http___radartutorial.de_01.basics__C3_87ok_20Frekansl_C4_B1_20Radar.tr.html_2.xml
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 22.2 23.1 23.2 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 34.2 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 39.2 39.3 39.4 40.1 40.2 40.3 40.4 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 62.2 62.3 63.1 64.1 65.1 65.2 66.1 67.1 67.2 68.1 69.1 69.2 70.1 71.1 71.2 72.1 73.1 74.1 75.1 75.2 75.3 75.4 75.5 76.1 77.1 77.2 77.3 78.1 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 86.1
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) 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. 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. 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. Example given: 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. - fourth root from the losses of 3dB (decreased Tx-power) plus 2 to 2,5dB increasing of the fluctuations loss selector f₂ f₁ stage cator f₁ f₂ nizer Figure 1: Block diagram of a frequency-diversity radar 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 for f1 for f2 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.
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 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1
Çok Frekanslı Radar cihaz seçici kademesi devresi devresi devresi cihaz Resim 1: Frekans çeşitlemeli sözde evreuyumlu bir radarın blok şeması aygıtı seçici katı devresi devresi devresi Resim 1: Frekans çeşitlemeli sözde evreuyumlu bir radarın blok şeması (Etkileşimli resim) Çok Frekanslı Radar Birden daha fazla frekansta yayın yapabilen radarlar (Frequency-Diversity Radar) şekilde görüldüğü gibi, anten çizgeleri karşılıklı örtüşen, birbirinden farklı bir veya daha fazla frekanstaki darbeyi sırayla yollarlar. Her bir hedefe ait algılama bölgesinden dönen birden daha fazla sayıda, frekansları farklı yankı işaretleri bir ortak mantık işleminden geçirilirler. Uyumu sağlamak için alınan işaretler ayrı işlenir. İki göndericiyi paralel olarak çalıştırarak 3 dB lik bir ek kazanç sağlanır, farklı iki frekansta yayın yapılması ise radarın başarımı tipik 2,8 dB daha artar. Çok frekanslı radar yönteminde, aynı Algılama Olasılığı ve aynı Hatalı Alarm Yüzdesi ile menzili bir hayli arttırmak mümkündür. Bunun fiziksel temeli, karmaşık yankı işaretlerinin dalgalanmasının (fluctuation) düzleştirilmesine (smoothing) dayanmaktadır. Taşıyıcı frekansların farklı olması nedeniyle hedefin ikincil ışıma çizgesinde farklılıklar ortaya çıkar ve uç değerler (yani en büyük ve en küçük değerler) birbirlerinden uzaklaşırlar. Bu bireysel işaretlerin toplanması ile ortaya çıkan işaret artık düzleşmiştir. Hedefin tanınma olasılığının yükseltilmesinin gerekli koşulu her bir yankı işaretinin birbirinden bağımsız olmasıdır. Bu da tam olarak gönderim- ve alım yankı işaretlerine ait çizgelerin birbiri ile örtüşmemesi durumdur. Eğer ilk frekansın yankısı en büyükse, o zaman çoğu kez ikinci frekansın yankısı en küçük olmakta iki işaretin toplamı bu durumda tekli işaretin ortalamasını değiştirmemektedir. Hedefin tanınma olasılığını artırarak en büyük menzil değerini yükseltmek için yankı işaretlerinin birbirlerinden bağımsız olması gerekir. Bu yöntemin sakıncası işaretlerin farklı çizgelere sahip olması nedeniyle radarın kolayca algılanarak düşmana bir hedef haline gelebilme ihtimalidir. Çok frekanslı radar yöntemi aşağıdaki seçeneklerden birisi ile gerçekleştirilir: - Farklı taşıyıcı frekansına sahip birkaç işaretin aynı anda yayınlanması en basit şekliyle birden daha fazla sayıda gönderici ve - Farklı taşıyıcı frekansına sahip birkaç işaretin aynı anda yayınlanması en basit şekliyle birden daha fazla sayıda gönderici ve alıcının eşzamanlı çalışması ile gerçekleştirilebilir. - Birbiri ardına bir zaman farkıyla yayınlanan birden daha fazla sayıda işaretin - gönderim darbesinden gönderim darbesine (Frekans Ataklık), - bir gönderim darbe süresinin içinde (Frekans Çeşitleme) ve - bir darbe grubunun ardından (sadece yüksek Darbe Tekrarlama Frekanslarında) Örneğin, ASR-910, tipi Hava Trafik Kontrol radarı birbirlerine zamansal kaydırılmış iki farklı gönderim darbesi ile çalışır (Frekans Çeşitleme), ve RRP-117 tipi Hava Savunma Radarı da benzeri şekilde iki frekans taşıyıcısı ile çalışır, buna ilaveten Darbe Sıkıştırma özelliği ile donatılmıştır. Darbe sıkıştırma yöntemi ile gönderilen işaretlerin izgesi (spectrum) güvenlik frekansları ile örtüşebilir. Bu kapsamdaki yasal kurallara dikkat edilmelidir. Zaman kaydırmalı işaret yollama yönteminin, aynı anda birden daha fazla sayıda işaret yollama yöntemine göre bazı üstünlükleri vardır: - farklı gönderim işaretleri birbirini etkilemez, - değişik göndericilerin aynı anda çalışmaması nedeniyle kurulu enerji gereksinimi azalır, - göndericilerinin ve anten sisteminin kurulması karmaşık değildir. Çok frekanslı radar yönteminin bir diğer önemli üstünlüğü de bu yöntemin oldukça iyi gürültü bağışıklığına sahip olmasıdır. Daha da önemli olan bir üstünlük ise her bir alım işaretinin daha fazla işlenebilmesidir. Çok-frekanslı işaretlerin frekans bileşenlerinin doğrusal olarak toplanması hedefin tanınma olasılığı arttıracaktır. Ancak gürültü bağışıklığı açısından tek frekansta yayın yapan bir radara göre sağladığı kazanç çok küçüktür. Örneğin ASR-910 tipi radar gibi, farklı iki frekansta göndericisi bulunan radarlarda bu yöntem çoğu kez yanlış algılanmakta ve bunun sanki bir yedekleme amacıyla yapıldığı, göndericinin birisinin devre dışı kalması durumunda ikincisinin devreye gireceği düşünülmektedir. Ancak bu durumda radarın tasarlanmış en büyük menzili 70%[1] kadar azalacaktır. Bu, genellikle uçuş ölçümlerinde fark edilse de sorunun kaynağı başka yerde aranır. - Bu kayıplar: Ortalama Gönderim Gücünün −3 dB azalma miktarının dördüncü dereceden kökü ve Dalgalanma Kayıplarının 2 ila 2,8 dB kadar artmasından kaynaklanmaktadır. - Farklı taşıyıcı frekansına sahip birkaç işaretin aynı anda yayınlanması en basit şekliyle birden daha fazla sayıda gönderici ve alıcının eşzamanlı çalışması ile gerçekleştirilebilir. aygıtı seçici katı devresi devresi devresi Resim 1: Frekans çeşitlemeli sözde evreuyumlu bir radarın blok şeması Blok şemasındaki blokların işlevleri Eşzamanlayıcı Eşzamanlayıcı bir darbe merkezi gibidir ve radar aygıtındaki tüm zamansal akışı denetler. Gönderici, görüntü aygıtı ve bağlı diğer modüller için bir dizi eşzamanlı darbeler üretir. Modulatör Modulatör, gönderim anında göndericiye yüksek gerilim sağlar. Gönderici Radar gönderici ünitesi çok kısa süreli, çok yüksek güce sahip yüksek frekanslı darbeler üretir. Dipleks kapı darbesi kapı darbesi Resim 2: Dipleks Zaman kontrollü bir anahtardır. Pasif çalışarak girişlere gelen yüksek frekans darbelerini çıkış kapısına yönlendirir, ya da aktif çalışarak, şekilde görüldüğü üzere, kapı darbeleri vasıtasıyla giriş darbelerini zaman kontrollü olarak çıkışa ayrı ayrı anahtarlar. Bu aygıta Frekans Ayırıcı da denmektedir. Çok yüksek frekansların çok hızlı anahtarlaması gerektiğinden diğer bir adıyla Komütatör olarakta adlandırdığımız bu aygıt Dubleks Aygıtına benzer bir şekilde çalışır. Dubleks Aygıtı Tek bir anten kullanılması nedeniyle, anteni işaret alınması sırasında alıcıya, gönderim sırasında göndericiye yönlendirir. Bu anahtarlama yöntemi gönderim sırasında yüksek güçteki darbelerin alıcı giriş devrelerine zarar vermemesi bakımından çok önemlidir. Anten Anten, göndericiden gelen yüksek frekanslı enerjiyi elektromanyetik dalgalar halinde yayar ve gücü istenilen yönlere gönderir. Bu işlemin tersi yansıma işaretinin alınması sırasında da geçerlidir. Frekans seçici Frekans seçici bir nevi frekans süzgecidir. Gelen yansıma işaretleri frekanslarına göre ayırarak alıcıdaki uygun girişlere yönlendirir. Alıcı Alıcı gelen yansıma işaretini kuvvetlendirir ve demodüle eder. Çıkışında ekran aygıtı için video işareti hazırlar. Eşzamanlayıcı Bu aygıt gönderici, ekran ve diğer birimler için eşzamanlı saat darbesi üretir. Geciktirme katı Resim 3: Gecikme süresi Resim 3: Gecikme süresi Her iki işaretin yankısının aynı anda işlenebilmesi için birinci gönderim darbesinin yankısının, ikinci darbe süresi kadar geciktirilmesi gerekir. Alıcı hattında bu gecikmeyi tekrardan geriye almak için (f2 darbesi hatırımız için bile daha hızlı hareket etmeyecektir! ) ancak f1 darbesinin tam aynı süre kadar geciktirilmesi ile olur, böylece her iki yankının işlenmesi eşzamanlı gerçekleşebilir.) İlk gönderilen darbenin osiloskopta yine ilk görüntülenen darbe olduğuna dikkat ediniz, yani solda gösterilen darbe! İşaretlerin işlenmesi Çoklu-frekans radarlarında her bir işaret ayrı kanallarda paralel olarak işlenir, toplanır ve bir belirli eşik değeri ile karşılaştırılır. Kullanılan çeşitli işleme yöntemleri aşağıdadır: - Tüm kanalların genliklerinin doğrusal toplanması (menzil en büyük, ancak parazit koruması zayıf); - Tüm kanalların genliklerinin çarpılması (en büyük parazit koruma); - Tüm kanalların genliklerinin karelerinin toplanması (en uygun yöntem!); - Bazı kanalların genliklerinin doğrusal toplanması ve ardından bu toplamların çarpılması (bu blok şemasında gösterilmiştir); - Bazı kanalların genliklerinin çarpılması ve çıkan sonuçların toplanması. Bahsedilen işleme yöntemlerinden duruma uygun olanının seçilmesi ile bir yüksek verimlilik elde edilebilir. Hangi radar aygıtında hangi yöntemin kullanılacağı genellikle firma sırrı olarak kalır ya da en azından gizlilik sınıflamasına tabi tutulur. Radar ekranı Radar ekranı hedefin grafiksel olarak konumunu gerçek zamanlı olarak görüntüler. İsteğe bağlı olarak hedefin kimliği ve rotası gibi ilave bilgiler de görüntülenebilir.