Nghiên cứu chế tạo tiêu radar phản xạ góc dạng lưới kiểu gấp ứng dụng cho tàu đánh cá

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TIÊU RADAR PHẢN XẠ GÓC<br /> DẠNG LƯỚI KIỂU GẤP ỨNG DỤNG CHO TÀU ĐÁNH CÁ<br /> STUDYING AND MANUFACTURING REFLECTIVE RADAR TARGET<br /> WITH GRID STYLE FOLDABLE TYPE DEPLOYED FOR FISHING BOATS<br /> Trần Tiến Phức1<br /> Ngày nhận bài: 24/11/2016; Ngày phản biện thông qua: 29/3/2017; Ngày duyệt đăng: 15/6/2017<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Có nhiều tai nạn đâm va đã xảy ra trên biển Việt Nam giữa tàu cá với nhau, giữa tàu hàng với tàu cá<br /> gây thiệt hại lớn về tài sản và nguy hiểm cho con người mà một trong số các nguyên nhân là do các phương<br /> tiện chưa được trang bị radar hàng hải và tiêu radar phù hợp. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế<br /> tạo và triển khai ứng dụng một loại tiêu radar mới phù hợp với tàu đánh cá của Việt Nam. Tác giả đã sử dụng<br /> phương pháp thực nghiệm tại hiện trường với cấu trúc, vật liệu làm tiêu và các radar khác nhau, đo tín hiệu<br /> trên oscilloscope kỹ thuật số để thu thập số liệu. Kết quả cho thấy tiêu radar phản xạ góc dạng lưới kiểu gấp có<br /> độ phản xạ mạnh, ít bị cản gió nên có thể phát hiện và tác nghiệp tránh va từ xa trong điều kiện sương mù, gió<br /> mạnh, tầm nhìn hạn chế. Tiêu làm hoàn toàn bằng thép không rỉ, có thể gấp lại khi bảo quản nên vừa có độ bền<br /> cao và không chiếm nhiều không gian trên tàu cá có kích thước nhỏ, chật hẹp của Việt Nam. Sản phẩm đã được<br /> đăng ký sáng chế tại Cục Sở hữu Trí tuệ, tập huấn cho ngư dân sử dụng tại nhiều tỉnh, giới thiệu tại Hội nghị<br /> toàn quốc triển khai thực hiện Nghị định 67/2014, báo cáo tại Hội nghị Vật lý kỹ thuật và Ứng dụng toàn quốc<br /> lần thứ 4 và đang làm thủ tục chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất theo quy mô công nghiệp.<br /> Từ khóa: radar hàng hải, tiêu radar phản xạ, tàu đánh cá<br /> ABSTRACT<br /> Many collisions have occurred on Vietnam Sea between fishing boats and between cargo ships and<br /> fishing boats which have caused great damage to property and danger to humans. One of the main reasons is<br /> that the fishing boats are not equipped with marine radar and suitable radar target. This paper presents the<br /> results of studying, manufacturing and deploying a new target of radar which is suitable for Vietnamese fishing<br /> boats. The author has used empirical methods in the sea with the structure and material of reflective target<br /> with various other radars, and measured the signal on digital oscilloscope to collect data. Results showed that<br /> the new reflective radar target with grid style, foldable type and had stronger reflectivity, high wind resistance<br /> which may detect remote targets, to avoid collisions in fog conditions, strong winds and limited vision. The<br /> targets of radar are entirely made with stainless steel and can be folded when stored. Therefore, they are very<br /> durable and do not occupy much space on small and narrow fishing boats in Vietnam. Our products have been<br /> registered patent at the Intellectual Property Department, training for fishermen to use in many provinces,<br /> presented at the National Conference for the implementation of the 67/2014 Decree, at The 4th National<br /> Conference on Applied and Engineering Physics and are in the process of transfer technology for business in<br /> order to manufacture at industrial scale.<br /> Keywords: marine radar, reflective radar target, fishing boats<br /> 1<br /> <br /> Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 79<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Tiêu radar phản xạ góc hoạt động theo<br /> nguyên lý của quang hình học. Các mặt phản<br /> xạ sóng điện từ được ghép thành các tam diện<br /> thuận thì tia phản xạ sẽ quay về cùng phương<br /> nhưng ngược chiều. Tùy theo vị trí tương đối<br /> giữa nguồn phát tia tới và tam diện mà hiện<br /> tượng phản xạ có thể xảy ra một lần, hai lần<br /> (Hình 1a) hay ba lần (Hình 1b). Tầm xa có khả<br /> năng phát hiện mục tiêu trên biển với radar<br /> băng X được tính theo công thức (1).<br /> <br /> (1)<br /> Trong đó, h1 và h2 là độ cao lắp anten và<br /> độ cao mục tiêu trên mặt biển, R tính bằng hải<br /> lý (NM).<br /> Thị trường thế giới đã có nhiều loại tiêu<br /> radar phản xạ góc với kiểu dáng, kích thước<br /> và vật liệu khác nhau (Hình 1d, e, f, g). Từ các<br /> nghiên cứu cơ bản về tiêu radar phản xạ thụ<br /> động đã công bố [2], [3] cho thấy cấu trúc ba<br /> mặt phản xạ ghép thành tam diện thuận có tính<br /> ứng dụng cao.<br /> <br /> Hình 1. Nguyên lý và kiểu dáng tiêu radar phản xạ góc trên thị trường thế giới<br /> <br /> Trong số đó, loại tiêu có các mặt hình<br /> vuông cho độ phản xạ mạnh nhất, tiết diện<br /> hiệu dụng gấp hơn 2,4 lần so với loại mặt tròn<br /> (tiêu Hình 1e) và gấp hơn 9 lần loại tiêu mặt<br /> <br /> tam giác (tiêu Hình 1f). Tuy nhiên, đáp ứng góc<br /> nghiêng khi sử dụng của tiêu mặt hình vuông<br /> lại hẹp hơn, chỉ bằng một nửa của tiêu mặt tam<br /> giác (Bảng 1).<br /> <br /> Bảng 1. Tham số các loại tiêu phản xạ sóng radar hàng hải [2]<br /> <br /> 80 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> Nhằm đảm bảo an toàn hàng hải, nhiều<br /> <br /> tốc độ giữa các phương tiện tham gia giao<br /> <br /> nước đã quy định các tàu đi biển đều phải có<br /> <br /> thông hay sản xuất trên biển. Những thông tin<br /> <br /> radar hoặc tiêu radar để tác nghiệp tránh va.<br /> <br /> này giúp các phương tiện tránh bị va chạm với<br /> <br /> Hiện nay (2016), giá tiêu radar phản xạ góc<br /> <br /> nhau, có thể trợ giúp khi có sự cố. Tuy nhiên,<br /> <br /> trên thế giới [4] khoảng từ 33 đến 890 USD.<br /> <br /> giá thành hệ thống AIS, trình độ của người<br /> <br /> Ở Việt Nam, khai thác thủy sản xa bờ đang<br /> <br /> ngư dân Việt Nam để sử dụng và điều kiện môi<br /> <br /> được Nhà nước ưu tiên phát triển, số lượng<br /> <br /> trường trên tàu cá là những khó khăn rất lớn<br /> <br /> tàu thuyền ngày càng tăng. Ngư trường của<br /> <br /> nếu chọn phương án này.<br /> <br /> Việt Nam đan xen với các đường hảng hải nội<br /> <br /> Trước thực trạng đó, ứng dụng tiêu radar<br /> <br /> địa và quốc tế có mật độ tàu qua lại rất đông.<br /> <br /> phản xạ góc dạng lưới kiểu gấp là phương án<br /> <br /> Nhiều tai nạn đâm va giữa tàu hàng với tàu cá,<br /> <br /> có tính khả thi cao nhất để đảm bảo an toàn và<br /> <br /> giữa tàu cá với nhau hay ngư cụ bị mất gây<br /> <br /> hiệu quả cho tàu cá Việt Nam nói chung, mà<br /> <br /> thiệt hại lớn cả tài sản và tính mạng thuyền<br /> <br /> đặc biệt là nghề câu mực khơi và nghề lưới rê<br /> <br /> viên [5]. Ngư dân các tỉnh miền Trung có nghề<br /> <br /> tầng mặt. Đây là những nghề khai thác hoạt<br /> <br /> câu mực khơi. Mỗi tàu có 30 đến 50 thúng câu<br /> <br /> động dài ngày mỗi chuyến biển và số lao động<br /> <br /> hoạt động độc lập trong đêm trên biển. Đây là<br /> <br /> nhiều trên mỗi tàu.<br /> <br /> nghề câu truyền thống nhưng rất rủi ro. Thời<br /> tiết xấu hoặc thúng câu va chạm với các tàu<br /> <br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> <br /> khác trong đêm dễ bị lật gây nguy hiểm đến<br /> <br /> 1. Tiêu radar phản xạ góc tấm liền ghép cố định<br /> <br /> cả tính mạng nhưng chưa có phương án nhận<br /> <br /> Tiêu radar có kiểu dáng như Hình 1f đã<br /> <br /> biết để cứu hộ hiệu quả [6].<br /> <br /> được chọn nghiên cứu thí nghiệm đầu tiên vì<br /> <br /> Về mặt khoa học hàng hải hiện đại, ta<br /> <br /> dễ chế tạo và triển khai sử dụng trong thực tế.<br /> <br /> có thể dùng hệ thống nhận dạng tự động<br /> <br /> Hình 2 mô tả cấu hình hệ thống thí nghiệm trên<br /> <br /> (Automatically Identification System - AIS) để<br /> <br /> biển với các tiêu radar có kích thước và vật liệu<br /> <br /> trao đổi thông tin với nhau về vị trí, hướng,<br /> <br /> khác nhau.<br /> <br /> Hình 2. Thử nghiệm tiêu radar tấm liền và so sánh với phao dẫn luồng của Cảng Nha Trang<br /> a) Tàu và radar thử nghiệm; b) Thả tiêu trên biển; c) Phương án chạy tàu để đo<br /> <br /> Bảng 2 cho thấy, khi có cùng kiểu dáng và<br /> kích thước nhưng các tấm kim loại là vật liệu<br /> khác nhau (nhôm, tôn, inox) không ảnh hưởng<br /> lên tầm xa phát hiện của radar. Tuy nhiên,<br /> trong môi trường biển, chỉ có vật liệu bằng inox<br /> <br /> mới đảm bảo ổn định hệ số phản xạ sóng radar<br /> lâu dài. Nếu muốn tăng tầm xa phát hiện tiêu<br /> thì cần tăng độ cao lắp đặt, tăng kích thước<br /> cạnh hay chọn radar có công suất phát sóng<br /> lớn hơn.<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 81<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> Bảng 2. Kích thước, trọng lượng và tầm xa phát hiện các tiêu radar có kiểu dáng như Hình 1f<br /> TT<br /> <br /> Mẫu<br /> <br /> Kích thước (cm)<br /> <br /> 1<br /> <br /> A<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> <br /> Trọng lượng (Kg)<br /> <br /> Tầm xa phát hiện (hải lý)<br /> <br /> Nhôm<br /> <br /> Tôn mạ kẽm<br /> <br /> I nox<br /> <br /> 25,6<br /> <br /> 0,2<br /> <br /> 0,22<br /> <br /> 0,25<br /> <br /> 4,2<br /> <br /> B<br /> <br /> 34,4<br /> <br /> 0,36<br /> <br /> 0,39<br /> <br /> 0,44<br /> <br /> 4,9<br /> <br /> C<br /> <br /> 42,9<br /> <br /> 0,56<br /> <br /> 0.62<br /> <br /> 0,69<br /> <br /> 5,8<br /> <br /> Sau thí nghiệm này, tác giả đã xác lập<br /> được quy trình tính toán và triển khai hệ thống<br /> radar cùng với tiêu cho các tàu khai thác lưới<br /> rê có tham số đầu vào là yêu cầu tầm xa phát<br /> hiện trên biển, công suất xung của radar, góc<br /> khối chùm tia sóng điện từ tương ứng với tham<br /> số đầu ra là kích thước cạnh của tiêu, độ cao<br /> lắp đặt [1]. Kết quả nghiên cứu đã được tác<br /> giả triển khai ứng dụng cho ngư dân các tỉnh<br /> Trung bộ thông qua các lớp tập huấn do Trung<br /> tâm khuyến nông tổ chức từ trước năm 2013.<br /> Với chủ trương ưu tiên phát triển khai thác<br /> thủy sản xa bờ của Nhà nước, nhiều ngư dân<br /> đã tăng quy mô sản xuất bằng việc đóng tàu<br /> có kích thước lớn hơn, ngư cụ nhiều hơn, dài<br /> hơn. Từ đây, thuyền trưởng phải quản lý ngư cụ<br /> trong phạm vi rộng hơn và việc áp dụng các loại<br /> tiêu radar như trong Hình 1 không còn đáp ứng.<br /> - Tăng kích thước tiêu và lắp cao để phát<br /> hiện được từ xa đã làm tăng đối trọng và<br /> trọng lượng;<br /> - Ngư trường Việt Nam chịu ảnh hưởng rất<br /> lớn của gió mùa Đông Bắc và Tây Nam. Các<br /> mặt tam diện tấm liền gây cản gió làm nghiêng<br /> và hạ thấp cây tiêu trên biển;<br /> - Cấu trúc ghép cố định các tấm kim loại<br /> làm cho tiêu radar có thể tích chiếm chỗ lớn<br /> và không đổi cả lúc sử dụng lẫn lúc bảo quản<br /> trên tàu.<br /> <br /> Từ đó, phát sinh một nhu cầu rất lớn đối<br /> với tiêu radar có độ phản xạ sóng mạnh, chịu<br /> mặn, ít biến dạng, có thể gấp lại được để<br /> tránh suy giảm chất lượng, ít chiếm chỗ khi<br /> không sử dụng hoặc khi bảo quản và độ cản<br /> gió thấp dùng cho nghề cá xa bờ trở nên<br /> cấp thiết.<br /> 2. Tiêu radar phản xạ góc dạng lưới<br /> kiểu gấp<br /> Bảng 1 cho ta thấy, loại tiêu ba mặt chữ<br /> nhật ghép vuông góc có tiết diện hiệu dụng và<br /> hệ số phản xạ mạnh. Vì vây, tác giả đã chọn<br /> kiểu dáng tiêu này để nghiên cứu tiếp theo<br /> nhằm đáp ứng thực tiễn sản xuất của ngư<br /> dân hiện tại và tương lai. Mặc dù tham số góc<br /> nghiêng của tiêu ba mặt chữ nhật nhỏ hơn<br /> song ta có thể giải quyết được bằng việc chọn<br /> cấu trúc vật liệu dạng lưới để giảm trọng lượng<br /> và sức cản gió.<br /> Không gian trên các tàu đánh cá của ngư<br /> dân Việt Nam rất hạn chế, đặc biệt là nghề<br /> câu mực khơi. Mỗi tàu có 30 đến 50 thúng câu<br /> và 40 đến 55 thuyền viên hoạt động dài ngày<br /> trên biển. Ngư cụ, nhu yếu phẩm, sản phẩm<br /> sau thu hoạch phải thu gọn nhất có thể để có<br /> không gian sống cho con người. Các thúng<br /> câu có thể úp lại với nhau (Hình 3), các tiêu<br /> radar phải thiết kế gấp lại được dễ dàng mới<br /> có tính khả thi ứng dụng.<br /> <br /> Hình 3. Tàu câu mực khơi: a) Thúng câu khi bảo quản; b) Lúc triển khai; c) Tách khỏi tàu mẹ<br /> <br /> 82 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Tiêu radar phản xạ góc dạng lưới, kiểu gấp<br /> (Hình 4) bao gồm:<br /> - Tấm nền a) dạng phẳng, hình vuông, đối<br /> xứng tâm, ở giữa có hai thanh giằng vuông góc<br /> với nhau tại tâm và vuông góc với bốn cạnh có<br /> khung viền;<br /> - Hai tấm một nửa b1 và b2, hình chữ nhật,<br /> lần lượt được bố trí ở phía trên và phía dưới<br /> của tấm nền và có cạnh dài được lắp với nhau<br /> hai bên thanh giằng thứ nhất bởi bốn bản lề<br /> hai chiều;<br /> - Bốn tấm một phần tư chia làm hai cặp C1,<br /> C2 và C3, C4, lần lượt được bố trí ở phía trên<br /> và phía dưới của tấm nền. Mỗi cặp có cạnh<br /> được lắp với nhau hai bên thanh giằng thứ hai<br /> bởi hai cơ cấu bản lề hai chiều;<br /> - Hai cơ cấu định vị lần lượt được bố trí ở<br /> chính giữa cạnh trên và cạnh dưới của hai tấm<br /> một nửa, mỗi cơ cấu định vị có kẹp để có thể<br /> <br /> Số 2/2017<br /> tháo được nhằm gấp hai tấm một phần tư và<br /> tấm một nửa nằm trong cùng một mặt phẳng<br /> với tấm nền. Mỗi tiêu sau khi gấp lại có độ dày<br /> khoảng 2cm;<br /> - Tất cả các tấm có mắt lưới bằng 0,5cm<br /> (nhỏ hơn ½ bước sóng λ của radar hàng hải<br /> dân sự băng X tần số 9,4 GHz, bước sóng<br /> 3,2cm) và đều làm bằng vật liệu inox 304 để<br /> chống ăn mòn trong môi trường biển.<br /> Cố định cánh sóng của radar hàng hải ở<br /> trên bờ biển Nha Trang với độ cao tương ứng<br /> như lắp trên tàu cá của ngư dân. Dùng một<br /> xuồng vỏ gỗ, kích thước nhỏ, mang tiêu radar<br /> thử nghiệm chạy theo đường phân giác của<br /> chùm tia trùng với điểm giữa đảo Hòn Dung.<br /> Việc chạy tàu chính xác nhờ sử dụng chức<br /> năng “màn hình xa lộ” trên máy định vị DGPS<br /> (FURUNO GP37).<br /> <br /> Hình 4. Thành phần cấu tạo của tiêu radar phản xạ góc dạng lưới kiểu gấp và mẫu thực tế<br /> <br /> Dùng máy oscilloscope TDS2014 để đo<br /> <br /> trên mặt nước biển thì khoảng cách có sóng<br /> <br /> biên độ điện áp của xung sóng phản xạ từ tiêu<br /> <br /> phản xạ là 1,6 hải lý. Nếu tiêu cao 4m thì tầm<br /> <br /> trở về. Điểm đo sau mạch tách sóng, trước<br /> <br /> xa có khả năng phát hiện trên biển là 10,36<br /> <br /> mạch khuếch đại thị tần, kết hợp với theo dõi<br /> <br /> hải lý. Như vậy, khi chạy tàu xa hơn 1,6 hải<br /> <br /> vết mục tiêu trên màn hình của radar hàng<br /> <br /> lý tín hiệu phản xạ về chỉ từ tiêu thí nghiệm<br /> <br /> hải. Thí nghiệm được tiến hành với cả loại tiêu<br /> <br /> mà thôi. Trong Hình 5a, tiêu phản xạ góc đặt<br /> <br /> tấm liền và tiêu tấm lưới kích thước cạnh khác<br /> <br /> cao 4 m trên thuyền gỗ, chạy theo trục (đường<br /> <br /> nhau trên các radar có công suất bức xạ xung<br /> <br /> phân giác) của cánh sóng. Trong Hình 5b,<br /> <br /> sóng điện từ 4 kW (mức công suất của radar<br /> <br /> anten đặt cao 7 m ở trên bờ. Hình 5c là tín hiệu<br /> <br /> mà các tàu cá đang dùng phổ biến).<br /> <br /> của tiêu trên màn hình tại thời điểm cách xa<br /> <br /> Hình 5 mô tả bố trí thí nghiệm đo biên độ<br /> <br /> 3,867 hải lý và tương ứng là biên độ sóng dội<br /> <br /> sóng phản xạ. Theo công thức (1) với độ cao<br /> <br /> trên màn hiện sóng của oscilloscope TDS2014<br /> <br /> lắp anten là 7 m và độ cao thuyền gỗ là 0,8 m<br /> <br /> (Hình 5d).<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 83<br /> <br />