RADAR 2b [PDF]

Citation preview

II.3.4



MOVING TARGET INDICATION (MTI) RADAR



II.2.4.1 PRINSIP KERJA MTI RADAR. Frekuensi Doppler yang dihasilkan Target yang bergerak selain dapat menentukan kecepatan relatif Target tersebut, juga dpt membedakan Target bergerak dari Target yang diam. Namun demikian kesukaran masih tetap dihadapi bila bentuk Pulse Radar diatas dipergunakan untuk membedakan suatu Target kecil bergerak dari Target diam yang besar. Untuk hal tersebut digunakan bentuk Radar Pulsa yang khusus, yakni “Moving Target Indication (MTI) Radar” yang dengan lebih baik dapat membedakan Target diam dari Target bergerak. Perbedaan mendasar antara Pulse Radar dengan MTI Radar karena MTI Radar senantiasa: • Bekerja dengan BLIND SPEED, artinya sample Doppler punya fasa yang konstan, untuk jelasnya lihat Gbr,II-21. • Tanpa “second time around echo” dalam pengukuran jarak, jadi jarak hanya diperoleh berdasar sample echo yang diterima sebelum pengiriman pulsa berikutnya Untuk mempelajari prinsip kerja MTI Radar, baiknya ditinjau kembali CW Radar dan Pulse Radar sederhana yang terlihat pada Gbr.II-12. Terlihat bahwa CW Radar dapat dirobah menjadi Pulse Radar dengan menambahkan suatu Power Amplifier dan Modulator yang akan mengatur on-offnya amplifier tersebut, sehingga outputnya akan berobah menjadi pulsa. Perbedaan Radar pulsa disini dgn yang telah diuraikan sebelumnya adalah pada Local Oscillatornya (LO). Disini sebagian daya LO diteruskan ke Penerima untuk berlaku sebagai LO Receiver. Walau demikian fungsinya bagi Penerima bukan hanya sebagai LO saja, tapi juga sebagai “referensi koheren” bagi frekuensi Doppler, karena sinyal referensi yang berasal dari LO ikut menentukan fasa dari sinyal pancar.



ft referensi



a.



ft ± fd



CW OSCILLAT OR RECEIVER



sinyal



fd



INDIKATOR



PULSE MODULA TOR



ft



b.



POWER CW AMPLIFIE OSCILLATO sinyal R referensi R



ft ± fd



fd RECEIVER



INDIKATOR



Gbr.II-12: Bentuk yang sederhana dari: a. CW Radar b. Pulse Radar Misal: Sinyal output Oscillator: Vosc = A1 sin 2 π ft t Sinyal referensi : Vref = A2 sin 2 π ft t Sinyal echo yangmengandung Doppler: Vecho = A3 sin { 2π( ft ± fd ) } - 4πft R0 /c dimana: A1 = amplituda sinyal carrier f = frekuensi sinyal carrier A2 = amplituda sinyal referensi A3 = amplituda sinyal echo R0 = jarak Target - Carrier fd = frekuensi Doppler t = waktu c = kecepatan propagasi gelombang radio



Sinyal echo dan sinyal referensi yg masuk ke Mixer yang bersifat heterodyned akan menghasilkan sejumlah frekuensi pd outputnya, akan tetapi yang dibutuhkan hanyalah sinyal dengan komponen frekuensi rendah saja, yakni: Vdiff = A4 sin { 2πfd - 4πft R0 /c }



……………………(II-9)



Untuk Target yang diam fd = 0 sehingga Vdiff tidak akan berubah terhadap waktu, sebaliknya untuk Target yang dlm keadaan bergerak relatif thd Radar, Vdiff yang dihasilkannya merupakan fungsi waktu. V(Volt) t(mdet) V(Volt) t(mdet)



V(volt)



σ t(mdet)



Gbr.II-13: Bentuk pulsa dari sinyal echo dengan: a. Frekuensi Doppler fd dalam daerah RF b. Frekuensi Doppler fd > 1/ σ c. Frekuensi Doppler fd < 1/ σ Bila Mixer mempunyai output Doppler dgn frekuensi fd > 1/ σ dimana σ adalah lebar pulsa, maka output Mixer tersebut akan mempunyai bentuk



seperti terlihat pada Gbr.II-13b. Akan tetapi bila fd < 1/ σ maka pulsa tersebut akan dimodulasi oleh sinyal Doppler dengan amplituda sebagaimana diberikan pada Gbr.II-13c, sehingga bentuk dari sinyal Doppler baru akan terlihat setelah pendeteksian sejumlah pulsa.



Sinyal echo yang terlihat pada Gbr.II-13 tersebut biasa juga disebut sebagai sinyal bipolar, karena sinyal tersebut mempunyai amplituda yang positip maupun negatip.



a.



b.



c.



V d



V d



V d



V



d.



d



V



e.



d



V



f.



d



Gbr.II-14: Amplituda echo sebagai fungsi waktu yg diperoleh melalui sweeping/sapuan pd A-Scope display MTI Radar dimana: a s/d e : sweeping pada waktu yang berbeda. f : superposisi dari a s/d e



Suatu Terget bergerak dapat dibedakan dari Target yg diam dengan bantuan A-Scope Indicator, sehingga diperoleh sinyal video seperti terlihat pada Gbr.II-14, dimana terdapat sejumlah target diam seperti gunung, bukit atau bangunan tinggi serta satu Target bergerak yang ditandai dengan panah. Pada sweeping pertama ini kedua Target bergerak belum dapat dipisahkan / dibedakan. Pada hasil sweeping selanjutnya yang dilakukan dalam interval waktu tertentu, yakni Gbr.II-14 b s/d. e, Target bergerak telah dpt dibedakan dari Target yang diam karena: • Echo dari Target yang diam punya amplituda yang konstan. • Echo dari Target yang bergerak akan berobah sebanding dgn efek Doppler yang ditimbulkannya. Keseluruhan sweeping yang terlihat pada Gbr.II-14a s/d. e akan punya superposisi sebagaimana Gbr.II-14f. • Karena Target yang bergerak akan membentuk KUPU-KUPU / BUTTERFLY pada A-Scope Indikator, maka dengan demikian bentuk kupu-kupu ini secara otomatis menandakan bahwa yang dideteksi adalah Target yang sedang bergerak. Disamping itu Plan Position Indicator (PPI) merupakan bentuk lain Indikator yang juga dapat mengetahui dan mendeteksi suatu Target bergerak. Cara yang umum digunakan oleh PPI untuk hal tersebut adalah dengan menggunakan “DELAY LINE CANCELLER” seperti terlihat pada Gbr.II-15. FULL WAVE RECTIFIE R RECEIVE R



DELA Y LINE



SUBSTRA CT CIRCUIT



INDIKAT OR sinya l video unipo lar



Gbr.II-15: Blok diagram MTI Radar yang menggunakan Delay Line Canceller



Delay Line Canceller berlaku sebagai filter yang akan: • Meredam komponen DC dari target yang diam • Meliwatkan komponen AC dari target bergerak Bagian video dari Receiver terbagi dua yakni: • Bagian sinyal video yang normal • Bagian sinyal video yang mengalamai perlambatan dgn delay time T = 1/ prf, dimana prf = pulse repetition frequency. Selisih kedua bagian output ini merupakan sinyal video bipolar yakni: • Amplituda dari target yang konstan akan saling menghilangkan sehingga akan selalu = 0 • Amplituda dari target bergerak karena senantiasa berubah tidak akan saling menghilangkan. Full Wave Rectifier akan merobah sinyal bipolar tersebut menjadi sinyal unipolar, untuk selanjutnya dapat dilihat melalui display PPI. PULSE MODULA TOR DUPLEXE R



POWER AMPLIFIE R



MIXER



STALO f1



IF AMPLIFI ER



COHO f0



MIXER



PHASE DETECTO R DELAY LINE CANCELLER



Gbr II.16: Blok Diagram sebahagian dari MTI Radar dengan Power Amplifier



Pada kenyataannya MTI Radar dengan blok diagram sebagaimana pada Gbr.II.12 tidaklah pernah dipakai. Bentuk tersebut diberikan hanyalah sebagai penjelasan awal. Gbr.II.16 merupakan bagian dari MTI Radar yang sering digunakan. Referensi koheren disini berasal dari Coherent Oscillator (Coho). Coho mempunyai frekuensi output fc yang sama dengan frekuensi menengah IF yang terdapat pada Penerima. Selanjutnya pada Mixer, output fc dari Coho dicampur dgn frekuensi fL yg berasal dari Stable Local Oscillator (Stalo), sehingga diperoleh sinyal dengan frekuensi (fL + fc) yang dipancarkan melalui antena. Karena Stalo,Coho dan Mixer ini masing-masing punya peranan, baik pada Pemancar maupun Penerima, maka ketiganya disebut juga “RECEIVER EXCITER”. Fungsi Stalo adalah untuk menghasilkan translasi frekuensi dari IF ke IF yang akan dipancarkan Keuntungan MTI Radar yang koheren ini adalah karena koherennya fasa sinyal pancar dan fasa sinyal penerima. Meskipun sinyal Stalo adalah sefasa dengan sinyal pancar, akan tetapi pada penerimaan tetap timbul pergeseran frekuensi, disebabkan pada penerimaan tersebut Stalo juga berfungsi sebagai Local Oscillator (LO). Dengan “PHASE DETECTOR” yg berfungsi sebagai Mixer, masalah yang ditimbulkan oleh perbedaan fasa tersebut dapat diatasi, karena output Detector Fasa adalah sebanding dengan perbedaan fasa antara kedua sinyal yang menjadi inputnya. Sesuai dengan penjelasan pada Gbr.II.16, bagian selanjutnya yang akan melengkapi blok diagram ini adalah Gbr.II.15, sehingga bila keduanya digabungkan, terbentuklah blok diagram yang lengkap dari MTI Radar.



II.4.3



MTI RADAR DGN POWER OSCILLATOR PD PEMANCAR



DUPLEX ER



MAGNET RON OSCILLAT RF Locking OR Pulse



MIXER



STALO f1



IF AMPLIFI ER



COHO f0



PULSE MODULA TOR



TRIGGER GENERAT OT



MIXER



PHASE DETECTO R DELAY LINE CANCELLER



Gbr.II.17: Sebagian block diagram MTI Radar dgn Power Oscillator MTI Radar dengan Power Oscillator Transmitter merupakan bentuk MTI yang paling banyak digunakan. Sebagian snyal pancar bersamasama dengan output Stalo diteruskan ke Mixer untuk menghasilkan sinyal beat IF yang fasanya secara langsung tergantung kepada fasa sinyal pancar. Pulsa IF ini dilanjutkan ke Coho dan menyebabkan terkuncinya fasa output Coho yang dengan demikian ditentukan oleh fasa dari pulsa pancar, yang dapat pula dipakai sebagai referensi fasa bagi sinyal echo yang datang. Seperti halnya MTI Radar dengan Power Amplifier, bila blok diagram pd Gbr.II,17 digabung dengan blok diagram Gbr.II.15, akan diperoleh blok diagram lengkap dari suatu MTI Radar dengan Power Oscillator Transmitter.



II.4.4



MTI RADAR DGN MULTIPLE RANGE GATE & FILTER 1



2



PHA SE DETE C TOR



3 . . . . .. .



RAN GE GATE 1



BOXCA R GEN



BP F



FWL DETECT OR



BP F



THRE S HOLD



RAN GE GATE 1



BOXCA R GEN



BP F



FWL DETECT OR



BP F



THRE S HOLD



RAN GE GATE 1



BOXCA R GEN



BP F



FWL DETECT OR



BP F



THRE S HOLD



BOXCA R GEN



BP F



FWL DETECT OR



BP F



THRE S HOLD



. n



RAN GE GATE 1



Gbr.II.18: Blok diagram MTI Radar dengan Range Gate dan Filter Sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya Delay Line Canceller yang membedakan / memisahkan target bergerak dari target diam, telah dipakai secara luas pada MTI Radar. Selain itu , fungsi yang sama juga dapat dilakukan oleh Low Pass Filter atau Narrow Band Filter. Narrow Band Filter yang didisain utk meliwatkan komponen frekuensi Doppler dari target bergerak, akan bekerja bila dilalui pulsa Radar. Untuk itu Pass Band-nya harus jauh lebih sempit dari 1/σ, dimana σ adalah lebar pulsa input σ, sehingga bandwidth dari output akan jauh lebih besar pula dari input. Akan tetapi karena respons dari impuls adalah berbanding terbalik dengan bandwidth filter, maka Narrow Band Filter akan “mengotori” pulsa input dengan noisenya dan mengakibatkan gangguan pada



D I S P L A Y



frekuensi kerjanya, sehingga jika target yang ada lebih dari satu, maka terget tersebut akan sangat sukar untuk dipisahkan. Demikian pula halnya bila hanya satu target yang ada, noise yang naik disebabkan lebarnya bandwidth akan menurunkan sensitivitas atau dengan perkataan lain memperbesar loss. Loss yang besar dpt dihindari dengan membuat kuantisasi bandwidth dalam interval yang lebih kacil lagi, Proses ini disebut “Range Gating” Lebar dari Range Gate ini tergantung pada: • Tingkat ketelitian yang diinginkan • Tingkat kerumitan/kekompleksan sistem yang dpt ditoleransi. • Lebar pulsa Radar. Blok diagram dari Video MTI Radar dengan Multiple Range Gate & Filter dapat dilihat pada Gbr.II.18. Output dari Phase Detector disampling secara bergilir oleh Range Gate. Karena setiap gate terbuka dalam interval waktu tertentu yang sesuai perhitungan untuk mendapatkan sample tegangan dari sinyal video, maka gate-gate tersebut seakan berlaku sebagai switch yang terbuka/tertutup secara bergantian dalam selang waktu tersebut. Output dari target diam akan merupakan deretan pulsa dgn amplituda konstan, sedang echo dari target yang bergerak akan menghasilkan deretan pulsa dengan amplituda yang berubah-ubah tergantung pada frekuensi Dopplernya. Output Range Gate dapat dilihat pada BOXCAR GENERATOR CIRCUIT atau SAMPLE AND HOLD CIRCUIT yang fungsinya untuk menyaring dan mendeteksi frekuensi pemodulasi dari harmonisaharmonisanya, sedang tahapan berikutnya yang merupakan Doppler Filter akan menekan spektrum dari “clutter” yang ikut masuk kedalam Phase Detector. FULL WAVE LINIER DETECTOR merobah sinyal video yang bipolar menjadi unipolar untuk diteruskan ke Integrator, sedang ada / tidak adanya target ditentukan oleh output Threshold yang dapat dilihat melalui PPI atau A-Scope Display. Karena output Threshold hanya muncul bilamana ada target, maka dengan demikian cara ini akan terlihat lebih “bersih” bila dibanding bentuk Display MTI Radar sebelumnya. Hal ini bukan hanya disebabkan oleh tertekannya “clutter” saja, akan tetapi juga oleh kehadiran THRESHOLD DETECTOR yang akan ikut mengeliminir / menghilangkan noise yang tak diinginkan.



Respons frekuensi dari MTI Radar dapat dilihat pada Gbr.II.19. Amplituda Relatif



0 4 fp



fp = 1/σ frekuensi



3 fp



2fp



Gbr.II.19: Response frekuensi dari MTI Radar dengan Range Gate & Filter Keuntunga lain dari MTI Radar dgn Range Gate & Filter ini adalah frekuensi cut-offnya yang variabel, dapat dirobah/dipilih/disesuaikan dengan medan sekitarnya sehingga terhindar dari clutter yang tidak diinginkan ataupun dari gangguan Doppler yang ditimbulkan oleh kawanan burung terbang, dsb. II.4.5



MTI RADAR DGN DIGITAL SIGNAL PROCESSOR PHAS E DETE CT



OUT P IF AMP L



SA M PLE



A/D CONVE RTER



COHO



(I2 +



π/ 2 PHAS E DETE CT



DIGITA L STORE



Q2)1/2 SA M PLE



A/D CONVE RTER



DIGITA L STORE



SUB STRACT OR



D/A CONVER TER



SUB STRACT OR



DIS PLA Y



Gbr.II-20: Blok iagram MTI Radar dengan Digital Signal Processor Kelebihan utama dari Digital MTI Processor adalah pada Delay Linenya, karena bagaimanapun juga bentuk digital akan lebih stabil dan lebih dapat diandalkan terhadap perubahan tmperatur,gain yang kritis ataupun ketepatan pengambilan sample / kuantisasinya dibanding dengan bentuk analog. Bentuk sederhana dari Digital MTI Radar dapat dilihat pada Gbr.II.20. Sinyal outpur IF Amplifier selanjutnya terbagi dalam 2 kanal, masingmasing dengan Coho sebagai referensi, yakni: • Kanal I ( Inphase channel ) dengan sinyal yang sefasa • Kanal Q ( Quadrature channel ) dengan sinyal yang berbeda fasa 90 derajat. Kanal Q ini akan melenyapkan / mengeliminir pengaruh blind phases. Ouput Phase Detector yang merupakan sinyal video bipolar setelah disample, dikonversikan ke sinyal digital oleh A/D Converter. Output dari kedua kanal I dan Q diperoleh melalui sinyal digital yang telah disimpan dalam memorynya masing-masing, yakni dengan mencari selisih antara 2 sinyal yang berasal dari sweeping berurutan. Kedua output dari kanal I dan Q selanjutnya digabung kembali untuk mendapatkan amplituda yang besarnya adalah (I2 + I2)1/2 dan setelah mana dikembalikan ke sinyal analog unipolar untuk disajikan pada Display. A/D Converter merupakan bagian paling kritis pada Digital MTI Radar Processor, karena harus punya kecepatan operasi / kuantisasi yang tinggi, untuk dapat mengimbangi kecepatan pulsa Radar. Jumlah bit dalam A/D Converter ini akan menentukan besarnya faktor perbaikan maksimum ( improvement factor) dari MTI Radar. N-bit Converter akan membagi output Phase Detector kedalam 2N-1 interval yang diskrit, sehingga untuk N=9 akan diperoleh maksimum level interval = 511 Diatas telah dikemukakan bahwa kanal Q akan dapat melenyapkan penyebab menurunnya sensitivitas yang disebabkan oleh “blind phase”. Blind Phase berbeda dengan Blind Speed yang telah dibahas sebelumnya, karena: • BLIND SPEED:



Blind Speed terjadi bilamana sampling pulsa tepat berada pada titik yang sama dari setiap periode Doppler, sebgm Gbr.II-21a. • BLIND PHASE: Blind Phase pada kanal I terjadi sebgm Gbr.II-21b terjadi bila deretan pulsa merupakan sampling dgn amplituda yang sama dan “jarak waktu” yang sedemikian rupa sehingga bila a1 dikurangi dengan a2 hasilnya akan nol. Hasilnya baru akan diperoleh bila a3 dikurangi a4 Jadi untuk kanal I: ( a1 - a2 ) = 0 ( a3 – a4 ) ≠ 0 Sedang pada kanal Q sebagaimana terlihat pada Gbr.II.21a, sinyal Doppler yang masuk digeser 900 , sehingga pasangan pulsa yang “hilang” dalam kanal I yakni ( a1-a2 ) akan ditemukan kembali dalam kanal Q , demikian pula sebaliknya. Jadi untuk kanal Q: ( b1 – b2 ) ≠ 0 ( b4 – b5 ) = 0 Amplituda Frekuensi Doppler



Pulsa Echo



Radar



time (mdet) Amplituda a1



a2



a5



time (mdet) a3



a6



a4



Amplituda b1



b4



b5



time (mdet) b2



b3



b6



Gbr.II.21: a. Blind Speed pada MTI Radar dimana fd = prf b. Blind Phasepada kanal I c. Blind Phase pada kanal Q