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 sinyalinin alım zamanı bir yankı darbesi olarak kaydedilir. Gönderim darbesine göre yankı darbeleri arasındaki zaman aralığı menzile orantılıdır.

Resim 1: Darbe radarında işleyiş süresi ölçümü (Elektromanyetik dalgaların hedefe gidişi ve dönüşü sırasında ekrandaki X-eksenindeki ilerlemeye dikkat ediniz.)

Gönderim darbesi
Yankı sinyali

Resim 1: Darbe radarında işleyiş süresi ölçümü

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 sinyalinin alım zamanı bir yankı darbesi olarak kaydedilir. Gönderim darbesine göre yankı darbeleri arasındaki zaman aralığı menzile orantılıdır.

Resim 1: Darbe radarında işleyiş süresi ölçümü (Elektromanyetik dalgaların hedefe gidişi ve dönüşü sırasında ekrandaki X-eksenindeki ilerlemeye dikkat ediniz.)

Darbe Radarı

Gönderim darbesi
Yankı sinyali
τ
Τ

Resim 2: Bir darbe radarının işleyiş süresi

Gönderim darbesi
Yankı sinyali
τ
Τ

Resim 2: Bir darbe radarının işleyiş süresi

Bir darbe radarı kısa süreli ve yüksek güçlü darbelerin yollandığı ve gönderilen darbeler arasında yankı sinyallerin alındığı bir radardır. Buna karşılık sürekli dalga radarında ölçüm olayı biter bitmez gönderici devre dışı kalır. Bu radar yöntemi çok kısa süreli (tipik τ ≈ 0,1 … 1 µs) gönderim darbelerinin modülasyonu ile tanınır. Bu gönderim darbeleri arasında τ suresinden çok daha uzun yaklaşık 1 ms süreli yansıma sinyalinin alındığı T darbeleri bulunur. (Resim.2) Sabit bir radarda yansımanın gerçekleştiği nesnenin uzaklığı geçen zamanın ölçümüyle hesaplanır. Radar hareketli bir platformda bulunuyor ise bu kez radarın veri tabanındaki Doppler izgelerinin karakteristik değişimini temsil eden değerlerle karşılaştırma yapılarak uzaklık tayin edilir. Darbe radarları genellikle uzak menziller için tasarlanmıştır ve göreceli çok yüksek güçlü darbeler gönderirler.

Diğer radar yöntemlerine göre en önemli özelliği tüm ilerlemelerin gerekli zamansal kontrollerinin darbe radarında gerçekleşmesidir. Gönderim darbesinin başlangıcı zaman ölçümü için referanstır. Yankı darbesinin yükselen kenarı geçildikten sonra ölçüm sona erer. Menzil hesaplanmasında sistematik gecikmeler veriler işlenirken düzeltilebilir ve düzeltilmelidir. Rastlantısal sapmalar darbe radarın konum saptama hassasiyetini olumsuz etkiler.

Gönderim sinyali

Gönderilen sinyalin matematiksel fonksiyonu:

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) fonksiyonu bir genlik modülasyonda genliğin zamana bağlı 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) fonksiyonu darbe tekrarlama frekansı ve doluluk – boşluk oranı (duty cycle) ile şekillenir. Radar yankıları değişik zayıflama etkenlerine maruz kaldıklarından gerçek bir genlik modülasyonu, bu anahtarlama fonksiyonu yanında (on/off–anahtarlama ya da on/off–anahtarlamalı gönderici) daha az bir anlama sahiptir. Bir dikdörtgen dalga serisinin frekans izgesinin zarfının fonksiyonu (sin U)/U dur. Gücün ana kısmı ftx gönderim frekansına bitişik bölgedeki BHF = 2/τ bandında toplanmıştır. (Resim.3 te dikey eksenin logaritmik olduğuna dikkat ediniz.)

Hem fPRF darbe tekrarlama frekansının, hem de τ gönderim darbe süresi veya ((Τ − τ)) alım süresinin radarın mümkün olabilen en küçük menzil ölçümü (gönderim darbesinin anteni tamamıyla terk etmiş olması gerekir) ve belirsizliğe yol açmadan en büyük menzil ölçümü (yankı sinyalinin bir sonraki gönderim darbesinden önce alınmış olması gerekir) gibi güç parametreleri üzerinde bir etkisi vardır.

Gönderim darbelerinin τ süresi bir darbe radarının ΔR menzil çözünürlüğünü önemli ölçüde etkiler. Bu değer:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Gönderim darbesi kısaldıkça, bir biri ardına daha yakın mesafede iki adet yansıtıcı konulabilir. Yakın konulmasına rağmen bu iki yansıtıcı tek büyük bir nesne gibi değil iki ayrı yansıtıcı olarak algılanır. Darbe radarının gönderici BHF bant genişliği aşağıdaki ilişkide de görüleceği gibi menzil çözünürlüğü azaldıkça artar:

BHF = τ−1 (3)

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

Darbe radarının menzili için radarın darbe gücü kritik değildir, belirleyici olan darbe enerjisidir:

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

fPRF

Bu durum gönderim darbelerinin bir dahili modülasyonu (İntra Darbe Modülasyonu) ile önemli ölçüde düzeltilebilir. Gönderim darbe süresi ile yankı darbesinin süresi arasındaki ilişki alıcı aygıtında darbe sıkıştırması ile çözülür. Değişik yansıtıcıların bir menzilsel konumlandırması gönderim darbesi süresi içinde yürütülür.

Eşitlik (1) deki φ(t) tüm sinyalin faz kaymasıdır. Gönderilen sinyalin başlangıç faz açısı salınımın üretilmesine bağlı olarak bilinebilir ya da hesaplanabilir. Bu durumda darbe radarının evreuyumlu radarlar kategorisine girdiği söylenebilir. Keza faz açısının güncel değeri bilinebilir, ancak başlangıç durumu tahmin edilemez. Eğer başlangıç faz açısı tümüyle bilinemiyorsa (yani kaotik ise) bu radar evreuyumlu-olmayan radarlar arasında sayılır. Sadece mümkün olabilen bir faz açısı-kodlanmış intra-darbe modülasyonu ile bu fonksiyon daha fazla önem kazanır.

Yankı sinyali

Genellikle yankı darbe süresinin gönderim darbe süresi ile aynı olduğu varsayılır. Böylece radar denklemindeki gönderilen gücün-alınan güce olan oranındaki zaman parametresi de göz ardı edilebilir.

Konuyu toparlayalım: Yankı sinyalleri bu tür çok sayıda etkiye maruz kalmaktadır, bir sonuç olarak yankı sinyalinin biçiminin bilinemeyeceği düşünülmelidir. Buna rağmen sinyaldeki mümkün tüm bozulmaları da dikkate alarak bir en uygun alıcı ya da en uygun süzgeç yapılabilmesi için paralel daha fazla sayıda alıcı kanalın oluşturulması gerekir. Daha sonra gürültü ya da parazit sinyallerine göre en iyi durumdaki yankı sinyali bir seçme devresi (greatest-of circuit) ile seçilir ve işlenmesine devam edilir. En büyüğünü-seçme anahtarının „konumu“ önemli bir bilgidir ve bu bilgi bu yankı sinyalinin 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 periyotları toplamı oluşturulur ve bu işlem sırasında da yansıtıcı nesnenin aynı konumda kaldığı varsayılır. Gürültünün istatistiki olarak rasgele dağılmış olması nedeniyle bu gürültü sinyallerinin toplam değeri yankı sinyalinin toplam değerine ulaşamaz. Bu önlemler sayesinde sinyal/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 kompakt yapıya sahip olma üstünlüğüne ilaveten darbe radarları için önemli olan radar tetikleme sistemleri bu radarda bir merkezi eşzamanlama bloğu içinde toplanabilmektedir. Bu sayede eşzamanlama darbelerinin yürütme zamanları (runtimes) küçük tutulabilir. Bir gelişmiş radar anteni bir çoğullama aygıtı (multiplexer) vasıtasıyla hem alıcı ve hem de gönderici anten olarak kullanılabilir. Sakıncası ise yüksek güçteki sinyaller yollanırken çok hassas radar alıcısının korunması amacıyla gönderim/alım seçme aygıtı tarafından devre dışı bırakılmasıdır. Bu sırada alıcı sinyal alamayacaktır.

Blok diyagram modüllerin açıklaması

Bir bistatik darbe radarında alıcı kendine ait anten ile göndericiden farklı bir konumda yer alır. Bunun şöyle bir üstünlüğü vardır: Alıcı yüksek gönderim gücü gönderilmesi sırasında herhangi kayda değer bir koruma önlemi olmadan çalışabilir. En basit durumda bir monostatik radara başka alıcı noktalarından bir ağ üzerinden ulaşılabilir. (Örnek: Meteoroloji radarı Poldirad, Oberpfaffenhofen, Münih yakınında, Almanya). Alıcı antenlerin yönlülüğü iyi değildir: Anten birden daha fazla yönde eşzamanlı alım yapmak zorundadır. Buradaki sakınca çok karmaşık eşzamanlama işlemidir. Keza alıcı yankı sinyaline paralel olarak doğrudan gönderim sinyalini de almalıdır ve bu sinyalden göndericiye bilinen bir menzil için bir eşzamanlı sinyal üretilir. Bistatik yapılandırma ağırlıklı olarak askeri alanda Ufuk-ötesi- radarlarda kullanılmaktadır.

Bistatik radarların bir türü de pasif-radarlardır. Bu radarlar muhtelif yüksek frekanslı parazitik yayınlar (radyo- ya da televizyon göndericileri veya yabancı darbe radarları) kullanırlar ve bir sinyalin doğrudan alınma zamanı ile ilave yansıma zamanı arasındaki farktan hedefin menzilini hesaplarlar. Ölçümdeki belirsizlikler bir yandan hedefin doğrudan parazit yayınımının kıstırılması ya da farklı yerlerde çalışan iki pasif radarın eşzamanlaşması ile dışlanabilir.

Kullanıldığı yerler

Darbe radarları ağırlıklı olarak çok büyük menziller için tasarlanmıştır. Ana kullanım alanı geçmişte de olduğu gibi hala askeridir. Diğer kullanım alanları arasında uçuş güvenliği, meteorolojik gözlem (özellikle yağış radarı) ve uydudan yer yüzeyini yapısını araştırma sayılabilir.