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 radarı tekniğinde genellikle ayrı ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir.

Gönderim enerjisi
yansıyan enerji
yansıtıcı nesne hakkında
bilgileri içerir
Gönderici
Alıcı

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

Sürekli-Dalga Radarı (CW-Radar)

Sürekli-dalga radarları [CW Radar, Continuous Wave radar] yüksek frekanslı bir işaretli sürekli yayınlar. Aynı şekilde, yansıyan işaret 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 problemden 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. Örneğinin yankı işaretinin kuvveti hedefin büyüklüğüne bağlıdır. Yine yankı işaretinin büyüklüğü, hedefin radarın ne kadar yakınında ya da uzağında bulunduğunun bir ölçütüdür. (Ne yazık ki yankı işaretinin büyüklüğünden yola çıkılarak bir ölçüm sonucuna ulaşılamaz, çünkü yankı işaretlerinin büyüklüğü birçok faktöre 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 meydana gelebilir. 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 işaretlin 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 bir süre ölçümü kesinlikle gerekli değildir ve bu radarla bir menzil tayini de yapılmaz. Eğer, keza bir süre ölçümü de yapılacaksa bu, yansıyan işaretlin gönderim işaretline göre bir zaman referansı ile modüle edilerek yapılır. Bu modülasyon, gönderim işaretinin frekansındaki ya da genliğindeki değişim anı, işleyiş süresi 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-radarı) 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 ve iki farklı hedefin birbirinden ayırt edilebilmesi mümkün değildir.

Resim 2. Faz farkı

Resim 2. Faz farkı

İşlev

Bir sürekli dalga radarında gönderilen işaret ve alınan işaret arasındaki φ faz farkı değerlendirilir. Bu faz farkının büyüklüğü, elektromanyetik dalgaların kat ettiği gidiş-geliş yolunun gönderilen işaretlin dalga boyuna olan oranının, grad cinsinden tam daire değeri olan 2π ile çarpılması ile elde edilir. Yansıtıcıya olan uzaklık değişmezse, o zaman faz açısı aşağıdaki gibi hesaplanır:

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

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

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

φ(t) = −4π r(t) (2)
λ

Zamana bağımlı ve iki sinüs biçimli işaretlin arasında ki ölçüm aralığı boyunca sabit hızla değişen bir faz farkı, yine sinüs biçimlidir. Bu, keza bir frekans cinsinden de ölçülebilir: Doppler frekans Ölçülen bu değer çoğu durumlarda alçak frekans bölgesindedir. Bu Doppler frekansının değeri bir sabit gönderim frekansındaki 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-vericisi (etkileşimli resim)

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-vericisi (Etkileşimli resim)

Sürekli-dalga radarı blok şeması

Doğrudan karıştırıcılı alıcı
Hız ölçümlerinde kullanılan Doppler radarın yapısı çok basittir. Alıcı ve gönderici devrelerinin yarıiletken modüllerinin tamamı bir alt katmanda toplanabilir. Bu modüle genellikle alıcı-verici (Transceiver, Transmitter/Receiver) denilir. Çoğu kez bu alıcı-verici modülü gerekli olan anteniyle tümleşik üretilir. Bu antenler genellikle çift yüzlü baskılı devrelerde bir yama anten gibi gerçekleştirilir veya (daha büyük bant genişliklerinde) bir boynuz ışıyıcıdır.

Homodin alıcı (homodyne receiver) olarakta adlandırılan Doğrudan Karıştırıcılı Alıcılarda yankı işaretli bir ara frekansa indirilmez, daha ziyade göndericide üretilmiş olan yüksek frekans 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 genellikle 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 ses bandı bölgesinde yer alır. Kuvvetli yerden yansıma parazitleri, eğer yüksek frekansları geçiren DC kondansatörleri ile bloke edilmemişse, çıkış işaretlinde DC bileşen olarak yer alırlar. Genellikle bu tür bir devre, gönderici antenden alıcı antenine işaret bulaşmasını (cross-talk) önlemek için kullanılır.

Yankı işaretini piyasada satılan bir stereo-ses işlemcili ses kartında (fsınır= 18 kHz) işleyebilmek için K–bandındaki (λ≈ 12 mm) bir hareket algılayıcısı olarak kullanılan Doppler radarında olabilecek 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 nedeniyle hassasiyet kısıtlıdır. Bunun bir sonucu olarak karıştırma katının kırpışma gürültüsü (flicker noise) çıkış işaretline katılır, yani Doppler işaretli bir rasgele dağılmış düşük frekanslı gürültü bileşenleri ile binişmiştir. Bu nedenle çok küçük ve zayıf Doppler frekansları genellikle değerlendirilemez.

Hassasiyetin iyileştirilmesi bakımından süperheterodin alıcı mükemmel bir çözümdür. Yankı işaretleri, kırpışma gürültüsünden çok daha uzak bir bölgede dönüştürülür. Ara frekans yükseltecinin bant süzgeci bu kırpışma gürültülerini geçirmez. Yankı işaretli eşzamanlı olarak 30…40 dB kadar kuvvetlenir. Yankı işaretli ikinci karıştırıcı katında önce temel banda indirilir. Yankı işaretlinin, ikinci karıştırıcı katındaki kırpışma gürültüsünden hayli büyük olması nedeniyle artık bu gürültü ihmal edilebilir.

Bu örnekte işaretlin gönderilmesinde ve alımında aynı anten kullanılmaktadır. Gönderilen ve alınan enerji bir sirkülatör vasıtasıyla ayrıştırılır. Burada süperheterodin alıcının yerel osilatör frekansı bir sonraki dar bantlı süzgeci takiben yukarı doğru karıştırılır. Değerlendirme için burada bir sayıcı kullanılır. Böylece ekranda sadece bir yansıtıcı nesne görüntülenir (genellikle en büyük genlikli olanı). Eğer hareket eden yansıtıcı nesneler birden daha fazla sayıda ise birbiri ile binişen Doppler frekanslar bir süzgeç grubu ya da ayarlanabilir seçici süzgeç ile seçilir. Buna rağmen eğer her iki Doppler frekansını da ölçmek gerekiyorsa ölçülen değerin hangi hedefe ait olduğunu bilmek mümkün olmaz.

Blok diyagramında modüllerin açıklaması
Modüle edilmemiş Doppler radar uygulamaları

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

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