Ăngten radar tầm xa (đường kính khoảng 40 m (130 ft)) được sử dụng để theo dõi các vật thể không gian và tên lửa đạn đạo

Ăngten radar phát hiện máy bay của Israel. Nó quay liên tục, quét vùng trời với một chùm sóng vô tuyến hẹp

Radar (viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Radio Amplitude Detection And Ranging; tiếng Việt: ra-da) là một hệ thống sử dụng sóng vô tuyến để xác định khoảng cách (đo cự ly), hướng (góc phương vị và góc nâng), và vận tốc hướng tâm của các vật thể so với vị trí đặt thiết bị. Đây là một phương pháp định vị vô tuyến^[1] được sử dụng để phát hiện và theo dõi máy bay, tàu thủy, tàu vũ trụ, tên lửa có điều khiển, phương tiện cơ giới, các khối mây thời tiết và địa hình. Thuật ngữ RADAR được Hải quân Hoa Kỳ đặt ra vào năm 1940 dưới dạng một từ viết tắt từ chữ đầu của "radio detection and ranging" (phát hiện và đo cự ly bằng sóng vô tuyến).^{[2][3][4][5][6]} Thuật ngữ radar từ đó đã đi vào tiếng Anh và các ngôn ngữ khác như một danh từ thông thường, mất đi toàn bộ việc viết hoa.

Một hệ thống radar bao gồm một máy phát tạo ra sóng điện từ trong dải sóng vô tuyến hoặc vi ba, một ăng-ten phát, một ăng-ten thu (thường sử dụng chung một ăng-ten cho cả phát và thu), cùng một máy thu và bộ xử lý để xác định tính chất của các vật thể. Sóng vô tuyến (xung hoặc liên tục) từ máy phát phản xạ từ các vật thể và quay trở lại máy thu, cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ của các vật thể đó. Thiết bị này được phát triển bí mật cho mục đích quân sự bởi một số quốc gia trong giai đoạn trước và trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Một bước phát triển then chốt là Magnetron tại Vương quốc Anh, cho phép tạo ra các hệ thống tương đối nhỏ gọn với độ phân giải dưới một mét.

Các ứng dụng hiện đại của radar rất đa dạng, bao gồm kiểm soát không lưu và giao thông đường bộ, thiên văn radar, các hệ thống phòng không, hệ thống chống tên lửa, radar hàng hải để xác định các mốc địa giới và các tàu khác, hệ thống chống va chạm máy bay, hệ thống giám sát đại dương, hệ thống giám sát và ghép nối trong không gian, theo dõi lượng mưa khí tượng, viễn thám radar, đo độ cao và hệ thống điều khiển bay, hệ thống định vị mục tiêu cho tên lửa có điều khiển, ô tô tự lái, và radar xuyên đất cho các quan sát địa chất.^[7]:604 Các hệ thống radar công nghệ cao hiện đại sử dụng xử lý tín hiệu số và học máy, có khả năng trích xuất thông tin hữu ích từ các mức nhiễu rất cao.

Các hệ thống khác tương tự như radar sử dụng các vùng khác của phổ điện từ. Một ví dụ là Lidar, chủ yếu sử dụng ánh sáng hồng ngoại từ laser thay vì sóng vô tuyến. Với sự xuất hiện của các phương tiện không người lái, radar dự kiến sẽ hỗ trợ nền tảng tự động giám sát môi trường xung quanh, từ đó ngăn ngừa các sự cố không mong muốn.^[8]

Ngay từ năm 1886, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz đã chứng minh rằng sóng vô tuyến có thể phản xạ từ các vật thể rắn. Năm 1895, Alexander Stepanovich Popov, một giảng viên vật lý tại trường Hải quân Đế quốc Nga ở Kronstadt, đã phát triển một thiết bị sử dụng ống Coherer để phát hiện các đợt sét đánh ở xa. Năm sau, ông bổ sung thêm một máy phát khe lửa điện. Năm 1897, trong khi thử nghiệm thiết bị này để liên lạc giữa hai tàu ở Biển Baltic, ông đã nhận thấy hiện tượng sóng phách gây ra bởi sự di chuyển của một con tàu thứ ba. Trong báo cáo của mình, Popov đã viết rằng hiện tượng này có thể được sử dụng để phát hiện các vật thể, nhưng ông không phát triển thêm quan sát này.^[9]

Nhà sáng chế người Đức Christian Hülsmeyer là người đầu tiên sử dụng sóng vô tuyến để phát hiện sự hiện diện của các vật thể kim loại ở xa. Năm 1904, ông đã chứng minh tính khả thi của việc phát hiện một con tàu trong sương mù dày đặc, dù chưa xác định được khoảng cách từ tàu tới máy phát.^[10] Ông nhận được một bằng sáng chế^[11] cho thiết bị phát hiện này vào tháng 4 năm 1904 và sau đó là bằng sáng chế bổ sung^[12] cho cải tiến ước tính khoảng cách tới con tàu. Ông cũng nhận được bằng sáng chế của Anh vào ngày 23 tháng 9 năm 1904^[13] cho hệ thống radar hoàn chỉnh mang tên telemobiloscope. Hệ thống hoạt động ở bước sóng 50 cm, tạo tín hiệu radar dạng xung qua khe lửa điện và sử dụng thiết lập ăng-ten kinh điển gồm ăng-ten loa với chảo phản xạ parabol. Dù được trình diễn cho các quan chức quân sự Đức trong các bài thử nghiệm thực tế tại Köln và cảng Rotterdam, thiết bị vẫn bị từ chối.^[14]

Năm 1915, Robert Watson-Watt đã sử dụng công nghệ vô tuyến để cảnh báo sớm dông bão cho các phi công^[15] và đến thập niên 1920, ông tiếp tục lãnh đạo cơ sở nghiên cứu của Anh đạt nhiều tiến bộ trong kỹ thuật vô tuyến, bao gồm thăm dò tầng điện ly và phát hiện sét ở cự ly xa. Qua các thử nghiệm với sét, Watson-Watt trở thành chuyên gia về định vị bằng sóng vô tuyến trước khi chuyển sang nghiên cứu truyền sóng ngắn. Cần một máy thu phù hợp, ông giao cho tân binh Arnold Frederic Wilkins đánh giá diện rộng các thiết bị sóng ngắn hiện có. Wilkins đã chọn một mô hình của Sở Bưu điện Anh sau khi chú ý đến mô tả trong sách hướng dẫn về hiện tượng "fading" (suy hao tín hiệu) khi máy bay bay qua đầu.

Năm 1922, bằng cách đặt máy phát và máy thu ở hai bên bờ đối diện sông Potomac, hai nhà nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ là A. Hoyt Taylor và Leo C. Young phát hiện ra rằng các con tàu đi qua đường truyền sóng làm tín hiệu thu được bị suy giảm chập chờn. Taylor gửi báo cáo gợi ý dùng hiện tượng này để phát hiện tàu thuyền trong điều kiện tầm nhìn kém, nhưng Hải quân không triển khai ngay. Tám năm sau, Lawrence A. Hyland tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ (NRL) quan sát thấy hiệu ứng suy giảm tương tự khi máy bay bay qua. Phát hiện này dẫn đến một đơn đăng ký bằng sáng chế^[16] và đề xuất nghiên cứu chuyên sâu về tín hiệu dội vô tuyến từ mục tiêu di động tại NRL, nơi Taylor và Young làm việc lúc đó.^[17]

Tương tự tại Anh, L. S. Alder đã đăng ký một bằng sáng chế bí mật tạm thời cho radar hải quân vào năm 1928.^[18] W. A. S. Butement và P. E. Pollard đã phát triển một mô hình thử nghiệm hoạt động ở bước sóng 50 cm (600 MHz) sử dụng điều chế xung và đạt kết quả tốt trong phòng thí nghiệm. Tháng 1 năm 1931, bản mô tả thiết bị được ghi vào cuốn Inventions Book của Công binh Hoàng gia. Đây là bản ghi chính thức đầu tiên tại Anh về công nghệ phòng thủ bờ biển, về sau được tích hợp vào hệ thống Chain Home dưới dạng Chain Home tầm thấp.^[19][20]

Trước Chiến tranh thế giới thứ hai, nghiên cứu về radar đã được tiến hành tại Vương quốc Anh, Hoa Kỳ, Pháp, Đức Quốc xã, Ý, Nhật Bản, Liên Xô và Hà Lan.^[21][22]

Tại Pháp vào năm 1934, sau các nghiên cứu có hệ thống về magnetron anốt tách, bộ phận nghiên cứu của hãng Compagnie générale de la télégraphie sans fil (CSF) do Maurice Ponte đứng đầu cùng các kỹ sư Henri Gutton, Sylvain Berline và M. Hugon đã bắt đầu phát triển thiết bị vô tuyến định vị vật cản. Một số bộ phận của thiết bị này đã được lắp đặt trên tàu chở khách SS Normandie vào năm 1935.^[23][24]

Cùng thời gian đó, kỹ sư quân sự Xô viết P. K. Oshchepkov hợp tác với Viện Kỹ thuật Điện Leningrad chế tạo thiết bị thử nghiệm RAPID, có khả năng phát hiện máy bay trong phạm vi 3 km. Liên Xô sản xuất các trạm radar thương mại đầu tiên là RUS-1 và RUS-2 Redut vào năm 1939, nhưng quá trình phát triển bị gián đoạn do Oshchepkov bị bắt và đưa vào trại Gulag. Chỉ có 607 trạm Redut được sản xuất trong chiến tranh. Radar trên máy bay đầu tiên của Liên Xô, Gneiss-2, đưa vào trang bị tháng 6 năm 1943 trên máy bay ném bom bổ nhào Pe-2 với hơn 230 trạm xuất xưởng tính đến cuối năm 1944.^[25] Dù vậy, hệ thống của Pháp và Liên Xô chủ yếu hoạt động theo sóng liên tục nên hiệu suất chưa đạt đến mức của radar hiện đại.

Radar hoàn chỉnh phát triển dưới dạng hệ thống xung, với thiết bị sơ khai đầu tiên do nhà khoa học Mỹ Robert M. Page trình diễn vào tháng 12 năm 1934 tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ.^[26] Năm 1935, Lục quân Hoa Kỳ thử nghiệm thành công radar mặt đất sơ khai dùng để hướng đèn chiếu pháo bờ biển vào ban đêm.^[27] Nối tiếp thiết kế này là hệ thống xung do Rudolf Kühnhold và công ty GEMA trình diễn tại Đức vào tháng 5 năm 1935, cùng một hệ thống khác do nhóm nghiên cứu thuộc Bộ Không quân Anh của Robert Watson-Watt thực hiện vào tháng 6 năm 1935.

Năm 1935, khi được yêu cầu đánh giá báo cáo về một loại tia chết chóc bằng vô tuyến của Đức, Watson-Watt đã chuyển cho Wilkins tính toán. Wilkins chứng minh hệ thống đó là bất khả thi, đồng thời nhắc lại hiện tượng máy bay gây nhiễu sóng vô tuyến. Phát hiện này dẫn đến Thí nghiệm Daventry vào ngày 26 tháng 2 năm 1935, sử dụng máy phát sóng ngắn công suất lớn của BBC làm nguồn phát và máy thu GPO đặt trên cánh đồng để theo dõi một máy bay ném bom. Việc phát hiện thành công chiếc máy bay đã thuyết phục Hugh Dowding, Ủy viên Không quân phụ trách Cung ứng và Nghiên cứu, lập tức cấp kinh phí phát triển tiếp.^[28] Nhóm của Watson-Watt sau đó đã được cấp bằng sáng chế GB593017 cho thiết bị này.^[29][30][31]

Nghiên cứu radar mở rộng mạnh mẽ từ năm 1936 khi Watson-Watt trở thành giám đốc Trạm Nghiên cứu Bawdsey tại Bawdsey Manor (Felixstowe, Suffolk) thuộc Bộ Không quân Anh. Cơ sở này đã thiết kế và lắp đặt mạng lưới trạm phát hiện, theo dõi máy bay Chain Home dọc bờ biển phía đông và phía nam nước Anh trước khi Chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ năm 1939. Mạng lưới này cung cấp thông tin cảnh báo sớm then chốt giúp Không quân Hoàng gia Anh chiến thắng trong Trận Không chiến nước Anh mà không cần duy trì liên tục lực lượng tiêm kích túc trực trên không. Radar trở thành một phần cốt lõi của Hệ thống Dowding giúp thu thập báo cáo và phối hợp phản công.^[22]:49-64

Được đầu tư kinh phí toàn diện, nhóm nghiên cứu hoàn thiện các hệ thống radar hoạt động từ năm 1935. Đến năm 1936, 5 trạm Chain Home (CH) đầu tiên đi vào vận hành và đến năm 1940 mạng lưới này đã bao phủ toàn bộ Vương quốc Anh, bao gồm cả Bắc Ireland. Dù còn thô sơ so với tiêu chuẩn thời đó (phát tín hiệu phủ rộng toàn bộ vùng không phận phía trước rồi dùng thiết bị định vị vô tuyến xác định hướng sóng dội về thay vì dùng ăng-ten định hướng), CH lại cho phép triển khai nhanh chóng nhờ tận dụng các công nghệ sẵn có.

Một bước tiến then chốt là sự ra đời của magnetron tại Anh, cho phép tạo ra các hệ thống tương đối nhỏ gọn với độ phân giải dưới một mét. Anh đã chia sẻ công nghệ này với Mỹ trong Sứ mệnh Tizard năm 1940.^[32][33]

Tháng 4 năm 1940, tạp chí Popular Science đăng tải bài viết về phòng không có giới thiệu thiết bị radar sử dụng bằng sáng chế của Watson-Watt.^[34] Cuối năm 1941, Popular Mechanics đăng bài viết của một nhà khoa học Mỹ suy đoán và mô tả tương đối chính xác hệ thống cảnh báo sớm ở bờ biển phía đông nước Anh.^{[35][không khớp với nguồn]} Sau Trận Trân Châu Cảng, Watson-Watt sang Mỹ tư vấn về phòng không.^[36] Alfred Lee Loomis thành lập Phòng thí nghiệm Bức xạ MIT bí mật tại Viện Công nghệ Massachusetts (Cambridge, Massachusetts), nơi phát triển công nghệ radar vi ba giai đoạn 1941–1945. Đến năm 1943, Page cải tiến mạnh mẽ radar bằng radar đơn xung, công nghệ được áp dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ sau đó.^[37]

Chiến tranh đã thúc đẩy nghiên cứu nâng cao độ phân giải, tính cơ động và tính năng của radar. Nhiều hệ thống nhỏ gọn được phát triển cho tiêm kích ban đêm (radar đánh chặn không đối không) và máy bay tuần tra biển (radar không đối hải), cùng các hệ thống dẫn đường hỗ trợ như Oboe dùng cho lực lượng dẫn đường của Không quân Hoàng gia Anh.

Thông tin do radar cung cấp bao gồm góc phương vị và khoảng cách (nhờ đó xác định được vị trí) của vật thể so với thiết bị quét. Do đó, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mà việc xác định vị trí đóng vai trò then chốt. Ứng dụng đầu tiên của radar là phục vụ quân sự: phát hiện các mục tiêu trên không, trên mặt đất và trên biển. Về sau, ứng dụng này mở rộng sang lĩnh vực dân sự, trang bị cho máy bay, tàu thủy và ô tô.^[38][39]

Trong hàng không, máy bay có thể trang bị các thiết bị radar giúp cảnh báo vật cản hoặc phương tiện khác trên đường bay, hiển thị thông tin thời tiết và đo độ cao chính xác. Thiết bị radar thương mại đầu tiên lắp đặt trên máy bay do hãng Bell Labs sản xuất vào năm 1938, sử dụng trên một số máy bay của hãng United Airlines.^[35] Máy bay có thể hạ cánh trong sương mù tại các sân bay trang bị hệ thống hạ cánh kiểm soát từ mặt đất, trong đó kíp vận hành theo dõi vị trí máy bay trên màn hình radar tiếp cận chính xác rồi phát chỉ dẫn qua vô tuyến để dẫn đường cho phi công tiếp cận đường băng. Máy bay tiêm kích quân sự thường trang bị radar chỉ thị mục tiêu không đối không để phát hiện và bám bắt máy bay đối phương. Ngoài ra, các máy bay quân sự chuyên dụng cỡ lớn mang radar trên không công suất cao giúp kiểm soát không phận rộng lớn và dẫn đường cho máy bay tiêm kích hướng về mục tiêu.^[40]

Radar hàng hải được dùng để đo góc phương vị và khoảng cách nhằm tránh va chạm giữa các tàu, đồng thời hỗ trợ định vị khi tàu hoạt động gần bờ hoặc quanh các điểm mốc cố định như hòn đảo, phao tiêu và tàu hải đăng. Tại các cảng biển, hệ thống radar quản lý giao thông hàng hải giúp giám sát và điều tiết luồng tàu thuyền qua lại đông đúc.^[41]

Các nhà khí tượng học dùng radar để theo dõi lượng mưa và hướng gió. Đây là công cụ cốt lõi trong dự báo thời tiết ngắn hạn và cảnh báo thời tiết cực đoan như dông, lốc xoáy, bão tuyết và các dạng lượng mưa khác. Các nhà địa chất sử dụng radar xuyên đất chuyên dụng để lập bản đồ cấu trúc vỏ Trái Đất. Cảnh sát giao thông dùng súng radar để kiểm soát tốc độ phương tiện. Radar trên ô tô phục vụ hệ thống kiểm soát hành trình thích ứng và phanh khẩn cấp tự động bằng cách bỏ qua vật thể cố định ven đường (tránh phanh nhầm) và tập trung đo đạc vật thể di động để ngừa va chạm. Thuộc Hệ thống giao thông thông minh, radar phát hiện phương tiện dừng cố định (SVD) lắp ven đường đảo ngược cơ chế này, tức bỏ qua vật thể di động để phát hiện xe gặp sự cố, chướng ngại vật hay mảnh vỡ trên đường.^[42] Các hệ thống radar nhỏ hơn được ứng dụng trong cảm biến chuyển động con người, như theo dõi nhịp thở để giám sát giấc ngủ^[43] hay nhận dạng cử chỉ bàn tay và ngón tay tương tác với máy tính.^[44] Ngoài ra, radar cũng tích hợp phổ biến trong hệ thống cửa tự động, đèn cảm ứng và thiết bị chống trộm.

Một hệ thống radar có một máy phát phát ra sóng vô tuyến được gọi là tín hiệu radar theo các hướng định sẵn. Khi các tín hiệu này tiếp xúc với một vật thể, chúng thường bị phản xạ hoặc tán xạ theo nhiều hướng, dù một số tín hiệu sẽ bị hấp thụ và xuyên vào bên trong mục tiêu.^[45] Tín hiệu radar phản xạ đặc biệt tốt bởi các vật liệu có độ dẫn điện đáng kể, như hầu hết các kim loại, nước biển và đất ướt. Điều này làm cho việc sử dụng các radar đo độ cao trở nên khả thi trong một số trường hợp nhất định. Các tín hiệu radar phản xạ trở lại máy thu là những tín hiệu hữu ích giúp radar phát hiện mục tiêu. Nếu vật thể di chuyển lại gần hoặc ra xa máy phát, sẽ xuất hiện sự thay đổi nhỏ về tần số của sóng vô tuyến do Hiệu ứng Doppler.

Các máy thu radar thường (nhưng không phải luôn luôn) nằm cùng vị trí với máy phát. Các tín hiệu radar phản xạ do ăng-ten thu bắt được thường rất yếu. Chúng có thể được khuếch đại bằng các bộ khuếch đại điện tử. Các phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp hơn cũng được sử dụng để khôi phục các tín hiệu radar hữu ích.

Sự hấp thụ yếu sóng vô tuyến của môi trường truyền qua cho phép các bộ radar phát hiện các vật thể ở cự ly tương đối xa, nơi các bước sóng điện từ khác, chẳng hạn như ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng tử ngoại, bị suy giảm quá mạnh. Các hiện tượng thời tiết như sương mù, mây, mưa, tuyết rơi và mưa tuyết vốn làm cản trở ánh sáng nhìn thấy thì thường trong suốt đối với sóng vô tuyến. Một số tần số vô tuyến nhất định bị hấp thụ hoặc tán xạ bởi hơi nước, hạt mưa hoặc các khí trong khí quyển (đặc biệt là oxy) thường được tránh khi thiết kế radar, trừ khi mục đích của thiết bị là để phát hiện chúng.

Radar dựa vào sự truyền tín hiệu của chính nó thay vì ánh sáng từ Mặt Trời hoặc Mặt Trăng, hay từ các sóng điện từ do chính các vật thể mục tiêu phát ra, chẳng hạn như bức xạ hồng ngoại (nhiệt). Quá trình hướng sóng vô tuyến nhân tạo về phía các vật thể này được gọi là chiếu sáng, mặc dù sóng vô tuyến vô hình đối với mắt người cũng như các camera quang học.

Nếu sóng điện từ đang truyền qua một vật liệu này gặp một vật liệu khác có hằng số điện môi hoặc hằng số nghịch từ khác với vật liệu ban đầu, sóng sẽ phản xạ hoặc tán xạ từ ranh giới giữa các vật liệu. Điều này có nghĩa là một vật thể rắn trong không khí hoặc trong Chân không, hoặc một sự thay đổi đáng kể về mật độ nguyên tử giữa vật thể và môi trường xung quanh, thường sẽ làm tán xạ sóng radar (vô tuyến) từ bề mặt của nó. Điều này đặc biệt đúng đối với các vật liệu dẫn điện như kim loại và sợi carbon, giúp radar rất phù hợp để phát hiện máy bay và tàu thủy. Vật liệu hấp thụ radar, chứa các chất trở kháng và đôi khi là từ tính, được sử dụng trên các phương tiện quân sự để giảm phản xạ radar. Đây là thuật ngữ vô tuyến tương đương với việc sơn một vật bằng màu tối để mắt thường không nhìn thấy vào ban đêm.

Sóng radar tán xạ theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào kích thước (bước sóng) của sóng vô tuyến và hình dạng của mục tiêu. Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước mục tiêu, sóng sẽ nảy ra tương tự như cách ánh sáng phản xạ qua gương. Nếu bước sóng dài hơn nhiều so với kích thước mục tiêu, mục tiêu có thể không nhìn thấy được do phản xạ kém. Công nghệ radar tần số thấp phụ thuộc vào sự cộng hưởng để phát hiện, nhưng không thể định danh mục tiêu. Điều này được mô tả bởi tán xạ Rayleigh, một hiệu ứng tạo ra bầu trời xanh và hoàng hôn đỏ của Trái Đất. Khi hai quy mô độ dài tương đương nhau, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Các radar thời kỳ đầu sử dụng bước sóng rất dài, lớn hơn kích thước mục tiêu nên nhận được tín hiệu mờ nhạt, trong khi nhiều hệ thống hiện đại sử dụng bước sóng ngắn hơn (một vài cm hoặc ít hơn) có thể tạo hình ảnh các vật thể nhỏ như một ổ bánh mì.

Sóng vô tuyến ngắn phản xạ từ các đường cong và góc tương tự như ánh sáng lóe lên từ một mảnh thủy tinh tròn. Các mục tiêu phản xạ tốt nhất đối với bước sóng ngắn có các góc 90° giữa các bề mặt phản xạ. Một bộ phản xạ góc bao gồm ba bề mặt phẳng gặp nhau giống như góc bên trong của một hình lập phương. Cấu trúc này sẽ phản xạ các sóng đi vào cửa mở của nó trực tiếp trở lại nguồn phát. Chúng thường được sử dụng làm các bộ phản xạ radar để giúp các vật thể vốn khó phát hiện trở nên dễ nhận biết hơn. Ví dụ, các bộ phản xạ góc trên thuyền giúp chúng dễ bị phát hiện hơn để tránh va chạm hoặc trong quá trình cứu hộ. Vì những lý do tương tự, các phương tiện cần tránh bị phát hiện sẽ không có các góc bên trong hoặc các bề mặt và cạnh vuông góc với các hướng phát hiện có thể xảy ra, khiến các máy bay tàng hình có hình dáng kỳ lạ. Những biện pháp phòng ngừa này không loại bỏ hoàn toàn sự phản xạ do hiện tượng nhiễu xạ, đặc biệt là ở bước sóng dài hơn. Các dây dẫn hoặc dải vật liệu dẫn điện dài bằng một nửa bước sóng, chẳng hạn như mảnh nhiễu, phản xạ rất mạnh nhưng không hướng năng lượng tán xạ trở lại nguồn phát. Mức độ mà một vật thể phản xạ hoặc tán xạ sóng vô tuyến được gọi là diện tích phản xạ hiệu dụng của nó.

Công suất P_r trở lại ăng-ten thu được cho bởi phương trình:

${\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}$

trong đó

• P_t = công suất máy phát
• G_t = độ lợi của ăng-ten phát
• A_r = diện tích hiệu dụng của ăng-ten thu; điều này cũng có thể được biểu diễn dưới dạng ${\displaystyle {G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }}$, trong đó

• ${\displaystyle \lambda }$ = bước sóng phát
• G_r = độ lợi của ăng-ten thu^[45]:4-6

• σ = diện tích phản xạ hiệu dụng, hoặc hệ số tán xạ, của mục tiêu
• F = yếu tố truyền mô hình (pattern propagation factor)
• R_t = khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu
• R_r = khoảng cách từ mục tiêu đến máy thu.

Trong trường hợp phổ biến khi máy phát và máy thu ở cùng một vị trí, R_t = R_r và thuật ngữ R_t² R_r² có thể được thay thế bằng R⁴, trong đó R là khoảng cách (cự ly). Điều này cho ra:

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.}$

Điều này chỉ ra rằng công suất nhận được giảm theo lũy thừa bậc bốn của khoảng cách, nghĩa là công suất nhận được từ các mục tiêu ở xa là tương đối rất nhỏ.

Việc lọc bổ sung và tích hợp xung sẽ sửa đổi nhẹ phương trình radar đối với hiệu suất của radar Pulse-Doppler, có thể được sử dụng để tăng cự ly phát hiện và giảm công suất phát.

Phương trình trên với F = 1 là một sự đơn giản hóa cho việc truyền trong chân không không có nhiễu.^[7] Yếu tố truyền tính đến các ảnh hưởng của đa đường và che khuất, đồng thời phụ thuộc vào chi tiết của môi trường. Trong tình huống thực tế, các ảnh hưởng của suy hao đường truyền cũng được xem xét.

Đặc trưng vật lý cho khả năng mà một vật phản xạ hay tán xạ sóng radio là diện tích phản xạ hiệu dụng.

Sóng điện từ phản xạ (tán xạ) từ các bề mặt nơi có sự thay đổi lớn về hằng số điện môi hay hằng số nghịch từ. Có nghĩa là một chất rắn trong không khí hay chân không, hoặc một sự thay đổi nhất định trong mật độ nguyên tử của vật thể với môi trường ngoài, sẽ phản xạ sóng radar. Điều đó đặc biệt đúng với các vật liệu dẫn điện như kim loại hay sợi cacbon, làm cho radar đặc biệt thích hợp để định vị các máy bay hay tàu thuyền. Các vật liệu hấp thụ radar, gồm có các chất có điện trở và có từ tính, dùng trong các thiết bị quân sự để giảm sự phản xạ radar, giúp cho chúng khó bị phát hiện hơn trên màn radar. Phương pháp trong kỹ thuật sóng vô tuyến này tương đương với việc sơn vật thể bằng các màu tối trong sóng ánh sáng.

Sóng radar tán xạ theo nhiều cách phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước của vật thể tán xạ với bước sóng của sóng radio và hình dạng của vật. Nếu bước sóng ngắn hơn nhiều so với kích thước vật, tia sóng sẽ dội lại tương tự như tia sáng phản chiếu trên gương. Nếu như bước sóng lớn hơn so với kích thước vật, vật thể sẽ bị phân cực, giống như một ăngten phân cực. Điều này được miêu tả trong hiện tượng tán xạ Rayleigh (một hiệu ứng làm bầu trời có màu xanh lam). Khi 2 tia có cùng cường độ thì có hiện tượng cộng hưởng. Bước sóng radar càng ngắn thì độ phân giải hình ảnh trên màn radar càng rõ. Tuy nhiên các sóng radar ngắn cần nguồn năng lượng cao và định hướng, ngoài ra chúng dễ bị hấp thụ bởi vật thể nhỏ (như mưa và sương mù....), không dễ dàng đi xa như sóng có bước sóng dài. Các radar thế hệ đầu tiên dùng sóng có bước sóng lớn hơn mục tiêu và nhận được tia phản hồi có độ phân giải thấp đến mức không nhận diện được, trái lại các hệ thống hiện đại sử dụng sóng ngắn hơn (vài xentimét hay ngắn hơn) có thể họa lại hình ảnh một vật nhỏ như bát cơm hay nhỏ hơn.

Sóng radio phản xạ từ bề mặt cong hay có góc cạnh, tương tự như tia sáng phản chiếu từ gương cầu. Ví dụ, đối với tia sóng radio ngắn, hai bề mặt tạo nhau một góc 90° sẽ có khả năng phản chiếu mạnh. Cấu trúc bao gồm 3 mặt phẳng gặp nhau tại 1 góc, như là góc của hình hộp vuông, luôn phản chiếu tia tới trực tiếp trở lại nguồn. Thiết kế này áp dụng cho vật phản chiếu góc dùng làm vật phản chiếu với mục đích làm các vật khó tìm trở nên dễ dàng định dạng, thường tìm thấy trên tàu để tăng sự dò tìm trong tình huống cứu nạn và giảm va chạm. Cùng một lý do đó, để tránh việc bị phát hiện, người ta có thể làm cho các bề mặt có độ cong thích hợp để giảm các góc trong và tránh bề mặt và góc vuông góc với hướng định vị. Các thiết kế kiểu này thường dẫn đến hình dạng kỳ lạ của các máy bay tàng hình. Các thận trọng như thế không hoàn toàn loại bỏ sự phản xạ gây ra bởi sự nhiễu xạ, đặc biệt với các bước sóng dài. Để giảm hơn nữa tín hiệu phản xạ, các máy bay tàng hình có thể tung ra thêm các mảnh kim loại dẫn điện có chiều dài bằng nửa bước sóng, gọi là các miếng nhiễu xạ, có tính phản xạ cao nhưng không trực tiếp phản hồi năng lượng trở lại nguồn.

Sự phân cực thể hiện hướng dao động của sóng; với sóng điện từ, mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa vector dao động từ trường. Radar sử dụng sóng radio được phân cực ngang, phân cực dọc, và phân cực tròn tùy theo từng ứng dụng cụ thể để định vị tốt hơn các loại phản xạ. Ví dụ, phân cực tròn dùng để làm giảm thiểu độ nhiễu xạ tạo bởi mưa. Sóng phản xạ bị phân cực phẳng thường cho biết sóng được dội lại từ bề mặt kim loại, và giúp radar tìm kiếm vượt trở ngại mưa. Các sóng radar có tính phân cực ngẫu nhiên thường là cho biết bề mặt phản xạ như đất đá, và được sử dụng bằng radar cho tàu bè.

Hệ thống radar phải vượt qua một số nguồn sóng khác để tập trung trên mục tiêu thật sự. Các sóng làm nhiễu bắt nguồn từ các nguồn bên trong và bên ngoài, gồm chủ động và bị động. Khả năng vượt qua các sóng không mong đợi được định nghĩa là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio hay SNR). Trong cùng một môi trường nhiễu, tỉ số SNR càng lớn, thì hệ thống radar càng dễ định vị vật.

Sóng nhiễu luôn được phát ra kèm theo tín hiệu từ nội nguồn của sóng, thường gây ra bởi thiết kế điện tử không thực sự đồng bộ sử dụng các linh kiện điện tử chưa tối ưu. Nhiễu chủ yếu xuất hiện như là sóng dội nhận được từ đầu thu vào thời điểm thật sự không có sóng radar nào được nhận. Vì thế, hầu hết các nhiễu đều xuất hiện ở đầu thu và các nỗ lực để giảm thiểu yếu tố này tập trung trong thiết kế đầu thu. Để lượng hóa độ nhiễu, người ta đưa ra chỉ số nhiễu, là tỷ số giữa cường độ sóng nhiễu thu được trên đầu nhận so với một đầu nhận lý tưởng. Chỉ số này cần được giảm thiểu.

• Tiếng vọng hình móc

• Tư liệu liên quan tới Radar tại Wikimedia Commons
• Công nghệ Radar
• Bộ môn Radar, Học viện Kỹ thuật Quân sự