Radar là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa radar

Radar (Radio Detection and Ranging) là một hệ thống cảm biến sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện và xác định khoảng cách, vận tốc, phương hướng và đặc điểm của các vật thể từ xa. Hệ thống radar hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng: một chùm sóng điện từ được phát ra, gặp vật thể sẽ phản xạ trở lại và được thiết bị thu nhận phân tích.

Thông tin thu được từ tín hiệu phản hồi cho phép hệ thống xác định vị trí ba chiều của mục tiêu, tốc độ di chuyển, và trong nhiều trường hợp là cả kích thước, hình dạng hoặc vật liệu cấu tạo. Radar đặc biệt hiệu quả trong điều kiện thời tiết xấu hoặc ban đêm, khi thị giác con người và thiết bị quang học kém hiệu quả. Nó có khả năng hoạt động độc lập với ánh sáng môi trường và xuyên qua các lớp sương mù, mưa hoặc bụi.

Các ứng dụng radar xuất hiện phổ biến trong hàng không dân dụng và quân sự, dẫn đường hàng hải, cảnh báo thiên tai, thăm dò lòng đất, thăm dò hành tinh và quan sát vũ trụ. Khả năng định vị và phát hiện từ xa chính xác đã giúp radar trở thành công nghệ cốt lõi trong nhiều hệ thống kỹ thuật và khoa học hiện đại. Để hiểu rõ hơn về nền tảng công nghệ radar, có thể tham khảo tài liệu tổng quan tại Encyclopaedia Britannica - Radar.

Lịch sử phát triển

Ý tưởng về việc sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện vật thể được đề xuất từ đầu thế kỷ 20. Vào những năm 1930, nhiều quốc gia như Anh, Mỹ, Đức, và Liên Xô đã phát triển độc lập các hệ thống radar sơ khai để phục vụ mục đích quốc phòng. Năm 1935, Sir Robert Watson-Watt trình diễn thành công radar thực nghiệm cho Bộ Không quân Anh, mở đường cho sự ra đời của mạng lưới radar phòng không vào đầu Thế chiến II.

Trong giai đoạn chiến tranh, radar trở thành công nghệ chiến lược trong phát hiện máy bay, tàu chiến, tàu ngầm, và kiểm soát hỏa lực. Radar biển và radar trên không giúp các lực lượng quân sự có lợi thế đáng kể về nhận thức tình huống. Sau chiến tranh, công nghệ radar được chuyển giao dần sang dân sự, bao gồm điều hành không lưu, khí tượng học và viễn thám.

Những mốc công nghệ quan trọng bao gồm sự ra đời của radar Doppler trong thập niên 1950, radar mạng pha vào thập niên 1970, và radar khẩu độ tổng hợp (SAR) vào cuối thế kỷ 20. Mỗi giai đoạn phát triển đi kèm với việc tăng độ chính xác, phạm vi phát hiện và khả năng chống nhiễu của radar, tạo tiền đề cho hàng loạt ứng dụng hiện đại trong thế kỷ 21.

• 1935: Radar thực nghiệm đầu tiên của Anh.
• 1940–1945: Ứng dụng rộng rãi trong Thế chiến II.
• 1950: Radar Doppler được áp dụng vào khí tượng.
• 1970: Radar mạng pha điện tử được triển khai trong quân đội.
• Hiện nay: Radar tích hợp AI và xử lý tín hiệu số tốc độ cao.

Nguyên lý hoạt động

Radar hoạt động bằng cách phát ra sóng điện từ, thường ở dải vi ba, từ một ăng-ten định hướng. Khi sóng chạm vào vật thể (mục tiêu), một phần năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại và được hệ thống thu nhận. Thông tin về thời gian truyền và nhận lại tín hiệu giúp xác định khoảng cách đến mục tiêu theo công thức:

$R = \frac{c \cdot t}{2}$, trong đó $R$ là khoảng cách đến mục tiêu, $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không (xấp xỉ $3 \times 10^8$ m/s), và $t$ là thời gian trễ giữa phát và thu tín hiệu.

Radar còn có thể xác định vận tốc của mục tiêu thông qua hiệu ứng Doppler – sự thay đổi tần số của sóng phản xạ nếu mục tiêu đang di chuyển. Độ lệch tần số được tính theo công thức:

$\Delta f = \frac{2v}{\lambda}$, trong đó $\Delta f$ là độ lệch tần số, $v$ là vận tốc mục tiêu dọc theo hướng truyền sóng, và $\lambda$ là bước sóng của sóng radar.

Hiệu ứng Doppler giúp radar phân biệt giữa các mục tiêu đứng yên và đang chuyển động, hoặc xác định mục tiêu có ý định tiếp cận hay rời xa. Đây là nguyên lý nền tảng trong các hệ thống radar thời tiết, radar kiểm soát không lưu và radar quân sự.

Thông số	Ý nghĩa
$R = \frac{c \cdot t}{2}$	Tính khoảng cách từ thời gian phản xạ
$\Delta f = \frac{2v}{\lambda}$	Tính vận tốc từ hiệu ứng Doppler

Tham khảo chi tiết nguyên lý tại: RadarTutorial.eu.

Các thành phần chính của hệ thống radar

Một hệ thống radar điển hình gồm nhiều bộ phận hoạt động phối hợp để đảm bảo phát hiện và xử lý tín hiệu chính xác. Các thành phần này có thể được tích hợp trong một thiết bị nhỏ gọn hoặc phân bố trong một hệ thống lớn như radar mặt đất, radar tàu chiến, hay radar trên máy bay chiến đấu.

Các thành phần cơ bản bao gồm:

• Máy phát (Transmitter): tạo ra tín hiệu vô tuyến công suất cao, thường bằng magnetron, klystron hoặc transistor công suất.
• Ăng-ten: định hướng tín hiệu phát đi và thu nhận sóng phản xạ. Một số hệ thống sử dụng ăng-ten mạng pha có thể điều khiển chùm sóng điện tử mà không cần di chuyển cơ khí.
• Bộ thu (Receiver): khuếch đại và lọc tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, loại bỏ nhiễu nền và tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).
• Bộ xử lý tín hiệu: phân tích tín hiệu thu được bằng kỹ thuật số hoặc tương tự, chuyển thành dữ liệu đầu ra định vị, đo tốc độ, hoặc hiển thị hình ảnh radar.

Ngoài ra, các hệ thống radar hiện đại thường có bộ đồng bộ thời gian, hệ thống làm mát, giao diện hiển thị số hóa và phần mềm điều khiển tích hợp. Tùy vào mục đích, radar có thể kết nối với cảm biến khác như lidar, GPS, hoặc camera nhiệt để tăng độ chính xác trong phân tích môi trường hoặc nhận dạng mục tiêu.

Phân loại radar

Radar có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như chế độ hoạt động, chức năng, tần số sóng sử dụng và cấu trúc hệ thống. Việc phân loại này giúp xác định rõ đặc tính, hiệu suất và ứng dụng phù hợp của từng loại radar trong thực tiễn.

Theo chế độ hoạt động, radar chia thành hai nhóm chính:

• Radar xung (Pulse Radar): Phát tín hiệu trong các khoảng thời gian ngắn, thu tín hiệu phản hồi giữa các xung. Thường dùng trong giám sát không lưu, quân sự, định vị tầm xa.
• Radar sóng liên tục (Continuous Wave Radar – CW): Phát liên tục sóng vô tuyến, thường kết hợp với điều biến tần số để phân biệt tín hiệu phản xạ. Radar CW có độ chính xác cao khi đo vận tốc, nhưng không thể xác định chính xác khoảng cách nếu không được điều biến.

Theo chức năng, radar chia thành:

• Radar tìm kiếm (Search Radar): Quét một khu vực rộng để phát hiện mục tiêu mới.
• Radar theo dõi (Tracking Radar): Duy trì thông tin vị trí chính xác của một mục tiêu đã phát hiện.
• Radar điều hướng (Navigation Radar): Hỗ trợ tàu biển, máy bay xác định vị trí, hướng đi và tránh vật cản.

Theo băng tần hoạt động, radar có thể hoạt động trong nhiều dải tần số khác nhau như:

Băng tần	Tần số	Ứng dụng
L-band	1–2 GHz	Giám sát không lưu, radar cảnh báo sớm
S-band	2–4 GHz	Radar thời tiết, radar hải quân
X-band	8–12 GHz	Radar hàng hải, radar quân sự dẫn bắn
Ka-band	26–40 GHz	Radar hình ảnh, radar xe tự lái

Chi tiết phân loại radar và các dải tần số có thể tham khảo tại NI – Radar Overview.

Radar Doppler

Radar Doppler là một loại radar đặc biệt sử dụng hiệu ứng Doppler để đo vận tốc tương đối giữa radar và mục tiêu. Khi mục tiêu di chuyển, tần số sóng phản xạ sẽ thay đổi – cao hơn nếu vật thể tiến lại gần và thấp hơn nếu vật thể lùi xa. Độ lệch tần số này giúp radar Doppler xác định tốc độ mà không cần quan sát vị trí theo thời gian.

Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng cần phân biệt mục tiêu chuyển động và tĩnh. Trong khí tượng, radar Doppler giúp phát hiện gió xoáy, lốc xoáy và dòng đối lưu. Trong giao thông, nó được dùng để đo tốc độ phương tiện. Trong quân sự, radar Doppler giúp lọc bỏ nhiễu nền do địa hình hoặc vật thể đứng yên.

Radar Doppler còn là nền tảng cho radar đa mục tiêu (MTI – Moving Target Indicator), giúp phát hiện các đối tượng chuyển động giữa môi trường có nhiều phản xạ nền. Một ứng dụng khác là trong radar thời tiết Doppler đôi (dual-polarization Doppler radar), cho phép xác định dạng hạt mưa và hướng gió.

Ứng dụng trong quân sự và hàng không

Trong quân sự, radar giữ vai trò cốt lõi trong phòng không, cảnh báo sớm, điều khiển hỏa lực và theo dõi mục tiêu. Các hệ thống radar mạng pha chủ động (AESA – Active Electronically Scanned Array) hiện đại có khả năng thay đổi hướng chùm sóng cực nhanh mà không cần cơ khí, cho phép theo dõi hàng trăm mục tiêu đồng thời và kháng nhiễu mạnh.

Radar trinh sát mặt đất, radar dẫn bắn tên lửa, radar phát hiện mục tiêu tàng hình đều là các biến thể được phát triển để phục vụ cho chiến lược tác chiến hiện đại. Các máy bay chiến đấu thế hệ mới như F-35 và J-20 đều sử dụng radar AESA tích hợp với hệ thống tác chiến điện tử và AI để nâng cao nhận thức tình huống.

Trong hàng không dân dụng, radar đóng vai trò quan trọng trong điều hành không lưu (ATC – Air Traffic Control), hỗ trợ kiểm soát hành lang bay, ngăn ngừa va chạm và quản lý luồng bay. Radar mặt đất (surface movement radar) hỗ trợ giám sát máy bay và phương tiện trên đường lăn. Các hệ thống radar thời tiết trên máy bay giúp phi công tránh vùng mưa lớn, dông sét và nhiễu loạn không khí.

Ứng dụng trong dân sự và khoa học

Radar được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân sự và khoa học do khả năng đo đạc từ xa và không bị giới hạn bởi ánh sáng hay thời tiết. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

• Radar giao thông: phát hiện phương tiện vi phạm tốc độ, điều khiển đèn tín hiệu giao thông thông minh.
• Radar hàng hải: xác định vị trí tàu thuyền, tránh va chạm và hỗ trợ định vị tại cảng.
• Radar trong khảo cổ và địa chất (Ground Penetrating Radar – GPR): khảo sát lớp đất, xác định di tích hoặc cấu trúc ngầm.
• Radar vệ tinh: đo địa hình, mực nước biển, độ dày băng, biến dạng mặt đất.

Một ví dụ tiêu biểu là radar khẩu độ tổng hợp (SAR – Synthetic Aperture Radar), sử dụng chuyển động của vệ tinh để tạo ảnh radar độ phân giải cao, ứng dụng trong giám sát môi trường, phòng chống thiên tai và an ninh quốc phòng. Tham khảo: ESA Sentinel-1 SAR.

Xu hướng và công nghệ radar hiện đại

Các xu hướng công nghệ radar hiện đại tập trung vào việc tăng độ phân giải, giảm kích thước, tăng tính linh hoạt và tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong xử lý tín hiệu. Radar hình ảnh hóa 3D, radar mmWave và radar siêu phân giải đang mở ra các ứng dụng mới trong xe tự hành, thiết bị đeo thông minh và hệ thống an ninh chủ động.

Radar mmWave (30–300 GHz) cung cấp hình ảnh chi tiết với kích thước phần cứng nhỏ gọn, phù hợp cho xe hơi, robot, và điện thoại thông minh. Radar kết hợp AI có thể phân tích chuyển động của con người trong nhà thông minh, hỗ trợ người già và tự động hóa sinh hoạt.

Trong quân sự và hàng không, các hệ thống radar điện tử số toàn phần (Digital Beamforming Radar) và radar quang điện tích hợp (Photonic Radar) đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất, chống nhiễu và hoạt động trong môi trường điện từ phức tạp. Tài liệu chuyên sâu có thể xem tại IEEE – Future Trends in Radar.