http___radartutorial.de_02.basics_FMKSD-radar_C4_B1.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 13.1 14.1 14.2 15.1 15.2 16.1 16.2 17.1 18.1 18.2 18.3 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 20.1 21.1 21.2 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 26.2 27.1 27.2 27.3 27.4 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 33.2 33.3 34.1 34.2 35.1 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 36.6 36.7 36.8 36.9 37.1 37.2 37.3 38.1 39.1 39.2 39.3
Pulse Radar Figure 1: Runtime measurement by radar Figure 1: Runtime measurement by radar Pulse Radar Figure 2: Radar pulse relationships A pulse radar is a radar device that emits short and powerful pulses and in the silent period receives the echo signals. In contrast to the continuous wave radar the transmitter is turned off before the measurement is finished. This method is characterized by a radar pulse modulation with very short transmission pulses (typically transmit pulse durations of t ≈ 0,1 … Between the transmit pulses are very large pulse pauses T >> t, which are referred to as the receiving time (typically T ≈ 1 ms) as shown in Figure 2. The distance of the reflecting objects are determined by runtime measurement (at a fixed radar) or by comparison of the characteristic changes of the Doppler spectrum with the values for given distances stored in a database (for a radar on a fast moving platform). Pulse radars are mostly designed for long distances and transmit a relatively high pulse power. Important distinguishing feature to other radar method is the necessary time control of all processes inside the pulse radar. The leading edge of the transmitted pulse is the time reference for the runtime measurement. It ends with the transition of the rising edge of the echo signal in the pulse top. Systematic delays in the signal processing must be corrected when calculating the distance. Random deviations influence the accuracy of the pulse radar. Transmit Signal The waveform of the transmitted signal can be described mathematically as: Figure 3: Frequency spectrum of a sequence of rectangular pulses in the vicinity of the transmission frequency ftx Figure 3: Frequency spectrum of a sequence of rectangular pulses in the vicinity of the transmission frequency ftx The function A(t) is a variation of the amplitude in function of time t - ie an amplitude modulation. In the simplest case, the transmitter is for a short time switched on (for the time t) and remains in the rest of the time in the "off position". A(t) is then in the transmission case = 1, otherwise = 0. The function of time is then determined by the pulse repetition frequency and the duty cycle. Since the radar returns are subject to various losses, an actual amplitude modulation makes little sense except just this switching function (On/off keying). The envelope of the frequency spectrum of a sequence of rectangular pulses is represented by a (sin x)/x function. The essential parts of the transmission power (note the logarithmic scale of the ordinate in Figure 3) are in a region BHF = 2/t in the vicinity of the transmission frequency ftx. The pulse repetition frequency fPRF and the duration of the transmitted pulse t and the receiving time (T − t) have an influence on the performance of the radar, e.g. the minimal measuring range (the transmit pulse must have completely exited the antenna) and the maximum unambiguous range (the echo signal must be received in the time before the next transmission pulse). The duration of the transmit pulse t substantially affects the range resolution AR of pulse radar. The range resolution is: The shorter the transmission pulse, the closer one behind the other two reflectors may be positioned so as to be nevertheless detected as two reflectors and not as one large object. The transmitter bandwidth BHF of the pulse radar increases with decreasing pulse width: The shortening of the pulses limits the maximum range in the case of simple pulse modulation. Under these conditions, the pulse energy Ep can be increased only by the pulse power PS at a required range resolution. For the maximum range of the pulse radar, the pulse energy is crucial, and not its pulse power: Significant improvements of this situation can be achieved with the internal modulation of the transmit pulse (intra-pulse modulation). The relationship between duration of the transmit pulse and the duration of the received pulse is resolved by the pulse compression in the receiver. A location of various reflectors and the measurement of its individual range can also be carried out within the duration of the transmit pulse. The function φ(t) in equation (1) is the expression for a phase shift of the whole signal. The initial phase of the transmitted signal can either known and can be predictable (due to the generation of oscillation). In this case, the pulse radar is attributable to the fully coherent radars. The actual phase angle can also be known, but the initial state can be unpredictable. Then the radar is one of the pseudo-coherent radars. If this initial phase completely indeterminate (chaotic), then the radar is one of the non-coherent radars. Only with a possible phase-encoded Intra Pulse modulation, this function gets more importance. Echo Signal Usually, it is assumed that the duration of the transmitted pulse is equal to the duration of the reflected echo pulse. Thus, in the ratio of the transmitted power and the received power (which is used in the fundamental radar range equation) can be dispensed with a time specification. - By the reflection of the transmit signal the spectrum may be modified: - It can occur additional harmonics to the carrier frequency. - The carrier frequency can be imposed on one or more Doppler frequencies. - The direction of the polarization can be changed. - The pulse duration of the echo signal is not constant. The duration of the reflected pulse can be considerably stretched by interference from reflections at areas with slightly different distances (and following different run times). All together: the echo signal is subject to so many influences that the waveform and the shape of the echo signal in the result must be regarded as unknown. Nevertheless, in order to build an optimal matched receiver or an optimal matched filter, multiple receiving channels must be set up in parallel, taking into account all the possible deformations of the signal. In a selection circuit, the echo signal with the best (greatest-of) Signal to Noise Plus Interference Ratio (SNIR) is then further processed. The “position” of the greatest-of-switch is also saved as important information for the identification of this echo signal. In general, the receiving bandwidth is kept as small as possible, so not much unnecessary noise is received. Therefore, to select the bandwidth only with BHF = 1/t for a simple pulse radar. The influence of the noise can be suppressed in the receiver using of pulse integration. Here, a sum of pulse periods is formed. The reflecting object is assumed to be stationary during the time of these pulse periods. Since the noise is randomly distributed, thereby the sum of the noise cannot reach the sum of the echo signals. The signal-to-noise ratio is improved by this measure. Design, Block Diagram Figure 4: Block diagram of a monostatic pulse radar Figure 4: Block diagram of a monostatic pulse radar (interactive picture) The construction of a pulse radar depends on whether transmitter and receiver are at the same site (monostatic radar) or whether both components are deployed at completely different locations (bistatic radar). A monostatic pulse radar, in addition to the compact design has the advantage that the important for pulse radars timing devices can be concentrated in a central synchronization block. Internal runtimes of the radar triggers can thus be kept low. An elaborate radar antenna can be used by means of a multiplexer for both transmitting and receiving. The disadvantage is that often the highly sensitive radar receiver must be switched off by a duplexer for its own protection against the high transmission power. During this time it cannot receive anything. Description of the modules in the block diagram In a bistatic pulse radar, the receiver is equipped with its own antenna in a different location as the transmitter. This has the advantage that the receiver can operate without significant protective measures against to a high transmission power. In the simplest case, a network is constructed from extra receiver locations to an existing monostatic pulse radar. Example given: weather radar Poldirad in Oberpfaffenhofen, Germany (near Munich). The receiving antennas are not very directionally: they must be able to receive from several directions simultaneously. The disadvantage here is the very complex synchronization. Simultaneously with the echo signals, the receiver must also receive the direct transmission signal. From this signal and the known distance to the transmitter, a sync signal must be generated. Principal military application of bistatic configurations are the Over-The-Horizon (OTH) Radars. The passive radars are a variant of the bistatic radar. They parasitically use a variety of RF emissions (radio or television stations, or external pulse radars) The passive radar calculates the position of the targets from the difference between the time of the direct path of the signal and the additional running time of the reflected echo signals. Ambiguities in the measurement can be excluded on the one hand by direct direction finding involving spurious emissions of the target or by synchronization of two passive radars working at different locations. Applications Pulse radars are designed mainly for long distances. The main application is still the military area. Other applications include air traffic control, weather observation (especially precipitation radar) as well as the satellite-based remote sensing of the earth's surface.
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
Frekans Modüleli Kesintili Sürekli-Dalga Radarı (FMKSD-radarı) anahtarı Resim 1: Bir FMKSD-radarı gönderim sinyalini kesmek için ilaveten bir PIN-diyot anahtarı kullanır. anahtarı Resim 1: Bir FMKSD-radarı gönderim sinyalini kesmek için ilaveten bir PIN-diyot anahtarı kullanır. (Etkileşimli resim) Frekans Modüleli Kesintili Sürekli-Dalga Radarı (FMKSD-radarı) Schalter Resim 1: Bir FMKSD-radarı gönderim sinyalini kesmek için ilaveten bir PIN-diyot anahtarı kullanır. Bir Frekans Modüleli Kesintili Sürekli-Dalga Radarı, FMKSD-radarının (ya da KFMSD-radarının) radar teknolojisinde çok özel bir yeri bulunmaktadır. Ölçüm yapılırken gönderim sinyali geçici olarak kesilir. Şeklen bu anlamda bu radar bir darbe radarıdır. Antene sinyal gönderilmesi durdurulduğu sırada da gönderici frekans üretimi sürdürür ve alıcıya frekansını aşağıya kaydırma işleminde kullanması için gerekli frekansı sağlar. Menzil hesaplanma ölçüm işleminde bir FMSD-radarında (Frekans Modüleli Sürekli Dalga) olduğu gibi güncel gönderim frekansı ile yankı sinyalinin taşıyıcı frekansı arasındaki fark kullanılır. Bu ölçüm intra-darbe modülasyonla çalışan bir darbe radarındaki işleyiş zamanı ölçümüne kesinlikle benzemez. Gönderim sinyalinin darbe biçimli modülasyonu Resim 2: Blok şeması için osilogram Resim 2: Blok şeması için osilogram Resim 2: Blok şeması için osilogram Saf FMSD-radarının FMKSD-radarına göre bazı üstünlükleri ve sakıncaları bulunmaktadır. Göndericinin devre dışı bırakılması gönderici ile alıcı arsındaki yalıtımı iyileştirmekte ve alıcı ile gönderici arasında artık herhangi bir „çapraz-karışma“ (crosstalk) meydana gelememektedir. Eğer gönderici yayın yapmazsa alıcı çok daha hassas çalıştırılabilir. Bu daha yüksek gücün yollanmasına imkân verir ve bu iki önlem sayesinde radar menzilini arttırır. Bununla beraber alıcının sinyal gönderimi sırasında devre dışı kalması (örneğin PIN-diyotlarına evirtik (inverted) kontrol gerilimi uygulanarak) bir yankı sinyalinin alınabildiği sırada zaman penceresini küçültür. Eğer kontrol gerilimi düşük-seviyede ise (Resim.2 de kırmızı kanal), o zaman sadece bir yankı sinyali alınabilir (Resim.2 de mavi kanal). Yankı sinyali ve kontrol gerilimi arasındaki bu zamansal fark Resim.2 de gri renk ile gösterilmiştir. Bu sıkça çok kısa bir zamandır. Bu bir evreuyumlu olmayan sinyal tümleştirmenin imkânlarını daha da kötüleşeceği anlamına gelir. Yankı sinyalinin sadece bir kısmı alınabilir, bu da radarın menzil yeteneğini azaltır. Yakın bölgeden gelen yankı sinyalleri, uzak menzillerden gelen yankı sinyallerine göre daha dezavantajlıdır. Bu etki bir darbe radarındaki Duyarlılık Zaman Kontrolünde (STC) etkiye benzer. Bu yöntem örneğin modern otomotiv radarlarında (uyarlanabilir seyir kontrol sisteminde) 76 – 77 GHz frekans bandında kullanılır. Azimut açısı tayininde ışıma bir yama anten grubundaki aralarında çok az azimut açısı farkı olan noktalardan yapılır. Ölçüm menzilini genişletebilen FMKSD-radarı Resim 3: Blok şeması için osilogram Resim 3: Blok şeması için osilogram Resim 3: Blok şeması için osilogram Müsaade edilen gönderici bant genişliğini daha iyi kullanabilmek için bir başka yöntem bulunmaktadır. Frekans değişim eğrisinin daha sert bir eğimi (slope) azami menzili kaybetmeksizin daha iyi bir menzil çözünürlük yeteneğine imkân sağlar. Bir FMSD-radar 24 GHz ISM-bandında (Industrial, Scientific and Medical Band) gönderici sadece 24,0 ila 24,25 GHz frekansları arasında çalışabilir. Bu bant genişliğini kullanırken çözünürlük yeteneği ile radarın en büyük menzili arasında bir seçim yapmamız, yani birinden taviz vermemiz gerekir. Bununla beraber FMKSD-radar yönteminde frekans değişiminin dikliği öyle ayarlanabilir ki gönderici iki misli bant genişliğinde örneğin 24,0 ila 24,5 GHz arasında çalışabilir. ISM-bandının üst sınırı 24,25 GHz ulaşıldığında gönderici antenden ayrılır: gerçekte sadece müsaade edilen frekanslar gönderilir. Şimdi yankı sinyali, yayınlanan gönderim sinyalinden çok daha uzun bir işleyiş süresine sahiptir. Nihayet içerde çok büyük testere dişi sinyalle karşılaştırılır (Resim.3 gönderilen sinyallin kesikli çizgi ile gösterilen kısmı) Örneğin yukardaki örnekte olduğu gibi bu modülasyon tekniği gönderici ile alıcı arasında yalıtımı iyileştirmek için (örneğin uçağa takılı SLAR gibi) bazı özel yerlerde kullanılır. Eğer göreceli uzun gönderim süresince alıcı keza devre dışı kalmışsa o zaman yeter büyüklükte bir en kısa ölçüm menzili imkânı ortaya çıkar. Buna karşın anahtarlama zamanı, bu en kısa ölçüm menzili uçuş yüksekliğinden daha küçük bir değeri için en uygun duruma getirilirse (örneğin 3000 m için 20 µs) bu yöntemle göndericiden alıcıya doğrudan gelen parazit yayınlarda eşzamanlı engellenerek daha iyi bir hassasiyetle üzerinde uçulan koridorun haritalanması mümkün olur.