www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Darbe Radarı

Canlandırma:
Bir elektromanyetik darbe (ışık hızıyla) antenden uçan bir hedefe doğru hareket eder. Hedeften enerji yansır ve aynı hızla geriye döner ve anten tarafından alınır. Bu olay bir ekranda eşzamanlı bir ışık lekesi olarak görüntülenir. Yankı işaretinin alım zamanı bir yankı darbesi olarak kaydedilir. Gönderim darbesine göre yankı darbeleri arasındaki zaman aralığı menzile orantılıdır.

Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.)

Gönderim darbesi
Yankı işaretli

Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.)

Duvar Kağıdı Canlandırma:
Bir elektromanyetik darbe (ışık hızıyla) antenden uçan bir hedefe doğru hareket eder. Hedeften enerji yansır ve aynı hızla geriye döner ve anten tarafından alınır. Bu olay bir ekranda eşzamanlı bir ışık lekesi olarak görüntülenir. Yankı işaretinin alım zamanı bir yankı darbesi olarak kaydedilir. Gönderim darbesine göre yankı darbeleri arasındaki zaman aralığı menzile orantılıdır.

Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.)

Darbe Radarı

Gönderim darbesi
Yankı işareti
τ
Τ

Resim 2: Bir darbe radarının yürütme zamanı akışı

Gönderim darbesi
Yankı işareti
τ
Τ

Resim 2: Bir darbe radarının yürütme zamanı akışı

Darbe radarı kısa süreli ve yüksek güçlü darbelerin yollandığı ve gönderilen darbeler arasında yankı işaretlerinin alındığı bir radardır. Buna karşılık bir Sürekli Dalga Radarında gönderici ölçüm bitmeden önce devre dışı kalır. Bu radar yöntemi çok kısa süreli (tipik τ ≈ 0,1 … 1 µs) gönderim darbelerinin darbe modülasyonu ile tanınır. Bu gönderim darbeleri arasında τ darbe süresinden çok daha uzun (tipik 1 ms), yankı işaretinin alındığı, hemen hemen T Darbe Tekrarlama Zamanına yakın bir zaman boşluğu bulunur. Kurulduğu yer sabit olan bir radarda nesnenin uzaklığı yankı işaretinin gidiş-dönüş süresinin (runtime) ölçümüyle hesaplanır. Radar bir hareketli platformda bulunuyorsa, uzaklık Doppler izgesinin karakteristik değişimi, radarın veri tabanında belirli menzillere ait değerlerle karşılaştırma yapılarak belirlenir. Darbe radarları genellikle uzak menziller için tasarlanmıştır ve nispeten çok yüksek güçlü darbeler gönderirler.

Diğer radar yöntemlerine göre en önemli özelliği tüm sürece ait gerekli zamansal kontrollerinin darbe radarının içinde gerçekleşmesidir. Gönderim darbesinin başlangıcı süre ölçümü için referanstır. Yankı darbesinin yükselen kenarına geçişiyle beraber ölçüm sona erer. Menzil hesaplanmasında sistematik gecikmeler veriler işlenirken düzeltilebilir ve düzeltilmelidir. Rastlantısal sapmalar darbe radarının konum belirleme doğruluğunu olumsuz etkiler.

Gönderim işareti

Gönderilen işaretin dalga biçiminin matematiksel ifadesi:

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Resim 3: ftx gönderim frekansı civarındaki bir dikdörtgen darbe katarının frekans izgesi

Resim 3: ftx gönderim frekansı civarındaki bir dikdörtgen darbe katarının frekans izgesi

A(t) işlevi bir genlik modülasyonudur ve genliğin t zamanına bağlı olarak değişimini göstermektedir. En basit durumda gönderici sadece τ süresi boyunca devrededir ve kalan zamanda ise devre dışıdır. A(t) gönderim durumunda = 1, diğer durumlarda = 0 olur. A(t) işlevi Darbe Tekrarlama Frekansı ve doluluk–boşluk oranı (duty cycle) ile şekillenir. Radar yankıları değişik zayıflama etkenleriyle karşı karşıya kaldıklarından, gerçek bir genlik modülasyonu, bu anahtarlama işlevi dışında (kapat/aç–anahtarlama ya da kapat/aç anahtarlamalı gönderici) çok az bir anlam ifade eder. Bir dikdörtgen dalga dizisine ait frekans izgesinin zarfının işlevi (sin U)/U dur. Gücün ana bileşeni ftx gönderim frekansına bitişik bölgedeki BHF = 2/τ bandında toplanmıştır. (Resim.3 te dikey eksenin logaritmik olduğuna dikkat ediniz.)

Hem fPRF Darbe Tekrarlama Frekansı hem de τ gönderim darbe süresi ya da ((Τ − τ)) alım süresinin radarın başarım parametrelerini etkiler. Bu parametreler şunlardır: En Küçük Ölçüm Menzili (gönderim darbesinin radarı terk etmiş olması gerekir) ve Hatasız Ölçülebilecek En Büyük Menzil (yankı işaretinin bir sonraki gönderim darbesinden önce alınmış olması gerekir).

Gönderim darbelerinin τ süresi bir darbe radarının ΔR Menzil Çözünürlük Yeteneğini önemli ölçüde etkiler. Bu değer:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Gönderim darbesi kısaldıkça, bir biri ardına daha yakın uzaklıkta iki adet yansıtıcı konulabilir. Yakın konulmasına rağmen bu iki yansıtıcı tek büyük bir nesne gibi değil, iki ayrı nesne olarak algılanır. Darbe radarının gönderici BHF bant genişliği aşağıdaki ilişkide de görüleceği gibi τ Gönderim Darbe süresi (başka bir ifade ile Menzil Çözünürlük Yeteneği azaldıkça) artar:

BHF = τ−1 (3)

Bu ise bir basit darbe modülasyonunda ölçülebilecek menzili kısıtlar. Bu koşullar altında sadece Ep darbe enerjisi, PS darbe gücünün üzerine çıkarılarak istenen bir menzil çözünürlüğünü elde edilebilir.

Darbe radarının menzili için radarın darbe gücü değil, daha ziyade enerjisi belirleyicidir:

Ep = Ps· τ = Pav· Τ = Pav   Ep = Darbenin enerji muhtevası
PS = Gönderim darbe gücü
Pav = Ortalama güç
(4)
fPRF

Bu durum gönderim darbelerinin bir dâhili modülasyonu (Darbe-içi Modülasyon) ile önemli ölçüde düzeltilebilir. Gönderim darbe süresi ile yankı darbesinin süresi arasındaki ilişki alıcı aygıtında darbe sıkıştırması ile çözülür. Değişik yansıtıcıların bireysel menzillerinin ölçümü gönderim darbesi süresi içinde yapılır.

(1) nolu denklemdeki φ(t) işlevi tüm işaretin faz kaymasını ifade eder. Gönderilen işaretin başlangıç faz açısı salınımın (oscillation) üretilmesine bağlı olarak bilinebilir ya da hesaplanabilir. Bu durumda darbe radarının evreuyumlu radarlar sınıfına girdiği söylenebilir. Bununla beraber faz açısının güncel başlangıç noktası bilinebilir, fakat başlangıç durumu tahmin edilemez. Eğer bu başlangıç faz açısı tümüyle tanımlanamıyorsa (yani kaotik ise) bu radar evreuyumlu-olmayan radarlar arasında sayılır. Sadece mümkün olabilen bir faz açısı-kodlanmış darbe-içi modülasyonu ile bu işlev daha fazla anlam kazanır.

Yankı işareti

Genellikle yankı darbesinin süresinin, gönderim darbesinin süresi ile aynı olduğu varsayılır. Böylece radar denkleminde kullanılan, gönderilen gücün-alınan güce oranındaki zaman parametresi de göz ardı edilebilir. Bununla beraber, pratikte bu yankı işaretinin yalnızca uzakta iken gönderim işaretine benzediği kabul edilir.

Konuyu toparlayalım: Yankı işaretleri sonuç olarak, yankı işaretinin biçiminin bilinemeyeceğini düşündürtecek kadar bu tür çok sayıda etkiyle karşı karşıya kalırlar. Buna rağmen, işaretteki olabilecek bütün bu bozulmaları da dikkate alarak, bir en uygun alıcı ya da en uygun süzgeç yapabilmek için daha fazla sayıda paralel alım kanalının oluşturulması gerekir. Daha sonra gürültü ya da parazit işaretlerine en uzak yankı işaretinin seçildiği bir devrede (greatest-of selection circuit) işaretlerin işlenmesine devam edilir. En büyüğünü-seçme anahtarının „seçme konumu“ önemli bir bilgidir ve bu bilgi bu yankı işaretinin tanınmasında ilerde kullanılmak üzere belleğe kaydedilir.

Genel olarak alıcı bant genişliği olabildiğince küçük tutulur, böylece gereksiz birçok gürültü ortadan kalkar ve bu nedenle bir basit darbe radarında bant genişliği sadece BHF = 1/τ olarak seçilir. Alıcı aygıtında gürültünün etkisi darbe tümleştirme işlemi ile bastırılması mümkündür. Burada darbe periyodlarının toplamı oluşturulur, bu işlem sırasında yansıtıcı nesnenin aynı konumda kaldığı varsayılır. Gürültünün istatistiki olarak rasgele dağılmış olması nedeniyle bu gürültü işaretlerinin toplamı yankı işaretinin toplam değerine ulaşamaz. Bu önlemler sayesinde işaret/gürültü oranı iyileşir.

Yapısı ve Blok Şeması
Anten
Gönderici
Gönderim/Alım
Seçme Aygıtı
Alıcı
Modülatör
Darbe üreteci
Ekran

Resim 4: Bir monostatik darbe radarının yapısı

Darbe üreteci Modülatör Gönderici Gönderim/Alım<br>Seçme Aygıtı Anten Alıcı Ekran ACPs ACPs

Resim 4: Bir monostatik darbe radarının yapısı
(Etkileşimli resim)

Bir darbe radarının yapısı gönderici ve alıcının aynı yerde (monostatik radar) veya tümüyle farklı yerlerde (bistatik radar) olup olmadığına bağlıdır.

Bir monostatik darbe radarı toplu bir yapıya sahip olma üstünlüğü yanında, darbe radarları için önemli olan zaman kontrolünün, bir radar tetikleme sistemi vasıtasıyla bu radarda bir merkezi eşzamanlama bloğu (synchronization block) içinde toplanmış olma üstünlüğüne de sahiptir. Böylece eşzamanlama darbelerinin yürütme zamanları (runtimes) küçük tutulabilmektedir. Bir gelişmiş radar anteni bir çoğullama aygıtı (multiplexer) vasıtasıyla hem alıcı ve hem de gönderici anten olarak kullanılabilir. Sakıncası ise yüksek güçteki işaretler yollanırken çok hassas radar alıcısının korunması amacıyla dubleks aygıtı (duplexer) tarafından devre dışı bırakılmak zorunda kalınmasıdır.

Blok diyagram modüllerin açıklaması

Bir bistatik darbe radarında, alıcı kendine ait anteniyle birlikte, göndericiden farklı bir konumda yer alır. Bunun şöyle bir üstünlüğü vardır: Alıcı artık yüksek gönderim gücü gönderilmesi sırasında herhangi kayda değer bir koruma önlemi olmadan çalışabilmektedir. En basit durumda var olan bir monostatik radara diğer alıcı noktalarından bir ağ üzerinden ulaşılabilir. (Örnek: Meteoroloji radarı Poldirad, Oberpfaffenhofen, Münih yakınında, Almanya). Alıcı antenlerin yönlülüğü iyi değildir: Anten eşzamanlı birden daha fazla yönde alım yapmak zorundadır. Buradaki sakınca eşzamanlama işleminin çok karmaşık olmasıdır. Alıcı yankı işaretine ilaveten, gönderim işaretini de doğrudan almalı ve bu işaretten ve göndericiye olan uzaklığından bir eşzamanlı işaret üretmelidir. Bistatik yapılandırma ağırlıklı olarak askeri alanda ufuk-ötesi- radarlarda (Over-The-Horizon Radars, OTH) kullanılmaktadır.

Pasif-radarlar bistatik radarların bir türüdür. Bu radarlar değişik yüksek frekanslı parazitik yayınları (radyo- ya da televizyon göndericileri veya yabancı darbe radar yayınları) kullanırlar ve hedeften doğrudan ve ilaveten yansıyarak gelen işaretlerin süreleri arasındaki farktan hedefin menzilini hesaplarlar. Ölçümdeki belirsizlikler bir yandan hedefin parazit yayınının doğrudan hedeflenmesi ya da farklı yerlerde çalışan iki pasif radarın eşzamanlaşması ile dışlanabilir.

Kullanıldığı yerler

Darbe radarları ağırlıklı olarak çok uzun menziller için tasarlanmıştır. Ana kullanım alanı geçmişte de olduğu gibi halâ askeridir. Diğer kullanım alanları arasında uçuş güvenliği, meteorolojik gözlemler (özellikle yağış radarı olarak) ve uydu destekli yer yüzeyi yapısı araştırmaları sayılabilir.