http___radartutorial.de_02.basics_Darbe_20Radar_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 Pulse radar 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 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 is 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 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 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 the 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 for 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 in this situation can be achieved with the internal modulation of the transmit pulse (intra-pulse modulation). The relationship between the 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 be 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 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
Darbe Radarı Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.) Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.) Resim 1: Darbe radarında yürütme zamanı ölçümü (Ekrandaki X-eksenindeki nokta elektromanyetik dalgaların hedefe gidişine uygun ölçekte ilerliyor.) Darbe Radarı Resim 2: Bir darbe radarının yürütme zamanı akışı Darbe radarı kısa süreli ve yüksek güçlü darbelerin yollandığı ve gönderilen darbeler arasında yankı işaretlerinin alındığı bir radardır. Buna karşılık bir Sürekli Dalga Radarında gönderici ölçüm bitmeden önce devre dışı kalır. Bu radar yöntemi çok kısa süreli (tipik t ≈ 0,1 … 1 µs) gönderim darbelerinin darbe modülasyonu ile tanınır. Bu gönderim darbeleri arasında t darbe süresinden çok daha uzun (tipik 1 ms), yankı işaretinin alındığı, hemen hemen T Darbe Tekrarlama Zamanına yakın bir zaman boşluğu bulunur. Kurulduğu yer sabit olan bir radarda nesnenin uzaklığı yankı işaretinin gidiş-dönüş süresinin (runtime) ölçümüyle hesaplanır. Radar bir hareketli platformda bulunuyorsa, uzaklık Doppler izgesinin karakteristik değişimi, radarın veri tabanında belirli menzillere ait değerlerle karşılaştırma yapılarak belirlenir. Darbe radarları genellikle uzak menziller için tasarlanmıştır ve nispeten çok yüksek güçlü darbeler gönderirler. Diğer radar yöntemlerine göre en önemli özelliği tüm sürece ait gerekli zamansal kontrollerinin darbe radarının içinde gerçekleşmesidir. Gönderim darbesinin başlangıcı süre ölçümü için referanstır. Yankı darbesinin yükselen kenarına geçişiyle beraber ölçüm sona erer. Menzil hesaplanmasında sistematik gecikmeler veriler işlenirken düzeltilebilir ve düzeltilmelidir. Rastlantısal sapmalar darbe radarının konum belirleme doğruluğunu olumsuz etkiler. Gönderim işareti Gönderilen işaretin dalga biçiminin matematiksel ifadesi: Resim 3: ftx gönderim frekansı civarındaki bir dikdörtgen darbe katarının frekans izgesi A(t) işlevi bir genlik modülasyonudur ve genliğin t zamanına bağlı olarak değişimini göstermektedir. En basit durumda gönderici sadece t süresi boyunca devrededir ve kalan zamanda ise devre dışıdır. A(t) gönderim durumunda = 1, diğer durumlarda = 0 olur. A(t) işlevi Darbe Tekrarlama Frekansı ve görev döngüsü (duty cycle) ile şekillenir. Radar yankıları değişik zayıflama etkenleriyle karşı karşıya kaldıklarından, gerçek bir genlik modülasyonu, bu anahtarlama işlevi dışında (kapat/aç–anahtarlama ya da kapat/aç anahtarlamalı gönderici) çok az bir anlam ifade eder. Bir dikdörtgen dalga dizisine ait frekans izgesinin zarfının işlevi (sin U)/U dur. Gücün ana bileşeni ftx gönderim frekansına bitişik bölgedeki BHF = 2/t bandında toplanmıştır. (Resim.3 te dikey eksenin logaritmik olduğuna dikkat ediniz.) Hem fPRF Darbe Tekrarlama Frekansı hem de t gönderim darbe süresi ya da ((T − t)) alım süresinin radarın başarım parametrelerini etkiler. Bu parametreler şunlardır: En Küçük Ölçüm Menzili (gönderim darbesinin radarı terk etmiş olması gerekir) ve Hatasız Ölçülebilecek En Büyük Menzil (yankı işaretinin bir sonraki gönderim darbesinden önce alınmış olması gerekir). Gönderim darbelerinin t süresi bir darbe radarının AR Menzil Çözünürlük Yeteneğini önemli ölçüde etkiler. Bu değer: Gönderim darbesi kısaldıkça, bir biri ardına daha yakın uzaklıkta iki adet yansıtıcı konulabilir. Yakın konulmasına rağmen bu iki yansıtıcı tek büyük bir nesne gibi değil, iki ayrı nesne olarak algılanır. Darbe radarının gönderici BHF bant genişliği aşağıdaki ilişkide de görüleceği gibi t Gönderim Darbe süresi (başka bir ifade ile Menzil Çözünürlük Yeteneği azaldıkça) artar: Bu ise bir basit darbe modülasyonunda ölçülebilecek menzili kısıtlar. Bu koşullar altında sadece Ep darbe enerjisi, PS darbe gücünün üzerine çıkarılarak istenen bir menzil çözünürlüğünü elde edilebilir. Darbe radarının menzili için radarın darbe gücü değil, daha ziyade enerjisi belirleyicidir: Bu durum gönderim darbelerinin bir dâhili modülasyonu (Darbe-içi Modülasyon) ile önemli ölçüde düzeltilebilir. Gönderim darbe süresi ile yankı darbesinin süresi arasındaki ilişki alıcı aygıtında darbe sıkıştırması ile çözülür. Değişik yansıtıcıların bireysel menzillerinin ölçümü gönderim darbesi süresi içinde yapılır. (1) nolu denklemdeki φ(t) işlevi tüm işaretin faz kaymasını ifade eder. Gönderilen işaretin başlangıç faz açısı salınımın (oscillation) üretilmesine bağlı olarak bilinebilir ya da hesaplanabilir. Bu durumda darbe radarının evreuyumlu radarlar sınıfına girdiği söylenebilir. Bununla beraber faz açısının güncel başlangıç noktası bilinebilir, fakat başlangıç durumu tahmin edilemez. Eğer bu başlangıç faz açısı tümüyle tanımlanamıyorsa (yani kaotik ise) bu radar evreuyumlu-olmayan radarlar arasında sayılır. Sadece mümkün olabilen bir faz açısı-kodlanmış darbe-içi modülasyonu ile bu işlev daha fazla anlam kazanır. Yankı işareti Genellikle yankı darbesinin süresinin, gönderim darbesinin süresi ile aynı olduğu varsayılır. Böylece radar denkleminde kullanılan, gönderilen gücün-alınan güce oranındaki zaman parametresi de göz ardı edilebilir. Bununla beraber, pratikte bu yankı işaretinin yalnızca uzakta iken gönderim işaretine benzediği kabul edilir. - Yansıma sonucunda gönderim işaretinin frekans izgesi değişebilir: - Taşıyıcı frekansta ilave harmonik frekanslar meydana gelebilir. - Taşıyıcı frekansa bir ya da daha fazla sayıda Doppler frekansı binebilir. - Polarizasyonun yönü değişebilir. - Yankı işaretinin darbe süresi de sabit değildir. Yankı darbesinin süresi, kayda değer olmayan uzaklıklarda bulunan ikinci derecedeki yüzeylerden gelen yankıların girişmesi (interference) sonucu önemli bir miktarda genişler. Konuyu toparlayalım: Yankı işaretleri sonuç olarak, yankı işaretinin biçiminin bilinemeyeceğini düşündürtecek kadar bu tür çok sayıda etkiyle karşı karşıya kalırlar. Buna rağmen, işaretteki olabilecek bütün bu bozulmaları da dikkate alarak, bir en uygun alıcı ya da en uygun süzgeç yapabilmek için daha fazla sayıda paralel alım kanalının oluşturulması gerekir. Daha sonra gürültü ya da parazit işaretlerine en uzak yankı işaretinin seçildiği bir devrede (greatest-of selection circuit) işaretlerin işlenmesine devam edilir. En büyüğünü-seçme anahtarının „seçme konumu“ önemli bir bilgidir ve bu bilgi bu yankı işaretinin tanınmasında ilerde kullanılmak üzere belleğe kaydedilir. Genel olarak alıcı bant genişliği olabildiğince küçük tutulur, böylece gereksiz birçok gürültü ortadan kalkar ve bu nedenle bir basit darbe radarında bant genişliği sadece BHF = 1/t olarak seçilir. Alıcı aygıtında gürültünün etkisi darbe tümleştirme işlemi ile bastırılması mümkündür. Burada darbe periyodlarının toplamı oluşturulur, bu işlem sırasında yansıtıcı nesnenin aynı konumda kaldığı varsayılır. Gürültünün istatistiki olarak rasgele dağılmış olması nedeniyle bu gürültü işaretlerinin toplamı yankı işaretinin toplam değerine ulaşamaz. Bu önlemler sayesinde işaret/gürültü oranı iyileşir. Yapısı ve Blok Şeması Seçme Aygıtı Resim 4: Bir monostatik darbe radarının yapısı Resim 4: Bir monostatik darbe radarının yapısı (Etkileşimli resim) Bir darbe radarının yapısı gönderici ve alıcının aynı yerde (monostatik radar) veya tümüyle farklı yerlerde (bistatik radar) olup olmadığına bağlıdır. Bir monostatik darbe radarı toplu bir yapıya sahip olma üstünlüğü yanında, darbe radarları için önemli olan zaman kontrolünün, bir radar tetikleme sistemi vasıtasıyla bu radarda bir merkezi eşzamanlama bloğu (synchronization block) içinde toplanmış olma üstünlüğüne de sahiptir. Böylece eşzamanlama darbelerinin yürütme zamanları (runtimes) küçük tutulabilmektedir. Bir gelişmiş radar anteni bir çoğullama aygıtı (multiplexer) vasıtasıyla hem alıcı ve hem de gönderici anten olarak kullanılabilir. Sakıncası ise yüksek güçteki işaretler yollanırken çok hassas radar alıcısının korunması amacıyla dubleks aygıtı (duplexer) tarafından devre dışı bırakılmak zorunda kalınmasıdır. Blok diyagram modüllerin açıklaması Bir bistatik darbe radarında, alıcı kendine ait anteniyle birlikte, göndericiden farklı bir konumda yer alır. Bunun şöyle bir üstünlüğü vardır: Alıcı artık yüksek gönderim gücü gönderilmesi sırasında herhangi kayda değer bir koruma önlemi olmadan çalışabilmektedir. En basit durumda var olan bir monostatik radara diğer alıcı noktalarından bir ağ üzerinden ulaşılabilir. (Örnek: Meteoroloji radarı Poldirad, Oberpfaffenhofen, Münih yakınında, Almanya). Alıcı antenlerin yönlülüğü iyi değildir: Anten eşzamanlı birden daha fazla yönde alım yapmak zorundadır. Buradaki sakınca eşzamanlama işleminin çok karmaşık olmasıdır. Alıcı yankı işaretine ilaveten, gönderim işaretini de doğrudan almalı ve bu işaretten ve göndericiye olan uzaklığından bir eşzamanlı işaret üretmelidir. Bistatik yapılandırma ağırlıklı olarak askeri alanda ufuk-ötesi- radarlarda (Over-The-Horizon Radars, OTH) kullanılmaktadır. Pasif-radarlar bistatik radarların bir türüdür. Bu radarlar değişik yüksek frekanslı parazitik yayınları (radyo- ya da televizyon göndericileri veya yabancı darbe radar yayınları) kullanırlar ve hedeften doğrudan ve ilaveten yansıyarak gelen işaretlerin süreleri arasındaki farktan hedefin menzilini hesaplarlar. Ölçümdeki belirsizlikler bir yandan hedefin parazit yayınının doğrudan hedeflenmesi ya da farklı yerlerde çalışan iki pasif radarın eşzamanlaşması ile dışlanabilir. Kullanıldığı yerler Darbe radarları ağırlıklı olarak çok uzun menziller için tasarlanmıştır. Ana kullanım alanı geçmişte de olduğu gibi halâ askeridir. Diğer kullanım alanları arasında uçuş güvenliği, meteorolojik gözlemler (özellikle yağış radarı olarak) ve uydu destekli yer yüzeyi yapısı araştırmaları sayılabilir.