http___radartutorial.de_11.coherent_co08.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 13.2 14.1 14.2 14.3 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 16.1 16.2 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8 28.9 28.10 28.11 28.12 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 37.1 37.2 38.1 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 49.2 49.3 49.4 49.5 50.1 51.1 52.1 52.2 52.3 52.4 53.1 54.1 54.2 54.3 54.4 54.5 54.6 55.1 55.2 55.3 56.1
Doppler-Filter Doppler-Filter Doppler-Filter Bank Figure 1: Example given block diagram of MTI- Systems in monopulse radar with digital receiver Doppler-Filter Doppler-Filter Bank Figure 1: Example given block diagram of MTI- Systems in monopulse radar with digital receiver Figure 1: Example given block diagram of MTI- Systems in monopulse radar with digital receiver (interactive picture) What is a Doppler Filter? Doppler Filter The magnitude of the Doppler frequency of an echo signal is detected by different Doppler Filters. These Doppler filters can be implemented either as hardware by resonance filters, or after the digitization of the received signals as a software routine. For a fully coherent radar with digital receiver and monopulse processing, the MTI system is somewhat more complex than with pseudo-coherent radar devices. It is no longer just a Moving Target Indication (MTI) but a Moving Target Detector (MTD), a recognition of moving targets. The difference is that MTD can also recognize targets as moveable that are not currently moving. The effectiveness of the various filter variants is often dependent on the magnitude of the Doppler frequency. Therefore, all filter variants are used in parallel and then the best filter result is selected. The overall system is therefore similar in structure to a matched filter. The aim is to produce the greatest possible difference between the useful signal and the interfering signals and the noise floor (Signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR). The whole MTD wiring is carried out for at least tree identically channels (E-channel, AAz-channel and AEl-channel). The familiar pseudo-coherent triggering of the COHO is not necessarily here. The stage called „COHO” in a fully-coherent radar is now a phase constant frequency converter only. doppler filter doppler filter Figure 2: Doppler filter as low pass, indicated frequencies for an L-band radar doppler filter doppler filter Figure 2: Doppler filter as low pass, indicated frequencies for an L-Band radar Doppler Filter as Low Pass or High Pass The Zero-Doppler Filter and the Clutter-Doppler Filter work similar to the Puls-Pair-Method, a fixed target suppression. Both filters are kind of Clutter-Doppler filters. The actual phase shifts of the echo signals are compared with one another from at least two pulse periods. All targets with a considerable Doppler-frequency got a different phase shift and can pass this filter. The cutoff-frequency of the Clutter-Doppler Filter justable mostly, e.g. for a radial speed of 40 knots. Its diagram includes ground clutter, weather or rain clutter, and chaff. Ground clutter is detected mainly in the Zero Doppler filter. The Zero-Doppler Filter is more exactly (e.g. by comparison of three pulse periods instead of two). Its cutoff-frequency is about 20 knots. The output of these filters have separate thresholds which optimise detection for the relevant part of the frequency band concerned. Both filters may be carry out as a digital low pass or high pass filter. (Clutter will be detected in low pass filters but suppressed by high pass filters.) Doppler Filterbank Doppler shift Doppler shift Figure 3: Frequency response characteristics of Doppler Filters in a Doppler Filterbank Doppler shift Doppler shift Figure 3: Frequency response characteristics of Doppler Filters in a Doppler Filterbank Practical Moving Target Detectors with a fully-coherent radar equipped with monopulse processing involve a Doppler filter bank. The I and Q output from the phase-sensitive analog/digital converter (ADC) are fed to a filter bank which can either be implemented in a Fast Fourier Transformation or in a bank of transversal filters. The output of the filters is followed by frequency-domain weighting to reduce filter sidelobe levels, and the magnitude of the output in each spectral band is computed. It will also be appreciated that the Doppler filters are inherently performing the process of coherent integration. All Doppler filters shown in Figure 1 are similiar and work to as a band-pass filter. Division of the Doppler frequency domain into a number of N separate bands offers a very flexible approach towards discriminating against fixed and moving clutter. If moving clutter (such as that from weather or birds) appears with a non-zero mean Doppler shift, the thresholds at the outputs of the various Doppler filters may be raised accordingly. Multiplexing Due to the curvature of the earth's surface, ground or sea clutter can occur only in the near range. Therefore a supression of these interferences is necessary only in short range mode. If the radar emits three MTD pulse periods in one direction, then these three pulse periods are also processed one after the other in the MTD system. Due to the different principles of operation of the filters, their output signals are obtained at different times. A multiplexer is thus suitable for the interface to the computer. Figure 4: Radar Time Line with tree short-range pulse periods for MTD-processing. range range range Figure 4: Radar Time Line with tree short-range pulse periods for MTD-processing. range range range Figure 4: Radar Time Line with tree short-range pulse periods for MTD-processing. The Doppler filters immediately produce an output signal during the current pulse period. These filters are thus also effective in the long-range with only one pulse period per antenna direction. They are then used to measure the Doppler frequency and thus directly to measure the radial velocity of the target. The Doppler frequency can then be converted into a so-called range rate as a measure of the change in the target position. This range rate is important for the plotextractor, for its “Window of Expectation” of the next plot detection. The Clutter Doppler Filter can be configured, that its output signal is available in the second pulse period. The Zero Doppler Filter (also a kind of clutter doppler filter) compares the phase shifts of the echo signal from three or more pulse periods and can only yield results during the last pulse period (but much more precise). The multiplexer can thus be controlled purely by the pulse period number. In each of the three pulse periods, a different filter output is led to the radar signal processor. The radar signal processor compares and evaluates all three results and selects the best one for further processing. The information about which of the filters gave the best result is also stored. Jet Engine Modulation (JEM) A Doppler frequency is caused not only by reflection on the main surfaces of an aircraft. Since the radar ses become increasingly sensitive due to the tendency to “Stealth” aircraft, even the smallest surfaces, such as the compressor blades of the turbines, can produce a sufficiently large echo signal. These then each have a completely different radial speed than the aircraft and produce an echo signal as a separate Doppler frequency. The position of these JEM pulses are also dependent on the aspect angle and can be stored as a mathematical model in a database. Like a fingerprint, they can be used to identify the type of aircraft. For this purpose, however, all Doppler frequencies must be measured and correlated with the image in the database. However, since the Doppler frequency is dependent on the carrier frequency of the transmitter and the radar may use several different transmission frequencies, the Doppler frequencies must be normalized. This means that the influence of the carrier frequency must be recalculated. This is most easily accomplished by dividing the measured Doppler frequency by the current transmission frequency and then multiplying it by a standard frequency. Figure 5: The Doppler spectra of an aircraft and a wind turbine with its jet engine modulation.
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
Doppler Süzgeci Doppler süzgeci Doppler süzgeci Resim 1: Tek-darbe antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması Doppler süzgeci Doppler süzgeci Resim 1: Tek-darbe antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması Resim 1: Tek-darbe antenli ve sayısal alıcılı bir radardaki Hareketli Hedef Gösterge Sisteminin blok şeması (Etkileşimli resim) 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 (E, AAzi ve AYük 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. Doppler süzgeci -Doppler süzgeci Resim 2: Bir L-bant radarında verilen frekanslar için alçak-geçiren Doppler süzgeci Doppler süzgeci Doppler süzgeci 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 kayması Doppler kayması Resim 3: Burada yalnızca 8 adedi gösterilen Doppler süzgecinden bir Doppler süzgeç öbeğinin frekans dağılımı Doppler kayması Doppler kayması 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. Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlenmesi için üç kısa menzil- darbe periyotlu Radar-Zaman-Çizelgesi menzil menzil menzil Resim 4: Hareket Eden Hedef Gösterge işlemi için üç kısa menzil- darbe periyotlu Radar-Zaman-Çizelgesi menzil menzil 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. 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.