Thiết kế, chế tạo một số thiết bị cho trạm ra đa biển

Dự án hệ thống ra đa biển tần số cao nhằm hướng tới việc quan trắc xa bờ các yếu tố về hướng và độ cao sóng biển cũng như  hướng, tốc độ dòng chảy bề mặt biển. Ngoài ra còn có khả năng quan trắc vật thể trôi phục vụ tìm kiếm cứu nạn trên biển, xác định dầu tràn, xác định dòng xoáy phục vụ đánh bắt hải sản và cảnh báo sớm sóng thần…Các yếu tố quan trắc xa bờ trên phục vụ phát triển kinh tế biển và góp phần đảm bảo an ninh quốc phòng, an ninh chủ quyền lãnh thổ vùng biển, hải đảo của Việt Nam.

Các trạm radar biển đã được trang bị gồm:

Trạm radar biển Hòn Dấu (đảo Dấu tại thành phố Hải Phòng) với thiết bị tổ hợp ra đa biển sử dụng năng lượng thấp dùng Pin mặt trời nạp cho Ắc quy (nay đã được cấp nguồn điện lưới quốc gia), có tầm quan trắc 200km đối với dòng chảy bề mặt, hơn 20km đối với sóng biển.

Trạm ra đa biển Nghi Xuân thuộc xã Cổ Đạm, huyện Nghi Xuân, tỉnh Hà Tĩnh được lắp 02 ăng ten phát có tầm quan trắc 300km đối với dòng chảy bề mặt và hơn 20km (nay đã được nâng cấp lên hơn 50 km) đối với sóng biển.

Trạm radar biển Đồng Hới thuộc xã Bảo Ninh, thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình được lắp 02 ăng ten phát có tầm quan trắc 300km đối với dòng chảy bề mặt và hơn 20km (nay đã được nâng cấp lên hơn 50 km) đối với sóng biển.

Trạm điều hành trung tâm tại số 8, Pháo Đài Láng, Hà Nội.

Theo Quyết định số 90/QĐ-TTg ngày 12/01/2016 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt Quy hoạch mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia giai đoạn 2016 – 2025, tầm nhìn đến năm 2030, thì mạng lưới hệ thống ra đa biển sẽ được đầu tư 25 trạm phủ khắp dải ven biển Việt Nam.

Ở Việt Nam, công nghệ ra đa biển còn khá mới mẻ và chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Năm 2011, Trung tâm Hải văn đã được giao chủ trì thực hiện dự án xây dựng hệ thống trạm ra đa biển, đến nay đã hoàn thành giai đoạn I với 3 trạm quan trắc tầm xa. Cả ba trạm đều hoạt động ở tần số 5.25 MHz (mới được chuyển đổi từ tần số 4,65 Mhz để phù hợp với quy hoạch tần số quốc gia).

Sau hơn 10 năm đưa vào vận hành khai thác, sử dụng trong điều kiện khí hậu, thời tiết biển, hệ thống đã xuất hiện những hỏng hóc ở các thiết bị đặt tại các trạm thu/phát. Hệ thống trạm ra đa biển đã hết bảo hành từ lâu và không kèm theo gói bảo trì khi mua nên việc sửa chữa và làm chủ công nghệ gặp nhiều khó khăn. Khi xảy ra hỏng hóc, bên cạnh công tác sửa chữa tại chỗ do đội ngũ kỹ thuật của các trạm còn có các hỗ trợ tư vấn từ đơn vị cung cấp thiết bị và đều phải trả tiền mua các cụm, khối, vật tư thay thế. Tuy nhiên, việc khắc phục các sự cố mang tính xử lý triệu chứng hỏng hóc mà chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống.

Chính vì vậy, việc bước đầu nghiên cứu và chế tạo một số bộ phận chuyên dụng thường xuyên gặp sự cố, hư hỏng trong điều kiện khí hậu biển Việt Nam của trạm ra đa biển trước mắt đáp ứng được việc thay thế ngay được các cụm khối, mô đun hỏng hóc tại chỗ theo phương án đảm bảo dự trữ vật tư, sau đó sẽ đáp ứng việc chủ động đón đầu việc chế tạo một số bộ phận chuyên dụng khi được tiếp tục đầu tư xây dựng các trạm ra đa biển. Việc đáp ứng kịp thời các vật tư thay thế sẽ làm giảm khả năng gián đoạn số liệu thu thập từ các trạm ra đa biển, từng bước làm chủ công nghệ, cải tiến và chế tạo, giảm giá thành và ít phụ thuộc vào Hãng cung cấp thiết bị.

Tại Quyết định số 2322/QĐ-BTNMT ngày 26 tháng 11 năm 2021 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc phê duyệt tổ chức chủ trì, cá nhân chủ nhiệm và dự toán kinh phí đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ mở mới năm 2022, giao cho Trung tâm Hải văn – Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam tổ chức chủ trì thực hiện và TS. Đinh Văn Tuân là Chủ nhiệm đề tài để triển khai thực hiện đề tài “Nghiên cứu làm chủ công nghệ, thiết kế, chế tạo, cải tiến một số bộ phận chuyên dụng của trạm ra đa biển” nhằm từng bước làm chủ công nghệ chế tạo các thiết bị của trạm ra đa biển. Sản phẩm của đề tài được sử dụng làm vật tư thay thế kịp thời duy trì hoạt động của các trạm ra đa biển hiện có, tiến tới thiết kế, chế tạo, sản xuất các khối trong hệ thống cũng như toàn hệ thống trạm hoàn chỉnh bổ sung cho mạng lưới ra đa biển gồm 25 trạm như dự kiến.

Thiết kế, chế tạo một số bộ phận chuyên dụng của trạm ra đa biển

Như chúng ta đã biết, cấu trúc của mỗi trạm ra đa biển gồm các anten phát, anten thu, các máy phát, máy thu và máy tính có kết nối internet tích hợp phần mềm phân tích dữ liệu như mô tả trên hình 1. Qua khảo sát, một số thiết bị trước mắt cần được nghiên cứu, thiết kế chế tạo phục vụ công tác đảm bảo kỹ thuật cho hoạt động của các trạm hiện có phải kể đến như Mô đun khuếch đại công suất, Bộ nguồn một chiều, Bộ hiệu chỉnh tín hiệu anten và Bộ lọc thông dải đầu vào máy phát. Cả 4 bộ phận này đều hoặc là nằm trong hoặc kết nối trực tiếp tới đầu vào, đầu ra các Bộ phát tín hiệu của trạm ra đa biển.

Thiết kế, chế tạo mô đun khuếch đại công suất phát

Mô đun khuếch đại công suất (KĐCS) có tác dụng khuếch đại các tín hiệu công suất nhỏ thành tín hiệu có công suất lớn để đưa đến anten phát xạ vào không gian. Để thiết kế mô đun KĐCS ta sử dụng các linh kiện bán dẫn mắc thành 2 tầng khuếch đại. Tầng đầu là tầng tiền khuếch đại. Tầng sau là tầng khuếch đại chính sử dụng mạch khuếch đại đẩy kéo hoặc IC khuếch đại công suất chuyên dụng. Sơ đồ chức năng của mô đun KĐCS được cho như trong hình 2.

Chỉ tiêu kỹ thuật chính của mô đun KĐCS

Tín hiệu vào (cỡ mW) sẽ đi tới bộ suy giảm cố định để suy giảm công suất tín hiệu vào đến giá trị hợp lý đưa đến đầu vào của mạch tiền khuếch đại. Tại đây, tín hiệu được khuếch đại lên công suất cao hơn (khoảng 5W đến 10W) đưa đến đầu vào tầng khuếch đại chính. Tín hiệu tại tầng khuếch đại chính sẽ được khuếch đại lên công suất lớn (công suất cực đại không nhỏ hơn 100W) đưa đến đầu ra của mô đun. Giữa các tầng khuếch đại được phối hợp trở kháng bằng đường mạch in và các linh kiện nhằm tránh tín hiệu bị suy hao, đồng thời tránh hiện tượng tín hiệu phản xạ ngược lớn sẽ làm hỏng linh kiện ở tầng tiền khuếch đại. Ngoài ra, mặt ngoài của khối còn có bộ cảm biến công suất để theo dõi nhiệt độ làm việc của khối. Hình ảnh sản phẩm của đề tài được và kết quả đo đặc tuyến hệ số khuếch đại của mô đun KĐCS được mô tả trên hình 3.

Bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát

Bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát có tác dụng phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào anten phát để công suất tín hiệu từ máy phát ra anten bị suy hao ít nhất. Đồng thời khối cũng thực hiện hiệm vụ đo công suất phát xạ, công suất phản hồi và hệ số sóng đứng trên đường truyền từ máy phát ra anten trên đồng hồ đo ở mặt trước của thiết bị.

Chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát.

Bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát được thiết kế dựa trên nguyên lý tách sóng (phần công suất được trích ra trên đường truyền) và phối hợp trở kháng vào – ra của tín hiệu. Trạm ra đa làm việc ở tần số 5.25 MHz nên việc lựa chọn đi ốt làm mạch tách sóng và các phần tử tụ điện, cuộn cảm (công suất cao và thay đổi được giá trị điện dung và điện cảm) làm mạch phối hợp trở kháng vào-ra của tín hiệu là  hợp lý. Sơ đồ chức năng của khối được cho trong hình 4.

Tín hiệu vào bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát (là tín hiệu đầu ra của máy phát) được đưa đến bộ trích công suất. Tại đây tín hiệu được trích một phần công suất để đưa đến mạch tách sóng. Sau khi qua bộ trích công suất tín hiệu được đưa đến mạch phối hợp trở kháng. Mạch phối hợp trở kháng có tác dụng phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào anten phát để giảm tổn hao của tín hiệu truyền tới anten, đồng thời tránh hiện tượng công suất tín hiệu phản hồi lớn làm hỏng máy phát. Mạch được tạo bởi 2 tụ điện và 1 cuộn cảm công suất lớn mắc hình T (các tụ điện và cuộn cảm có giá trị điện dung và điện cảm thay đổi được). Tín hiệu đầu ra mạch phối hợp trở kháng được đưa đến anten phát để phát xạ tín hiệu vào không gian.

Phần tín hiệu sau khi được trích từ bộ trích công suất được đưa đến mạch tách sóng. Trong mạch tách sóng có các đi ốt cao tần biến tín hiệu thành điện áp một chiều. Các điện áp này được so sánh với điện áp chuẩn (nhờ việc chỉnh các biến trở trong mạch) rồi đưa đến đồng hồ đo. Trên đồng hồ đo sẽ thể hiện các giá trị: Công suất phát xạ ra anten, công suất phản xạ (tổn hao do phản xạ), hệ số sóng đứng trên đường truyền. Hình ảnh của sản phẩm đề tài đang hoạt động thử nghiệm tại trạm ra đa biển Đồng Hới và kết quả kiểm tra hệ số sóng đứng cho trên hình 5.

Bộ lọc thông dải cho đầu vào bộ phát tín hiệu

Bộ lọc thông dải là bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải thông (một khoảng tần số) và loại bỏ các tần số bên ngoài dải thông đó. Bộ lọc thông dải của đề tài làm việc ở tần số trung tâm 5.25MHz nên giải pháp lựa chọn các linh kiện tụ điện và cuộn cảm (có giá trị điện dung, điện cảm cố định và chịu đựng được công suất lớn) mắc thành các mắt lọc thông thấp và thông cao nối tiếp nhau. Mắt lọc thông thấp sẽ loại bỏ thành phần có tần số lớn hơn tần số 5.25 MHz và nằm ngoài dải thông của bộ lọc cần thiết kế. Mắt lọc thông cao sẽ loại bỏ thành phần có tần số nhỏ hơn tần số 5.25 MHz và nằm ngoài dải thông của bộ lọc cần thiết kế. Như vậy tín hiệu sau khi qua hai mắt lọc thông thấp và thông cao sẽ chỉ còn thành phần có tần số nằm trong dải thông cho phép của bộ lọc dải thông (Bandpass Filter).

Chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ lọc thông dải.

Sản phẩm bộ lọc thông dải của đề tài và kết quả kiểm tra đặc tuyến suy hao được thể hiện trên hình 6.

Bộ nguồn một chiều

Bộ nguồn một chiều đảm bảo nguồn cung cấp cho các máy phát cao tần của trạm ra đa biển là bộ biến đổi AC-DC, đầu vào danh định 1 pha 220V/50Hz; đầu ra cung cấp điện áp một chiều ổn định 24V, dòng phụ tải cực đại 15A, có chức năng tự động giám sát, kiểm tra và bảo vệ. Bộ nguồn được thiết kế dạng nguồn xung công suất lớn đảm bảo hiệu suất cao và tối ưu không gian. Sơ đồ chức năng của bộ nguồn được thể hiện trên hình 7.

Chỉ tiêu kỹ thuật chính của bộ nguồn một chiều.

Hình ảnh bộ nguồn của đề tài và lắp đặt thử nghiệm sản phẩm tại trạm ra đa biển Đồng Hới – Quảng Bình được thể hiện trên hình 8.

Kết quả, kết luận

Các sản phẩm của đề tài “Nghiên cứu làm chủ công nghệ, thiết kế, chế tạo, cải tiến một số bộ phận chuyên dụng của trạm ra đa biển”  do Trung tâm Hải văn chủ trì thực hiện đã đạt được các kết quả sau:

– Các sản phẩm chế tạo trên cơ sở phân tích lý thuyết, tính toán và thiết kế đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra. Các thiết bị đã được thử nghiệm, hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm và lắp đặt trên hệ thống thu phát của trạm ra đa biển Đồng Hới – Quảng Bình, Sản phẩm tương thích với trạm thu phát hiện có, làm việc ổn định.

– Kết quả được thể hiện trên phần mềm phân tích và đánh giá dữ liệu quan trắc của trạm và mạng ra đa biển. Từ các số liệu cho thấy, các sản phẩm dạng I của đề tài hoàn toàn có thể thay thế cho các thiết bị tương ứng nguyên bản do hãng cung cấp.

Từ kết quả này cho ta thấy, công suất đầu ra duy trì ở mức thích hợp do nhà sản xuất thiết lập (đèn Forward xanh), công suất phản xạ nhỏ (đèn Reflected xanh), mô đun KĐCS làm việc hiệu suất cao, nhiệt độ tiêu hao vô ích thấp. Như vậy các sản phẩm bộ nguồn, mô đun KĐCS, bộ phối hợp trở kháng và mạch lọc thông dải đều làm việc ổn định, đảm bảo chất lượng trong các phiên thử nghiệm thực tế tại trạm ra đa biển.

Danh sách các hình vẽ

Hình 1. Cấu trúc của trạm ra đa biển

Hình 2. Sơ đồ chức năng mô đun KĐCS

Hình 3. Mô đun KĐCS và kết quả đo đặc tuyến HSKĐ

Hình 4. Sơ đồ chức năng bộ Bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát

Hình 5. Bộ phối hợp trở kháng anten – máy phát

Hình 6. Bộ lọc thông dải và kết quả đo đặc tuyến suy hao

Hình 7. Sơ đồ chức năng bộ nguồn một chiều

Hình 8. Hình ảnh bộ nguồn và lắp đặt thử nghiệm tại trạm Đồng Hới

Hình 9. Cửa sổ giám sát máy phát