Radar sistemleri

RADAR, uzaktaki bir hedefin, menzili (radara olan uzaklığı), hızı, rotası, yaklaşma açısı, fiziksel boyutları, hareketli parçaları, üretildiği madde, vb. gibi kritik özelliklerinin kestiriminde kullanılan bir elektro- manyetik sistemdir.

RADAR ismi “RAdio Detection And Ranging” ifadesinin kısaltması olup “Uzaktan Algılama ve Menzil Tayini” anlamına gelmektedir.

2. Dünya Savaşı’nın bitmesiyle radarın askeri kullanımının yanı sıra insan hayatını önemli ölçüde etkileyecek pek çok alanda kullanımı hızlı bir şekilde artmıştır. Radarın çalışma prensibi oldukça basit ancak çalışır hale getirilmesi bir o kadar karmaşık ve zordur. Radar ile ölçülen sinyalde hedeflerden gelen yansımaların yanı sıra pek çok bileşen bulunmaktadır. Bu bileşenler, Kargaşa (Clutter), Gürültü, Karıştırma (Jamming) ve Elektromanyetik girişimden (EMI) kaynaklanmaktadır. Radar, her ne kadar askeri ihtiyaçlar için ortaya çıkmış olsa da, sivil uygulamalar da geniş kullanım alanları bulunmaktadır. Faz dizili anten yapısı ile elektronik huzme yönlendirme kabiliyetine sahip olan AESA radarları konvansiyonel mekanik dönen tek huzmeli radarlara göre pek çok avantaja sahiptir.

RADAR, uzaktaki bir hedefin, menzili (radara olan uzaklığı), hızı, rotası, yaklaşma açısı, fiziksel boyutları, hareketli parçaları, üretildiği madde, vb. gibi kritik özelliklerinin kestiriminde kullanılan bir elektro- manyetik sistemdir. RADAR ismi “RAdio Detection And Ranging” ifadesinin kısaltması olup “Uzaktan Algılama ve Menzil Tayini” anlamına gelmektedir. RADAR, bir elektromanyetik radyo sinyalinin havaya yayınlanması ve hedeften yansıyan sinyalin dinlenmesi yoluyla çalışmaktadır.

Radarın Tarihi

Radar teorisinin temelleri 1865 yılında İskoçya’lı fizikçi James Clerk Maxwell’in elekromanyetik alan denklemlerini ortaya koymasına kadar uzanmaktadır. Maxwell elektrik ve manyetik alanları tanımlamış, radyo dalgalarının varlığını, ışık gibi dalgalar şeklinde ve ışık hızında yayıldığını keşfetmiştir. Maxwell’in teorik öngörüleri 1880’lerde Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından deneylerle doğrulanmıştır. Hertz elektromanyetik dalgaların çevredeki objeler ile etkileşmekte olduğunu açık biçimde göstermiştir. Nesnelerin elektromanyetik dalgalar yardımıyla uzaktan tespit edilebileceği fikri 1900’lere doğru ortaya çıkmıştır. Nikola Tesla 1900 yılında yayınladığı bir yazısında açıkça radarı tarif etmiştir: “Bir ses çıkarıp yankısını duyduğumuzda biliriz ki ses uzaktaki bir duvar veya engelden yansıyarak geri gelmiştir.

Tamamen ses ile aynı şekilde, bir elektrik dalgası da engellerden yansımaktadır. Bu bulgu, uzaktaki hareket eden bir nesnenin, örneğin denizdeki bir geminin, göreceli konumunun ve rotasının belirlenmesinde kullanılabilir”. Ancak çeşitli sebeplerden dolayı Tesla’nın fikri somut şekilde gerçekleşememiştir.

Benzer yıllarda Nobel sahibi İtalyan mucit Guglielmo Marconi radyo dalgalarının uzun menzillere gönderilebileceğini göstermiş ve Marconigram adı verilen kablosuz haberleşme cihazını icat etmiştir. 1912 yılında Atlantik okyanusunun kuzeyinde Titanic gemisi batarken, CQD ve SOS yardım sinyalleri gemideki Marconigram ile yayınlanmış ve yardım çağrılarını alan gemiler 700’den fazla kazazedenin hayatını kurtarmıştır. Marconi ve Franklin 1922 yılında kısa dalga bir verici/alıcı yapısı ile uzaktaki nesnelerin tespit edilebildiğini göstermişlerdir.

1904 yılında Alman mühendis Christian Hülsmeyer, “Telemobiloskop” adını verdiği, 2-3 deniz mili uzakta bir geminin varlığını tespit edip bir zili çaldıran cihazın patentini almıştır.

Cihazın öneminin anlaşılması için 20 yıldan fazla zaman geçmesi ve 2. Dünya Savaşı’nın yaklaşmasıyla uzaktan hedef tespit ihtiyacının ortaya çıkması gerekmiştir.

1935’te Sir Robert Watson Watt ve ekibi bir uçağın menzil, açı ve yüksekliğini tespit edebildikleri sistemi göstermiş ve gerçek anlamda bir radar ortaya koymuşlardır.

1937-1940 yıllarında ise Chain Home adı verilen radar sistemi hayata geçirilmiştir. Bu sistem, 2. Dünya Savaşı’nın en kritik muhaberelerinden biri olan “Battle of Britain”- da, Almanya’nın sayıca ve teknolojik olarak üstün hava kuvvetlerinin (Luftwaffe) İngiltere’nin sınırlı sayıda uçağa sahip hava kuvvetleri tarafından yenilgiye uğratılmasını sağlamıştır. Hava üstünlüğü kuramayan Almanya’nın İngiltere’yi işgal girişimi de başarısız olmuştur.

Antenlerin ve vericilerin çok daha küçük boyutlara indirilebilmesi, daha düşük dalga boylarında ve yüksek güçlerde çalıştırılabilmesini sağlayan “Cavity Mag- netron”un icadı ile radar başka bir boyut kazanmıştır. 1940 yılında Tizard görevi adı verilen gizli bir operasyon ile cavity magetron ve birkaç bilim insanı İngiltere’den ABD’ye gönderilmiş ve orada radar çalışmalarını hızlandırmışlardır. ABD’de bu teknolojinin gelişmesiyle çok daha yüksek frekanslarda ve yüksek güçlerde küçük boyutlu radarlar geliştirilmiş, her türlü platforma konuşlandırılmıştır. 2. Dünya Savaşı’nın bitmesiyle radarların askeri kullanımının yanı sıra insan hayatını önemli ölçüde etkileyecek pek çok alanda kullanımı hızlı bir şekilde artmıştır.

Radar Çalışma Prensibi

Sabit ışık hızı (c = 299,792,458 m/s) ile ilerleyen elektromanyetik sinyal R mesafedeki bir hedefe çarpar ve çok küçük bir kısmı yansıyarak τ süre sonra 2R yol kat etmiş olarak radara geri gelir. τ süresi ölçülerek Yol = Hız x Zaman ilkesi uyarınca hedef menzili hesaplanır (2R=c x τ). Radarın çalışma prensibi oldukça basit ancak çalışır hale getirilmesi bir o kadar karmaşık ve zordur. Şekil-1’de sinyal gönderme ve alma konsepti gösterilmektedir.

Radar ile Hedef Tespit ve Takibi

Radar sisteminde S_(T_x ) (t)=A(t) e^(j2πf_0 t) sinyali yayınlandığında, R mesafede V radyal hızındaki hedeften yansıyan sinyal S_(R_x ) (t)=αA(t-τ) e^(j2π〖(f〗_0+f_D) t) ölçülmektedir. Hedef menzili R(t)=cτ/2-Vt formülüyle bulunur. Alınan sinyalin merkez frekansı, hedef radara yaklaşıyorsa Doppler frekansı f_D=(2Vf_0)/c=2V/λ_0 kadar daha yüksek, uzaklaşıyorsa 2V/λ_0 kadar daha düşük ölçülür. Burada λ_0=c/f_0 sinyalin dalga boyudur. Doppler frekans kayması yardımıyla hedef radyal hızı V=(λf_D)/2 hesaplanır.

Radar ile ölçülen sinyalde hedeflerden gelen yansımaların yanı sıra pek çok bileşen bulunmaktadır. Bu bileşenler, Kargaşa (Clutter), Gürültü, Karıştırma (Jamming) ve Elektromanyetik girişimden (EMI) kaynaklanmaktadır:

Kargaşa (Clutter)

• Yer (yeryüzü, evler, ağaçlar, dağlar, denizler, araçlar, vb.)

• Hava (bulutlar, yağmur, kar, dolu, vb.)

Gürültü (Noise)

• Dış gürültü (Kozmik gürültü)

• İç (Cihaz) gürültü (atım (shot) gürültüsü, Termal gürültü, vb.)

Karıştırma (Jamming) ve Elektromanyetik Girişim (EMI)

Eldeki bir radar ölçüm sinyalinden belirli menzilde hedef olup olmadığı kararının verilmesine sinyal sezimi (signal detection) denilmektedir. Hedef kararı verilebilmesi için bir eşik belirlenmelidir. Eşik, arzu edilen tespit olasılığı (PD), Sinyal Gürültü Oranı (SNR) ve yanlış alarm olasılığı (PFA) göz önünde bulundurularak belirlenir.

Hedef takibi radar sistemlerinin bir diğer vazgeçilmez işlevidir. Her radar revisit (tur) zamanında tespit edilen hedef konumları kullanılarak hedeflerin anlık ve bir sonraki turdaki konum, hız ve yön bilgilerinin kestirilme işlemine Hedef İzleme (Target Tracking) denilmektedir. İlklendirme, ilişkilendirme, güncelleme, süzgeçleme gibi aşamaları bulunur. Kalman süzgeçleme, Genişletilmiş Kalman Süzgeçleme, Bayesian yaklaşımlar, IMM-PDA, MLPDA, Parçacık Süzgeçleri vb. pek çok farklı yöntem mevcuttur.

Radar Kullanım Alanları

Radar, her ne kadar askeri ihtiyaçlar için ortaya çıkmış olsa da, sivil uygulamalar da geniş kullanım alanları bulunmaktadır. Bazı kullanım alanları Tablo-1’de verilmektedir.

Radar Bileşenleri

Radar temel olarak anten, alıcı/verici donanımları, sinyal işleme ve görselleştirme birimlerinden oluşur (Şekil 3). Verici, darbe üretecinden aldığı modüleli sinyalleri RF bandına çıkarıp kuvvetlendirerek antene ileten bileşendir. Sinyali bir huzme şeklinde havaya yayan, gelen elektromanyetik sinyalleri toplayan sistem bileşenine anten adı verilmektedir. Alınan sinyallerin kuvvetlendirilmesi, süzgeçlenmesi ve demodülasyonu alıcı bloğu tarafından gerçekleştirilir. Sinyal İşleme Birimi, çeşitli algoritmalar yardımıyla hedef tespiti, menzil ve hız tayini, hedef takibi ve sınıflandırma gibi işlemlerin gerçekleştirildiği birimdir. Sonuçlar bir görselleştirme arayüzü olan gösterim birimine aktarılır. Tüm bu işlerin tam bir koordinasyon içerisinde ve senkron şekilde yapılabilmesinden Zamanlama ve Kontrol Birimi sorumludur. Hemen her radar sisteminde çıktıların kaydedildiği veri kayıt birimi de bulunmaktadır.

Bir kaç MHz’den 300 GHz ve ötesine kadar pek çok farklı frekans bölgesinde çalışan radar sistemleri mevcuttur. Frekans yükseldikçe dalga boyu küçülmekte ve çözünürlük iyileşmektedir. Şekil-2’de ITU (International Telecommunication Union) radar frekans batları ve BİLGEM’de geliştirilen bazı radar sistemleri gösterilmektedir.

Radar Araştırma Alanları ve Modern Radar Teknolojileri

1920’lerde hız kazanan radar geliştirme faaliyetleri her sektörde ve teknolojide olduğu gibi halen hızla ilerlemektedir. Yarı iletken teknolojisindeki ilerleme ile katı hal kuvvetlendiriciler daha erişilebilir olarak yüksek güç ve geniş bantları destekler hale gelmişlerdir. LDMOS, GaN, GaaS, SiC sıklıkla kullanılan güç kuvvetlendirici teknolojileridir. MMIC ise yüksek frekans tasarımlarda substrat olarak genellikle GaN veya GaAs kullanan tasarım/üretim yaklaşımının adıdır. Tüm bu yarı iletken teknolojileri daha yüksek frekanslar, daha geniş bantlar, daha yüksek verimlilik ve daha yüksek çıkış gücü gibi alanlarda imkânlar sunmaktadır. Bu bileşenleri bir araya getirerek gönderme alma modülleri (T/R Modül) oluşturulabilmektedir. T/R modüller yardımıyla, mekanik tarama yapmaksızın radar huzmesinin elektronik olarak döndürülebildiği AESA radar sistemleri geliştirilebilmektedir. Faz dizili anten yapısı ile elektronik huzme yönlendirme kabiliyetine sahip olan AESA radarları konvansiyonel mekanik dönen tek huzmeli radarlara göre pek çok avantaja sahiptir. İşlevsel olarak özellikle elektronik taramalı radarlar ile beraber radarlar çok işlevli hale gelmiştir. Çok sayıda T/R modülünden meydana gelen AESA radarlar için günümüzde T/R modüllerini daha ucuz, daha yüksek güçlü, daha verimli ve daha küçük yapmak üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Eğer kullandığı modüller sadece alış yönünde huzme yönlendirme yapabiliyorsa bu radar tipi PESA olarak adlandırılır. ADC ve DAC entegrelerinin hızları arttıkça direkt RF örnekleme, işlemci güçleri arttıkça sayısal huzme oluşturma teknikleri gelişmektedir. Bu teknikler faz dizili radarlarda kullanılan modülasyon ve huzme oluşturma tekniklerinin daha büyük oranda sayısal devrelere aktarılmasını ve aynı oranda adapte olabilir sistemlerin tasarımını kolaylaştırmaktadır.

Bir diğer önemli çalışma alanı yazılım tabanlı radar sistemleridir. Bu yaklaşımda mümkün olduğu kadar ilk katlarda sayısallaştırılan alıcı sinyali yüksek performanslı işlemciler üzerinde yazılımsal olarak işlenmektedir.

Yenilikçi faz dizili radar teknolojilerinden biri olan Metamateryal Antenler son dönemdeki en şaşırtıcı gelişmelerdendir. Ülkemizde BİLGEM’de de çalışılan bu yeni teknolojide analog faz geciktirme yapıları minyatür hale gelerek anten üzerine dizilmekte ve bir anten plakası halinde üretilmektedir.

MIMO sistemler birden fazla giriş ve birden fazla çıkışı olan sistemlerdir. Radar özelinde bu veriş ve alış yönünde birden fazla kanal oluşturmak anlamına gelmektedir. Birbirine ortogonal (dik) sinyaller oluşturarak ortak bir kanaldan aktarılmakta ve birbirlerinden ayrıştırılabilmektedirler. Bu sayede birden fazla radar aynı anda çalışıyormuş gibi bir yapı kurulabilmektedir. Çeşitlilik anten dizilerinin yapay çoğullanması ile artırılmış tespit açı doğruluğu ve tespit gürbüzlüğü olarak fayda sağlar. Eğer alıcı dizi farklı konumlardaki vericilerin sinyallerini de alabiliyorsa kanal çeşitliliği ile tespit gürbüzlüğü daha da artmaktadır.

Verici ve Alıcı antenlerin aynı konumda bulunduğu radar sistemleri monostatik, farklı konumlarda bulunduğu radar sistemleri ise bistatik olarak adlandırılmaktadır. Birden çok alıcı ve vericinin farklı konumlara yerleştirildiği sistemler ise Multistatik Radar olarak bilinmektedir. Farklı konumlardaki radarların birlikte çalışması ve sinyallerini ortak kullanabilmeleri bizi multistatik/dağıtık/ağ radar sistemlerine taşır.

Bilişsel radar sistemi isterleri harekât sahasının her gün daha karmaşık hale gelmesinden ortaya çıkmaktadır. Burada radarın çalıştığı ortamı dinleyerek akıllı bir şekilde ona uyum sağlaması hedeflenir. Örnek olarak ileri radar elektronik karşı karşı tedbirleri, çeviklik ile beraber bilişsel radarın bir alt konusu olarak incelenebilir.

Tüm harekât sahası isterlerinin en popülerlerinden biri aktif bir sensör radarın düşman tarafından tespit edilememesi olabilir. Burada Pasif Radar konsepti öne çıkmaktadır. Bu yaklaşımda radar tespit için kendi vericisini değil kendisi dışındaki fırsat vericilerini kullanmaktadır. Pratik uygulama zorluklarını aşmak yönündeki çalışmalar günümüzde hala popülerdir.

Radar alanında günümüzün en şaşırtıcı gelişmeleri yapay zekânın radar alanında kullanımıdır. Yapay zekâ radar hedef sınıflandırma işlevinde ön plana çıkmaktadır. Ancak hedef tespiti konusunda da uygulanıp performans artışı gösterdiği ticari uygulamaların yakın zamanda ortaya çıkacağı düşünülmektedir.

- Bu yazı TÜBİTAK BİLGEM Teknoloji dergisinin 13. sayısından alınmıştır