Bọt dày gây nhiễu phản xạ radar theo 5 cơ chế vật lý chính, phụ thuộc vào tần số sóng, cấu trúc bọt và hằng số điện môi. Dưới đây là phân tích chi tiết từ góc độ vật lý sóng điện từ.
1. Tán xạ Rayleigh và Mie
Tán xạ Rayleigh (bong bóng << bước sóng):
-
Xảy ra khi kích thước bong bóng khí nhỏ hơn nhiều so với bước sóng radar
-
Cường độ tán xạ tỷ lệ với λ⁻⁴, có nghĩa là tần số cao (80 GHz) bị tán xạ mạnh hơn tần số thấp (6 GHz)
-
Năng lượng bị “phân tán” theo mọi hướng thay vì phản xạ trực tiếp về cảm biến
Tán xạ Mie (bong bóng ≈ bước sóng):
-
Khi kích thước bong bóng tương đương bước sóng, xuất hiện tán xạ Mie phức tạp
-
Tạo ra các “điểm nóng” phản xạ không đồng đều
-
Gây dao động tín hiệu khi bọt thay đổi cấu trúc
2. Suy hao do hấp thụ điện môi
Hấp thụ do nước trong bọt:
-
Bọt chứa nước có hằng số điện môi cao (εᵣ ≈ 81) và độ dẫn điện đáng kể
-
Sóng radar bị chuyển hóa thành nhiệt khi đi qua môi trường có nước
-
Tần số cao (80 GHz) bị hấp thụ mạnh hơn do tương tác với phân tử nước
Công thức suy hao:
α = 2π/λ × Im(√εᵣ)
-
Với bọt ẩm: εᵣ cao → α lớn → suy hao mạnh
-
Với bọt khô: εᵣ thấp → α nhỏ → ít suy hao
3. Phản xạ từ nhiều lớp (Multiple Reflection)
Cơ chế “ping-pong”:
-
Sóng radar bị phản xạ qua lại giữa các bong bóng và mặt phân cách khí-lỏng
-
Mỗi lần phản xạ làm mất một phần năng lượng
-
Tạo ra “nhiễu nền” che lấp tín hiệu thực từ mặt chất lỏng
Độ sâu xuyên thủng:
-
6 GHz: xuyên sâu hơn nhờ suy hao thấp
-
80 GHz: bị “mắc kẹt” ở lớp bọt trên do suy hao cao
4. Hiệu ứng giao diện điện môi
Phản xạ Fresnel:
-
Tại mỗi giao diện khí-nước: R = |(√ε₁ – √ε₂)/(√ε₁ + √ε₂)|²
-
Khí (εᵣ = 1) và nước (εᵣ = 81) tạo hệ số phản xạ cao ≈ 0.8
-
Càng nhiều giao diện → càng nhiều phản xạ cục bộ
Gradient điện môi:
-
Bọt tạo ra gradient điện môi liên tục từ εᵣ ≈ 1 (khí) đến εᵣ ≈ 81 (nước)
-
Gây khúc xạ và làm lệch hướng truyền sóng
-
Tín hiệu không quay trở lại đúng hướng cảm biến
5. Hiệu ứng tần số đặc trưng
80 GHz (bước sóng ~3.75 mm):
-
Bong bóng 1-10 mm → regime tán xạ Mie mạnh
-
Hấp thụ cao do nước → suy hao nhanh trong bọt dày
-
Phản xạ chủ yếu từ bề mặt bọt, khó “nhìn xuyên” xuống đáy
6 GHz (bước sóng ~50 mm):
-
Bong bóng << bước sóng → tán xạ Rayleigh yếu hơn
-
Hấp thụ thấp → xuyên thủng bọt tốt hơn
-
Có thể phát hiện mặt chất lỏng thực bên dưới bọt
Ví dụ thực tế
Bọt tẩy rửa dày 50 cm:
-
80 GHz: 90% năng lượng bị tán xạ/hấp thụ trong 10 cm đầu
-
6 GHz: 60% năng lượng vẫn xuyên qua được đến mặt chất lỏng
Bọt bia/foam protein:
-
Chứa protein → tăng độ dẫn điện → hấp thụ mạnh hơn
-
Cấu trúc bong bóng nhỏ đặc → tán xạ Rayleigh/Mie phức tạp
Giải pháp kỹ thuật
Tối ưu thuật toán:
-
Tăng thời gian trung bình hóa (averaging) để giảm nhiễu tán xạ
-
Sử dụng multiple-echo tracking để theo dõi mặt chất lỏng qua bọt
-
Điều chỉnh threshold detection dựa trên đặc tính bọt
Lựa chọn tần số:
-
Bọt mỏng/nhẹ: 80 GHz tận dụng độ chính xác cao
-
Bọt dày/ẩm: 6 GHz hoặc chuyển sang radar sóng dẫn hướng (GWR)
Kết luận: Bọt dày gây nhiễu radar qua tán xạ đa hướng, hấp thụ điện môi, phản xạ nhiều lớp và gradient điện môi, với tác động mạnh nhất ở tần số cao do tương tác sóng-vật chất tăng theo f². Việc hiểu rõ các cơ chế này giúp tối ưu lựa chọn công nghệ và thuật toán xử lý tín hiệu phù hợp.
