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

Doppler Süzgeci

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

Resim 1: Tek-darbe antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki 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 antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması

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

Resim 1: Tek-darbe antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması (Etkileşimli resim)

« Doppler Süzgeci » İçeriği
  1. Alçak-geçiren Doppler süzgeci
  2. Doppler Süzgeç Öbeği
  3. Çoklama yöntemi
  4. Jet Motor Modülasyonu (JEM)

Doppler Süzgeci nedir?

Doppler Süzgeci

Bir yankı işaretinin Doppler frekans değerinin büyüklüğü değişik Doppler Süzgeçleri ile değerlendirilir. Bu Doppler süzgeçleri ya donanımsal olarak tınlaşım süzgeçleri (resonance filters) ile gerçekleştirilir ya da yankı işaretinin sayısallaştırılmasının ardından yazılım yordamı gibi yürütülür.

Bir sayısal alıcıya sahip ve tek-darbe yöntemi ile çalışan tam-evreuyumlu bir radar aygıtındaki Hareketli Hedef Gösterge sistemi sözde-evreuyumlu radar aygıtlarında bulunan Hareketli Hedef Gösterge sisteminden biraz daha karmaşıktır. Bu sistem, sadece hareketli hedefleri görüntüleyen Hareketli Hedef Gösterge Sistemi (Moving Target Indication, MTI) olmaktan çıkmış, daha ziyade bir Hareketli Hedef Algılayıcısı (Moving Target Detector, MTD) haline gelmiştir. İkisi arasındaki fark; Hareketli Hedef Algılama sisteminin, o anda hareket etmeyen ya da önemsiz miktarda hareket eden hedefleri de hareketli hedef gibi algılamasıdır. 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 bile 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, sadece bir uyumlu süzgeçte olduğu gibi, yararlı işaret ve parazit işareti arasında mümkün olabilen bir en büyük aralığı (Signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR) sağlamak amacıyla benzer 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 bölen bir frekans bölücüden başka bir şey değildir.

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

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

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

Resim 2: Bir L-bant radarında verilen frekanslar 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 işaretinin fazları karşılaştırılır. Her iki devre bir parazit işaretinin tanınması sırasında, 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 işaretlerini algılayabilmek için farklı, en uygun eşik değerini kullanır. Her iki süzgeç tipi de aslında hedef işaretlerinin, birden fazla sayıda darbe periyodu boyunca daha şimdiden Ara Frekans (IF) seviyesine (faz bilgisi ile birlikte) ilintilenmiş olmasından dolayı karmaşık Evreuyumlu Darbe-tümleşimli (coherent pulse-integration) grup içinde yer alırlar.

Buradaki „alçak geçiren davranış“ teriminin dikkatle kullanılması gereklidir. Burada frekanslar değil, faz açıları dikkate alınmaktadır. İlgili yankı işaretinin bir parazit işareti olup olmadığı sorusunun yanıtı sadece bir mantıksal tanımlamadır. Süzgecin bir alçak-geçiren süzgeç mi, yoksa yüksek-geçiren süzgeç mi olduğunun yanıtı, o zamanki somut devreye ya da yazılım yordamına bağlıdır. Eğer, alçak-geçiren süzgeçte çıkartma katında giriş işaretinin karmaşımı içinde algılanan parazitler eleniyorsa, geriye artık bir yüksek-geçiren süzgeç davranışı kalacaktır.

Sıfır-süzgeci genellikle ikinci dereceden bir süzgeçtir ve yalnızca sabit hedefleri ya da Doppler-frekansı bulunmayan hedefleri algılar. Sabit Hedef Doppler-süzgecinin kapsamı daha da geniştir 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 yavaştır. Bir normal ekranda bu iki süzgeçle algılanan sonuçların 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, görüntü bu yankı işaretinin komşu hücrelerinin içeriğine bağlıdır.

Doppler Süzgeç öbeği
Negatif
Doppler kayması
Pozitif
Doppler kayması
Frekans
Hedef işareti
Doppler Süzgeç
fIF
fD
Genlik

Resim 3: Burada yalnızca 8 adedi gösterilen Doppler süzgecinden bir Doppler süzgeç öbeğinin frekans dağılımı

Doppler Süzgeç öbeği
Negatif
Doppler kayması
Pozitif
Doppler kayması
Frekans
Hedef işareti
Doppler Süzgeç
fAF
fD
Genlik

Resim 3: Burada yalnızca 8 adedi gösterilen Doppler süzgecinden bir Doppler süzgeç öbeğinin frekans dağılımı

Doppler Süzgeç Öbeği

Doppler-süzgeci prensibinde, bir Doppler frekansı bulaşmış yankı işaretinin 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 yöntem, Sıfır- ya da Sabit Hedef Doppler süzgeçlerindeki faz açı ölçümünden daha az duyarlı 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 yönteminde, yani sıfır Doppler frekansıyla, algılanan tüm değerler Ara Frekansa yakın olurdu.

Değişik Doppler-süzgeçleri Doppler-süzgeç öbeği (Doppler-filter bank) olarak gruplanırlar. Bunlar, aralıklı frekans değerlerinde paralel çalışabilen, genellikle 8, 16 ya da 32 li türdeş Doppler-süzgeçlerinden meydana gelir. Resim.1 de görülen süzgeçlerin hepsi yaklaşık benzer yapıdadır. Her bir Doppler-süzgeci bir belirli tınlaşım frekansına (resonance frequency) sahiptir. Çoğu hedefler jet motor modülasyonu denilen (Resim. 5 e bakınız) modülasyon nedeniyle birkaç üst-üste binişmiş Doppler-frekansına sahiptir. Bu değişik Doppler-frekansları hedefin tanınması sürecinde çok önemli bir adımdır.

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

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

Çoklama yöntemi

Karada- ve denizde kurulu radarlarda yer yüzeyinin kıvrımı nedeniyle sadece yakın menzilde sabit hedef yankı parazitleri meydana gelebilir. Bu nedenle sabit hedef yankı parazitlerinin sadece yakın menzilde bastırılması gerekir. Eğer radar, üç adet Hareketli 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. Böyle bir Çoklayıcı bilgisayara arayüz olarak uygundur.

Uzun menzil
Uzun menzil
Kısa menzil

Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlenmesi için üç kısa menzil- darbe periyotlu Radar-Zaman-Çizelgesi

Uzun menzil
Uzun menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil
Kısa
menzil

Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlemi için üç kısa menzil- darbe periyotlu Radar-Zaman-Çizelgesi

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-Çizelgesi

Doppler süzgeci güncel darbe periyodunda derhal bir çıkış işareti verir. Bu süzgeçler, böylece 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, Çizit Çıkarıcının, bu hedef için bir sonraki anten dönüşündeki beklenen penceresi için önemlidir.

Sabit Hedef Parazit Doppler Süzgeci tümleştirme ve döküm yöntemine göre sonuçları ikinci darbe periyodunu takiben verecek şekilde ayarlanabilir.

Sıfır Doppler süzgeci yine bir Sabit Hedef Parazit Doppler süzgecidir. Bu süzgeçte yankı işaretlerinin faz açılarını üç ya da daha fazla sayıda darbe periyodu boyunca birbirleri ile karşılaştırılır ve sonuçlar en erken son darbe periyodunda (ve çok daha iyi bir duyarlılıkla) alınabilir.

Çoklayıcıya (multiplexer) böylece darbe periyodu numarası ile sadece zamana bağlı olarak kumanda edilebilir: Her bir üç darbe periyodunda bir diğer süzgeç sonucu radar işaret 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 işareti üreten en küçük yüzeylerinden gelen yankıları bile algılayacak kadar çok daha duyarlı olması gerekmeye başlamıştır. Bunların her biri, uçağın radyal hızından tamamıyla farklıdır ve farklı Doppler frekansa sahip özgün yankı işaretleri üretirler. Bu JEM-darbesinin konumu bakış açısına da bağlıdır ve matematiksel modelleme yapılarak bir veri tabanına kaydedilir. Bu veriler, bir insanın parmak izi benzeri, uçakların 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