www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Doppler-Süzgeci

Σ
Σ-Kanal
ΔAz
ΔAz-Kanal
ΔYük
ΔYük-kanal
Çoklayıcı

Resim 1: Tek-darbe anten ve sayısal alıcıya sahip bir radar cihazında ki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması

Σ
Σ-kanal
ΔAzi
ΔAzi-kanal
ΔYük
ΔYük-kanal
Parazit yansıma
Doppler süzgeci
Sıfır
Doppler süzgeci
Doppler süzgeci
Çoklayıcı

Resim 1: Tek-darbe anten ve sayısal alıcıya sahip bir radar cihazında ki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması

Σ
Σ-kanal
ΔAzi
ΔAzi-Kanal
ΔYük
ΔYük-Kanal
Çoklayıcı

Resim 1: Tek-darbe anten ve sayısal alıcıya sahip bir radar cihazında ki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması (Etkileşimli resim)

« Doppler–Süzgeci » İçeriği Tablo
  1. Alçak- ya da yüksek geçiren Doppler süzgeci
  2. Doppler-Süzgeç Öbeği
  3. Çoklayıcı yöntemi
  4. Jet Motor Modülasyonu (JEM)

Doppler-Süzgeci nedir?

Doppler–Süzgeci

Bir yankı sinyalinin Doppler-frekans değerinin büyüklüğü değişik Doppler-süzgeçleri ile değerlendirilir. Bu Doppler-süzgeçler ya donanımsal olarak tınlaşım süzgeçleri (resonance filters) ile gerçekleştirilir ya da sadece yansıyan sinyalin sayısallaştırılmasını takiben yazılım yordamı gibi yürütülür.

Bir sayısal alıcıya sahip ve tek-darbe yöntemi ile çalışan tam-evreuyumlu bir radar aygıtındaki Hareketli Hedef Belirteç-sistemi sözde-evreuyumlu radar aygıtlarında bulunan Hareketli Hedef Belirteç-sisteminden biraz daha karmaşıktır. Bu sistemin hareketli hedeflerin bir işareti gibi bir Hareketli Hedef Belirteci olduğundan söz etmek mümkün değildir, bu artık hareketli hedefleri algılayan bir Hareketli Hedef Algılayıcısı haline gelmiştir. Fark şuradadır: Hareketli Hedef Algılamada o anda hareket etmeyen ya da sadece çok hafif hareket eden hedefler hareketli hedef gibi algılanabilir. Hatta radar çok yüksek gönderim frekanslarında (Terahertz bölgesinde: 0,1 THz den itibaren) duran bir aracı motorunun çalışmasıyla oluşan hafif titreşimler nedeniyle bir hareketli hedef gibi algılayabilir.

Değişik süzgeç türlerinin verimliliği genellikle Doppler frekansının büyüklüğüne bağlıdır. Bu nedenle hemen hemen tüm süzgeç türleri paralel kullanılır ve sonra en iyi süzgeç sonucu seçilir. Dolayısıyla tüm sistem, yapısı bakımından bir uyumlu süzgece benzer. Tüm sistem bir uyumlu süzgeçte olduğu gibi sadece yararlı sinyal ve parazit sinyali arasında mümkün olabilen bir en büyük aralığı (Signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR) bırakmak amacıyla benzer bir biçimde yapılmamıştır, tanıma uygun olarak bu daha ziyade bir uyumlu süzgeçtir. Bir Hareketli Hedef Algılama Sistemi ayrıca en az üç adet türdeş kanala (Σ, ΔAzi ve ΔYük kanalları) sahip olmalıdır.

Evreuyumlu osilatörün eşzamanlaşması (synchronization) artık daha fazla gerekli değildir. Burada evreuyumlu osilatör olarak adlandırılan modül aslında ana üretecin frekanslarını istenen ara frekanslara (IF) bölen bir frekans bölücüden başka bir şey değildir.

fD < fkesme ⇒ v ≤ 20 kn , 40 kn
Sıfır-
Doppler
süzgeci
Sabit Hedef
Parazit-Doppler
süzgeci
Genlik
fD
1 kHz
2 kHz

Resim 2: Bir L-bant radarında verilen bir frekans için alçak-geçiren Doppler-süzgeci

fD < fkesme ⇒ v ≤ 20 kn , 40 kn
Sıfır-
Doppler
süzgeci
Sabit Hedef
Parazit-Doppler
süzgeci
Genlik
fD
1 kHz
2 kHz

Resim 2: Bir L-bant radarında verilen bir frekans için alçak-geçiren Doppler-süzgeci

Alçak- ya da yüksek geçiren Doppler süzgeci

Parazit-Doppler Süzgeci ve Sıfır-Doppler-Süzgeci Darbe Çiftinin İşlenmesi denilen prensibe göre çalışırlar: Bu yöntemde en az iki darbe periyodu boyunca yankı sinyalinin fazları karşılaştırılır. Her iki devre bir parazit sinyalinin algılanmasında hedef hızının bir belirli değerinden itibaren alçak geçiren bir süzgeç gibi davranır.

Sıfır-Doppler-Süzgeci bir sayısal alçak geçiren süzgeç gibi çalışabilir ve 20 knot civarında bir radyal hızla seyretmekte olan hedefleri daha küçük bir Doppler frekansıyla algılayabilir. Bir sonraki Doppler-süzgeci 40 knotluk bir radyal hıza karşılık gelen bir sınır frekansına (cut-off frequency) sahiptir. Her iki süzgeç de zayıf yankı sinyallerini algılayabilmek için farklı en uygun eşik değerini kullanır. Her iki süzgeç tipi aslında hedef işaretlerinin birden fazla sayıda darbe periyodu boyunca ara frekans (IF) seviyesine (faz bilgisi ile birlikte) ilintilenmiş olmasından dolayı karmaşık evreuyumlu darbe-tümleşimli (coherent pulse-integration) grup içinde yer alır.

Buradaki „alçak geçiren davranışının“ dikkatle kullanılması gereklidir. Burada frekanslar değil faz açıları dikkate alınmaktadır. İlgili yankı sinyalinin bir parazit sinyali olup olmadığı sorusunun yanıtı sadece mantıksaldır. Süzgecin bir alçak-geçiren süzgeç mi yoksa yüksek-geçiren süzgeç mi olduğunun yanıtı o zamanki somut devre ya da yazılım yordamına bağlıdır. Eğer alçak-geçiren süzgeçte çıkartma katında karmaşık giriş sinyali içinde algılanan parazitler eleniyorsa geriye artık bir yüksek-geçiren süzgeç davranışı kalacaktır.

Sıfır-süzgeci genellikle ikinci dereceden bir süzgeçtir ve sadece sabit hedefleri daha doğrusu Doppler-frekansı bulunmayan hedefleri algılar. Sabit hedef –Doppler-süzgeci daha da geliştirilmiştir ve rüzgârın sebep olduğu 20 ila 40 knot arasında bir radyal hızla hareket eden yağmur bulutlarını da algılayabilir. 37 ila 74 km/h arasındaki bu hız bölgesi bir normal uçağın hızına göre çok daha yavaştır. Bir normal işarete ait bu iki süzgeçte algılanan sonuçların ekranda görüntülenmemesi gerekir. Eğer Sabit hedef –Doppler süzgecinde bir sonuç alınıyor, fakat Sıfır-Doppler süzgecinde alınmıyorsa, bu durumda hedeflerin bir hacimsel hedef mi ya da bir nokta hedef mi olduğu araştırılmalıdır. Yani işaret bu yankı sinyalinin komşu hücrelerinin içeriğine bağlıdır.

Doppler-süzgeç öbeği
Negatif
Doppler kayması
Pozitif
Doppler kayması
Frekans
Hedef sinyali
Doppler-süzgeç
fIF
fD
Genlik

Resim 3: Bir Doppler- süzgeç öbeğinin frekans dağılımı (bu öbekte 8 adet süzgeç bulunmaktadır)

Doppler-süzgeç öbeği
Negatif
Doppler kayması
Pozitif
Doppler kayması
Frekans
Hedef sinyali
Doppler-süzgeç
fIF
fD
Genlik

Resim 3: Bir Doppler- süzgeç öbeğinin frekans dağılımı (bu öbekte 8 adet süzgeç bulunmaktadır)

Doppler-Süzgeç Öbeği

Doppler-süzgeci prensibinde bir Doppler frekansı bulaşmış yankı sinyalinin ara frekans yükseltecinin (IF Amplifier) merkez frekansından ne kadar sapması gerektiği esas alınır. Bant geçiren özelliğe sahip bir süzgeçle doğrudan bir frekans ölçümü yapmak çok pratiktir, bununla beraber bu sıfır- ya da sabit-yerden yansıma-süzgeçlerindeki faz açı ölçümünden daha az hassas değildir. Ancak bu ölçümde geçişlerden kararlı hale gelene kadar (from transients to steady state phase) geçen süre daha uzundur. Burada her iki süzgeçten Darbe Çiftinin İşlenmesi yöntemi ile algılanan tüm değerler ara frekansa (IF) yakın olurdu, keza Doppler frekansı da sıfırdır.

Değişik Doppler-süzgeçleri Doppler-süzgeç öbeği (Doppler-filter bank) olarak adlandırılır. Bunlar daha fazla sayıda hedefi tanımak için paralel çalışabilen kaydırılmış frekans tepkili (frequency response) genellikle 8, 16 ya da 16 lı türdeş Doppler-süzgeçlerdir. Resim.1 de görülen süzgeçlerin hepsi yaklaşık benzer yapıdadır. Her bir Doppler-süzgeci bir belirli tınlaşım frekansına (resonance frequency) sahiptir. Birden daha fazla sayıda hedef jet motor modülasyonu denilen (Resim. 5 e bakınız) modülasyon nedeniyle üst-üste binişmiş çok sayıda Doppler-frekansına meydana getirir. Bu değişik Doppler-frekansları hedefin tanınması sürecinde çok önemli bir adımdır.

Süzgeçler vasıtasıyla ancak sınırlı sayıda bir hedef algılanabilir. Her bir hedef çok sayıda değişik Doppler-frekansı oluşturabilir. Hedef sayısının çok olması durumunda aynı menzile sahip hedeflerde hangi Doppler-frekansın hangi hedefe ait olduğunu bilmek mümkün değildir.

Bu frekans ölçümünün ara frekans katında gerçekleşmesi nedeniyle süzgeçlerin ara frekansının altında ve üstünde simetrik dizilmiş olması gerekir. Sıfır Doppler-frekansı tam olarak fZF ara frekansa denk gelir. Bu sayede radyal hızın yönünün belirlenmesi de mümkün olur: Radardan uzaklaşan nesneler anma frekansından daha küçük bir fZF frekansına; radara yaklaşan nesneler ise anma frekansından daha büyük bir fZF frekansına sahip olurlar. Sıfır Doppler-frekansı fZF ara frekansına yakın alt ve üstte yer alan her iki süzgeçte aynı büyüklükte sinyaller üretmelidir. Çok küçük sapmalar (keza sıfıra yakın bölgedeki çok küçük Doppler-frekansları) her iki süzgeçte de belirgin genlik farklarına sebep olurlar. Bu durum süzgeç öbeğini en küçük hareketlere bile özellikle duyarlı hale getirir.

Çoklayıcı yöntemi

Karada- ve denizde kurulu radarlarda yer yüzeyinin kıvrımı nedeniyle sadece yakın menzilde sabit hedef yansıma parazitleri meydana gelebilir. Bu nedenle sabit hedef yansıma parazitlerinin sadece yakın menzilde bastırılması gerekir. Eğer radar keza üç adet Hareket Eden Hedef Gösterge- darbe periyodunu bir yöne doğru yollarsa, o zaman bu üç darbe periyodu Hareket Eden Hedef Gösterge sisteminde (MTI- System) birbiri ardına işlenir. Süzgeçlerin farklı çalışması nedeniyle sonuçlar farklı zamanlarda ortaya çıkar. Bilgisayara arayüz olarak bir çoklayıcı uygundur.

Uzun menzil
Uzun menzil
Kısa menzil

Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlenmesi için üç kısa menzil- darbe periyotlu radar-zaman-çizgisi

Uzun menzil
Uzun menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil

Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlenmesi için üç kısa menzil- darbe periyotlu radar-zaman-çizgisi

Uzun menzil
Uzun menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil

Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlenmesi için üç kısa menzil- darbe periyotlu radar-zaman-çizgisi

Doppler-süzgeci güncel darbe periyodunda derhal bir çıkış sinyali verir. Bu süzgeç keza uzun menzilde her bir anten yönünde sadece bir darbe periyodu boyunca etkilidir. Bunlar hedefin Doppler-frekansının ölçülmesinde ve dolayısıyla radyal hızının doğrudan ölçülmesinde kullanılır, bu daha sonra hedefin konumundaki değişikliğin ölçütü olarak bir sözde menzil oranına dönüştürülür. Bu menzil oranı bu hedef için bir sonraki anten dönüşündeki beklenen pencere çizit çekip-çıkarıcı için önemlidir.

Sabit hedef parazit Doppler-süzgeci tümleştirme ve döküm yöntemi sonrasında ikinci darbe periyodunu takiben sonuçlar gelecek şekilde ayarlanabilir.

Sıfır Doppler-süzgeci keza bir Sabit hedef parazit- süzgecidir. Bu süzgeçte yankı sinyallerinin faz açıları üç ya da daha fazla sayıda darbe periyodu boyunca birbirleri ile karşılaştırılır ve sonuçlar en erken son darbe periyodunda (ve çok daha iyi bir hassasiyetle) alınabilir.

Çoklayıcı (multiplexer) böylece darbe periyod numarası ile sadece zamana bağlı olarak kumanda edilebilir: Her bir üç darbe periyodunda bir süzgeç sonucu radar sinyal işlemcisine aktarılır. İşlemci bu üç sonucu birbiri ile karşılaştırır ve değerlendirir ve sonraki işlemler için en iyisini seçer. Aynı zamanda hangi süzgecin en iyi sonucu verdiğine dair bilgiler belleğe kaydedilir.

Resim 5: Bir uçağın ve bir rüzgâr türbininin jet motor modülasyonunun Doppler izgesi.

Jet Motor Modülasyonu (JEM)

Bir Doppler-frekansı uçağın ana yüzeylerindeki yansıma ile oluşmaz. Uçak geometrisinin gitgide “hayalet (Stealth)” uçak biçimine dönüşmesi nedeniyle radar aygıtlarının, örneğin motor türbinlerinin kompresör rotor kanatları gibi yeterli büyüklükte yankı sinyali üreten en küçük yüzeylerinden gelen yankıları bile algılayacak kadar çok daha hassas olması gerekmeye başlamıştır. Bunların her biri uçağın radyal hızından tamamıyla farklıdır ve farklı Doppler-frekansa sahip özgün yankı sinyalleri üretirler. Bu JEM-darbesinin konumu keza bakış açısına bağlıdır ve matematiksel modelleme yapılarak bir veri tabanına kaydedilir. Bu veriler bir insanın parmak izi benzeri uçaklarının tipini tanımakta kullanılabilinir. Bunun için tüm Doppler-frekansları ölçülmeli ve veri tabanındaki imgelerle karşılaştırılmalıdır.

Doppler-frekansının göndericinin taşıyıcı frekansına bağlı olması ve radarın birden daha fazla değişik gönderim frekansı kullanması olasılığı nedeniyle Doppler-frekanslarının normalize edilmesi gerekir. Bu gönderim frekansının etkisinin tekrardan hesaplanmasını gerektirir. Bunun en kolay yolu ölçülen Doppler-frekansının güncel gönderim frekansına bölünmesi ve ardından bir standart frekansla çarpılmasıdır.

Resim 5: Bir uçağın ve bir rüzgâr türbininin jet motor modülasyonunun Doppler izgesi.

Blok şemasında modülleri açıklaması