Radar Nedir Temelleri Yöntemleri Ekipmanları

[Tesla^Pulse^Coil]

 Radar Nedir
 Radar, uzaktaki nesneleri radyo dalgalarının yansıması yardımıyla tespit eden cihazdır. Radar, RAdio
Detecting And Ranging (radyo [ile] tespit etme ve menzil tayini) sözcüklerinin akronimidir.
Radarlar; kullanım alanlarına göre hava ve deniz radarları olmak üzere ikiye ayrılır. Hava radarları;
askeri (stratejik) meteorolojik, astronomik, hava limanlarında ve uçaklarda kullanılır. Deniz radarları;
 askeri ve ticari gemilerde kullanılır. Radarlar çalıştığı frekans bandına göre de isimlendirilebilmektedir.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tarihçe
Alman mühendis Christian Hülsmeyer elektromanyetik dalgalar ile gemilerin yerini belirlemekte
kullanılabilen icadını tescil ettirmek için 1904 yılında Almanya ve İngiltere'de patent başvurusunda
bulundu.
30 Nisan 1904 tarihinde Kraliyet Patent Dairesi, Christian Hülsmeyer tarafından geliştirilen, "uzaktaki
metal nesnelerin yerini bir gözlemciye bildiren" cihazı 165 546 Nolu belge ile tescil etti.
Patent belgesinde bir yansıma sayesinde, gelmekte olan bir gemiyi tespit eden bir buharlı geminin
resmi yer almaktadır. Ren nehrinde yapılan bir denemeyle cihazın kullanılabilirliği kanıtlandı. Daha
sonra savaşın doğurdugu ihtiyaçlar ve zorlamalar sonunda geliştirilmiştir.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Çalışma prensibi
Radarın çalışma prensibi
Radar, elektromanyetik enerji darbelerini yandaki şekilde görüldüğü gibi sesin yansımasına benzer
bir şekilde kullanır. Radyo dalgaları ile taşınan enerji nesneye ulaşır ve tekrar nesneden yansıyarak
geri döner. Enerjinin buradan küçük bir kısmı yansır ve radara geri gelir. Dönen bu bölüme aynen ses
terminolojisinde olduğu gibi "yankı" adı verilir. Radar seti yankıyı yansıtan nesnenin yön ve
mesafesini tespit etmek için kullanır.
c ışık hızı ve t yansıma zamanı olmak üzere bir cismin radara olan menzili (R) şu formül ile bulunur:
R={\frac  {ct}{2}}
Bir alıcı verici dizeninden oluşan radar, bir cismin varlığını tayin etme, bulunduğu yön ve uzaklığı
ölçme işlevlerini yerine getirir. Radar cihazları temel olarak bir sinyal üreteci, bir verici, bir alıcı ve bir
veya daha çok antenden oluşur.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

[Tesla^Pulse^Coil]

Radar Prensibi
-------------------
Radarın teorik temelleri oldukça karmaşık olmasına karşın, çalışma prensibini anlamak kolaydır
 Ancak radar sistemlerinden azami seviyede faydalanmak ve radarı verimli biçimde kullanmak için
teorinin iyice kavranılmış olması gerekir. Radar binasının inşaatından başlayarak, radar sistemlerin
kullanılmasına kadar her noktada inşaat, makine ve elektrik mühendisliği, yüksek güç mikrodalga
mühendisliği ve gelişmiş hızlı sinyal ve veri işleme teknikleri gibi birçok değişik disiplinlerin katkısı
gerekir. Başta fizik olmak üzere, bazı doğa kanunları da burada hayati bir öneme sahiptir.
Her radarın çalışmasında aşağıdaki üç temel fizik kuralı rol oynar:
Elektromanyetik dalgaların yansıması
Elektromanyetik dalgalar elektriksel iletken bir yüzeye çarpmaları halinde yansırlar. Yansıma
sinyali dalganın çıkış merkezinde („yankı” olarak) yeniden kaydedilir ve bu da bize dalganın
yayıldığı yönde bir cismin varlığını kanıtlar.
 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Elektromanyetik dalgaların sabit yayılma hızı
Elektromanyetik dalgalar ışık hızına yaklaşık bir hızla yayılırlar. Hesaplamalarda hız olarak ister
3·108 m/s (300000 km/s), ister hassas ışık hızı değeri olan 299792458 m/s alınsın fark etmez,
ancak hesapların tamamında aynı değerin kullanılması gerekir. Elektromanyetik dalgaların sabit
hızla yayılma özelliğinden faydalanarak ışınların çarparak yansıdığı hedeflerin (uçaklar, gemiler,
taşıtlar) mesafelerini (menzillerini) bu radar darbelerinin geri dönüş sürelerini ölçerek hassas bir
şekilde belirleyebiliriz.
 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Elektromanyetik dalgaların doğrusal yayılması:
Elektromanyetik dalgalar radarların frekans bölgesinde doğrusal olarak yayılırlar. Bazı özel
antenler kullanarak elektromanyetik dalgalar belli bir yönde yoğunlaştırılabilir. Böylece hedefin
 açısal koordinatlarını (yatay (azimut) açısını ve yükseklik açısını) bulabiliriz.
 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Yukarıda bahsettiğimiz üç fiziksel kanunu kullanarak radar aygıtı ile bir hedefin
menzilini, yatay açısını ve yüksekliği belirleyebiliriz.
Ancak elektromanyetik dalgalar yayılması bazı optik-benzeri kanunlara da tabidir.
Bunlar arasında bükülme, kırılma ve yansıma gibi bazı optik kuralları sayabiliriz.
Bunlardan bükülme ve kırılmadan kaynaklanan etkiler konumuz için önemli değildirler.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

[Tesla^Pulse^Coil]

Darbe Sıkıştırma Yöntemi

Bir darbe sıkıştırma katının giriş- ve çıkış osilogramı. Giriş sinyalinde gürültü, zamansal çok uzun
modüle edilmiş sinyale göre daha büyüktür. Çıkış sinyalinde modülasyonun her bir bölümü
zamansal daha küçük miktarda geciktirilir ve eklenerek gürültüden daha büyük olan bir sinyal
 kuvveti meydana getirir.

Resim 1: Bir darbe sıkıştırma katının giriş ve çıkış sinyalleri
Gönderilen darbelerin zamana bağlı modülasyonuyla daha fazla veri taşınmasına imkĞ¢n sağlayan
 bu dalga biçimleme yöntemi bazen „intra-darbe modülasyon” olarak ta adlandırılmaktadır. Darbe
sıkıştırma yöntemi; uzun süreli darbelerde, darbe süresi ile tepe gücü çarpımı ile tayin edilen enerji
miktarının daha fazla gönderilebilmesi üstünlüğü ile çok kısa süreli darbelerin daha iyi olan menzil
çözünürlük yeteneği üstünlüğünü bir arada kullanır. Nispeten daha uzun darbe süresine sahip bir
darbe radarının darbeleri modüle edilerek gönderilir. Bu darbelerin dönen yankılarında, örneğin bir
frekans karşılaştırması yapılabilir ve bu sayede darbe içi süresinde hedeflerin yerleri belirlenebilir.
Osiloskopta, bir işarete ait bir klasik kısa gönderim darbesi (mavi renkli) ve intra-darbe
modülasyonlu (yeşil renkli) bir uzun gönderim darbesi görülüyor.
 
Resim 2: Klasik kısa bir gönderim darbesi (mavi renkli) ve darbe-içi modülasyonlu uzun bir
 gönderim darbesi (yeşil renkli)
Darbe sıkıştırma yönteminde kullanılan modülasyonlar şunlardır:
FM doğrusal frekans modülasyonu (chirp radar),
FM doğrusal olmayan frekans modülasyonu ve
PM kodlanmış darbe-faz modülasyonu.
Gürültü daima geniş bantlıdır ve gürültü darbeleri istatistiksel bir dağılım gösterir. Gürültünün
frekans-eşzamanlı bileşeni (keza, modüle edilmiş alınan sinyalde olduğu gibi, aynı darbede
içindeki gürültü) yansıma sinyaline kıyasla küçüktür. Bu nedenle giriş gürültü bölümü süzgeçte
zayıflar. Eğer, giriş sinyali, başından itibaren girişte gürültüye boğulmuş ve basit bir demodülasyon
 imkĞ¢nı kalmamışsa bile bir çıkış sinyali almak mümkün olabilir. Böylece modüle edilmemiş darbeye
kıyasla daha fazla bir kazanç elde edilebilir.
Gönderilen darbelerin (keza tek tek ayrık alt darbelere bölünmemiş) bir doğrusal modülasyonu
için B bant genişliği darbe süresi Ï„ ya oranla çok daha belirleyicidir. Daha öte hesaplamalar için
menzil çözünürlüğü oranından türetilen Zaman-Bant Genişliği-Çarpımı (Time-Bandwidth-Product)
yürütülür:
PCR =    (c0 · Ï„ /2)    = B · Ï„    (1)
(c0 / 2B)
Darbe sıkıştırma yöntemi sayesinde; oldukça daha az bir tepe gücüne sahip, nispeten daha uzun
süreli bir darbe ile daha iyi bir menzil çözünürlüğü ve radar denklemiyle hesaplanandan daha uzun
bir menzil elde edilebilir.
Rres = c0 · (Ï„ / 2) = PCR · c0 /2 B    (2)
Radar denklemi göz önüne alındığında, basit bir demodülasyonla normal video sinyali elde etmeye
yeten bir PE min gücünden, kullanılan zaman aralığı adedi katsayısı kadar daha küçük olan bir PE
 min gücünün kullanıldığı anlaşılır. Menzildeki bu iyileştirme Darbe Sıkıştırma Kazancı
(Pulse Compression Gain, PCG) olarak adlandırılır. Menzildeki bu iyileşme miktarı pratikte
 PCG kazancının yaklaşık 4. dereceden kökü kadardır.
Bununla beraber bu yöntemin asgari ölçme menzilinin oldukça kötüleşmesi gibi bir kaybı söz
konusudur. Gönderici aktif olduğu sürece dupleks cihazı alıcıya anahtarlama yapmaz, alıcı
kesildiğinden bu süre içinde herhangi bir sinyal alınamaz.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Liste 1: Darbe sıkıştırma yönteminin üstünlükleri ve kayıpları
Üstünlükleri                                                                   Kayıpları
düşük darbe gücü, katıhal çıkışa uygun                  daha fazla bağlantı masrafı
yüksek menzil                                                          kötü asgari ölçme menzili
çok iyi menzil çözünürlüğü                                  zaman-yan lobları
gürültü bağışıklığı   
daha zor tespit edilme   

[Tesla^Pulse^Coil]

Doğrusal frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması

Bu darbe sıkıştırma yöntemi ile gönderim darbesi doğrusal modüle edilir. Bu yöntemin bağlantılarının
daha basit olması gibi bir avantajı vardır. Fakat doğrusal frekans modülasyonun dezavantajı,
süpürücü („Sweeper”) adı verilen devre ile çok kolay gürültü üretebilmesidir. Gönderim darbelerinde
 mevcut frekanslardan beş adedini esas alan, aşağıda ki bağlantı örneğinde çalışma prensibi
açıklanmıştır.

Gönderim darbesi, burada, bir zaman aralığı sayısı kadar varsayılan sabit frekansla bölünür. Her bir
zaman aralığında ki frekansa tam olarak ayarlanmış süzgeçlerden gelen sinyaller, her bir frekans için
 ardışık (kaskad) bağlı geciktirici ve toplayıcı kademelerden gelerek toplanırlar ve çıkışta bir toplam
sinyal oluştururlar.
Doğrusal frekans modülasyonu RRP-117 radarında uygulanmaktadır.
Modern tümleşik devre teknolojisi sayesinde devre maliyetlerini azaltmak mümkün olabilmektedir.
Bu yöntem pratikte iki türlü gerçekleştirilebilir:

Bilgisayar kontrollü veri işlenmesiyle (A/D-dönüştürücü ile)
SAW- Süzgeç ile (Yüzey Akustik Dalga cihazları, „Surface Acoustic Wave devices”)


Zaman-yan lobları
Sıkıştırma süzgeci çıkışında, hedef darbesinde zamansal olarak kaymış (yani menzilde), tekrarlanan
yansımalar da (mirror images) bulunur. Bunlar zaman-veya menzil-yan lobları olarak bilinir. Yanda ki
grafik bu yansımaları, hem zamanın fonksiyonu olarak osiloskopta ve hem de menzilin fonksiyonu
olarak radar ekranında göstermektedir.
Hem zamansal aralıklar ve hem de genlik aralıkları sabit olduğundan, yan lobların sinyal genlikleri bir
 ağırlık dağılımıyla kabul edilebilir bir seviyeye düşürülebilir. Eğer bu genlik ağırlık dağılımı yalnızca
alıcı hattında yapılırsa, bu sefer de süzgeçlerde uyumsuzluğa ve sinyal-gürültü-oranının azalmasına
yol açar.
Bu yan lobların büyüklüğü darbe sıkıştırma yöntemiyle çalışan radarlarda çok önemli bir
parametredir Yan lobların büyüklüğü bu ağırlık dağılımı ile -30 dB lik bir değere kadar düşürülebilir.

Doğrusal olmayan frekans modülasyonlu darbe sıkıştırması
Doğrusal olmayan darbe sıkıştırma yönteminin bariz avantajları vardır. Örneğin, mevcut zaman
yan lobların bastırılması için herhangi bir genlik ağırlık dağılımına, bu modülasyonda gerekli genlik
 dağılımını zaten kendisi yerine getirdiğinden ötürü ayrıca bir işlem yapmaya da gerek kalmaz.
Şimdi, büyüklüğü az, ama dik yan cephelere sahip zaman-yan loblarına rağmen, bundan böyle
süzgeçle bir dengeleme yapmak mümkün olabilmektedir. Bu şekilde, genlik dağılımı ile ortaya çıkan
sinyal-gürültü-oranında ki kayıplarda önlenmiş olur.
Modülasyonun simetrik biçiminde, gönderim darbe süresinin ilk yarısınca çıkan (veya inen)
bir frekans değişimi ve ikinci yarısınca inen (veya çıkan) bir frekans değişimi olur. Modülasyonun
 simetrisiz biçimi, simetrik biçiminin sadece ilk yarısının kullanıldığı halidir.

Doğrusal olmayan frekans modülasyonunun dezavantajları:
bir karmaşık devre yapısı ve
her bir gönderim darbesinin, kurallara uyum sağlamak üzere aynı özelliklere, örneğin genlik ağırlık
dağılımının bilinen fonksiyona sahip olması nedeniyle, bir karmaşık modülasyonun ortaya çıkması.


Faz modülasyonu ile darbe sıkıştırması
Faz kodlanmış bir gönderim darbesi diyagramı: İki fonksiyon bulunmaktadır.
Üst fonksiyonda zaman ekseninde mantıksal seviye bulunur.
Alt fonksiyon, üst fonksiyona uygun, faz kodlanmış yüksek frekanslı dalgaların mantık seviyesini
 gösterir. Böylece her bir mantık seviyesi değişiminde faz zıplaması meydana gelir.
Resim 8: Faz kodlu gönderim darbeleri diyagramı
Faz kodlanmış darbe biçimi, frekans modülasyonlu darbe biçiminden, uzun toplam darbenin aynı
frekansta, fakat daha küçük alt-darbe (sub-impulse) biçimlerine bölünmesi ile ayrılır. Bu alt-darbeler,
 daima çözünebilen en küçük menzil olan bir menzil-hücresini (range-cell) temsil eder. Bu alt-darbeler
aynı uzunluğa sahiptir ve alt darbelerin süresi içinde faz sabit kalır. Alt darbelerin arasında hızlı bir
faz değişimi programlanabilir. Çoğu kez bu hızlı faz değişiklikleri sayısal olarak kodlanır.
Sayısal kod bir dizi mantık durumundan meydana gelir. Bu kodlara bağlı olarak gönderim sinyalinin
faz durumu 0 ile 180° arasında ayarlanır. Gösterilen ve aşırı basitleştirilmiş resmin aksine, gönderim
frekansı anahtar darbenin mutlaka bir tam katı değildir. Kodlanmış gönderim frekansı faz dönüş
noktalarında genel olarak ahenksiz anahtarlanır.

Kod uzunluğu, n   Kod-elemanı   dB olarak sinyal- yan lob aralığı
2   +-   -6.0
3   ++-   -9.5
4   ++-+ ,  +++-   -12.0
5   +++-+   -14.0
7   +++--+-   -16.9
11   +++---++--+-   -20.8
13   +++++--++-+-+   -22.3
Liste 2: Barker kod tablosu

Aslında, 0/Ï€-fazları denilen bu fazlardan uygun kodların seçimi çok kritiktir. Barker-kodlamasında
bazı darbe adetleri ile optimal sonuçlar alınabilir. Bu optimal değerlerde beklenen yan lob seviyesi
ölçülür. Yandaki tabloda sadece az sayıda optimal kod listelenmiştir. Bilgisayar destekli yapılan bir
araştırmada sonucunda 6000 adede varan Barker kodunun incelenmesi sonucunda sadece 13
adedinin yan loblarda maksimum değere ulaştığı tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, bu 13 adet darbe sayısından daha fazlasının mümkün olmadığı görülmüştür. 13 kod
darbe adedi keza ulaşılabilir en yüksek sıkıştırma oranı 13 ü temsil etmektedir! Bu gerçekten çok az
bir değer olan -22.3 dB dir.

[Tesla^Pulse^Coil]

Yapay Açıklıklı Radar
--------------------------
Bir Yapay Açıklıklı Radar (Sythetic Aperture Radar SAR) uçakta bulunan, uçağın uçuş güzergĞ¢hını kullanarak olabilecek en büyük antenin ve yayın açıklık yüzeyinin (aperture) elektronik benzetimini (simulation) yapabilen bir sistemdir. Çok uzun bir zaman dilimi içerisinde gönderim-alım çevrimleri (PRT ler, PRT = Darbe Tekrarlama Zamanı), uçağın hassas göreceli konum koordinatları ile birlikte elektronik ortama kaydedilir. Bu çevrimler (cycles) belirli bir sayıya ulaştığında kaydedilen veriler bir bilgisayarda işlenir. (Her bireysel çevrimde ortaya çıkan değişik Doppler frekansları hedefin geometrisinin çiziminde hesaba katılır.) Böylece gerçek bir antenin açıklık açısının elverebildiğinin çok ötesinde yüksek açısal çözünürlüklü bir radar resmi elde edilir.

Bir SAR radarının çalışması
---------------------------------
SAR faz dizi antene benzer şekilde çalışır, fakat faz dizi antene aksine çok sayıda paralel anten elemanı kullanmaz. Buna karşılık sadece bir anteni zaman çoklayarak (time-multiplexing) kullanır. Değişik geometrik konumlar uçuş hızının sonucu meydana gelir.
Bir SAR- radar bilgisayarı A uçuş noktasından C uçuş noktasına kadar ki T zamanı içinde ki tüm darbe tekrarlama sürelerinin yansımalarının genliklerini ve faz açılarını kaydeder. Bu verilerden faydalanılarak, ancak anten uzunluğu v · T (v = platform hızı) olan çok daha büyük bir antenle elde edilmesi mümkün olabilen bir sinyal yeniden çatılır (reconstructed). T zamanı arttırılarak antenin „yapay açıklığı” büyütülebilir ve böylece daha iyi çözünürlük elde edilebilir.
Bir hedef (örneğin bir gemi) radar tarafından ilk kez yakalandığında gönderilen darbelerin yansımaları kaydedilmeye başlanır. Bu işlem platformun öne doğru hareket ederken hedef radar ışınları altında kaldığı sürece devam eder. Platformun bu süre içinde kat ettiği yol antenin benzetimleşmiş (simulated) veya yapay boyunu tayin eder. Antenin yapay olarak küçültülmüş açıklık açısı, ölçüm sırasında geçen süre ve (darbe tekrarlama frekansı vasıtasıyla) olabilmesi mümkün menzil birbirlerini dengelerler, böylece şerit (swath) üzerinde olabildiğince sabit bir açısal çözünürlük yakalanabilir.
Bir SAR ın ulaşılabilmesi mümkün azimut çözünürlüğü yaklaşık olarak gerçek anteninkinin yarısı kadardır ve bu değer platformun uçuş yüksekliğine bağlı değildir.
Bunun için aşağıdaki teknik koşulların sağlanmış olması gereklidir:
frekansı kararlı, tam evreuyumlu bir radar sistemi
güçlü bir SAR-bilgisayarı ve
platformun uçuş rotasının/yörüngesinin ve hızının kesin olarak bilinmesi.

Uçak radar yapımcıları bu teknolojiyi kullanarak, bir uçak tarafından taşınması pratik olmayan 10 m gibi boyutlara sahip anten dizilerini kullanmadan oldukça iyi açısal çözünürlük elde etmişlerdir.
Mekik Radar Topografi Görevini yürüten (SRTM Shuttle Radar Topography Mission) bir uzay mekiğinde yine bu Yapay Açıklıklı Radar (SAR) tekniği kullanılmaktadır.
SAR radarı yanında birde Ters SAR olarak adlandırılan Inverse SAR kısaca ISAR tekniği de kullanılır. Bu teknikte uçağın güzergĞ¢hı temel alınmaz, aksine lokalize olmuş hedefin hareket vektörü kullanılır. Gemi tespit devriye uçaklarında bulunan ISAR radarları gemilerin kimlikleri bile tanıyacak kadar kaliteli radar resimlerini elde edebilmesi nedeniyle büyük öneme sahiptir.

Menzilin bozunumu (distortion)

SAR ile ölçülen yatık menzilde, gönderilen sinyallerin yer yüzeyinden yansımalarında yansımanın olduğu noktanın bir yükseltiden (bina,tepe gibi) veya bazen daha alçaktaki cisimlerden olduğuna bağlı olarak geri dönüş sürelerinde göreli gecikmeler meydana gelebildiğinden dolayı “menzil bozunumu” denilen bir durum ortaya çıkar. Ölçülen menziller bu olay nedeniyle gerçek menzilleri tutmaz.

Kısaltım (foreshortening) denilen olay gerçek menzilin kısaltılmış olarak algılanmasıdır. Örneğin, bir dağın radara göre a dip noktasının b tepe noktasına doğru bir meyille yükseldiğini düşünelim. Dağın bu iki noktası arasında kalan a-b yatık mesafesi, dağın tepesinden yansıyan sinyalin dipten yansıyana göre daha kısa sürede dönmesi nedeniyle radarda kısalmış a'-b ' mesafesi olarak hesaplanacaktır

Örtüşme (overlapping) denilen olay bir arazi parçasını, örneğin bir dağın, b tepe noktasının yatık menzilinin a dip noktasına göre daha kısa olacak şekilde bir eğime sahip olması durumunda meydana gelir. Radara tepeden yansıyan sinyalin dipten yansıyana göre daha erken döneceğinden a-b aralığı tersine çevrilerek b’-a’ olarak algılanacak, yani biri diğerini örtecektir.

Bir açı ile radar ışımasına maruz kalan arazi yükseltileri ayrıca bir gölgeleme etkisi meydana getirir. Bu gölgenin boyu, güneşin batışında olduğu gibi, geliş açısı büyüdükçe daha da artar.
---------------------------------------------------------------------
Üye Olmadan Linkleri Göremezsiniz. Üye Olun veya Giriş Yapın

[Radfrod]

Aradığım bilgi mi