yếu (Sub – refraction) Khi radar phát đi sóng điện từ, búp sóng sẽ bị khúc xạ (hay uốn cong) một chút trong khí quyển. Nếu nó bị khúc xạ ít hơn bình thường thì hiện tượng được gọi là khúc xạ yếu hay khúc xạ dưới chuẩn. Trong trường hợp này tia sóng sẽ cao hơn so với tia sóng truyền trong điều kiện chuẩn và độ cao của các mục tiêu mà radar tính được sẽ thấp hơn độ cao thực của chúng vì một cách mặc định, radar luôn coi khí quyển là chuẩn và tính độ cao của các mục tiêu trong điều kiện như vậy. Trong điều kiện khúc xạ yếu, đỉnh của mục tiêu có thể “nằm dưới tầm ngắm”, do đó nó không bị radar phát hiện. Như vậy, ngoài việc đánh giá thấp độ cao đỉnh vùng PHVT, hiện tượng khúc xạ yếu còn có xu hướng làm giảm nhiễu phản hồi từ địa hình bề mặt khi góc quét thấp vì một số địa hình nhô cao vẫn nằm dưới tia quét. Hình 1.20. Minh hoạ đường truyền của tia sóng trong các điều kiện khác nhau của khí quyển
Khúc xạ yếu xảy ra khi gradient nhiệt độ khí quyển gần với đoạn nhiệt khô và khi độ ẩm tăng lên cùng với sự tăng độ cao. 1.15.2. Siêu khúc xạ (super-refraction) Trong tình huống ngược lại, hiện tượng được gọi là siêu khúc xạ hay khúc xạ mạnh xảy ra khi tia sóng của radar bị khúc xạ nhiều hơn so với trong điều kiện khí quyển chuẩn. Độ cao của tia sóng sẽ thấp hơn so với độ cao của nó trong điều kiện trung bình và khi đó độ cao tính toán được của mục tiêu sẽ có giá trị cao hơn thực tế. Các điều kiện như nghịch nhiệt trong lớp sát đất hoặc ở trên cao, bức xạ bề mặt, phân kì trong dông ở gần bề mặt, vận chuyển không khí lạnh sau đường front v.v đều có thể gây nên hiện tượng siêu khúc xạ. Ngoài việc làm cho độ cao tính được của mục tiêu lớn hơn thực tế, siêu khúc xạ còn làm tăng PHVT bề mặt (nhiễu địa hình) ở các mức góc quét thấp nhất. Nói chung tất cả các tia bức xạ của radar (sóng điện từ) đều bị khúc xạ về hướng không khí lạnh hơn và ẩm hơn. 1.15.3. Hiện tượng lớp dẫn sóng Hiện tượng này là kết hợp đặc biệt của nhiều lần khúc xạ mạnh (siêu khúc xạ) và búp sóng radar bị giới hạn, chỉ khúc xạ và truyền trong một lớp ổn định hay nghịch nhiệt. Lớp này được gọi là lớp dẫn sóng. Khi lớp có chiều dài lớn hơn nhiều so với hai kích thước còn lại thì nó được gọi là ống dẫn sóng. Nó làm cho búp sóng bị uốn cong nhiều hơn bình thường nhưng tia sóng rất hiếm khi xuống đến bề mặt đất và một phần năng lượng bị mất đi do suy yếu. Trong thực tế, đây là hiện tượng đặc biệt của siêu khúc xạ. Trong trường hợp này có thể xác định được mục tiêu nằm khá xa ngoài rmax và đặc biệt nghiêm trọng khi hoạt động ở chế độ Doppler (khi đo gió) vì khi đó rmax thường nhỏ, dẫn đến nhiều mục tiêu sẽ hiển thị ở khoảng cách ảo. 1.16. Phương trình quĩ đạo sóng Một số lưu ý: 1 m = 3,28 feet (ft), 1 feet = 30,48 cm = 12 inches, 1 nm = 1 nautical mile (hải lí) = 1852 m = 6080 ft, 1 nm/h = 1 knot 0,5 m/s. Biểu đồ độ cao và khoảng cách h-r được trình bày trên hình 1.21 dựa trên mô hình 4/3 bán kính Trái Đất (quỹ đạo sóng cong về phía mặt đất với bán kính cong bằng 4/3 bán kính Trái Đất) và là phép gần đúng bậc nhất của độ cao đường trục chính búp sóng radar. Phương trình dưới đây là phương trình quĩ đạo sóng được sử dụng để xác định độ cao (h) của đường cong đường trục chính của búp sóng khi có sự khúc xạ chuẩn trong khí quyển:
x2 cos 2  , (1.47) z x sin  6076115 , 9168, 66 trong đó: z là độ cao của đường trục chính của búp sóng ở tầm xa x so với mức đặt anten radar (ARL- above radar level), tính bằng feet (ft), x – tầm xa, tính theo đơn vị nm (hải lí),  - góc cao (góc nâng) của anten. Từ phương trình trên ta thấy rằng z là một hàm bậc hai của x, như vậy, nếu  > 0 thì càng ra xa radar, độ cao của búp sóng càng lớn. Nếu giả thiết radar được đặt ở mức ngang bằng mực nước biển, khi đó các độ cao tính toán sẽ là độ cao trên mực nước biển. Ví dụ: một mục tiêu ở độ xa nghiêng r = 55 nm và góc cao của anten hoặc của búp sóng chiếu vào nó  = 0,50, khi đó độ cao của mục tiêu sẽ là z 4921 feet trên mực nước biển (cũng là độ cao trên mực radar trong trường hợp này). Tuy nhiên đối với các radar đặt ở các vị trí độ cao không ngang bằng với mực nước biển thì độ cao của anten trên mực nước biển sẽ được cộng thêm vào độ cao của búp sóng radar để chuyển đổi độ cao so với radar về độ cao so với mực nước biển.
Hình 1.21. Các đường biến đổi độ cao của tia sóng theo góc cao và tầm xa Ví dụ: cũng với ví dụ trước nhưng anten radar được đặt ở độ cao 2079 feet trên mực nước biển. Kết quả, ta nhận được độ cao của mục tiêu là 4921 + 2079 = 7000 feet. Nếu mục tiêu ở độ cao thực là 4921 feet trên mực biển thì nó sẽ không được phát hiện vì búp sóng radar phát như trên sẽ vượt cao hơn mục tiêu. Nên nhớ rằng radar DWSR -2500C giả thiết rằng sóng điện từ luôn luôn được truyền trong khí quyển chuẩn. Điều này có nghĩa là người sử dụng dữ liệu radar phải luôn luôn quan tâm đến sự biến đổi của điều kiện môi trường, chẳng hạn như:
- Khi đi qua mặt front tia sóng có thể bị lệch đi đáng kể so với hướng mà nó hiển thị trên màn hình. - Vào những giờ đêm khuya hay sáng sớm người ta thường nhận thấy có sự tăng lên đáng kể về số lượng, cường độ và vùng bao phủ của nhiễu bề mặt đất vì tia sóng bị uốn cong xuống hơn mức bình thường (siêu khúc xạ), kết quả của nghịch nhiệt bề mặt. Ban ngày, khi mặt trời đốt nóng khí quyển lớp biên, tia sóng sẽ khúc xạ ít hơn so với bình thường (khúc xạ dưới chuẩn- sub-refraction) vùng bao phủ của nhiễu bề mặt sẽ giảm. 1.17. Sai số khoảng cách và độ phân giải về khoảng cách Khi búp sóng radar quét, khoảng 250 xung được truyền đi mỗi giây trong một không gian nhất định nhờ đĩa phản xạ của anten. Mỗi xung riêng biệt xác định một thể tích xung và có độ dài khoảng 600m với độ rộng búp sóng 1o. Điều này có nghĩa là 2 mục tiêu nằm trên cùng một tia quét phải cách nhau ít nhất là 300m để radar có thể phân biệt được như 2 mục tiêu riêng biệt. Hình 1.22. Để giải thích ý nghĩa của độ phân giải khoảng cách Hình 1.22 giúp chúng ta hiểu rõ hơn tại sao 2 mục tiêu phải cách nhau ít nhất là 1/2 độ dài xung (300 m) dọc theo hướng tia quét. Bước 1 cho thấy xung mang năng lượng radar chỉ vừa tới mục tiêu A. Bước 2 xung đi qua mục tiêu A và một phần năng lượng “a” phản hồi ngược lại phía radar. Bước 3 xung vừa tới mục tiêu B và năng lượng phản hồi lớn hơn tiếp tục phản hồi lại từ mục tiêu A. Bước 4 cho thấy xung đi qua B và một phần năng lượng “b” sẽ phản hồi ngược lại từ B. Năng lượng phản hồi “a” từ mục tiêu A tiếp tục phản hồi về phía radar (bước 5). Xung năng lượng phản hồi “b” từ mục tiêu B có chiều dài bằng 1/2 chiều dài xung phát. Khi đó
điểm đầu tiên của “b” gần trùng với đầu nút sau của “a”. Nếu các mục tiêu cách nhau không quá 1/2 độ dài xung, năng lượng phản hồi sẽ chồng lên nhau và radar không thể phân biệt được 2 mục tiêu và nó kết hợp chúng lại thành 1 mục tiêu phản hồi. Sai số về vùng che phủ hoặc phân định mục tiêu do độ phân giải về khoảng cách không lớn và có thể trở nên đáng kể hơn khi vùng mưa nhỏ, các ổ đối lưu rất gần nhau. 1.18. Sai số về góc hướng và độ phân giải theo góc hướng Để hiểu được khái niệm về sai số về góc hướng (cùng đề cập tới như sai lệch do độ rộng búp sóng) cần phải hiểu về định nghĩa độ rộng búp sóng radar. Độ rộng búp sóng radar, trong hầu hết các trường hợp, là vùng không gian mà bất kì mục tiêu khí tượng nào gặp tia quét trong vùng này sẽ phản hồi trở lại một phần năng lượng nhất định để có thể được radar phát hiện. Radar sẽ thể hiện như thế nào khi nó quét qua mục tiêu trong góc hướng đó (hình 1.23)? ở hình 1.23a tia quét của radar với độ rộng búp sóng  = 20 gặp một mục tiêu điểm ở sườn trước của búp sóng với 1/2 công suất đỉnh và năng lượng được phản hồi trở lại radar. Radar nhận biết như là phản hồi từ mục tiêu ở chính đường trục của búp sóng và hiển thị mục tiêu ngay tại đó (phần hình phía dưới). Vì vậy hiển thị của phản hồi từ mục tiêu được thể hiện cách vị trí thực tế của nó một khoảng bằng 1/2 độ rộng tia quét. Đó chính là nguyên nhân gây sai số về góc hướng. Sai số góc hướng (góc phương vị) sẽ xảy ra khi mục tiêu được hiển thị trên đường trục của tia quét mặc dù mục tiêu không nằm trên đường trục đó. ở hình 1.23b đường trục của tia quét cắt ngang mục tiêu khi đó không có sai số về góc hướng. Nhưng do anten của radar quét liên tục (theo chiều ngược kim đồng hồ) cho nên trên màn hình PPI, do hiện tượng lưu ảnh (ảnh trước chưa bị xoá thì ảnh sau đã hiện lên), mục tiêu sẽ hiển thị như một cung tròn nhỏ có số đo là 10 (phần hình phía dưới). Hình 1.23c sườn trước của tia quét radar tiếp tục chùm lên mục tiêu. Radar nhận được phản hồi và hiển thị nó mặc dù nó đã bắt đầu hiển thị như từ một mục tiêu nằm trên đường trục của tia quét. Hiển thị của phản hồi kết thúc khi tia quét đã quét qua mục tiêu. Vì vậy giới hạn của phản hồi kết thúc ở 1/2 độ rộng tia quét so với vị trí thực của mục tiêu. Trên màn hình PPI, do hiện tượng lưu ảnh, mục tiêu sẽ hiển thị như một cung tròn nhỏ có số đo là 20 (phần hình phía dưới).
Hình 1.23. Để giải thích sai số về góc hướng (radar quét theo chiều ngược kim đồng hồ) Hình 1.24 cho thấy sai số góc hướng là kết quả làm tăng độ rộng của mục tiêu lên 1/2 độ rộng tia quét về cả 2 phía. Vì vậy hiển thị mục tiêu lớn hơn so với thực tế tổng cộng bằng độ rộng một tia quét. Sai số góc hướng là yếu tố rất quan trọng dẫn đến ước lượng vùng mưa rộng hơn so với thực tế. Do độ rộng tia quét tăng dần khi tăng khoảng cách so với vị trí đặt radar, sai số góc hướng tăng theo khoảng cách. Hình 1.24. Để giải thích ý nghĩa của độ phân giải theo góc hướng Cần phải lưu ý rằng kích thước của búp sóng tăng cả trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng thẳng đứng. Vì vậy sai số góc hướng theo chiều thẳng đứng sẽ ảnh
hưởng đến kết quả ước lượng độ cao đỉnh vùng PHVT, độ cao chân mây v.v nhưng radar áp dụng hiệu chỉnh 1/2 độ rộng búp sóng đối với các sản phẩm này. Do sai số góc hướng làm cho hiển thị của mục tiêu lớn hơn kích thước thực tế là 1/2 độ rộng tia quét cả về hai phía của đường trục tia quét, hai mục tiêu nằm trên cùng 1 khoảng cách so với vị trí đặt radar sẽ chỉ phân định được như 2 mục tiêu riêng biệt trên màn hiển thị khi khoảng cách giữa chúng tối thiểu phải bằng độ rộng tia quét (Beam Width) tại đó. Vẫn hai mục tiêu như vậy nhưng nếu chúng ở xa radar thì có thể khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn độ rộng của tia quét tại đó và do hiện tượng lưu ảnh, chúng sẽ hiển thị trên màn hình quét tròn PPI như một mục tiêu kéo dài. 1.19. Dải sáng Nhiều mưa rơi xuống mặt đất bắt đầu là đá hoặc tuyết. Trong lúc các hạt mưa chuyển tiếp từ trạng thái băng hoặc tuyết sang nước lỏng, một số thay đổi đáng chú ý đã xảy ra có ảnh hưởng lớn đến độ phản hồi vô tuyến. Có 3 hiệu ứng sau đây ảnh hưởng đến độ phản hồi vô tuyến: - Hiệu ứng do sự tan của băng, tuyết: Như đã nói trước đây, các hạt nước có độ 2 phản hồi lớn hơn các hạt đá hoặc tuyết có cùng đường kính (do K i của nước lớn gấp khoảng 5 lần của băng hoặc tuyết) cho nên, khi rơi xuống dưới mức tan băng trong khí quyển (mức đẳng nhiệt 00C), các hạt băng hoặc tuyết tan ra sẽ làm tăng độ phản hồi vô tuyến Z (xem hình 1.25). Nhớ rằng khi hạt băng hoặc tuyết được bọc một lớp nước bên ngoài, nó sẽ phản hồi mạnh như một hạt nước. - Hiệu ứng do sự thay đổi tốc độ rơi của các hạt: Khi rơi, các hạt thường đạt tới tốc độ giới hạn và sẽ rơi đều với tốc độ này. Tốc độ giới hạn của một vật rơi tự do là tốc độ không đổi xảy ra khi có sự cân bằng giữa lực hấp dẫn kéo nó xuống và lực cản làm chậm sự đi xuống của nó. Tốc độ giới hạn của hạt phụ thuộc vào mật độ và hình dạng của nó cũng như vào mật độ và tính nhớt của khí quyển. Các vật thể hình cầu và trơn tru rơi nhanh hơn các vật thể xù xì (có cùng khối lượng). Các vật thể nặng rơi nhanh hơn các vật thể nhẹ (có cùng kích thước). Các vật thể ở cao trong khí quyển nơi có mật độ nhỏ hơn rơi nhanh hơn so với các vật thể ở gần mặt đất nơi có mật độ khí quyển lớn hơn. Như vậy, có thể thấy là các hạt tuyết rơi chậm hơn các hạt nước cùng kích thước, các hạt nhỏ rơi chậm hơn các hạt lớn. Tốc độ rơi khác nhau dẫn đến sự khác nhau về mật độ hạt N ở các phần của mây hoặc vùng mưa: ở phần dưới, nơi có nhiều hạt rơi nhanh, mật độ hạt sẽ giảm so với phần trên (tương tự như khi qua được đoạn đường ùn tắc, mật độ người tham gia giao thông sẽ giảm) làm cho độ phản hồi vô tuyến giảm (vì Z  N). Khi tốc độ không tăng nữa thì hiệu ứng này cũng hết. - Hiệu ứng do sự hợp nhất của các hạt: Khi rơi, do có tốc độ khác nhau nên các hạt sẽ va chạm với nhau, dẫn đến sự kết hợp giữa chúng. Tuy nhiên, hiệu ứng này dễ xảy ra ở các hạt nước lỏng hơn là ở các hạt tuyết hoặc băng. Sự hợp nhất, tuy
làm giảm mật độ hạt N nhưng làm tăng kích thước hạt, dẫn đến làm tăng độ phản hồi vô tuyến (vì Z  D6 trong khi chỉ  N). Hiệu ứng này sẽ hết khi sự hợp nhất cân bằng với sự vỡ vụn của các hạt mưa. Vậy, với những điều đã nêu, hiện tượng gì sẽ xảy ra khi tuyết rơi và tan, chuyển thành mưa nước hay tổng cộng cả 3 hiệu ứng này sẽ ra sao? Hình 1.25. Sơ đồ minh hoạ về hiệu quả của sự hợp nhất, sự tan của các hạt và thay đổi tốc độ giới hạn đến độ phản hồi radar tạo ra dải sáng. Theo Austin và Bemis, 1950. Bên trên mức tan băng trong khí quyển (tức là bên trên mức đẳng nhiệt 00C), tuyết sẽ rơi với tốc độ giới hạn tương đối chậm. Ngay khi nó đạt đến mức tan băng, nó sẽ bắt đầu tan dần từ ngoài vào trong. Điều này có nghĩa là các cánh của tuyết sẽ tan đầu tiên. Khi sự tan đủ, bông tuyết sẽ được bọc một lớp nước với khả năng phản xạ tốt như giọt nước lỏng trong khi độ lớn vẫn còn vừa phải vì trong lõi vẫn là tuyết xốp và hình dạng có thể chưa có dạng cầu. Như vậy, nó sẽ phản xạ giống như một giọt nước rơi chậm nhưng lớn. Vì vậy, sự thay đổi từ đá sang nước lỏng lúc đầu làm tăng độ phản hồi thêm từ 5 – 15dBz từ tuyết đến vùng phản hồi cực đại (ứng với tâm dải sáng). Khi đã bọc nước, hạt vẫn tiếp tục rơi và tan, kích thước của nó giảm và tốc độ giới hạn của nó tăng lên một chút. Kết quả của tác dụng giảm kích thước là độ phản hồi giảm xuống mạnh. Kết quả của sự tăng tốc độ rơi là làm giảm mật độ hạt N của lớp đi một chút và do đó làm giảm độ phản hồi ở vùng này thêm một chút nữa. Mặc
dù ở đây vẫn có sự hợp nhất làm tăng kích thước hạt, nhưng không bù lại được sự giảm kích thước hạt do tan. Điều này giải thích tại sao xuống dưới vùng phản hồi cực đại, độ phản hồi lại giảm từ 5 đến 10 dBz. Hình 1.26. Profile của độ phản hồi Z và tốc độ rơi trung bình toàn phương v trong mưa nhỏ (1mm/h) với một dải sáng; độ dài của các vạch ngắn nằm ngang biểu thị độ phân tán của giá trị đo (theo Lhermtte và Atlas, 1963) Xuống dưới thấp nữa, khi đã tan hết thành nước lỏng thì hiệu quả hợp nhất sẽ làm cho độ phản hồi lại tăng lên nhưng thường không mạnh bằng ở dải sáng. Trong trường hợp bất kì, độ phản hồi bên dưới dải sáng thường xuyên lớn hơn so với ở trên mức 00C. Hình 1.26 cho ta thấy rõ hơn sự biến đổi theo độ cao của độ phản hồi Z và tốc độ rơi trung bình của các hạt trong mưa. Sự xuất hiện của dải sáng trên màn hình radar phụ thuộc vào loại hiển thị được sử dụng. Tổng hợp cả ba hiệu ứng kể trên dẫn tới độ phản hồi trong mây tăng vọt lên trong lớp dưới mức 00C một chút và có bề dày vài trăm mét. Trên màn hình của radar không số hoá, dải này thường xuyên sáng hơn so với vùng khác, do đó có tên là "dải sáng". Trên mặt cắt thẳng đứng (RHI) dải sáng là một dải ngang; còn trên mặt cắt ngang (PPI) nó là một hình vành khuyên có độ phản hồi lớn. Sự tồn tại dải sáng cho ta biết vị trí mặt đẳng nhiệt 00C, tuy nhiên nó cũng gây ra sai số trong việc ước lượng cường độ mưa.
Dải sáng xuất hiện chủ yếu ở quá trình tạo ra mây dạng tầng có tính chất ổn định. Khi đối lưu mạnh phát triển, cùng một cơ chế vật lí, nhưng sự chuyển từ tuyết sang mưa thường là hỗn độn nên trong nhiều trường hợp không thể phát hiện được dải sáng. Khi phản hồi vô tuyến là một vùng rộng và tương đối đồng nhất, sẽ dễ phát hiện dải sáng hơn nhiều. Tuy nhiên, trong quá trình phân rã của dông, thỉnh thoảng cũng phát hiện được dải sáng; sự có mặt của nó thường xuyên chỉ ra rằng trận mưa (hoặc ít nhất một phần của trận mưa có dải sáng) là đang tan hoặc ngừng hẳn.
Chương 2 phân tích Gió Doppler và một số sản phẩm của radar Doppler 2.1. Giới thiệu chung Các radar khí tượng loại thường (không Doppler, không phân cực) được sử dụng để quan trắc vị trí và hình dạng của vùng phản hồi cũng như đo cường độ của tín hiệu phản hồi. Radar không Doppler (còn được gọi là radar “non-coherent”) không thể cung cấp số liệu về tốc độ gió trong một lần đo. Ngoài việc đo độ PHVT như radar thường, các radar Doppler còn có thể phát hiện sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu (tần số Doppler) hoặc sự biến đổi về độ lệch pha giữa các tín hiệu. Thông tin này cho phép ước lượng tốc độ tương đối của mục tiêu theo hướng xuyên tâm (“tốc độ Doppler”). Với nhiều mục đích khác nhau, biết được tốc độ tương đối của mục tiêu quan trắc so với một điểm cố định ở mặt đất là rất bổ ích. Radar Doppler, còn được gọi là radar Coherent, đo sự khác nhau về tần số sóng điện từ do sự chuyển động của mục tiêu. 2.2. Nguyên lí đo tốc độ gió bằng radar Doppler Năm 1842 khi nghiên cứu sóng âm thanh, nhà bác học người áo có tên là Doppler Kristsal (1803-1853) đã chứng minh được rằng khi máy phát sóng chuyển động tương đối với máy thu thì tần số tín hiệu thu thay đổi. Tần số tín hiệu thu được tăng lên khi máy thu chạy gần vào máy phát, tần số tín hiệu thu sẽ giảm khi chạy ra xa. Đây là một phát hiện rất có giá trị, vì vậy hiện tượng này được mang tên nhà bác học, và gọi là hiệu ứng Doppler. Sau này người ta còn chứng minh được rằng, hiệu ứng Doppler xuất hiện với tất cả các loại sóng (sóng ánh sáng, sóng điện từ). Giả sử một mục tiêu điểm nằm cách radar một quãng là r, quãng đường mà sóng lan truyền sẽ là 2r. Nếu tính bằng số lượng bước sóng thì quãng đường lan 2r truyền sẽ là , và nếu tính “quãng đường” bằng độ lệch pha (radian) giữa tín hiệu λ 2.r 2π thu và tín hiệu phát thì sẽ là (vì một bước sóng tương ứng với 2 radian). λ
Như vậy, nếu máy phát sóng với pha ban đầu là 0 thì pha của tín hiệu thu sẽ là: 2.r 2π   . 0 λ (2.1) Sự thay đổi pha của tín hiệu thu theo thời gian sẽ là: d 4π dr . dt λ dt (2.2) Sự thay đổi này của pha tương ứng với sự thay đổi tần số Δf ft f r giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu (ft và fr tương ứng là tần số phát và thu). d dr 2v 2πΔ f; v; Δ f . dt dt λ (2.3) ở đây v là vận tốc tương đối giữa mục tiêu và radar theo phương bán kính (phương nối từ radar tới mục tiêu). Sự khác biệt về tần số Δf giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu còn được gọi là tần số Doppler mà từ đây ta sẽ kí hiệu là fd. Như vậy 2v f . d λ (2.4) Từ hệ thức này ta thấy mối quan hệ giữa tần số Doppler với tốc độ di chuyển của mục tiêu theo phương bán kính (còn gọi là tốc độ xuyên tâm) là mối quan hệ tỉ lệ thuận. Do đó, nếu đo được tần số Doppler bằng radar ta sẽ xác định được tốc độ xuyên tâm của mục tiêu, sau đó sẽ có phương pháp tìm ra được tốc độ toàn phần của mục tiêu (sẽ xét trong mục 3.8). Những radar cho phép xác định tốc độ xuyên tâm theo cách như vậy gọi là radar Doppler. Qua đây ta thấy, muốn xác định được chính xác tần số Doppler, tần số phát ft của radar phải ổn định. Phương pháp đo gió bằng Radar Doppler có một số hạn chế sau: 1. Nếu không có mục tiêu (mây) thì không thể đo được gió vì không có sóng phản hồi.
2. Nếu khoảng cách giữa mục tiêu và radar không thay đổi thì tốc độ Doppler sẽ bằng không (chẳng hạn như khi mục tiêu di chuyển theo phương vuông góc với phương xuyên tâm). 3. Radar Doppler cũng bị hạn chế bởi khoảng cách đúng cực đại có thể đo được, tức là nếu mục tiêu ở xa hơn khoảng này thì khoảng cách đo được sẽ bị sai lệch (khoảng cách ảo), dẫn đến mô tả sai lệch sự phân bố không gian của gió. 4. Radar Doppler cũng bị hạn chế bởi tốc độ xuyên tâm đúng cực đại có thể đo được, tức là nếu mục tiêu có thành phần vận tốc xuyên tâm lớn hơn giá trị cực đại này thì tốc độ đo được có thể bị sai lệch (hiện tượng tốc độ ảo, sẽ nói thêm sau). Để rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta xem phân tích dưới đây: Do kĩ thuật xác định trực tiếp tần số cao rất khó, người ta phải xác định nó qua độ lệch pha giữa các tín hiệu. Giả sử mục tiêu chuyển động về phía radar với tốc độ sao cho trong thời gian đi và về của xung t , nó di chuyển được quãng đường s = /4, lúc đó độ lệch pha của sóng thu so với trường hợp mục tiêu đứng yên (cũng bằng sự thay đổi của độ lệch pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu giữa hai trường hợp đó) sẽ giảm một lượng bằng . Nếu mục tiêu di chuyển ra xa radar cũng với tốc độ đó thì độ lệch pha sẽ tăng thêm . Điều này có thể chứng minh được từ hệ thức (2.2): d 4π dr 4π 4π 4π 4π  v  v. t s . dt λ dt λ λ λ λ 4 (2.5) Như vậy, ta không phân biệt được 2 trường hợp di chuyển về gần và ra xa radar của mục tiêu này, vì cũng như khi xác định góc phẳng, nếu 2 số đo của chúng hơn kém nhau 2 thì chúng được coi như bằng nhau. Nếu mục tiêu chuyển động nhanh đến mức đi được /2, , 3/2 trong thời gian đi và về của xung thì độ lệch pha sẽ thay đổi một lượng bằng 2k (k là số nguyên) so với khi mục tiêu đứng yên. Với một sự thay đổi như vậy, pha của tín hiệu thu được coi là không đổi (so với trường hợp mục tiêu đứng yên) và tốc độ do radar đo được sẽ bằng không. Thời gian đi và về tối đa của xung mà không gây ra hiện tượng khoảng cách ảo là thời gian nghỉ giữa hai xung liên tiếp ( T  ), do vậy, tốc độ mà radar Doppler đo được một cách chính xác và đơn trị là tốc độ tạo ra độ lệch pha của tín hiệu thu giữa hai trường hợp di chuyển và đứng yên của mục tiêu trong thời gian nghỉ giữa hai xung liên tiếp phải nhỏ hơn ứng với quãng đường di chuyển của mục tiêu nhỏ hơn /4 trong thời gian đó. Tốc độ giới hạn ứng với độ lệch pha bằng gọi là tốc độ Nyquist: s λ/4 λ λF v . max t T  4 T 4 (2.6)
Đây là một hệ thức rất quan trọng. Từ đây thấy rằng nếu muốn đo được tốc độ lớn ta phải tăng tần số lặp F hoặc tăng  hoặc tăng cả 2. Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm vượt quá vmax thì tốc độ đo được có thể bị sai lệch. Từ (2.4) ta còn thấy rằng f .λ v d max . max 2 (2.7) So sánh với (2.6), ta suy ra F f . d max 2 (2.8) Ta biết rằng khoảng cách đúng cực đại được tính bằng hệ thức c T  c.T c r (2.9) max 2 2 2F và muốn tăng rmax thì phải giảm tần số lặp F. Nhân hệ thức này và hệ thức (2.6) vế với vế, ta được: cλ v r . max max 8 (2.10) Từ hệ thức trên ta thấy rằng với một radar có bước sóng không đổi thì muốn quan trắc được xa (phải giảm tần số lặp F), ta chỉ đo được tốc độ nhỏ, nếu muốn đo được tốc độ lớn (phải tăng tần số lặp F) thì độ xa cực đại phải giảm. Đây là tình thế “tiến thoái lưỡng nan” của radar Doppler. Mặc dù vmax lớn cho phép xác định chính xác hơn tốc độ Doppler, nhưng rmax lại nhỏ, dễ dẫn đến hiện tượng khoảng cách ảo.
Hình 2.1. Sự phụ thuộc giữa rmax , vmax và tần số lặp Hình 2.1 cho ta thấy sự phụ thuộc của rmax và vmax vào bước sóng. Từ các công thức trên, ta có thể thấy đối với radar băng S (10 cm), nếu F = 1000 Hz thì rmax=150 km và vmax= 25m / s đối với radar băng C (5 cm), nếu F = 1000 Hz thì rmax=150 km, nhưng vmax= 8m / s . Với tần số lặp F = 1190 Hz và  = 5,33 cm thì rmax = 124,79 km, còn vmax = 15,86 m/s. 2.3. Độ rộng phổ Doppler Khi có nhiều phần tử trong thể tích mẫu (ví dụ các hạt trong một cơn mưa) mỗi phần tử có một tốc độ Doppler (tốc độ xuyên tâm) riêng, do đó nó có thể tạo nên một tần số Doppler riêng. Tín hiệu phản hồi từ một vùng nhỏ trong mây hoặc mưa (vùng phân giải) mà radar thu được sẽ là tổng hợp của nhiều tín hiệu phản hồi từ nhiều phần tử. Radar Doppler thường xử lí tín hiệu phản hồi để nhận được một giá trị tần số hoặc tốc độ Doppler trung bình cho một thể tích mẫu, lấy nó làm tần số hoặc tốc độ Doppler cho cả thể tích mẫu. Cách xác định tần số hoặc tốc độ Doppler của một mẫu phụ thuộc vào thiết kế của bộ xử lí Doppler. Một khi có dữ liệu tần số, cách xử lí đơn giản nhất là chỉ xác định tần số có năng lượng mạnh nhất, coi đó là tần số Doppler.
Một cách xử lí khác thường sử dụng trong các radar hiện nay là tính tần số Doppler trung bình trọng f d , với các trọng số là năng lượng ứng với mỗi tần số, tức là hàm mật độ phổ năng lượng. Nguyên lí của phương pháp này như sau: Mỗi tín hiệu phản hồi bởi một vùng nhỏ trong mây hoặc mưa (vùng phân giải) về tới máy thu ở thời điểm t có thể biểu diễn bằng hệ thức y(t) A(t)e i  (t) , (2.11) trong đó A(t) là biên độ, (t) là pha của tín hiệu. Đây là tín hiệu tổng hợp của nhiều tín hiệu phản hồi từ các phần tử riêng biệt trong vùng phân giải đó. Mỗi tín hiệu tổng hợp này có một công suất thu Pr , tần số thu fr và tần số Doppler fd ( f t - f r ) tương ứng. Do trong mây hoặc mưa có rất nhiều phần tử, ta có thể coi các yếu tố này là các hàm liên tục của đối số. Coi y(t) là một quá trình ngẫu nhiên dừng, ta có thể tìm được hàm mật độ phổ biên độ Y(fd). i2 fd t Y(fd ) y(t)e dt . (2.12) Hàm mật độ phổ năng lượng tương ứng là 2 S'(fd ) Y(f d ) . (2.13) Hàm này được coi là có phân bố chuẩn và cũng có thể thu được từ hàm tự tương quan như sau: 4 T/ 2 R( ) lim . y(t)y * (t  )dt , T T T/ 2 (2.14) trong đó  là khoảng thời gian tự tương quan và y*(t) là hàm liên hợp phức của y(t). Khi đó S’(f) là biến đổi Fourier của R() : i2 fd  S'(fd ) R(  )e d  . (2.15)
Công suất tín hiệu thu trung bình được tính theo hệ thức Pr S'(f )df . d d (2.16) Công suất này cho phép radar Doppler có thể đo được cả độ phản hồi vô tuyến Z giống như radar thường. Tần số Doppler trung bình được tính theo hệ thức S'(fd ) fd f . df f .S(f )df , d d d d d P r (2.17) trong đó S'(fd ) S(fd ) , P r (2.18) là hàm mật độ phổ năng lượng chuẩn hoá. Còn phương sai của tần số Doppler là 2 2 2 2 f f d fd S(fd )df d f d f d . (2.19) Độ lệch chuẩn f (căn bậc 2 của biểu thức trên) có thể được coi là số đo của độ rộng phổ (SW - Spectrum Width) của tần số Doppler. Hình 2.2 biểu diễn dạng giả định (dạng lí thuyết) của hàm mật độ phổ năng lượng chuẩn hoá của tần số Doppler S(fd) và độ lệch chuẩn f.
Hình 2.2. Hàm mật độ phổ năng lượng chuẩn hoá của tần số Doppler S(fd) và độ lệch chuẩn f Hàm mật độ phổ năng lượng chuẩn hoá của tốc độ xuyên tâm S(v) là ảnh của hàm mật độ phổ năng lượng chuẩn hoá của tần số Doppler S(fd) và ta có thể viết S(fd )df d S(v)dv . (2.20) Các phương trình với fd nêu trên đều có thể chuyển đổi sang v. Ta có các hệ thức giữa các tham số này như sau:  v f , 2 d (2.21) df 2 )v(S d S(f ) S(f ) , dv d d (2.22) 2 2  2 . v4 f (2.23) Độ lệch chuẩn của tốc độ v (thể hiện sự phân tán của các giá trị tốc độ riêng so với giá trị tốc độ trung bình của mẫu) cho ta thông tin về mức độ rối (loạn lưu) trong vùng có mục tiêu khí tượng. Nó còn được gọi là độ rộng phổ của tốc độ Doppler.
Độ rộng phổ tốc độ hoặc tần số Doppler cũng có thể được hiển thị trên màn chỉ thị quét tròn hoặc quét đứng. Sự biến động của tốc độ Doppler không phải chỉ do mục tiêu mà có thể do nhiều nguyên nhân gây ra, như độ đứt gió trong mẫu, chuyển động của anten, tốc độ rơi khác nhau của các hạt mưa và loạn lưu. Do vậy ta có thể viết: 2 2 2 2 2 v  s  a  d  t , (2.24) trong đó v - độ lệch chuẩn của tốc độ do tất cả các nguyên nhân gây ra, s - độ lệch chuẩn do độ đứt (sự biến đổi theo không gian) của gió trong mẫu, a - độ lệch chuẩn do chuyển động của anten, d - độ lệch chuẩn do tốc độ rơi khác nhau của các hạt mưa, t – độ lệch chuẩn do loạn lưu gây nên. d chỉ có ảnh hưởng rõ rệt khi góc cao của anten lớn (vùng mưa ở gần radar). 2 Đối với f ta cũng có thể viết hệ thức tương tự. Độ đứt của gió là sự biến đổi vận tốc gió về tốc độ và hướng, trên một khoảng cách nhất định (khoảng cách thường lấy bằng đơn vị) xét theo một hướng nào đó. Đối với radar nó có ý nghĩa là sự khác nhau về tốc độ gió giữa hai điểm trong một thể tích mẫu. Nó có thể xảy ra theo cả 3 hướng, chẳng hạn như theo hướng thẳng đứng, hướng bán kính và hướng phương vị (vuông góc với 2 hướng trên). Khác với một hiển thị phản hồi vô tuyến đơn thuần, để hiểu sản phẩm độ rộng phổ (SW) không hoàn toàn đơn giản. Về hình thức, các ảnh hiển thị SW trông tương tự như các ảnh hiển thị gió Doppler của cùng một mục tiêu, chỉ khác ở một số chi tiết. SW cung cấp thông tin, từ đó có thể đưa ra kết luận (không phải là quan hệ trực tiếp) về các hiện tượng khác nhau trong môi trường khí quyển như loạn lưu, đối lưu, độ đứt của gió Ta có thể kết luận rằng loạn lưu mạnh hoặc độ đứt gió lớn trong vùng có độ rộng phổ lớn. Sự thay đổi này có thể được xác định bằng sản phẩm VAD (sẽ nói rõ hơn ở mục 2.11.6), mặc dù chỉ xác định được ở độ cao từ 1000 feet (300 m) trở lên. Sản phẩm SW có thể chính xác hoá các dự báo loạn lưu. Sự phát triển đối lưu thường thấy trên sản phẩm SW trước khi thấy những dấu hiệu đặc biệt trên sản phẩm PHVT. Khi ta xem xét, PHVT có cường độ yếu dưới 15 dBz là không có ý nghĩa, nhưng nếu SW có giá trị cao, ở gần vùng SW lớn là thể hiện của chuyển động trong mây đối lưu. Vì sản phẩm SW không có trong tất cả các trường hợp (một số radar không cho hiển thị sản phẩm này), nên cần phân tích các quan trắc thám không vô tuyến (cao không) và các sản phẩm khác trước khi đưa ra bản tin dự báo. 2.4. Tốc độ ảo 2.4.1. Ví dụ về tốc độ ảo