http___radartutorial.de_01.basics__C3_87ok_20Frekansl_C4_B1_20Radar.tr.html_1.xml
1.1 2.1 2.2 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 31.2 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 42.2 42.3 43.1 44.1 45.1 45.2 46.1 47.1 47.2 48.1 49.1 49.2 50.1 51.1 51.2 52.1 53.1 54.1 55.1 55.2 55.3 55.4 55.5 56.1 57.1 57.2 57.3 58.1 59.1 60.1 61.1 62.1 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 68.2 68.3 68.4 68.5 68.6 68.7 68.8 68.9 69.1 70.1 71.1 72.1 73.1 74.1 75.1 76.1 77.1 78.1 78.2 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 83.2 83.3 83.4 84.1 84.2 84.3 84.4 85.1
Frequency Diversity Radar In order to overcome some of the target size fluctuations many radars use two or more different illumination frequencies. Frequency diversity typically uses two transmitters operating in tandem to illuminate the target with two separate frequencies like shown in the picture. selector f₂ f₁ stage cator f₁ f₂ nizer Figure 1: Block diagram of a frequency-diversity radar selector f₂ f₁ stage cator f₁ f₂ nizer Figure 1: Block diagram of a frequency-diversity radar selector f₂ f₁ stage cator f₁ f₂ nizer Figure 1: Block diagram of a frequency-diversity radar (Please hold the mouse-pointer over dedicated components of the block diagram and you'll get a describing text) The received signals can be separately processed in order to maintain coherence. In addition to the 3dB gain in performance achieved by using two transmitters in parallel, the use of two separate frequencies improves the radar performance by (typically) 2.8dBs. Principle of Operation Synchronizer The synchronizer supplies the synchronizing signals that time the transmitted pulses, the indicator, and other associated circuits. Modulator The oscillator tube of the transmitter is keyed by a high-power dc pulse of energy generated by this separate unit called the Modulator. Transmitter The radar transmitter produces the short duration high-power rf pulses of energy that are radiated into space by the antenna. Commutator Figure 2: Commutator Figure 2: Commutator A commutator is actually a time controlled switch. The word comes from Latin and means „collecting bar” or „call handling”. Either the commutator works passively (all incoming RF pulses on the three input jacks will be conduct to the output jack) or actively (the RF input pulses are switched to the output time controlled by separate gate pulses like shown in the figure.) Since very high frequencies must be switched very fast, the commutator uses a wiring technology like the one used by the duplexer. Duplexer The duplexer alternately switches the antenna between the transmitter and receiver so that only one antenna is used. This switching is necessary because the high-power pulses of the transmitter would destroy the receiver if energy was allowed to enter the receiver. Antenna The antenna transfers the transmitter energy to signals in space with the required distribution and efficiency. This process is identical during reception. Frequency Selector The frequency selector is a frequency-separating filter. It separates the received echo-signals into the receivers depending on the frequency. Receivers The receivers amlify and demodulate the received RF-signals. The receiver provides videosignals on the output. Delay stage Figure 3: delay time Figure 3: delay time At the transmitter, pulse f2 is delayed by a predetermined time with respect to pulse f1. To undo this delay on the receiving path (The pulse f2 won't dwell faster, even if we want it! ), the pulse f1 must be delayed exactly with the same time delay. Now the signal processor can process both signals simultaneously. Notice, that the first pulse transmitted is shown on the oscilloscope as the first pulse as well, i.e. on the left side of the screen! Signal Processing The single signals are processed in parallel in separate channels at a multiple frequency radar unit. These signals arethen accumulated and compared with a threshold value. Several processing procedures are used: - linear addition of the amplitudes of all channels (maximum range at low jamming immunity); - multiplication of the amplitudes of all channels (maximum jamming immunity, but at the lowest value of the maximum range); - addition of the squares of the amplitudes of all channels (optimal procedure!); - linear addition of the amplitudes of several channels followed by a multiplication of the partial sums (This procedure is drawn in the upper functional block diagram.); - Multiplication of the amplitudes of several channels followed by addition of the partial results. High effectiveness is reached when using one of the mentioned processing procedures. But which procedure to use to which radar unit is usually highly classified. Indicator The indicator should present to the observer a continuous, easily understandable, graphic picture of the relative position of radar targets. Summary With the multiple frequency radar procedure it is possible to achieve a fundamentally higher maximum reach, equal probability of detection and equal false alarm rate. That is, if the probability of detection and the false alarm rate are equal in both systems, then by using two or more frequencies it is possible to achieve a higher maximum range. The smoothing of the fluctuation of the complex echo signal is the physical basis for this. The extreme values (minima and maxima) are moved against each other because of the differences in the secondary radiation diagram of the target for the different carrier frequencies. If the backscatter of the first frequency has a maximum, then the backscatter of the second frequency has a minimum for most part. The sum of both signals don’t alter the average of the single signals. This causes a smoothing of the resulting signal at an addition of the single received signals. The reflected single signals must be independent in order to increase the maximum range by increasing the probability of detection of the target. The disadvantage of this process is that the signals have different spectra and therefore they are easily detected, making a target visible to the enemy. The multiple frequency procedure is used by the following technical methods: - Simultaneous transmission of several pulses at different carrier frequency in the simplest form can be made with several transmitters and receivers working simultaneously. - Succession following radiation of several signals the carrier frequency can be changed by changing the frequency: - of each pulse after the other (frequency agility), - within the duration of a single pulse (frequency diversity) and - after several pulses (possible at higher pulse repetition frequencies only). Combinations of several methods are also used. For example the ATC-radar ASR-910 uses multiple frequencies, transmitting two pulses closely following the other (frequency diversity), and the RRP-117 air defense radar is also equipped with two frequency carriers and an additional pulse compression. (Since the spectra of the transmitted frequencies cover themselves in the pulse compression, other rules have to be considered.) The delayed radiation of several signals has advantages opposite to the simultaneous radiation of several signals: - different transmitted signals don't influence each other, - more favorable energy conditions arise from the delay, therefore there is no need of using different transmitters and - a simple construction of the transmitters and the antenna systems. An important advantage of the multiple frequency procedure is the high jamming immunity of the procedure. The further processing of the single received signals has a contribution to that. The linear addition of the signals of different frequency components increases the probability of detection of the target. However, this brings disadvantages with regard to the jamming immunity like a radar with a single Tx-frequency only. The work with two transmitters of different frequencies (E.g.: ASR-910) is often looked at falsely only for reasons of the redundancy. („However, if a transmitter fails, I still have the other transmitter!”) The projected maximum range of the radar unit is then reduced to 70%¹. This fact is usually noticed by the flight checker, however, the cause is usually checked somewhere else. ¹) fourth root from the losses of 3dB (decreased Tx-power) plus 2 to 2,5dB increasing of the fluctuations loss
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1 57.1 58.1 59.1 60.1 61.1 62.1 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 69.1 70.1 71.1 72.1 73.1 74.1 75.1 76.1 77.1 78.1
Çok Frekanslı Radar cihaz seçici kademesi devresi devresi devresi cihaz Resim 1: Bir çok frekanslı radar öbek şeması cihaz seçici kademesi devresi devresi devresi cihaz Resim 1: Bir çok frekanslı radar öbek şeması (Etkileşimli resim) Çok Frekanslı Radar Birden fazla frekansta yayın yapabilen radarlar, şekilde görüldüğü gibi, anten karakteristikleri örtüşen, birbirinden farklı bir veya daha fazla frekanstaki dalgaları sırayla yollarlar. Dönen sinyaller, uyumu sağlamak için ayrı ayrı işlenir. İki göndericiyi paralel olarak çalıştırmak, 3 dB lik bir ek kazanç sağlar, buna ilaveten, farklı iki frekansta yayın yapılması radarın performansını tipik olarak 2.8 dB daha arttırır. Çok frekanslı radar yöntemlerinde eşit algılama ihtimali ve eşit yanlış alarm yüzdesi ile yüksek değerlerde azami menzilleri yakalamak mümkün olmaktadır. Fiziksel yöntemlerle karmaşık yansıma sinyalleri düzeltilirler. Hedefin değişik taşıyıcı frekanslar için ikincil yayın diyagramlarında ki farkların sonucu olarak uç değerleri (azami ve asgari) birbirlerine yanaşırlar. Tek tek alınan sinyallerin toplanması ile düzgün bir sinyal değeri elde edilir. Hedef algılama olasılığının yükseltilmesi ile daha yüksek menzillere ulaşmak için gerekli şart ayrı ayrı gelen yansımış sinyallerden bağımsız olmaktır. Bu da farklı spektrumda gönderilen sinyallerin ve bunun sonucu olarak gelen yansıma sinyallerinin birbiriyle örtüşmemesi halidir. Çok frekanslı radar yöntemleri aşağıda ki tekniklerden birisi ile gerçekleştirilir: - Değişik taşıyıcı frekanslarda ki sinyallerin aynı anda yayınlanması en basit şekliyle eşzamanlı çalışan birden çok gönderici ve alıcılarla yapılabilir. - Zaman kaydırılmış birden çok sinyalin taşıyıcı frekansların değiştirilmesi: - darbeların birbiri ardından yollanması (Frekans Çevikliği), - gönderilen tek bir darbe süresi içerisinde (Frekans Çeşitliliği) ve - bir darbe grubunun ardından (sadece yüksek darbe tekrarlama frekanslarında mümkün) Örneğin, ASR-910, tipi ATC (Hava Trafik Kontrol) radarı birbirlerine zaman olarak kaydırılmış olarak gönderilen iki frekansta çalışır (Frekans Çeşitleme), ve RRP-117 tipi hava savunma radarı benzeri şekilde iki frekans taşıyıcısı ile çalışır, buna ilaveten darbe sıkıştırması özelliği vardır. (Darbe sıkıştırma yöntemi ile gönderilen sinyallerin frekanslarının güvenlik frekansları ile örtüşmesi nedeniyle, dikkat edilmesi gereken başka yasal kurallarda bulunur.) Zaman kaydırmalı sinyal yollama yönteminin, aynı anda birden çok sinyal yayınlama yöntemine göre bazı avantajları vardır: - gönderilen farklı sinyaller birbirini etkilemez, - değişik göndericilerin aynı anda çalışmamasından ötürü enerji talebinde rahatlama getirir, - göndericilerin ve anten sistemi daha kolay tesis edilir. Çoklu frekans yönteminin en önemli avantajı yüksek gürültü bağışıklığıdır. Bunun yanında alınan her bir sinyalin sonra ki işlenmesinin önemli bir etkisi vardır. Çoklu frekans sinyallerinin frekans bileşenlerinin doğrusal olarak toplanması hedefin tanınma olasılığı arttıracaktır. Bununla beraber bu gürültü bağışıklığı açısından tek frekansta yayın yapan bir radara göre çok küçük bir kazanç sağlayacaktır. Örneğin ASR-910, tipi radar gibi iki farklı frekansta göndericisi bulunan radarlarda neden bu yöntemin kullanıldığı çoğu kez yanlış algılanmakta ve bunun altında bir yedekleme endişesi yattığı düşünülmektedir. („Göndericinin biri arızalanırsa diğeri devreye alınır!”) Halbuki bu durumda radarın tasarlanmış azami menzili 70% ¹) kadar azalacaktır. Bu gerçek genellikle uçuş kontrolce fark edilir, ama nedeni başka yerde aranır. ¹)- 3 dB (azalan gönderici gücünden) gelen kayıplar buna ilaveten -(2 to 2,5)dB dalgalanma kayıpları toplamınının 4. dereceden küp kökü cihaz seçici kademesi devresi devresi devresi cihaz Resim 1: Bir çok frekanslı radar öbek şeması Çalışma Prensibi Senkron cihaz Bu cihaz gönderici, ekran ve diğer birimler için senkron darbe üretir. Modülatör Modülatör, gönderici birimine gönderme sırasında yüksek gerilim beslemesi anahtarlar. Gönderici Radar gönderici ünitesi, çok kısa süreli, ama çok yüksek güçte radyo frekans darbelerini anten vasıtasıyla yollar. Komütatör Resim 2: Komütatör Resim 2: Komütatör Komütatör (Latince kökenli bir kelimedir, „toplama barası” veya „arabulucu” gibi anlamı vardır) aslında zaman kontrollü bir anahtardan başka bir şey değildir. Komütatör pasif çalışan bir cihazdır, ya girişlere gelen yüksek frekans darbelerini çıkış kapısına yönlendirir, yada aktif çalışarak şekilde görüldüğü üzere, kapı darbeleri vasıtasıyla giriş darbelerini zaman kontrollü olarak çıkışa ayrı ayrı anahtarlar. Yüksek frekanslarda anahtarlamanın çok hızlı olması gerektiğinden komütatörde dubleks cihazında kullanılana benzer bir anahtarlama devresi bulunur. Dubleks cihazı Tek bir anten kullanılması nedeniyle antenle olan bağlantı dubleks cihazı sayesinde alma sırasında alıcıya, gönderme sırasında göndericiye yönlendirilir. Bu anahtarlama gönderme sırasında yüksek güçte ki darbeların alıcı giriş devrelerine zarar vermemesi bakımından çok önemlidir. Anten Anten göndericiden gelen yüksek frekanslı enerjiyi elektromanyetik dalgalar halinde yayar ve gücü istenilen yönlere yönlenlendirir. Bu işlemin tersi yansıma sinyalinin alınması sırasında da geçerlidir. Frekans seçici Frekans seçici bir nevi frekans fitresidir. Gelen yansıma sinyalleri frekanslarına göre ayırarak alıcıdaki uygun girişlere yönlendirir. Alıcılar Alıcılar gelen yansıma sinyalini kuvvetlendirir ve demodüle eder. Alıcı çıkışında ekran birimi için video sinyal temin eder. Geciktirme kademesi Resim 3: Gecikme süresi Resim 3: Gecikme süresi Gönderici de f2 darbesi, f1 darbesine göre belirli bir süre geciktirilir. Bu gecikmeyi alıcı yolunda geri almak için, f1 darbesi aynı süre ile geciktirilir (f2 darbesi biz istesek dahi daha hızlı olamaz! ). Bu sayede, her iki yansıma sinyali aynı anda işlenebilir. İlk gönderilen sinyalin ekranda önce ekranın sol tarafında görüntülendiğine dikkat ediniz! Sinyallerin işlenmesi Çoklu frekans radarlarında her bir sinyal ayrı kanallarda paralel olarak işlenir, toplanır ve bir belirli eşik değeri ile karşılaştırılır. - tüm kanallarda ki genlik değerlerin doğrusal olarak toplanması (düşük gürültü bağışıklığı ile azami menzilde); - tüm kanalların genlik değerlerinin çarpılması (azami gürültü bağışıklığı ile azamimi menzilin en az değerinde); - tüm kanal genliklerinin karelerinin toplanması (en iyi yöntem!); - kanalların genliklerinin doğrusal olarak toplanıp ardından kısmi toplamlarının çarpılması (Bu yöntem yukarda ki blok şemasında gösterilmiştir.); - kanalların genliklerinin çarpılarak çıkan kısmi sonuçların toplanması. Duruma uygun olarak yukarda ki işleme yöntemlerden biri seçilerek yüksek bir verim alınabilir. Hangi radarda bu yöntemlerden hangisinin uygulandığı çoğu kez üretici firma sırrıdır yada en azından bir gizlilik kademesine tabidir. Ekran Ekran hedefin gerçek zamanlı olarak grafiksel olarak konumunu gösterir. Ayrıca hedefin kimliği gibi ilave bilgilerde görüntülenebilir.