Radar dan Navigasi

IswandiJurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi

Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada2015

2

Apa bedanya ketika dinyalakan?

3

4

• Isyarat radar dari pengirim ke penerima

• Bagaimana agar isyarat yang diterimamelebihi sensitivitas ambang dari penerimasehingga sasaran dapat terdeteksi?PERSAMAAN RADAR

5

Pemancardengan daya Pt

Penerimadengan

Sensitivitas Stef

Antena dengan Gain GDan tingkap efektif Ae

Sasaran denganpenampang radar

Jarak R

• Jika dipancarkan daya (Pt) dari antenaisotropis, rapat daya pada jarak Radalah

• Jika digunakan antena denganperolehan G, maka:

• Jika sebuah benda dengan penampang memantulkan isyarat tersebut makarapat daya pantulannya

6

2t

4 RPS

2t

4 RGPS

22t

ref 44 RRGPS

Pemancardengan daya Pt

Penerima denganSensitivitas Stef

Antena dengan Gain GDan tingkap efektif Ae

Sasaran denganpenampang radar

Jarak R

Gambar dan animasi dikutip dariwww.radartutorial.eu

• Jika antena penerima memiliki luas efektifsebesar Ae, maka daya yang diterima adalah

• Jika Smin adalah daya minimum agar radar dapat mengenali obyek maka

• Persamaan di atas adalah bentuk dasar daripersamaan radar

7

42et

e22t

r )4(44 RGAPA

RRGPP

4

min2

etmax )4( S

GAPR

• Jika antena yang digunaka sebagai penerima adalahantena yang sama dengan antena pengirim maka didapathubungan

• Sehingga didapat persamaan radar dalam bentuk lain sebagai berikut:

8

2e4

AG

4

min3

22t

max )4( SGPR

4

min2

2t

max 4 SAPR e

• Akan tetapi dalam prakteknya, persamaandalam bentuk sederhana belum dapatmemprediksi jarak secara akurat.

• Sumber kesalahan antara lain:– Sifat alami dari isyarat pendeteksian yang

terpengaruh derau acak– Fluktuasi dan ketidaktentuan penampang sasaran

(penampang radar)– Rugi-rugi pada sistem radar– Perambatan gelombang yang terpengaruh

permukaan bumi dan atmosfer• Masing-masing sebab akan dianalisa pada

pertemuan-pertemuan selanjutnya9

• Radar cross section (RCS) adalah sifat benda penyebabhamburan (sasaran) pada persamaan radar yang digunakan untuk menyatakan magnitudo isyarat yang dipantulkan oleh radar

• RCS didefinisikan sebagai nisbah antara kuat medan yang terpantulkan per sudut ruang dengan kuat medan yang diterima oleh sasaran

10

Pemancardengan daya Pt

Penerima denganSensitivitas Stef

Antena dengan Gain GDan tingkap efektif Ae

Sasaran denganpenampang radar

Jarak R 4

min2

etmax )4( S

GAPR

2

224

i

r

EE

R Kuat medan yang dipantulkanKuat medan yang datang pada sasaran

• RCS dipengaruhi oleh:– Arah iluminasi radar (isyarat datang)– Frekuensi radar atau panjang gelombang– Jenis material sasaran

• Perbandingan antara panjang gelombang danpenampang sasaran– Jika panjang gelombang >> penampang sasaran

disebut daerah Rayleigh– Jika panjang gelombang << penampang sasaran

disebut daerah optis– Jika antara keduanya, disebut daerah resonant atau

Mie11

• Penampang radar dimodelkan sebagai– Bentuk sederhana (bola, silinder, bidang datar, dll.)

sehingga dapat dihitung secara analytis– Bentuk kompleks (mobil, pesawat, dll.) dapat

dimodelkan sebagai kumpulan bentuk sederhana atausebagai satuan statistik hasil dari pengukuran danperhitungan numeris

12

• Sebagai contoh bentuk sederhana adalah bola

13

• Contoh RCS kompleks yang dihitung dari RCS sederhanaadalah dua buah benda sederhana yang seragam

• Dinyatakan dengan RCS relatif (r) benda tersebut denganRCS bentuk penyusunanya

14

sin4cos12

0

lr

Jarak antara benda sederhana

RCS benda penyusun

• Contoh RCS untuk benda sangat kompleks adalah pesawatB-26, nilai diukur pada panjang gelombang 10 cm padaberbagai sudut

15

Oleh karena padapraktenya RCS sangat fluktuatif, maka nilai RCS seringdimodelkansebagai suatumodel statistik

• RCS dari beberapa kelas benda yang dihasilkan daripengukuran pada frekuensi gelombang mikro

16

dalamRmax dan Smin

42et

r )4( RGAPP

4

min3

22t

max )4( SGPR

4

min2

2t

max 4 SAPR e

4

min2

etmax )4( S

GAPR

43

22t

r )4( RGPP

42

2t

r 4 RAPP e

17

dalamPr dan Pt

2e4

AG

G dan Ae

G

Ae

Pt : Daya padapemancar

Pr : Daya di penerimaR : Jarak pengirim

dan sasaranG : perolehan antena

pengirimAe : tingkap efektive

antena penerima : luas penampang

radar

Untuk semua jenis antena ada hubungan antar perolehanantena dan tingkap efektifnya

• Akan tetapi dalam prakteknya, persamaan dalambentuk sederhana belum dapat memprediksi jaraksecara akurat.

• Sumber kesalahan antara lain:– Sifat alami dari isyarat pendeteksian yang terpengaruh

derau acak– Fluktuasi dan ketidaktentuan penampang sasaran

(penampang radar)– Rugi-rugi pada sistem radar– Perambatan gelombang yang terpengaruh permukaan bumi

dan atmosfer• Masing-masing sebab akan dianalisa pada pertemuan-

pertemuan selanjutnya 18

19

• Isyarat pada penerima akan tercampur dengan derau baik yang berasaldari derau yang dibangkitkan oleh penerima itu sendiri atau derau yang tertangkap melalui antena

• Salah satu bagian dari derau yang dibang-kitkan oleh pemancar adalah derautermal yaitu derau akibat gerakan acakelektron pada penerima

• Untuk mencakup semua derau pada penerima digunakanparameter noise figure (Fn), sehingga di dapatkan:

• Definisi noise figure :

Ga : perbandingan isyarat keluaran dan isyaratmasukan pada penerima

00 TkBN n N0 : derau termalk : konstanta Boltzmann

= 1.38e-23 J/KT0 : suhu sistem dalam KB : lebar bidang derau

penerimann FTkBN 0

an

outn GTkB

NF0

20

• Sehingga didapatkan persamaan radar

42et

r )4( RGAPP

42

22t

r )4( RGPP

422

2t

r )4( RAPP e

NP

NS r

non FTkBRGAP

NS

42et

)4(

non FTkBRGP

NS

42

22t

)4(

non

e

FTkBRAP

NS

242

2t

)4(

4 3

22t

)/()4( NSFTkBGPR

non

4 2

2t

)/(4 NSFTkBAPR

non

e

4 2et

)/()4( NSFTkBGAPR

non

4

min3

22t

max )/()4( NSFTkBGPR

non

4

min2

2t

max )/(4 NSFTkBAPR

non

e

4

min2

etmax )/()4( NSFTkB

GAPRnon

• Pendahuluan• Efek Doppler• Deteksi Frekuensi Doppler• Delay Line Canceler• Bank Tapis Doppler• Pengolahan MTI Digital• Radar Doppler Denyut

(MTD)

Radar DopplerDenyut dan MTI

• Prinsip dan piranti radar Doppler

• Pengolahan MTI digital• Pendeteksian sasaran

bergerak• Radar Doppler denyut

21

Sumber gambar: www.radartutorial.eu22

• Penerima radar menerima isyaratpantulan dari sasaran dan jugabenda-benda lain selain sasaranyang diinginkan yang disebutclutter

• Contoh clutter adalah pantulandari gedung-gedung, daratan, laut, cuaca, dsb.

• Radar modern menggunakan efek pergeseran frekuensi Doppleruntuk mengantisipasi gangguan clutter tersebut

• Efek Doppler juga dikembangkan untuk mendeteksi gerak darisasaran serta penjejakan (tracking) sasaran.

Sumber gambar: www.radartutorial.eu

23

• Metode pendeteksian gerak sasaran dengan radar denyut:– MTI (moving target indication): dengan menggunakan prf

kecil– Radar Doppler denyut: dengan menggunakan prf besar

untuk menghindari keraguan Doppler (Doppler ambiguity)• Pendeteksian gerak sasaran dengan memanfaatkan efek

Doppler juga diaplikasikan pada radar jenis lain, yaitu:– gelombang kontiyu (CW)– Synthetic Aperture Radar

(SAR)– Inverse Synthetic Aperture

Radar (ISAR)Sumber Gambar: https://wikispaces.psu.edu/display/RemSens597K/S24

Radar denyut dapat digunakan untuk mengukur kecepatansasaran dengan menggunakan pergeseran Doppler, adadua kategori:

• Radar indikator target bergerak(Moving Target Indicator/MTI)Menggunakan isyarat dengan frekuensi pengulangandenyut (pulse repetition frequency /PRF) yang rendah. Lebih mementingkan ketelitian jarak sasaran daripadakecepatan

• Radar Doppler Denyut (Pulse Doppler Radar)Menggunakan PRF tinggi, sehingga dapat mengukurkecepatan benda dengan lebih teliti namun keakuratanjarak sasaran lebih rendah.

25

• Radar gelombang kontinyu (Continuous Wave Radar):• Pemancar mengirim isyarat frekuensi secara kontinyu, sekaligus

menerima dan mengolah isyarat yang diterima secara bersamaan.• Sistem radar harus mampu mencegah isyarat dari pemancar masuk ke

penerima (feedback connection). Bisa dalam bentuk bistatic ataumonostatic.

• Radar CW mengukur kecepatan sasaran dengan menggunakan efekDoppler.

Tx

Rx

26

• Isyarat radar dengan panjanggelombang akan mengalamipergeseran fase:

• Jika sasaran bergerak relatifpada radar dengan kecepata vr, maka perubahan fase terhadap perubahan waktu

• Pergeseran frekuensi Doppler

RR 422

dr

d fvdtdR

dtd

244

cvfvf rtr

d22

Jarak R

v

cosvvr

27

100

101

102

103

104

101

102

103

104

Kecepatan radial (knots)

Fre

kuensi

Dopp

ler

(Hz)

HF Band (15 MHz)VHF Band (220 MHz)UHF Band (435 MHz)L Band (1.3 MHz)S Band (3.2 GHz)C Band (5.6 GHz)X Band (9.4 GHz)Ku Band (13.7 GHz)Ka Band (35 GHz)W Band (94 GHz)

• Penyederhanaan

• Ditampilkan dalam grafik:

GHz)knot433m

knotm

knot0321 ()(,)(

)()(

)(.tr

rrd fvvvf

1 knot = 1 nmi/jam = 1,852 km/jam

28

Radar Doppler CW sederhana• Isyarat radar dikirim secara kontinyu sambil menerima isyarat gema• Hanya dapat mendeteksi benda bergerak (relatif terhadap arah

radial radar)• Tapis doppler

– Batas bawah untuk menghilangkan pengaruh clutter– Batas atas sesuai kecepatan maksimum sasaran yang diharapkan

OsilatorCW ( ft )

Detektor(pencampur

/mixer)

TapisDoppler

ft

ft fdft fd

ft

ft

fd frekuensitang

gapa

n

Isyarat acuanIsyarat gema

29

• Koherensi radar adalahhubungan fase pada isyarat-isyarat yang dipancarkan olehradar

• Radar non-koheren– Fase isyarat acak– Pembangkit: POT

• Radar koheren– Semua denyut isyarat memiliki

frekuensi yang seragam– Pada pembangkit PAT, isyarat

dihasilkan oleh pembentukgelombang (waveform modulator)

Isyarat radar non-koheren

Isyarat radar koheren

30Sumber gambar: www.radartutorial.eu

Radar denyut denganpendeteksi frekuensi Doppler• Diasumsikan isyarat denyut radar koheren• Isyarat yang diterima

• Isyarat setelah pencampur

cRft

cvfAV tr

trrec04212 sin

042 RtfAV ddd cos

Pemodulasidenyut

Penguatdaya

Penerima

OsilatorCW ( ft )

TapisDoppler

Duplekser

keluaran

Isyaratacuan

31

• Jika lebar denyut besar dan frekuensi doppler cukup tinggi(sasaran bergerak dengan kecepatan tinggi), maka dimungkinkanmendeteksi kecepatan sasaran melalui satu buah denyutsyarat: fd >1

• Pada prakteknya, radar untuk pesawat sipil tidak memenuhisyarat tersebut, sehingga diperlukan pendeteksian kecepatandengan beberapa buah denyut

dt ff

1

df

1

df32

Pendeteksian pada MTI sederhana• Dengan pengurangan sapuan (sweep) berurutan dan Delay-line

canceler• Jika sapuan dari sebuah denyut dikurangkan dengan sapuan dari

denyut selanjutnya, maka pengaruh clutter akan salingmenghilangkan sedangkan pengaruh sasaran (bergerak) tidak.

Sapuan 1V1

Sapuan 2V2

V1 V2

33

• Proses pengurangan isyarat antar sapuan dilakukan pada delay-line canceler

• Isyarat video (analog) bipolar vs unipolar:

• Delay line canceler pada radar modern dapat digantikan denganpengingat (memori)

ADCp

TundaT=1/fp

Nilaiabsolut DAC

+

Masukanvideo bipolar

Video (digital)bipolar

Video (digital)unipolar

Penampilanalog

Keluaran MTI digital untuk pendeteksianotomatis danpengolahan data

k+

k

0

k+

0Isyarat video

bipolarIsyarat video

unipolar

34

Diagram kotak radar MTI• Diperlukan beberapa

bagian tambahan untukmenjamin isyarat yang dipancarkan koheren

• Stalo (stable local oscillator)

• Coho (coherent oscilator)• Digunakan detektor fase,

karena beda fase lebihmudah dideteksi daripadaperbedaan amplitudo

Pemodulasidenyut

Penguatdaya

Coho( fc)

Stalo( fl )

Duplekser

ke delay-line canceler

Pencampur

Penguat IF

Detektorfase

Pencampur

35

• Isyarat keluaran pendeteksi fase

• Isyarat dari sapuan sebelumnya

• Total isyarat

ADCp

TundaT=1/fp

DAC

+

V1

Penampilanalog

V1

V2

21 VV

01 2 tfkV dsin

02 2 pd TtfkV sin

021 2

22 pdpd

TtfTfkVVV cossin

36

• Fungsi tanggapan frekuensi

• DLC dapat menghilangkan clutter tetap, ditunjukkan oleh fd = 0• Namun DLC juga memiliki kelemahan, antara lain

– Fungsi tanggapan frekuensi juga menunjukkan nilai 0 untuksasaran yang bergerak dengan frekuensi doppler samadengan prf dan harmonisanya, disebut blind speed

– Spektrum clutter bukan merupakan fungsi delta, namunmemiliki bandwidth tertentu, sehingga akan muncul padaisyarat passband DLC.

0 fp =1/Tp 2 fp 3 fp

|H(f)

|2

1

0frekuensi

pdTffH sin)( 2

37

• Kecepatan buta (blind speed)– Kecepatan (radial) sasaran yang tidak dapat dideteksi oleh radar– Sebab frekuensi dopplernya sama dengan harmonisa frekuensi

pengulangan denyut radar

• Metode untuk menanggulangi adanya blind speed– Menggunakan panjang gelombang yang tinggi (frekuensi rendah)– Menggunakan prf tinggi– Menggunakan prf yang bervariasi– Menggunakan lebih dari satu frekuensi RF

0,1,2,... 22 nffnH

Tnvf p

p

rd )(

0,1,2,... 22

nfn

Tnv p

pn

)()(

)()(.)(

Hzm

Hzm970kt1

p

p

f

fv

38

Menghilangkan blind speed dengan prf bervariasi• Misalnya digunakan dua prf:

• Ada beberapa metode pergantian prf, yaitu:– Perubahan antar sapuan (scan to scan)– Perubahan antar dwell (dwell to dwell)

dwell time adalah waktu suatu target terdeteksi radar (masuk dalam lebar berkas antena)

– Perubahan antar denyut (pulse to pulse)

0 f1 f2 2f1 3 f1 = 2f2

|H(f)

|

2

1

0 frekuensi

39

• Variasi spektrum clutter– Ada beberapa clutter yang tidak diam namun bergerak

perlahan, seperti burung, awan, dsb.– Hal ini menimbulkan adanya spektrum doppler di sekitar

frekuensi doppler nol.

– Ada beberapa pengembangan dari DLC yang bertujuan untukmengurangi dampak spektrum clutter ini, antara lain DLC berkaskade, dll.

0 fp =1/Tp 2 fp 3 fp

|H(f)

|

2

1

0frekuensi

Spektrum clutter

40

• Bank tapis doppler (doppler filter bank) membagi kawasanfrekuensi tapis menjadi N buah tapis sehingga benda-bendadengan kecepatan yang berbeda dapat dideteksi dengan masing-masing filter.

• Setiap tapis diatur faktor pembebannya (weighting factor) untukmenghilangkan pengaruh clutter

0 fp

|H(f)

| 2

1

0

Frekuensi doppler

41

• Kelebihan bank tapis doppler– Tiap tapis dapat membedakan sasaran yang berbeda maupun

dengan clutter– Dapat mengukur jarak dengan lebih teliti– Meningkatkan signal to noise ratio

• Kelemahan– Rangkaian lebih rumit daripada DLC– Adanya lobus samping (side lobes)

pada tiap tapis yang perlupenanganan khusus

42

• Teknologi digital mulai berkembang tahun 1970• Dengan perkembangan isyarat digital dan piranti memori maka

isyarat gema pada tiap prf dapat disimpan dan diolah dengansistem pengolahan isyarat digital

• Keuntungan pengolahan isyarat radar digital– Kompensasi adanya blind phase yang disebabkan karena

perbedaan fase antara isyarat gema dan isyarat acuan, yaitudengan pengolahan isyarat I dan Q

– Rentang dinamik (dynamic range) yang lebih besar– Adanya tunda waktu pada rangkaian analog dapat diantisipasi

dengan clock yang presisi– Lebih mudah sinkronisasi tunda waktu dengan prf– Lebih stabil dan reliabel

43

• Diagram MTI digital

• Pendeteksian fase dilakukan pada dua buah saluran yang disebutsaluran sefase (inphase channel, I) dan saluran kuadratur(quadrature channel, Q)

44

DAC

Detektorfase

Dari penguat

IF

ADC MemoriDigital

Pengolahdigital

Detektorfase ADC Memori

DigitalPengolah

digital

Coho

/2 2122 /QI

• Blind phase yang muncul padapencuplikan pendeteksi fase tunggaldapat diatasi dengan detektor fasepada saluran I dan Q

Pemodulasidenyut

Penguatdaya

Coho( fc)

Stalo( fl )

Duplekser

ke delay-line canceler

Pencampur

PenguatIF

Detektorfase

Pen-campur

Detektortunggal

Saluransefase

Salurankuadratur

Blind phase

• MTI dengan prf rendah: – Range ambiguities rendah– Doppler space (rentang kecepatan yang dapat dideteksi radar)

relatif sempit karena adanya blind speeds– Pada frekuensi radar yang semakin tinggi dan prf tetap maka

doppler space semakin sempit– Pada platform yang bergerak (misalnya: pesawat) biasanya

menggunakan frekuensi yang tinggi untuk mengurangidimensi antena, sehingga radar MTI tidak optimal pada sistemini

• Untuk piranti yang membutuhkan blind space lebar dan bekerjapada frekuensi tinggi digunakan radar doppler denyut

46

• Dengan digunakannya isyarat digital, maka berkembang banyak sekali teknologipengolahan isyarat digital untuk MTI, seperti FFT (fast fourier transform), side lobes reduction, clutter map dll.

• Salah satu metode MTI yang dikembangkan dari pengolahan MTI digital adalah Moving Target Detection(MTD) yang dikembangkan untuk ASR. Radar MTD terus berkembang sehinggasampai beberapa generasi.

• Terdapat juga MTI yang dikembangkanuntuk platform bergerak yang disebutAMTI (Airborne MTI) 47

Sumber gambar: www.radartutorial.eu

ASR-9 yang menggunakanMTD generasi ketiga

• Ada 3 macam radar doppler– MTI, range ambiguity rendah dan doppler ambiguity tinggi– Radar doppler prf denyut tinggi, range ambiguity tinggi dan

doppler ambiguity rendah– Radar doppler denyut prf medium, dengan kedua parameter

ambiguity sedang• Pada awalnya terdapat beberapa perbedaaan pada teknologi MTI dan

radar doppler denyut, antara lain– Pada jenis osilator– Pada jenis pendeteksi frekuensi doppler (MTI dengan DLC dan

radar doppler denyut dengan bank tapis doppler• Namun pada radar modern, keduanya menggunakan teknologi digital

dan bank tapis doppler, perbedaan utamanya hanya pada rpf dan lebardenyutnya.

48

49

Perhatikan gambar di bawah, Radar 1 adalah radar pulsa. Jikajarak radial sasaran 2 terhadap radar 1 adalah 10 km, sedangkansasaran 1 berjarak 150 m dari sasaran 2 relatif pada arah radial Radar 1. Frekuensi radar adalah 3 GHz, kedua sasaranmempunyai penampang radar 1 m2, daya pancar adalah 10 dBW, dan daya minimimum radar adalah -90 dBW.

• Hitunglah perolehan antena yang diperlukanagar dapat mendeteksi kedua sasarantersebut!

• Berapakah PRF dan lebar pulsa radaragar kedua sasaran dapatdideteksi dan dibedakan?

Sasaran 1

Radar

Sasaran 2

• PR ditulis tangan dan dikumpul di elisa denganfoto atau scan…

• Nama gambar PR01_xxxx_yyyy.jpgxxxx = NIM fakultasyyyy = nama depan

50

51