Sürekli-Dalga Radarı
yansıtıcı nesne hakkında
bilgileri içerir
Resim 1: Sürekli dalga radarı tekniğinde genellikle ayrı ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir.
yansıtıcı nesne hakkında
bilgileri içerir
Resim 1: Sürekli dalga radarı tekniğinde genellikle ayrı ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir.
Sürekli-Dalga Radarı (CW-Radar)
Sürekli-dalga radarları [CW Radar, Continuous Wave radar] yüksek frekanslı bir işaretli sürekli yayınlar. Aynı şekilde, yansıyan işaret de sürekli alınır ve işlenir.
Prensip olarak bir sürekli dalga radarında gönderici sürekli çalışır ve bir anten bu üretilen işaretleri sürekli gönderir. Burada iki temel problemden bahsetmemiz gerekir:
- Göndericinin doğrudan yolladığı işaretlerinin alıcı tarafından bir geri besleme gibi kapılmasının (coupling) önlenmesi.
- Alınan yansıma işaretlerini, geçen zaman sürelerinin hesaplanması için bir zaman ölçme sistemine yönlendirilmesi.
Gönderilen işaretlerinin alıcı tarafından doğrudan alınması için:
- Gönderici anteni ile alıcı anten farklı yerlere kurulur; örneğin hedef yerden güçlü bir işaretle aydınlatılır, hedeften yansıyan işaretler bu hedefi vurmak için fırlatılmış füzenin üzerinde bulunan alıcıya ulaşır ve füze uçağı vurmak üzere hedefe kitlenir.
- Hız ölçümlerinde Doppler frekansı tekniğinin kullanıldığı bir frekansa dayalı ayırım.
Bir yankı işaretinin alınması, elektromanyetik dalgaların yayıldığı o yönde bir engelin bulunduğunu gösterir. Yankı işaretinin özelliklerinden hareketle, hedefin özellikleri hakkında bir fikir yürütülebilinir. Örneğinin yankı işaretinin kuvveti hedefin büyüklüğüne bağlıdır. Yine yankı işaretinin büyüklüğü, hedefin radarın ne kadar yakınında ya da uzağında bulunduğunun bir ölçütüdür. (Ne yazık ki yankı işaretinin büyüklüğünden yola çıkılarak bir ölçüm sonucuna ulaşılamaz, çünkü yankı işaretlerinin büyüklüğü birçok faktöre bağlıdır). Buna karşın frekansın izgesindeki (spectrum) bir değişiklik hedefin bazı özelliklerini anlamak için daha güvenilir bir kaynaktır. Bazı malzemelerden gelen yankı işaretlerinde gönderim frekansının harmonikleri de meydana gelebilir. Yansıyan işaretlerde harmonik oluşumuna yol açan bu malzemeler, özellikle çığ tehlikesi bulunan bölgelerde karın altında kalan insanların „harmonik radar“ denilen bir radar ile bulunabilmesi için koruyucu elbise ve ayakkabılarında kullanılmaktadır. En çok kullanılan izgesel değişim, Doppler frekansında meydana gelen izgesel değişimdir.
Doppler radar
Bir modüle edilmemiş sürekli dalga radarı sabit genlikli, sabit frekanslı işaretler yollar. Yansıyarak dönen işaretlin frekansı, ya tam gönderim frekansı kadardır ya da (hareket eden yansıtıcı nesnenin radyal hızına bağlı olarak) bir Doppler frekansı kadar kaymıştır. Bu Doppler frekans tekniği ile çalışmak üzere özel geliştirilmiş sürekli-dalga radarlarına Doppler radar denir.
Bir Doppler radarında hızın ölçümü için bir süre ölçümü kesinlikle gerekli değildir ve bu radarla bir menzil tayini de yapılmaz. Eğer, keza bir süre ölçümü de yapılacaksa bu, yansıyan işaretlin gönderim işaretline göre bir zaman referansı ile modüle edilerek yapılır. Bu modülasyon, gönderim işaretinin frekansındaki ya da genliğindeki değişim anı, işleyiş süresi sonunda alıcıda kaydedilebilir ve ancak bundan sonra bir zaman ölçümü yapılabilir. Bununla beraber bu tür bir modülasyon, tümüyle farklı ölçme prensiplerinin kullanıldığı diğer radar türlerinde de (örneğin, Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga-radarı) görülür. Benzeri şekilde bir genlik modülasyonu da düşünülebilir ve bu, modülasyon derinliği %100 ü bulan bir darbe radarı anlamına gelir. Modüle edilmemiş dalgalar yayan bir radar bir nesnenin hızını ancak Doppler etkisi ile ölçebilir. Ancak bu yöntemle bir hedefin menzilinin tayini ve iki farklı hedefin birbirinden ayırt edilebilmesi mümkün değildir.
Resim 2. Faz farkı
İşlev
Bir sürekli dalga radarında gönderilen işaret ve alınan işaret arasındaki φ faz farkı değerlendirilir. Bu faz farkının büyüklüğü, elektromanyetik dalgaların kat ettiği gidiş-geliş yolunun gönderilen işaretlin dalga boyuna olan oranının, grad cinsinden tam daire değeri olan 2π ile çarpılması ile elde edilir. Yansıtıcıya olan uzaklık değişmezse, o zaman faz açısı aşağıdaki gibi hesaplanır:
|φ = −2π||2r||burada|| φ = Faz farkı


r = Yansıtıcının antene olan uzaklığı
λ = Gönderim işaretinin dalga boyu
|(1)|
|λ|
Buradaki 2 katsayısı, işaretlin bu r yolunu gidiş ve geliş olarak kat etmesinden kaynaklanmaktadır. Eksi işareti yansıma sırasında 180° lik bir faz kayması olduğunu gösterir. Bir menzilin, bu faz farkından yola çıkarak basitçe hesaplanması mümkün değildir. Bu, örneğin ancak mesafe 0 ve 2π (≙ φ<360°) arasında bulunuyorsa mümkündür. Sinüs fonksiyonunun periyodikliği nedeniyle mesafe tayininde belirsizlikler ortaya çıkar.
Eğer yansıtıcıya olan mesafe sabit değil ve mesafe, daha ziyade gönderici antenine göre sabit hızla değişiyorsa, o zaman faz farkı zamana bağlı olarak değişir:
|φ(t) = −4π||r(t)||(2)|
|λ|
Zamana bağımlı ve iki sinüs biçimli işaretlin arasında ki ölçüm aralığı boyunca sabit hızla değişen bir faz farkı, yine sinüs biçimlidir. Bu, keza bir frekans cinsinden de ölçülebilir: Doppler frekans Ölçülen bu değer çoğu durumlarda alçak frekans bölgesindedir. Bu Doppler frekansının değeri bir sabit gönderim frekansındaki yaklaşım hızına bağlıdır.
Filtre
amplifikatör
Amplifikatör
(Ses işlemci)
Resim 3: Frekans bandını doğrudan düşüren bir basit radar alıcı-vericisi (etkileşimli resim)
Filtre
amplifikatör
Amplifikatör
(Ses işlemci)
Resim 3: Frekans bandını doğrudan düşüren bir basit radar alıcı-vericisi (Etkileşimli resim)
Sürekli-dalga radarı blok şeması
Doğrudan karıştırıcılı alıcı
Hız ölçümlerinde kullanılan Doppler radarın yapısı çok basittir. Alıcı ve gönderici devrelerinin yarıiletken modüllerinin tamamı bir alt katmanda toplanabilir. Bu modüle genellikle alıcı-verici (Transceiver, Transmitter/Receiver) denilir. Çoğu kez bu alıcı-verici modülü gerekli olan anteniyle tümleşik üretilir. Bu antenler genellikle çift yüzlü baskılı devrelerde bir yama anten gibi gerçekleştirilir veya (daha büyük bant genişliklerinde) bir boynuz ışıyıcıdır.
Homodin alıcı (homodyne receiver) olarakta adlandırılan Doğrudan Karıştırıcılı Alıcılarda yankı işaretli bir ara frekansa indirilmez, daha ziyade göndericide üretilmiş olan yüksek frekans doğrudan aşağı indirme işleminde kullanılır. Çıkış frekansı temel banttadır ve dolayısıyla herhangi bir taşıyıcı frekanstan da bağımsızdır. Kullanılan karıştırıcı, yankı işaretinin frekansını aşağı indirmek için genellikle 7 dBm lik bir yerel osilatör gücüne ihtiyaç duyar. Böylece burada YF- frekans üretecinin gücü 10 dBm ye sabitlenir. Güç bölücünün zayıflatma oranı en az -3 dB olduğu durumda, tüm modülün gönderim gücü en az 6 dBm demektir. Çıkış işaretinin şimdi temel bantta olmasına rağmen, bu çıkış sıkça Ara Frekansı çağrıştıran „IF“ (Intermediate Frequency) olarakta adlandırılır. Doppler frekans genellikle işitilebilir ses bandı bölgesinde yer alır. Kuvvetli yerden yansıma parazitleri, eğer yüksek frekansları geçiren DC kondansatörleri ile bloke edilmemişse, çıkış işaretlinde DC bileşen olarak yer alırlar. Genellikle bu tür bir devre, gönderici antenden alıcı antenine işaret bulaşmasını (cross-talk) önlemek için kullanılır.
Yankı işaretini piyasada satılan bir stereo-ses işlemcili ses kartında (fsınır= 18 kHz) işleyebilmek için K–bandındaki (λ≈ 12 mm) bir hareket algılayıcısı olarak kullanılan Doppler radarında olabilecek en büyük v radyal hız değeri hesaplanmalıdır.
Radarda Doppler frekansı aşağıdaki formülle hesaplanır:
|fD =||2·v|| fD = Doppler frekansı [Hz]


λ = Gönderilen frekansın dalga boyu
v = Radyal hız [m/s]
|λ|
Formül v için yeniden düzenlenir ve verilen değerler girilirse:
|v =||λ · fD||=||12 mm· 18 kHz||= 108 m/s ≈ 380 km/saat|
|2||2|
Bu duruma göre ölçülebilecek en büyük radyal hız 380 km/saat dir ve bu değer çoğu uygulamalar için yeterli olmaktadır.
Resim 4: Süperheterodin bir alıcıya sahip bir sürekli-dalga radarının blok şeması
Resim 4: Süperheterodin bir alıcıya sahip bir sürekli-dalga radarının blok şeması (Etkileşimli resim)
Süperheterodin alıcı
Doğrudan karıştırma nedeniyle hassasiyet kısıtlıdır. Bunun bir sonucu olarak karıştırma katının kırpışma gürültüsü (flicker noise) çıkış işaretline katılır, yani Doppler işaretli bir rasgele dağılmış düşük frekanslı gürültü bileşenleri ile binişmiştir. Bu nedenle çok küçük ve zayıf Doppler frekansları genellikle değerlendirilemez.
Hassasiyetin iyileştirilmesi bakımından süperheterodin alıcı mükemmel bir çözümdür. Yankı işaretleri, kırpışma gürültüsünden çok daha uzak bir bölgede dönüştürülür. Ara frekans yükseltecinin bant süzgeci bu kırpışma gürültülerini geçirmez. Yankı işaretli eşzamanlı olarak 30…40 dB kadar kuvvetlenir. Yankı işaretli ikinci karıştırıcı katında önce temel banda indirilir. Yankı işaretlinin, ikinci karıştırıcı katındaki kırpışma gürültüsünden hayli büyük olması nedeniyle artık bu gürültü ihmal edilebilir.
Bu örnekte işaretlin gönderilmesinde ve alımında aynı anten kullanılmaktadır. Gönderilen ve alınan enerji bir sirkülatör vasıtasıyla ayrıştırılır. Burada süperheterodin alıcının yerel osilatör frekansı bir sonraki dar bantlı süzgeci takiben yukarı doğru karıştırılır. Değerlendirme için burada bir sayıcı kullanılır. Böylece ekranda sadece bir yansıtıcı nesne görüntülenir (genellikle en büyük genlikli olanı). Eğer hareket eden yansıtıcı nesneler birden daha fazla sayıda ise birbiri ile binişen Doppler frekanslar bir süzgeç grubu ya da ayarlanabilir seçici süzgeç ile seçilir. Buna rağmen eğer her iki Doppler frekansını da ölçmek gerekiyorsa ölçülen değerin hangi hedefe ait olduğunu bilmek mümkün olmaz.
Blok diyagramında modüllerin açıklaması
Modüle edilmemiş Doppler radar uygulamaları
Resim 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Trafik Gözetim Radarı
- Hız ölçüm aygıtları çok özel bir sürekli-dalga radarıdır. Aygıt taşıtın hızını Doppler frekansını kullanarak ölçer. Doppler frekans değeri dalga boyuna bağlı olduğundan, bu radarlar çok yüksek frekanstaki K- bandında çalışırlar. Resimde ROBOT Visual Systems GmbH firmasınca geliştirilen „Traffipax Speedophot” model bir hız ölçme aygıtı görülmektedir. Bu radar 24,125 GHz frekansında çalışmaktadır.
- Bu aygıt, yolun sol veya sağ kenarından ve gelen ya da giden yönde seyreden araçların hızını ölçebilir. Bu radar gözetim aracın içine ya da üçayaklı bir sehpaya monte edilebilir. Sistemde ayrıca kural ihlallerini belgeleyebilmek için bir de yüksek çözünürlüklü kamera bulunmaktadır.
- Hareket algılayıcısı
Devresi Resim.2 de verilen basit ve ucuz Doppler radar algılayıcıları alarm vermekte ya da kapı açma veya kapamada, aydınlatma devresini açma gibi basit uygulamalarda kullanılabilir.
- Hareket algılama
Eğer Resim.2 deki karıştırıcı katın çıkışı DC bağlanmışsa (DC coupled), bir diğer ifade ile karıştırıcı katında endüktif transformatör ya da kuplaj kondansatörü kullanılmamışsa, o zaman takip eden yükselteç katlarının tamamı DC bloke edilebilir. Böylece bu Modüle Edilmemiş Sürekli Dalga radarı sabit hedeflerin uzaklıklarını yaklaşık λ /16 gibi bir hassasiyetle algılayabilir. Burada hiçbir Doppler frekans ölçülemez, sadece gönderilen işaret ile alınan işaret arasındaki faz farkı karşılaştırılabilir. Radardan yansıtıcı nesneye ve tekrardan radara olan yol kullanılan dalga boyunun katlarıdır. Eğer bu mesafe milimetrenin bir kesri (fraction) mertebesinde değişirse, her iki işaret arasındaki faz farkı da değişir.
- • Ölçüm bölgesi çok net değildir: Daha kaç adet tam dalga boyunun ölçülen bu kesre eklenmesi gerektiği belli değildir. Radar, değişikliği ancak bir önceki değere göre gözlemleyebilir.
- Bu ölçüm yöntemleri yoğun bakımdaki hastaların kalp atışlarını ve nefes alıp verişlerini gözlemlemekte de kullanılabilir. Radar, hastanın göğüs kafesine doğru yönlendirilir ve böylece göğüs kafesindeki hareket milimetrenin kesrine kadar bir hassasiyetle izlenebilir. Gönderilen ve alınan işaretler arasındaki faz farkının değişimi, zamanın bir fonksiyonu olarak bir osiloskopta görüntülenebilir. Bir bilgisayara bağlantı yapılarak hastadaki periyodik değişimler sayılır ve hastanın kalp atışı sayısal görüntülenebilir. Eğer bir değişiklik olmuyorsa alarm verilir.
- Darbe radarlarındaki tipik minimum menzili ölçüm zaafiyetini bu radar kapatmaktadır. Bu hareket algılayıcı özelliği ona füzelerde bir ateşleme mekanizması gibi kullanılmasını sağlar. Hedefe doğru fırlatılan füzeler hedefe nadiren doğrudan ulaşır, genellikle hedefin yanından geçerler. Füze hedefe doğru uçtuğu sürece bir büyük Doppler frekans meydana gelir, bu Doppler frekansının genliği füzenin hedefe yaklaşma hızı ilk evrede değişmediği için göreceli sabittir. Füze hedefe yaklaştıkça alınan yankı işaretleri kuvvetlenir (radyal hız değişmediği için Doppler frekansı sabittir). işaretlerin, bir süzgecin geçiren bandına (pass band) ulaşması ile füzedeki fünye ateşlenir.