Radar và lidar hoạt động ra sao

Radar và lidar là hai kỹ thuật rất cần thiết trong đời sống hiện đại. Thí dụ bạn muốn biết hôm nay nắng hay mưa, lạnh hay nóng. Câu trả lời cho các câu bạn hỏi là do radar khí tượng cung cấp.

Bạn bay trên phi cơ mà được an toàn là nhờ radar của máy bay và của đài kiểm soát hàng không. Còn lidar thì được dùng trong các xe tự lái và khảo sát đất đai để phòng ngừa lụt. Trong bài này tôi xin nói về cách hoạt động cùng những áp dụng của radar và lidar.

Radar hoạt động ra sao? 

Radar là một dụng cụ điện từ dùng để khám phá và theo dõi từ xa những vật thể. Radar là viết tắt của cụm từ radio detection and ranging (phát hiện và định tầm bằng radio). Radar phát ra những nhịp sóng điện từ (thường là vi sóng). Những nhịp sóng này chạm vào các vật thể và dội ra tứ phía, một phần của sóng dội lại sẽ tới máy radar. Máy radar dùng sóng dội ngược lại để biết về vật thể.

Có bốn thành phần căn bản của radar:

• Bộ phát vi sóng: Đây là thành phần sinh ra vi sóng để phát ra ngoài.
• Bộ chuyển đổi: Bộ phận này dùng để chuyển đổi giữa phát sóng và nhận sóng.
• Một ăng ten: Ăng ten dùng để phát sóng ra và nhận sóng phản hồi.
• Bộ nhận: Khi radar nhận được sóng phản hồi thì bộ nhận có nhiệm vụ gạn lọc và chuyển đổi tín hiệu đó để hiển thị trên màn hình.

Lịch sử của radar 

Vào thập niên 1880, vật lý gia người Đức Heinrich Hertz làm những thí nghiệm về bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) đã chứng tỏ là sóng radio có thể phản chiếu cũng giống như sóng ánh sáng phản chiếu khi rọi vào một vật thể. Vào đầu thế kỷ thứ 20 ông Christian Hülsmeyer, một kỹ sư người Đức, đã dựa vào thí nghiệm của ông Hertz để sáng chế ra một dụng cụ thô sơ dùng cho các tàu thủy để tránh nhau trong sương mù khi không thấy bằng mắt thường được.

Vào đầu thập niên 1930 đã có phi cơ chở bom bay xa nên các nước như Hoa Kỳ, Anh Quốc, Đức Quốc tìm những phương pháp để phát hiện ra các phi cơ này trước khi nó tới gần. Radar là một trong những phương pháp được nghiên cứu và tỏ ra hữu hiệu hơn những phương pháp khác.

Đầu năm 1935, ông Robert Watson-Watt đã biểu diễn một hệ thống dùng radio để phát hiện ra máy bay từ xa. Bộ Chiến Tranh của Anh Quốc rất hài lòng với dụng cụ của ông Watson-Watt và cho xây dựng một hệ thống radar dọc bờ biển để báo động nếu có máy bay địch đang bay tới.

Vào đầu thập niên 1940, hai kỹ sư người Anh Harry Boot và John Randall sáng chế ra magnetron. Dụng cụ này phát sinh ra làn vi sóng mạnh và làm cho radar có tầm xa hơn nhiều. Trong Thế Chiến Thứ 2, hệ thống radar đã giúp sự phòng thủ của Anh và Đồng Minh chống lại máy bay của Đức Quốc Xã.

Áp dụng của radar 

–Quân sự: Radar phát sinh ra từ quân sự nên áp dụng đầu tiên của radar là về quân sự. Lúc đầu radar dùng để báo động khi phi cơ địch đang bay tới. Ngày nay radar có nhiều áp dụng khác trong quân sự, thí dụ: Phòng không, điều hướng, nhận định và theo dõi các vật đang bay, tìm kiếm và cứu nguy.

-Khí tượng: Radar là một dụng cụ không thể thiếu được của ngành khí tượng học. Radar khí tượng theo dõi mây mưa để biết chiều hướng di chuyển và loại nào (có thể là mưa to, tuyết hay mưa đá). Radar khí tượng dùng để tiên đoán thời tiết và báo nguy khi sắp có cơn bão. Việc tiên đoán thời tiết bây giờ khá chính xác vì có radar khí tượng và công nghệ máy tính.

-Điều khiển giao thông: Người điều hành phi trường dùng radar để biết vị trí các phi cơ chung quanh phi trường. Như vậy họ có thể điều khiển các phi cơ cho khỏi đâm vào nhau và lên xuống có trật tự. Các máy bay cũng dùng radar khi đáp xuống phi đạo.

Ở ngoài biển khơi, các tàu bè cũng dùng radar để vận hành và để tránh đâm vào nhau nhất là khi gần cảng và vào ban đêm.

Có một áp dụng của radar mà nhiều người không thích đó là súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông.

Lidar hoạt động ra sao? 

Lidar là viết tắt của cụm từ light detection and ranging (phát hiện và định tầm bằng ánh sáng), đây là một kỹ thuật tương tự như radar nhưng dùng những tia sáng dưới dạng la de để đo khoảng cách. Nguyên tắc căn bản để đo khoảng cách thì khá giản dị, đó là theo công thức của vật lý: khoảng cách = vận tốc x thời gian.

Thí dụ xe bạn chạy với vận tốc 60 km/giờ và bạn đi 2 giờ thì khoảng cách bạn đi được là 60 x 2 = 120 km.

Máy lidar chiếu một tia sáng (thường là la de) ra vào một vật thể và ghi nhận thời gian phát tia sáng. Tia sáng sẽ phản chiếu lại tới lidar và được ghi thời gian nhận. Như vậy máy biết được khoảng thời gian đi về của tia sáng, từ đó tính ra được khoảng cách từ máy tới vật thể.

Nhưng có một vấn đề kỹ thuật, đó là vận tốc của ánh sáng quá nhanh. Ánh sáng truyền đi khoảng 300,000 km một giây. Thí dụ vật muốn đo cách máy 1 km, quãng đường ánh sáng đi từ dụng cụ tới vật thể rồi trở về máy là 2 km. Như vậy thời gian đi về chỉ là 1 phần 150,000 của một giây. Cho nên phải có đồng hồ rất nhạy cảm và công nghệ máy tính tinh vi mới có thể phân biệt được khoảng thời gian rất nhỏ.

Lidar thường có các thành phần sau đây:

• La de: Tia la de dùng để chiếu vào những vật thể muốn thấy. Tùy theo sự áp dụng mà dùng những loại la de khác nhau. Thí dụ tia hồng ngoại (infrared) dùng cho khí tượng, tia sáng xanh-xanh lá cây dùng cho việc dò sâu đáy biển. Số lần chiếu ra tia la de thì có thể từ 50,000 tới 200,000 lần trong một giây.
• Bộ quét (scanner): Bộ phận này dùng để chiếu tia la de ra và ghi nhận tia phản chiếu về. Bộ phận này thường quay đi quay lại trong một góc tới 75 độ cho nên được gọi là bộ quét.
• Hệ thống GPS: Hệ thống định vị toàn cầu dùng để biết vị trí của máy lidar.
• Đơn vị đo lường quán tính (inertia measurement unit, viết tắt là IMU): Đơn vị này đo góc cạnh di chuyển của máy lidar. IMU hợp với GPS sẽ cho biết chính xác vị trí và độ nghiêng lệch của máy lidar và từ đó biết rõ vị trí của vật thể muốn đo.
• Đồng hồ: Như đã nói ở trên hệ thống lidar cần có một đồng hồ thật chính xác để biết đích xác thời gian chiếu tia la de ra và thời gian nhận tia la de phản hồi.

Áp dụng của lidar 

• Khảo sát đất đai: Lidar được dùng rất nhiều trong lãnh vực khảo sát đất đai. Lidar được đặt trên máy bay để chiếu xuống đất và đo độ cao thấp của đất. Điều này rất quan trọng ở những vùng hay bị lụt lội.
• Xe tự lái: Lidar là một dụng cụ quan trọng của xa tự lái. Nhìn xe tự lái bạn sẽ thấy một dụng cụ để trên mui xe và luôn quay tròn. Đó là máy lidar dùng để đo khoảng cách giữa xe và mọi vật chung quanh xe trong từng giây phút.

Tuy nhiên lidar cho xe tự lái còn quá đắt và chưa được hoàn hảo nên các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục khảo cứu để làm cho nó tốt hơn và rẻ hơn. Riêng xe Tesla thì lại chú trọng tới việc dùng radar, máy ảnh và các bộ cảm biến chứ không dùng lidar. Trong tương lai chưa biết lidar hay radar sẽ chiếm thượng phong trong công nghệ xe tự lái. (Hà Dương Cự)

———–
Nguồn tài liệu: www.aps.org, www.usgs.gov