Fmcw Radar İçin Sayısal İşaret İşleme Algoritması Tasarımı

Abstract

Radar teknolojisi yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Tarihsel gelişim sürecine askeri uygulamalarla başlanan radar, daha sonra kendine sivil kullanım alanlarında yer bulmuştur. 1922 ile 2. Dünya Savaşı arası yıllarda büyük bir gelişim gösteren radar, meteoroloji alanında kendine yer bulamamıştır. Amerikan ordusunda görev yapmış olan David Atlas, savaş yılları sırasında radarların yağmur gibi yağış olaylarının alıcıda gürültü olarak ortaya çıktığını farketmiştir. Savaş sırasındaki tecrübesinden çıkan fikir ile savaş sonrası ilk meteoroloji radar uygulaması David Atlas tarafından gerçekleştirilmiştir. Meteoroloji radarları, özellikle bu tezin konusu olan yağmur olayını inceleyen sistemler insan hayatı için büyük fayda sağlamaktadır. Uzun vadede bölgelere ait yağış rejimlerinin istatistiğini belirleyerek, bölgenin tarım, temiz su, enerji planlamalarını gerçekleştirmek ve sel gibi doğal afetlerin önüne geçmek için kullanılabilmektedir. Ayrıca uydu haberleşme sisteminde, ışınım yolunu meteoroloji radarlarını kullanarak yağış sırasında anlık işaret gücünü ayarlayarak uydulardaki enerji tasarrufu sağlanabilmektedir. Meteoroloji radar üzerine benzetimi, çıktı olarak I (in-phase) ve Q (quadrature) verilerini kullanarak çeşitli yağış durumlarında ve radar özelliklerinde meteoroloji radar işareti ve hassasiyetinin nasıl bir davranış gösterdiğini incelemeye imkan sağlamaktadır. Meteoroloji radar uygulamalarında hedeften dönen radar işareti hedefin, ki meteoroloji radarlarında hedef bir hacim içerisinde rastgele dağılmış çok sayıda elemandan oluşmaktadır, yansıtıcılığını, hızını ve hız dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Bu değişkenleri belirleyebilmek için literatürde bir çok matematiksel ilişkiler üretilmiştir. Matematiksel denklemleri oluştururken bir çok araştırmacı Dünya?nın farklı bölgelerinde çalışmalar yaparak katsayıları o yerin yağış özelliklerine göre belirlemiştir. Bu ilişkilerden biri yansıtıcılık faktörü ile yağış miktarı arasındadır. Bir çok deneysel, istatistiksel çalışma da hacim içerisindeki yağmur damlalarının yarıçaplarının dağılımını belirleyen matematiksel ilişkiyi çıkarmak için gerçekleştirilmiştir. Yağmur damlasının yarıçap dağılımını kullanarak kesin yağış miktarı, yansıtıcılık faktörü ve damlaların düşüş hızı gibi bilgileri çıkartılabilmektedir. Tezin öncellikli amacı, bir avrupa birliği projesi olan MARG (yüksek çözünürlüklü, düşük bütçeli ve kısa erimli yağış radar sistemi) için ön görü oluşturabilmektir. Bu projede amaç frekans modülasyonlu sürekli dalga işareti kullanarak yağış sırasında geri dönen işaretin gücünü ve dolayısıyla hedefin yansıtma miktarını ölçmektir. Günümüzde meteoroloji radarları genel olarak darbe radarlarıdır. Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının en büyük avantajı üretiminin ucuz ve basit olmasıdır çünkü az enerji harcamaktadır. Bu çalışmasında 5.6 GHz operasyon frekansında fmcw kullanarak yağmur olayını inceleyen benzetim ortamı oluşturulmuştur. Benzetim ortamı öncelikle bütün istikamet ve irtifa açılarında tarama olanağı sağlamaktadır. Hesaplama süresini kısaltmak amacıyla yağmur olayının gerçekleşeceği ortam anten ışıma örüntüsünü referans alarak oluşturulmuştur. İstikamet ve irtifa açıları değiştikçe ortam da değişime göre konum almaktadır. Gözlem kübü ve antenin yarı güç ışıma açısını kullanarak oluşturulan ışıma örüntü alanı berlirledikten sonra yağmur damlaları Marshall-Palmer yağmur damlası yarı çapı dağılımı denklemine göre oluşturulmuştur. Doğada küçük boyutta yağmur damlaları (0.35mm ? 1mm) daha fazla bulunurken büyük damlalar (1mm-5mm) daha az bulunmakta ve 5mm ? ~8mm arası çapa sahip olan damlalar ise düşüş sırasında parçalanarak daha küçük damlalar oluşturmaktadırlar. Bu davranışa göre yağmur damlaları oluşturulurken küçük damlaların sayısı fazla tutulmuştur. 0.5mm ile 1mm arası damlalar 0.08 çözünürlük ile 1mm ile 5mm arası damlalar 0.3 çözünürlük ile ve son olarak 5mm ile 8mm arası damlarlar 0.8 çözünürlük ile üretilmiştir. Yağmur damlalarının yarıçaplardaki sayısı exponansiyel bir ifade olan Marshall-Palmer denklemi kullanarak belirlenmiştir. Yağmur damlaları belirlendikten sonra, gözlem kübü içerisinde rastgele yerleştirilmiş ve elde olan kartezyen koordinatları küresel koordinata çevirerek bir matrise kaydedilmiştir. Daha sonra radar kesit alanını (RCS) her yağmur damlası için hesaplanmıştır. Çalışma frekansı ile hedefin boyutları karşılaştırıldığında geri saçılım Rayleigh dağılımı içerisinde kalmakta ve uygun denklem kullanarak RCS değeri hesaplanmış ve koordinat bilgisini içeren matrise kaydedilmiştir. Bir sonraki adımda anten ışıma alanına giren yağmur damlaları belirlenmiş ve bir matriste çap, koordinat ve RCS değerleri kaydedilmiştir. Bu veriler kullanarak I ve Q değerleri hesaplanmış ve I+jQ değerleri bir matrise kaydedilmiştir. Daha sonra algoritma yeniden konumlandırma işlevini kullanarak yerçekimi ve rüzgar etkisiyle oluşan konum değiştirme gerçekleştirilmiş yeniden anten ışıma alanına giren yağmur damlaları belirlenip aynı işlemler tekrarlanmıştır. Modülasyon tipi olarak testere dişi tercih edilmiştir. Testere dişi bir birini izleyen frekans zaman değişimindeki rampalardan oluşmaktadır. Periyodik olarak bir birini izleyen rampa dizileri ise bazı problemler yaratmaktadır. FMCW radar tekniğinde gelen dalga zaman ve frekans değişkeninde ötelenmektedir hedefin hareketine konumuna bağlı olarak. Gelen dalga ötelenmiş bir şekilde gelerek, alınan işaret ile çarpılarak fark frekansı elde edilir. Rampa geçişleri sırasında bir önceki rampanın gönderdiği dalgaların bir kısmı bir sonraki rampa başladıktan sonra radara ulaşmaktadır. Bu durumda ise ilk rampadan çıkanlar karıştırıcıda bir sonraki rampada olan gönderilen işaret ile çarpılmaktadır. Bu durum ise istenmeyen negatif ikinci bir fark frekansı oluşturmaktadır. Bu problemi gidermek için iki çeşit yöntem denenmiştir. Bu çalışmada üç farklı modulasyon tipi kullanılmıştır, bunlardan ikisi ise istenmeyen negatif ikinci fark frekansını elemenmesi için kullanılmıştır. Üçüncü tip modulasyon testere dişidir. Birinci tip modulasyon, rampa başlangıcından sonra gönderilen dalganın en uzak noktadaki hedefe ulaşıp, radar dönmesi arasında geçen süre kadar zaman geçtikten sonra örnek almaya başlanılmasıdır. Bu sayede her hedeften alınan örnek sayısının eşit tutulması ve istenmeyen negatif ikinci fark frekansından kurtulunmasıdır. İkinci tip modulasyonda ise bir sonraki rampa, dalganın en uzak hedefe varıp geri dönmesi kadar geçen süre sonra başlatılmasıdır. Birinci tip modulasyonda periyodik rampalar normal çalışırken sadece örnek alınma zamanları ayarlanmış olup, ikinci tipte ise rampalar arası bekleme süreleri konmuştur. Modulasyon tiplerinin etkilerini gözlemlemek için yakından uzağa olmak üzere aynı hıza sahip dört adet hedef kullanılmıştır. Birinci ve ikinci tip modulasyonlar istenmeyen ikinci fark frekansı problemini gidermiş ve birinci tipte ise 2D FFT genlikler üzerinde de gelişme gözlenmiştir. İşlemin gerçekleştirildiği gözlem alanı ve modulasyon tipi kullanıcı tarafından belirlenebilmektedir. Kullanıcı menzili ve anten yarı güç örüntü açısı dahilinde bir açı belirleyerek gözlem alanı ayarlanır. Kullanıcının belirlediği alana ek olarak bir marjin program tarafından eklenmektedir. Bu marjin yağmur damlalarının anten ışıma alanına girmesi ve çıkması için alan sağlamaktadır. Zaman içerisinde yağmur damlaları belirlenen gözlem küpünde rüzgar ve yer çekimi sebebiyle oluşan hızları ile orantılı olarak konum değiştirmektedirler. Anten ışıma alanına giren yağmur damlalarından geri dönen işaretler ise işlenmektedir. Yapılan çalışmada modülasyon tiplerindeki değişimin etkileri gözlemlenmiştir. Üçüncü tip modülasyonda rampalar arası geçişlerde istenmeyen ikinci fark frekansı oluşmaktadır. Bu ise menzil ? Doppler grafiğinde gürültülere yani yan lobların yüksek değerlerde çıkmasına neden olmaktadır. İkinci ve üçüncü tip modülasyonlarda frekans ? zaman rampasındaki değişiklerle ikinci fark frekansının oluştuğu zamanlar yok edilmiş ve etkileri grafiklerde gözlemlenmiştir. Modülasyon etkilerinin yanı sıra algoritmanın hedefleri ve Doppler hızları kestirimi de incelenmiştir. İlk olarak on adet hedef kullanılarak menzil ölçümü yapılmıştır. Grafik ve tablo üzerinde sonuçlar derlenmiştir. Gerçek konum değerleri ve işaret işleme sürecindeki sonuçlar tabloda karşılaştırılmıştır. Sonuçlarda ise band genişliğine bağlı olan çözünürlük etkisi de görülebilmektedir. Aynı işlem Doppler hızı kestirimi için de gerçekleştirilmiştir. Doppler işlemi sonuçları da tabloda derlenmiş ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Rampa sayısına bağlı olan çözünürlük etkisi de sonuçlarda görülebilmektedir. Bir sonraki işlemde bilgisayar kabiliyeti de gözetilerek beş yüz adet hedef kullanılarak bir yağmur olayının grafiklere nasıl yansıdığı menzil ? Doppler grafiği ile gösterilmiştir. Hedef sayısındaki artış sonuçlara gürültü tarzı bir etki oluşturduğu gösterilmiştir.

Radar Technologies have wide range of application areas; especially for the defence industry, radar engineering has an essential position, on the other hand there are quite a lot of applications in daily life such as weather estimations and predictions, volcano activities, measurements on sky and oceans etc. Rain radar measurements are used in water management, flood forecasting and energy planning of cities or countries. In this thesis, by developing a digital signal processing algorithm for rain form of precipitation using Frequency Modulated Continues Waves (FMCW) radar, it is aimed to observe precipitation behaviour and calculate returned signal strength of volume target, range and velocity of randomly distributed drops. Additionally, this study is a foresight for MARG - ?Development of a high resolution, low cost, short range precipitation radar system? EU project. In the designed algorithm, firstly target volume is created by considering calculation time and enabling drops to fall in antenna beam resolution volume in time. Using Marshal-Palmer drop size distribution, rain drops were created and located randomly in the volume. Then rain drops which are located in the antenna beam resolution volume were chosen and radar cross section values were calculated considering Rayleigh scattering region. Because, in the MARG project, operating frequency is determined as 5.6 GHz, and when frequency and target?s size are compared, which is ten times smaller than wavelength, target falls into Rayleigh scattering region. Terminal velocity of drops were calculated by Atlas et al.`s equations which give relation drops diameter and terminal velocity. Antenna half power beam degree was decided as 2º but antenna and the other parameters like rain rate can be determined and changed according to radar features. By using position vector of rain drops in the antenna beam resolution and velocity, phases were determined and also by considering RCS, distance, pulse width, frequency and other related parameters, I (phase) and Q (quadrature) component of received signal were calculated. These components can be used to investigate reflectivity, velocity of targets and velocity spread. First and second Fast Fourier Transform (FFT) was implemented for range and velocity information. All processes were carried out using Matlab. Designed algorithm allows scanning all elevation and azimuth. FMCW saw tooth modulation (in 3 types) is used 5.6 GHz central frequency and frequency deviation is ± 1.5 MHz. Algorithm allows that investigation area is defined by user in range, elevation and azimuth and box which has margin for letting drop enters and exits from antenna radiation area in addition to specified area. Three kind of modulation are used in the Thesis. In first type, it is being taken samples on received signal by waiting for a while which is two way travel duration between radar and target at maximum range. In other words, while radar is working, receiver starts to take samples after wave turned back from farthest target. This method helps to take same amount of samples from each drop in the all range interval (Figure 5.1). Modulation type two is eliminates also second beat frequency by waiting for a while, which is two way travel duration between radar and target at maximum range, before ramps starts. When type 2 is compared with type 1, only difference is that waiting for a while before taking samples (meanwhile transmitter process) in type 1 and in type two receiver stops working until last transmitted frequency turns back from farthest target before starting next ramp. Type 3 is unset saw tooth modulation.