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

Sürekli Dalga - radarı

Gönderim enerjisi
yansıyan enerji,
yansıtıcı nesne hakkında
bilgileri içerir
Gönderici
Alıcı

Resim 1: Sürekli dalga - radar tekniğinde genellikle ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü bir baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir.

Gönderim enerjisi
Yansıyan enerji,
yansıtıcı nesne hakkında
bilgileri içerir
Gönderici
Alıcı

Resim 1: Sürekli dalga - radar tekniğinde genellikle ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü bir baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir.

Sürekli Dalga - radarı

Sürekli dalga-radarları (Continuous Wave radar, CW Radar) yüksek frekanslı bir işareti sürekli yayınlarlar. Aynı şekilde, yankı işareti de sürekli alınır ve işlenir.

Prensip olarak bir Sürekli dalga-radarında gönderici sürekli çalışır ve bir anten bu üretilen işaretleri sürekli gönderir. Burada iki temel konudan bahsetmemiz gerekir:

Gönderilen işaretlerinin alıcı tarafından doğrudan alınması için:

Bir yankı işaretinin alınması, elektromanyetik dalgaların yayıldığı o yönde bir engelin bulunduğunu gösterir. Yankı işaretinin özelliklerinden hareketle, hedefin özellikleri hakkında bir fikir yürütülebilinir. Örneğin, yankı işaretinin kuvveti hedefin büyüklüğüne bağlıdır. Yine yankı işaretinin büyüklüğü, hedefin radarın ne kadar yakınında ya da uzağında bulunduğunun da bir ölçütüdür. (Ancak yankı işaretinin büyüklüğünden yola çıkılarak bir ölçüm sonucuna ulaşılamaz, çünkü yankı işaretlerinin büyüklüğü birçok etmene bağlıdır). Buna karşın frekansın izgesindeki (spectrum) bir değişiklik hedefin bazı özelliklerini anlamak için daha güvenilir bir kaynaktır. Bazı malzemelerden gelen yankı işaretlerinde gönderim frekansının harmonikleri de bulunabilir. Yansıyan işaretlerde harmonik oluşumuna yol açan bu malzemeler, özellikle çığ tehlikesi bulunan bölgelerde karın altında kalan insanların „harmonik radar“ denilen bir radar ile bulunabilmesi için koruyucu elbise ve ayakkabılarında kullanılmaktadır. En çok kullanılan izgesel değişim, Doppler frekansında meydana gelen izgesel değişimdir.

Doppler radar

Bir modüle edilmemiş Sürekli Dalga - radarı sabit genlikli, sabit frekanslı işaretler yollar. Yansıyarak dönen işaretin frekansı, ya tam gönderim frekansı kadardır ya da (hareket eden yansıtıcı nesnenin radyal hızına bağlı olarak) bir Doppler frekansı kadar kaymıştır. Bu Doppler frekans tekniği ile çalışmak üzere özel geliştirilmiş Sürekli Dalga - radarlarına Doppler radar denir.

Bir Doppler radarında hızın ölçümü için sürenin ölçülmesi kesinlikle gerekli değildir ve bu radarla bir menzil tayini de yapılmaz. Yine de bir süre ölçümü yapılacaksa, o zaman yankı işaretinin gönderim işaretine göreli bir zaman referansı gerekir. Bu referans belirteci ancak gönderilen yayının ya genliğinde ya da frekansında bir modülasyon yapılarak konulur. Gönderim işaretinin frekansındaki ya da genliğindeki değişim anı, yürütme zamanı (runtime) sonunda alıcıda kaydedilebilir ve ancak bundan sonra bir zaman ölçümü yapılabilir. Bununla beraber bu tür bir modülasyon, tümüyle farklı ölçme prensiplerinin kullanıldığı diğer radar türlerinde de (örneğin, Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga-radarları) görülür. Benzeri şekilde bir genlik modülasyonu da düşünülebilir ve bu, modülasyon derinliği %100 ü bulan bir darbe radarı anlamına gelir. Modüle edilmemiş dalgalar yayan bir radar, bir nesnenin hızını ancak Doppler etkisi ile ölçebilir. Ancak bu yöntemle bir hedefin menzilinin tayini ya da iki farklı hedefin birbirinden ayırt edilebilmesi mümkün değildir.

Resim 2. Faz farkı

Resim 2. Faz farkı

Çalışması

Bir sürekli dalga radarında gönderilen işaret ve alınan işaret arasındaki φ faz farkı değerlendirilir. Bu faz farkının grad cinsinden değeri, elektromanyetik dalgaların kat ettiği gidiş-geliş yolunun, gönderilen işaretin dalga boyuna olan oranının 2π ile çarpılması ile elde edilir. Yansıtıcıya uzaklığın değişmemesi kaydıyla faz açısı aşağıdaki gibi hesaplanır:

φ = −2π 2r   φ = Faz farkı
r = Yansıtıcı nesnenin antene olan uzaklığı
λ = Gönderim işaretinin dalga boyu
(1)
λ

Buradaki „2” katsayısı, işaretin bu r yolunu gidiş ve geliş olarak kat etmesinden kaynaklanmaktadır. Eksi işareti yansıma sırasında 180° lik bir faz kayması olduğunu gösterir. Bu faz farkından yola çıkarak bir menzilin basitçe hesaplanması mümkün değildir. Bu, örneğin ancak uzaklık, 0 ve 2π (≙ φ<360°) arasında bulunuyorsa mümkündür. Sinüs fonksiyonunun periyodikliği nedeniyle menzil tayininde belirsizlikler ortaya çıkar.

Eğer yansıtıcıya olan uzaklık sabit değil ve bu uzaklık, daha ziyade gönderici antenine göre bir sabit hızla değişiyorsa, o zaman faz farkı da zamana bağlı olarak değişir:

φ(t) = −4π r(t) (2)
λ

Zamana bağımlı ve iki sinüs biçimi işaretin arasındaki ölçüm aralığı boyunca sabit hızla değişen bir faz farkı yine sinüs biçimlidir. Bu, bir frekans cinsinden de ölçülebilir: Doppler frekansı. Ölçülen bu değer çoğu durumlarda alçak frekans bölgesindedir. Sabit bir gönderim frekansı ile bu Doppler frekansının değeri hedefin yaklaşım hızına bağlıdır.

Yüksek frekans üreteci
Güç bölücü
Düşük Geçişli
Filtre
Yüksek frekanslı
amplifikatör
Karıştırıcı katı
Ses
Amplifikatör
bilgisayar arayüzü
(Ses işlemci)
iletim gücü
Gönderici anten
Alıcı anten

Resim 3: Frekans bandını doğrudan-düşüren bir basit radar alıcı-göndericisi

Yüksek frekans üreteci
Güç bölücü
Düşük Geçişli
Filtre
Yüksek frekanslı
amplifikatör
Karıştırıcı katı
Ses
Amplifikatör
bilgisayar arayüzü
(Ses işlemci)
iletim gücü
Gönderici anten
Alıcı anten
Generator Leistungsteiler Sendeantenne Empfangsantenne LNA Mischstufe TP AMP

Resim 3: Frekans bandını doğrudan-düşüren bir basit radar alıcı-göndericisi (Etkileşimli resim)

Sürekli Dalga - radarının blok şeması

Doğrudan-dönüştüren alıcı
Hız ölçümlerinde kullanılan Doppler radarın yapısı çok basittir. Alıcı ve gönderici devrelerinin tamamı yarıiletken modüllerden meydana gelen bir tümleşik devre halinde bir alt katmanda (substrate) toplanabilir. Bu modüle genellikle Gönderici/Alıcı- (Transceiver, Transmitter/Receiver) denilir. Çoğu kez bu modül gerekli olan anteniyle tümleşik üretilir. Bu antenler genellikle çift yüzlü baskılı devrelerde bir yama anten gibi gerçekleştirilir ya da (daha büyük bant genişliklerinde) bu bir boynuz ışıyıcıdır.

Homodin alıcı (homodyne receiver) olarakta adlandırılan Doğrudan-dönüştüren alıcılarda yankı işareti bir ara frekansa indirilmez, daha ziyade göndericide üretilmiş olan yüksek frekansın kendisi doğrudan aşağı indirme işleminde kullanılır. Çıkış frekansı temel banttadır ve dolayısıyla herhangi bir taşıyıcı frekanstan da bağımsızdır. Kullanılan karıştırıcı, yankı işaretinin frekansını aşağı indirmek için yaklaşık 7 dBm lik bir yerel osilatör gücüne ihtiyaç duyar. Böylece burada YF- frekans üretecinin gücü 10 dBm ye sabitlenir. Güç bölücünün zayıflatma oranı en az -3 dB olduğu durumda, tüm modülün gönderim gücü en az 6 dBm demektir. Çıkış işaretinin şimdi temel bantta olmasına rağmen, bu çıkış sıkça Ara Frekansı çağrıştıran „IF“ (Intermediate Frequency) olarakta adlandırılır. Doppler frekans genellikle işitilebilir frekans bandı bölgesinde yer alır. Kuvvetli yerden yansıma parazitleri, eğer yüksek frekansları geçiren DC kondansatörleri ile bloke edilmemişse, çıkış işaretinde DC bileşen olarak yer alırlar. Genellikle gönderici antenden alıcı antenine işaret bulaşmasını (cross-talk) önlemek için bu tür bir devre kullanılır.

Yankı işaretini piyasada satılan bir stereo-ses işlemcili ses kartında (fsınır= 18 kHz) işleyebilmek için bir hareket algılayıcısı olarak kullanılan K–bandında (λ≈ 12 mm) çalışan bir Doppler radarında ortaya çıkması olası en büyük v radyal hız değeri hesaplanmalıdır.

Radarda Doppler frekansı aşağıdaki formülle hesaplanır:

fD = 2·v   fD = Doppler frekansı [Hz]
λ = Gönderilen frekansın dalga boyu
v = Radyal hız [m/s]
λ

Formül v için yeniden düzenlenir ve verilen değerler girilirse:

v =  λ · fD = 12 mm· 18 kHz = 108 m/s ≈ 380 km/saat
2 2

Bu duruma göre ölçülebilecek en büyük radyal hız 380 km/saat dir ve bu değer çoğu uygulamalar için yeterli olmaktadır.

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD

Resim 4: Süperheterodin bir alıcıya sahip bir sürekli-dalga radarının blok şeması

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD
Generator Mischstufe Zirkulator

Resim 4: Süperheterodin bir alıcıya sahip bir sürekli-dalga radarının blok şeması (Etkileşimli resim)

Süperheterodin alıcı
Doğrudan karıştırma işleminde duyarlılık (sensitivity) sınırlıdır. Bunun bir sonucu olarak karıştırma katının kırpışma gürültüsü (flicker noise) çıkış işaretine katılır, yani Doppler işareti artık bir rasgele dağılmış düşük frekanslı gürültü bileşenleri ile binişmiştir. Bu nedenle çok küçük ve zayıf Doppler frekansları genellikle değerlendirilemez.

Duyarlılığın iyileştirilmesi bakımından süperheterodin alıcı çok uygun bir çözümdür. Yankı işaretleri, kırpışma gürültüsünden çok daha uzak bir bölgede dönüştürülür. Ara frekans yükseltecinin bant süzgeci bu kırpışma gürültülerini geçirmez. Yankı işareti eşzamanlı 30…40 dB kadar kuvvetlenir. Yankı işareti ikinci karıştırıcı katı öncesinde temel banda indirilir. Yankı işaretinin ikinci karıştırıcı katının kırpışma gürültüsünden hayli büyük olması nedeniyle bu gürültü artık ihmal edilebilir.

Bu örnekte işaretin gönderilmesinde ve alımında aynı anten kullanılmaktadır. Gönderilen ve alınan enerji bir sirkülatör vasıtasıyla ayrıştırılır. Burada süperheterodin alıcı için yerel osilatör frekansı, bir sonraki dar bantlı süzgeci takiben yukarı doğru karıştırılarak sağlanır. Değerlendirme için burada bir sayıcı kullanılır. Böylece ekranda sadece bir yansıtıcı nesne görüntülenir (genellikle en büyük genlikli olanı). Eğer, hareketli yansıtıcı nesnelerin sayısı birden daha fazla ise birbiri ile binişen Doppler frekanslar bir süzgeç grubu ya da ayarlanabilir seçici süzgeç ile seçilir. Buna rağmen eğer her iki Doppler frekansı da ölçülebiliyorsa, ölçülen frekansın hangi hedefe ait olduğunu bilmek mümkün olmaz.

Blok diyagramında modüllerin açıklaması
Menzilin hesaplanması

Genel olarak radar denklemi, modülasyon türünden bağımsız olması nedeniyle Sürekli Dalga-radarında da kullanılabilir.

 

Bu arada dikkat edilmesi gerekli konu, ifadede Ltop altında toplanan kayıpların içinde, örneğin evreuyumlu tümleştirme ile elde edilen kazançlar gibi, bazı kazançlarında olabileceğinin unutulmamasıdır.

Fizikçiler şimdilerde bir radar tesisinin ölçüm menzilinin büyüklüğünü belirleyen etmenin radar denkleminde yer alan gönderim gücü değil, daha ziyade gönderim enerjisi olduğuna işaret etmektedirler. Bu etmen önceleri ihmal edildi, çünkü gönderim darbesinin süresinin yankı işaretinin süresine hemen hemen eşit olduğu varsayılıyordu.

Eğer demodüle edilmiş yankı işaretinin süresi, gönderim işaretinin süresinden ayırt edilebiliyorsa bu süreler orantılanmalı ve bu orantının sonucu olan Darbe Sıkıştırma Oranı (Pulse Compression Rate, PCR) dördüncü kökün altındaki ifadedeki geriye kalan değerlerin tamamıyla çarpılmalıdır ve bu nedenle kesir çizgisinin üzerinde yer alır.

 

Bir Darbe-içi modülasyonla (intrapulse modulation) çalışan radarda bu kazanca Darbe Sıkıştırma Oranı denilir ve bu oran gönderim işaretinin bant genişliğine bağlıdır. Bunu şöyle açığa kavuşturmak mümkündür: Bu modülasyon deseninin rasgele gürültü darbeleri ile yeniden yaratılması, darbe sıkıştırma süzgecinin gürültü seviyesinin çok daha altında kalan hedefleri bile algılayabilecek olması nedeniyle zordur.

Bir benzeri hesaplama Sürekli Dalga Radarı için de yapılabilir. Burada, tümlev-kazancı (integration gain) toplam aydınlatma zamanını ya süzgeç tepki zamanına (Sürekli Dalga Radarı için) ya da gönderici bant genişliğine (Frekans Modüleli Sürekli Dalga Radarı için) orantılayarak hesaplanır. Tümlev kazancı 45 dB gibi değerler alabilir.

Modüle edilmemiş Doppler radar uygulamaları

Resim 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)

Resim 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)