http___radartutorial.de_02.basics_FMKSD-radar_C4_B1.tr.html_2.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 işaretini kesmek için ilaveten bir PIN-diyot anahtarı kullanır. anahtarı Resim 1: Bir FMkSD-radarı gönderim işaretini 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 işaretini kesmek için ilaveten bir PIN-diyot anahtarı kullanır. Bir Frekans Modüleli kesintili Sürekli Dalga-radarının (FMkSD-radar) radar teknolojisinde çok özel bir yeri bulunmaktadır. FMkSD-radarı olarakta adlandırılan bu radarda ölçüm yapılırken üretilen gönderim işaretinin antene ulaşması geçici olarak kesilir. Bu anlamda radar bir darbe radarıdır. Antene işaret gönderilmesi durdurulduğu sırada da gönderici frekans üretimi sürdürmeye devam eder ve alıcıya aşağıya-karıştırma (down-converting) işleminde kullanması için gerekli frekansı sağlar. Bir FMSD-radarında olduğu gibi, menzil tayini için ölçüm işleminde güncel gönderim frekansı ile yankı işaretinin taşıyıcı frekansı arasındaki frekans farkı kullanılır. Bu ölçüm darbe-içi modülasyonla çalışan bir darbe radarındaki saf yürütme zamanı (runtime) ölçümüne kesinlikle benzemez. Gönderim işaretinin darbe biçimli modülasyonu Resim 2: Blok şeması için osilogram Resim 2: Blok şeması için osilogram Resim 2: Blok şeması için osilogram FMkSD-radarının saf FMSD-radarına göre bazı üstünlükleri ve sakıncaları bulunmaktadır. Göndericinin devre dışı bırakılması, gönderici ile alıcı arasındaki yalıtımı iyileştirmekte ve alıcı ile gönderici arasında artık herhangi bir „çapraz-karışma“ (crosstalk) meydana gelememektedir. Eğer gönderici yayın yapmazsa alıcı çok daha duyarlı çalıştırılabilir. Bu daha yüksek bir gücün yollanmasına imkân verir ve bu iki önlem sayesinde radarın menzili artar. Alıcının, gönderim sırasında devre dışı kalması sonucunda (örneğin, bu sırada PIN-diyotlarına evirtik (inverted) kontrol gerilimi uygulanması ile) bir yankı işaretinin alınabildiği zaman penceresi daralır. Eğer dikdörtgen darbe biçimindeki anahtarlama gerilimi (Resim.2 de kırmızı kanal) düşük seviyede ise bir yankı işareti alınabilir (Resim.2 de mavi kanal). Yankı işareti ve kontrol gerilimi arasındaki bu zamansal fark bölgesi Resim.2 de gri renk ile gösterilmiştir. Bu genellikle çok kısa bir zamandır ve sonuç olarak, bir evreuyumlu-olmayan darbe tümleştirme imkânları daha da kötüleşir. Yankı işaretinin sadece bir kısmı alınabilir, bu da radarın olası enerjik menzil sınırını azaltır. Yakın bölgeden gelen yankı işaretleri, uzak menzillerden gelen yankı işaretlerine göre çok daha olumsuz etkilenir ve sonuçta bir darbe radarındaki Duyarlılık Zaman Kontrolündeki (STC) etkiye benzer bir etki meydana gelir. Bu yöntem örneğin, seyir halindeki bir aracın öndeki araca göre açıklığını ayarlayan (adaptive cruise control), 76 – 77 GHz frekans bandında çalışan modern otomotiv radarlarında kullanılır. Azimut açısının tayininde ışıma, bir yama anten grubunda aralarında çok az azimut açısı farkı bulunan değişik noktalardan gerçekleşir. Ölçüm menzilini genişletebilen FMkSD-radarı Resim 3: Blok şeması için osilogram Resim 3: Blok şeması için osilogram Resim 3: Blok şeması için osilogram Yerel yönetimlerce izin verilen gönderici bant genişliğini daha iyi kullanabilmek için bir başka yöntem daha bulunmaktadır. Bu yöntemle daha büyük bir dikliğe (slope) sahip frekans değişim eğrisi ile ölçülebilecek en büyük menzili kaybetmeksizin, daha yüksek bir menzil çözünürlük yeteneği elde edilir. Bir FMSD-radar göndericisi 24 GHz ISM-bandında (Industrial, Scientific and Medical Band) sadece 24,0 ila 24,25 GHz frekansları arasında çalışabilir. Bu bant genişliğini verimli kullanabilmek için radarın çözünürlük yeteneği ile en büyük menzil parametreleri arasında bir seçim yapmamız, yani birindeki daha fazla bir getiri için diğerinden bir miktar vaz geçmemiz gerekir. Bununla beraber FMkSD-radar yönteminde frekans değişiminin dikliği öyle ayarlanabilir ki, gönderici iki misli bir bant genişliğinde, örneğin 24,0 ila 24,5 GHz arasında da çalışabilir. ISM-bandının üst sınırı 24,25 GHz ulaşıldığında gönderici ile anten arasındaki bağlantı kesilir: sadece izin verilen frekans bölgesinde bir ışıma gerçekleşir. Artık yankı işareti, yayınlanan gönderim işaretinin süresinden çok daha uzun bir yürütme zamanına (runtime) sahiptir. En sonunda dâhili çok büyük testere dişi işaretle karşılaştırılır (Resim.3 de gönderilen işaretin kesikli çizgi ile gösterilen uzamış kısmı). Yukardaki örnekte olduğu gibi, bu modülasyon tekniği gönderici ile alıcı arasında yalıtımı iyileştirmek için (örneğin Uçağa Takılı Yana Bakan Radar (SLAR) gibi) bazı özel yerlerde kullanılır. Nispeten uzun gönderim süresince alıcı yine devre dışı kalmışsa, o zaman yeterli büyüklükte bir en kısa ölçüm menzili imkânı ortaya çıkar. Buna karşın anahtarlama zamanı, bu en kısa ölçüm menzili, uçuş yüksekliğinden daha küçük olacak bir değeri sağlamak üzere en uygun duruma getirilirse (örneğin 3000 m için 20 µs), bu yöntemle göndericiden alıcıya doğrudan gelen parazit yayınlar eşzamanlı engellenebilir ve üzerinde uçulan koridorun daha iyi bir duyarlılıkla haritalanması mümkün olur.