Radar Temelleri

Azimut Açı Çözünürlüğü nedir?

Azimut Açı Çözünürlüğü

Antenden aynı uzaklıkta bulunan, yani menzilleri aynı olan, iki büyük hedefin radar tarafından birbirlerinden ayırt edilebilmesi ve ekranda iki ayrı işaret olarak görüntülenebilmesi için bu iki hedefin aralarında bir belirli yatay açıklık olması gerekir. Bunu sağlayan en küçük yatay açıya ya da diğer adıyla azimut açısına o radarın açısal çözünürlük yeteneği ya da azimut çözünürlüğü denir. Bu açıklık ne kadar küçük ise radarın azimut açı çözünürlüğü de o kadar iyi demektir. Menzil çözünürlüğünün aksine, azimut çözünürlüğü menzile bağlı, hatta orantılı bir değerdir.

R

½Θ

S_A

Resim 1: S_A açıklığı yatık-menzile bağlıdır

Anten parametresi olarak açısal çözünürlük

Genel olarak, antene aynı uzaklıkta bulunan iki hedef aynı anda anten çizgesindeki ana topuz (main lobe) içinde algılanırsa bunları birbirinden ayırt etmek mümkün olmaz. Açısal çözünürlük yeteneği sadece azimut açısı cinsinden ifade edilebilir. Bu durum, açısal çözünürlük yeteneğiyle ilgili bir menzil verisi anlamlı (örneğin, bir radarın genel teknik verilerinde yer alan) ya da mümkün değilse (örneğin, bir Sürekli-Dalga Radarında) söz konusudur.

Eğer bir hedef işareti bir A-ekranda çok büyük bir darbe olarak görüntülenirse, bunun sadece bir büyük hedefe mi yoksa yan yana uçan ve yankı genlikleri binişen iki uçan hedefe mi ait olduğunu ayırt etmek mümkün olmaz. Her iki hedefin genlikleri arasındaki bir minimum değeri görebilmek için bu iki hedef arasındaki açıklık yeterince büyük olmalıdır.

Açısal çözünürlük yeteneği için belirleyici olan antenin Θ Açıklık Açısı (aperture angle) ya da Yarı Güç Genişliğidir (half-power beamwidth). Açıklık Açısı ve Çözünürlük Yeteneği arasındaki ilişki aşağıdaki formülde verilmiştir:

(1)

• Θ = Ana topuzun açıklık açısı (teta)
• S_A = Azimut açısı çözünürlüğü
  
• R = Hedef ile anten arasındaki yatık menzil [m]

Pratikte, bir analog PPI ekranda azimut açısı çözünürlüğü, ekranda görüntülenen hedef işaretlerinin iki uçağa ait olduğunu radar operatörünün önceden bilip bilmemesine bağlıdır. Sayısal hedef-tanıma özelliğine sahip sistemler, hedeflerin bireysel genliklerini karşılaştırabilmeleri özelliği sayesinde radarın azimut açı çözünürlüğünü iyileştirilebilirler.

3-boyutlu radarlarda keza yükseklik açısında da bir açısal çözünürlükten bahsedebiliriz. Hesaplama yöntemi aynıdır, yatay açı için kullanılan Θ açısı bu kez düşey açıklık açısı için kullanılır. Teknik yayınlarda „Teta“ değişken adının bu açıların hepsi için kullanılması bir karışıklığa yol açmaktadır.

Yarı-güç demet
genişliği Θ

Sıfır açısı

Sıfırlar arası
demet genişliği

Resim 2: Yarı Güç Demet Genişliğine karşı Sıfır Açısı (sıfırlar arasındaki demet genişliğinin yarısı)

Yarı-güç demet
genişliği Θ

Sıfır açısı

Sıfırlar arası
demet genişliği

Resim 2: Yarı Güç Demet Genişliğine karşı Sıfır Açısı (sıfırlar arasındaki demet genişliğinin yarısı)

LIDAR Açı Çözünürlüğü

Belirli durumlarda açısal çözünürlük yarı güç genişliğini kullanmadan optik kurallarla daha kolay hesaplanır. Örneğin elektromanyetik dalgaların yerine lazer darbelerinin gönderildiği bir LIDAR da lazer darbelerinin dönüşünde nokta biçimli iki nesneye ait ayrı ayrı magenta ve mavi renkli imge (image) meydana gelir (Resim 2). Resimdeki yatay eksen açıyı, dikey eksen ise genliği belirtir, gösterim amaçlıdır ve herhangidir ölçeği yoktur. Magenta ve mavi renklerle çizilen iki imgeden herhangi birinin genliğinin maksimum değerinin, diğer nesneye ait imgenin genliğinin ilk minimumu ile çakıştığı durumdaki magenta ve mavi renkli imgelerin maksimum noktaları arasındaki yatay açıklık bu nokta biçimli iki nesne arasındaki açısal açıklıktır. Optik sistemlerden farklı olarak bu açı deneysel elde edilir ve Sıfırlar Arası Demet Genişliğinin yaklaşık yarısına denk gelir.

Bu tanımın klasik radardaki karşılığı: Bir radarın azimut açı çözünürlük yeteneği, anten çizgesindeki ilk minimum ile ana topuzdaki maksimum arasındaki açısal açıklık olarak tanımlanır (sıfır açısı ya da sıfırlar arası yarı demet genişliği).

Ana topuzun genişliğini hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılabilir:

(1)

• λ = Boşluktaki dalga boyu
• D = boylamasına uzunluğu
• K = Yayın genişleme katsayısı

Faz dağılımının doğrusal olması kaydıyla her bir genlik oranına karşılık gelen ve derece cinsinden ölçülen bir Demet Genişlik Katsayısı (beamwidth factor) vardır. Yarı Güç Genişliği için Demet Genişlik Katsayısı antenin tipine bağlıdır. Bir ideal yansıtıcı anten için bu değer 0.98° ile 2° arasında değişir. Bir Yapay Açıklıklı Antenin sıfır açısı için demet genişlik katsayısı 1.22° dir.

Sıfır açısı sadece ana topuzunun yarı genişliği, sıfır açı genişliği ve her iki yarım bölümdeki yarı güç genişliği ile ilgilidir (Resim.2 ye bkz.). Bu nedenle her iki açı (sıfır açısı ve yarı güç genişliği) her ne kadar aynı büyüklükte olsalar bile eşit değildirler. Bununla beraber bu büyüklükteki bir fark pratikte ihmal edilebilir. (1) nolu formülün kullanılması sırasında kullanılan açının sadece ana topuzun yarı genişliği için mi yoksa her iki yarı bölüm için mi olduğuna dikkat edilmesi gerekir.

Çapraz Menzil Çözünürlüğü

Yapay Açıklıklı Radarların ortaya çıkışından sonra, bu radarların geometrisi klasik radarlara benzemese de diğer radar yöntemleri için türetilen yeni kavramlar bu radarlarda da benimsendi. Bir Yapay Açıklıklı Radar da menzil ölçümü Yapay Açıklıklı Radarın monte edildiği platformun hareket yönüne (rotasına) dik yönde yapılır. Böylece hareket yönündeki açısal çözünürlük (platform rotası yönünde hareketine devam etmektedir) yatık menzile yeniden dik olur ve bu nedenle Çapraz Menzil Çözünürlüğü (Cross Range Resolution) olarak adlandırılır. Bir gerçek açıklıklı radar için bu kavramın benimsenmesi kritiktir, çünkü gerçek açıklıklı klasik radarda hedefler arasındaki açıklık yarıçapa dik olmayıp, daha ziyade her bir hedefe teğettir: Bu durumda R yarıçaplı bir çember üzerindeki hedefler arasındaki açıklık dairenin bir kirişi olur (Resim.1 e bkz.).

Yapay Açıklıklı Radar da açısal çözünürlük yeteneği, yinelenen matematiksel işlemler nedeniyle gerçek açıklıklı antene (real aperture antenna) sahip bir klasik radara göre tümüyle farklı ilişkilere sahip olur. Bir gerçek açıklığın aksine, gerçek antenin (real antenna) yarı güç genişliğinin artması ile Çapraz Menzil Çözünürlüğü daha da iyileşir. Son olarak, radarın yanından geçişi sırasında, sadece bu nesneye ait, anten tarafından tüm ölçümlerde algılanan yankı işaretleri bir daha işlenebilir (post-processing). Gerçek antenin açıklık açısı arttıkça daha fazla ölçüm sonucu elde edilebilir. Yeniden-işleme sürecine daha fazla bireysel yankı işareti katıldıkça, çözünürlük yeteneği daha da iyileşir. Radarın „ayak izinin (footprint)” daha uzun menzillerde genişlemesi nedeniyle uzak menzillerdeki çözünürlük yeteneği kısa menzillere göre daha iyidir. Yapay açıklığın büyümesinin menzil arttıkça menzile bağlı olarak kötüleşen çözünürlük yeteneğine zıt bir etkisi olur. Bu nedenle, gerçek açıklığın aksine Yapay Açıklıklı Radarda menzil artarken Çapraz Menzil Çözünürlüğü sabit kalır.

Sürekli Dalga- Radarında azimut açı çözünürlüğü

Resim 3: Menzilin azimut açı çözünürlüğü üzerindeki etkisi

Resim 3: Menzilin azimut açı çözünürlüğü üzerindeki etkisi

Resim 3: Menzilin azimut açı çözünürlüğü üzerindeki etkisi

Bir Sürekli-Dalga radarıyla (Continuous Wave Radar) yakın menzillerde çok doğru sonuçlar kolaylıkla elde edilebilir. Bu nedenle bu tür radarlar karayolu hız kontrollerinde sıkça kullanılır. Formül (1) deki açısal çözünürlük, antenin yarı-güç genişliği ve ölçümü yapılacak nesneye R uzaklığı ile hesaplanır.

Ölçülen değerlerin hiç bir şüpheye yer bırakmayacak bir şekilde verilen bir yansıtıcı nesneye atanması radar aygıtlarında bir sorun olmaktadır. Bir Sürekli-Dalga Radarında eşzamanlı algılanan iki yansıtıcı nesneyi birbirinden ayırt etmek genellikle mümkün olamamaktadır. Mümkün olsa da, hangi nesnenin daha hızlı veya hangi nesnenin daha yavaş olduğunu söylemek mümkün değildir. Eğer ölçüm altındaki nesne uzakta ise, o zaman anten çizgesi genişleyecek ve dolayısıyla açısal çözünürlük kötüleşecektir. Bu durumda alınan sonuçlar bir kanıt sayılamaz ve iptal edilmeleri gerekir. Karayolları uygulaması sırasında çekilen kanıt fotoğrafında iki araç birlikte yer almamalıdır, bu durumda resimdeki araçlardan hangisinin aşırı hız yaptığını söylemek mümkün değildir. Çözünürlük yeteneği burada daha çok radar anteninin sıfır değer genişliğine bağlıdır. Bu tür radar uygulamasında en iyi ölçüm sonuçları radar aygıtını yol kenarına olabildiğince yakın bir yere kurarak alınabilir. Bazen taşıt yolu ile radarın kurulduğu yer arasında bisikletler için ayrılmış özel yollar nedeniyle zorunlu olarak bu açıklık artar. Bu durumda ölçüm, ancak trafik yoğunluğu yeterince az ise mümkündür.

Kural dışılıklar

Antene aynı uzaklıkta bulunan hedeflerden ikisinin eşzamanlı anten çizgesinin ana topuzu içinde algılanıp, ayırt edilememe temel değerlendirmesi aslında sadece klasik radarlar için geçerlidir. Bu nedenle şöyle bir yol izlenir: Eğer hedefler arasındaki yatay açıdaki açıklık ana topuz büyüklüğünde ise (burada daha genellikle Yarı Güç Açıklığı kullanılır) hedefler kolayca ayırt edilebilirler. Bu yöntem, bazen ana topuz da bile, iki hedefin ayırt edilebileceğini düşündürmektedir.

Eğer bir hedef tanıma araştırması Doppler-izgesi ve veri tabanındaki imzalarla karşılaştırma ile gerçekleştiriliyorsa durum tam da budur. Örneğin, bazı durumlarda bilinen iki farklı radar imzasının bir yankı darbesi içinde yer alması sağlanabilir. Bu, bir uçak türbinin dönüş sayısının ikinci uçağın türbinin dönüş sayısıyla eşzamanlı olabilmesinin imkânsızlığından kaynaklanmaktadır. Türbin kanatçıklarının yankılarının (Jet Motor Modülasyonu, JEM denilen) Doppler frekansları birbirinden farklıdır ve yankı işaretine kaç tane uçağın katkıda bulunduğu gibi soruyu gündeme getirir.