Radar thời kỳ đầu

RADAR, thuật ngữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Radio Detection and Ranging, là hệ thống dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến. Thuật ngữ radar do hải quân Mỹ đặt ra trong Chiến tranh thế giới thứ hai và hiện nay, thuật ngữ này đã trở nên rất thông dụng.

Ý tưởng cơ bản của radar có nguồn gốc từ thí nghiệm bức xạ điện từ được thực hiện bởi nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz trong thập niên 1880, nhằm chứng thực lý thuyết trường điện từ của James Clerk Maxwell được đề xuất trước đó là sóng vô tuyến có thể được phản xạ từ các vật kim loại và bị khúc xạ bởi môi trường điện môi, giống như sóng ánh sáng.

Trong thập niên 1930, 8 quốc gia: Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Đức, Pháp, Liên Xô, Italy, Hà Lan và Nhật Bản cùng lúc đã bắt đầu tiến hành những nghiên cứu thử nghiệm độc lập về radar trong quân đội sử dụng phản xạ sóng vô tuyến để phát hiện máy bay. Một số nước đã thành công trong việc hiện thực hóa thiết bị radar hoạt động được trong các nhiệm vụ quân sự ngay khi bắt đầu Chiến tranh thế giới thứ hai.

Năm 1937, Robert Watson-Watt thành công trong việc tạo ra một hệ thống cho phép phát hiện máy bay ném bom từ khoảng cách lớn hơn 150km và ông được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh.

leftcenterrightdel
Robert Watson-Watt được coi là người phát minh ra hệ thống radar hoàn chỉnh. Ảnh tư liệu 

Trong thời kỳ này, ngoại trừ một số radar Đức hoạt động ở tần số 600MHz, tất cả các hệ thống radar thành công được phát triển trước Chiến tranh thế giới thứ hai trong băng VHF, dưới 205MHz. Việc sử dụng tần số VHF đặt ra một số vấn đề. Thứ nhất, radar VHF cho chùm tia rộng dẫn đến độ chính xác thấp, độ phân giải và khả năng lọc nhiễu kém hơn so với radar chùm tia hẹp. Thứ hai, phổ VHF không cung cấp đủ băng thông dùng cho các xung ngắn cho phép độ chính xác cao hơn trong việc xác định cự ly. Thứ ba, VHF chịu ảnh hưởng nhiễu lớn trong khí quyển làm giới hạn độ nhạy của máy thu.

Radar thời kỹ thuật tương tự

Radar thời kỳ này là các loại radar hai tọa độ (2D) quét cơ khí, sử dụng công nghệ tương tự (analog) với tín hiệu điện từ dạng đơn giản, phát công suất rất lớn. Những radar này mới chỉ hiển thị được hình ảnh công suất sóng điện từ trên màn hình dưới dạng ảnh độ sáng, người dùng phải tự quan sát, nhận định các mục tiêu theo kinh nghiệm.

Một trong những radar vi ba đáng chú ý nhất được phát triển bởi Phòng nghiên cứu phát xạ MIT là hệ thống radar điều khiển hỏa lực SCR-584 hoạt động trong dải tần từ 2.7 đến 2.9GHz sử dụng ăng-ten phản xạ parabol với đường kính gần 2m. Radar sử dụng chế độ theo dõi quét hình nón, trong đó, một chùm radar tia hẹp 4° liên tục xoay về trục trung tâm của ăng-ten radar, nó đủ chính xác để có thể điều khiển hỏa lực phòng không ngắm đúng mục tiêu mà không cần có thiết bị quang học hỗ trợ, thường được yêu cầu cho các radar VHF với chùm tia rộng (như SCR-268).

Năm 1946, Liên Xô, Mỹ và Hungary dùng radar phát sóng điện từ lên mặt trăng và thu được tiếng vọng phản hồi sau khoảng thời gian 2.5 giây, kết quả này là cơ sở cho phương pháp xác định khoảng cách đến các thiên thể trong vũ trụ. Lúc này, radar không còn là những hệ thống độc quyền sử dụng trong quân đội nữa mà đã thâm nhập cuộc sống.

Các radar mảng pha điều khiển quét điện tử lớn đầu tiên được đưa vào hoạt động trong thập niên 1960. Radar chỉ thị mục tiêu di chuyển cho phép phát hiện máy bay được phát triển cho radar cảnh báo sớm Grumman E-2 của hải quân Hoa Kỳ tại thời điểm này. Nhiều đặc tính tần số liên quan tới đường chân trời của radar đã được chứng minh trong thập niên 1960, cũng như radar đầu tiên được thiết kế để phát hiện vệ tinh và tên lửa đạn đạo.

Radar thời kỹ thuật số

Trong thập niên 1970, công nghệ kỹ thuật số đã trải qua những tiến bộ to lớn, điều này giúp cho việc xử lý tín hiệu và xử lý dữ liệu nhanh chóng, hiệu quả và tin cậy hơn cho các radar thế hệ mới.

Với sự phát triển của các hệ thống máy tính, các radar ra đời trong giai đoạn này còn tích hợp sử dụng những kỹ thuật xử lý dữ liệu số và xử lý các loại tín hiệu điều chế phức tạp, sử dụng công suất phát thấp nhưng vẫn bảo đảm cự ly phát hiện. Với việc áp dụng công nghệ số, các radar này tự động trích xuất, hiển thị và bám sát các mục tiêu đang phát hiện, kèm theo thông tin vị trí, vận tốc, quỹ đạo di chuyển cho người dùng. Mặc dù đã tối ưu hơn hiệu năng, độ chính xác và thu nhỏ được kích thước hệ thống, nhiều loại radar thời điểm này vẫn còn có nhược điểm là chỉ xác định được hai tọa độ (2D-góc hướng và cự ly) của mục tiêu và thiếu đi thông tin độ cao-yếu tố quan trọng trong nhiều bài toán tác chiến thực tế. Một giải pháp thường được áp dụng với các đài này đó là kết hợp dữ liệu của radar 2D với một radar đo độ cao. Tuy nhiên, độ chính xác và tính đồng bộ thấp, hệ thống cồng kềnh và khó điều khiển, thường chỉ áp dụng độ cao cho một mục tiêu duy nhất.

Những thế hệ radar mới đã có thể khắc phục được hoàn toàn các nhược điểm quét cơ khí. Các loại radar 3 tọa độ (3D), sử dụng công nghệ AESA với kiến trúc ăng-ten mảng pha quét điện tử chủ động theo góc tà (một chiều). Nhờ có tọa độ chính xác trong không gian 3 chiều, các bài toán định vị, chỉ thị và điều khiển hỏa lực được thực hiện với độ chính xác cao hơn, dễ dàng liên hợp và ghép nối thông tin với nhiều hệ thống khí tài khác nhau trong quân đội.

Trong các thập kỷ tiếp theo, lĩnh vực radar phát triển đến mức có thể phân biệt được loại mục tiêu này với loại mục tiêu khác. Những tiến bộ trong viễn thám khiến cho radar có thể dự báo thời tiết, đo lượng gió thổi qua biển, đo mực nước biển trung bình, đo độ nhám của đại dương, đánh giá các tác động môi trường khác và thám hiểm môi trường ngoài trái đất. Ngoài ra, khi sự phát triển các loại vũ khí hiện đại, tên lửa hành trình, máy bay không người lái có kích thước nhỏ, dễ dàng ẩn nấp và thoát khỏi sự giám sát của radar đặt ra các yêu cầu phải tích hợp công nghệ mới, chẳng hạn như công nghệ mảng pha quét điện tử chủ động AESA để linh hoạt trong thiết kế tính năng thực hiện đa nhiệm, đồng thời cũng phải dễ dàng nâng cấp, hỗ trợ tối đa hiện đại hóa hệ thống.

Radar hiện nay

Các radar hiện đại tập trung vào nâng cao tính cơ động, khả năng số hóa, module hóa, nâng cao khả năng bắt bám, cự ly phát hiện của nhiều mục tiêu trên diện rộng nhằm đáp ứng với nhu cầu tác chiến cường độ cao trong tác chiến điện tử. Các loại radar kiểu mới trên thế giới hiện nay còn tích hợp thêm rất nhiều giải pháp công nghệ mới nhằm giảm thời gian triển khai, thiết kế nhỏ gọn bằng các vật liệu bán dẫn mới. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại đã khiến cho radar hoàn toàn thâm nhập đời sống với những đóng góp không nhỏ trong hoạt động nghiên cứu khoa học, hỗ trợ chẩn đoán bệnh, phát hiện ung thư trong y tế, dự báo thời tiết, tích hợp trong điều khiển xe ô tô không người lái v.v...

Nhờ có những tiến bộ trong khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo và công nghệ kỹ thuật số trong thập kỷ đầu của thế kỷ 21, tốc độ cũng như chất lượng xử lý tín hiệu và dữ liệu đã được cải thiện đáng kể, đánh dấu bước tiến nhảy vọt của ngành radar theo giai đoạn kỹ thuật số. Các nền tảng vi mạch tích hợp (IC) bán dẫn thu phát cũng có nhiều đột phá trong những năm gần đây. Các máy phát công suất trở nên khả dụng cho các ứng dụng radar trong dải bước sóng milimet (thường là 94GHz), với công suất trung bình lớn hơn từ 100 đến 1.000 lần so với trước đây. Những nền tảng công nghệ này hỗ trợ cho việc ra đời các radar hiện đại hơn, là các loại radar 3 tọa độ (3D) nhỏ gọn, sử dụng công nghệ ăng-ten mảng pha quét điện tử chủ động theo cả góc tà và phương vị (hai chiều). Tín hiệu điện từ được điều khiển quét hoàn toàn bằng kỹ thuật điện tử, cho phép xử lý cùng lúc nhiều chức năng, nhiều băng tần với tốc độ cao và thích nghi chống tác chiến điện tử. Đây là thế hệ radar thông minh đa chức năng với tính tùy biến cao, thích hợp cho nhiều kịch bản tác chiến khác nhau trong thực tế. Tiêu biểu hiện nay là một số hệ thống radar như: iMOTR, AN/APG-84, AN/MPQ-64 Sentinel, NS50 sử dụng công nghệ quét búp sóng điện tử hai chiều và có thể hỗ trợ hỏa lực. Một số radar chuyên dụng phát hiện Drone như Blighter series A400, PSR-500, Scout Mk4 V04.

MINH NGỌC