Radarlar - Giriş

Bu yazıda konumuz olan bir tespit cihazı olarak Radarlar gerçek bir eletronik-haberleşme cihazlarıdır  Askeri denetleme ve tespit, yüzey altı veya duvar arkası görüntüleme, gemilerde 360derece görüş, otonom araç gibi birçok kritik uygulamada kullanılan Radar'ların temel çalışma prensipleri, sistem yapıları ve çeşitlerinden bahsetmeye çalışacağız.

Anten (verici-alıcı) yapıları ve dalga biçimlerine göre radarlar muhtelif şekilde sınıflandırılabilirler. Bunlar, 

• Elektromanyetik Radarlar

• Optik Radarlar

• Akustik/Sismik Radarlar

Elektromanyetik radarlar zaten sıklıkla duyabileceğimiz özellikle savunma sanayi sektöründe aktif ve çeşitli yapılara sahip algılayıcı-görüntüleyicilerdir. Elektromanyetik, optik ve sismik türde radarların uygulama alanlarına göre birbirlerine çeşitli üstünlükleri veya eksiklikleri olduğunu söyleyebiliriz. Bu da bu türlerin bir arada veya bazı yerlerde birbirlerine göre öncelikli olarak kullanılmaları gereksinimini ortaya çıkarmıştır.

Radyo Frekans spektrumu

Örneğin elektromanyetik dalga tuzlu suda iyonizasyonun engelinden ötürü derinlere inemeyeceği için denizaltı uygulamalarında daha çok akustik/sismik radarlar kullanılır. Denizin altındaki hareketlilik veya obje görüntüleme uygulamalarında bu radarlara başvurulur. Mesela optik radarlar da dar huzmeli optik alıcı-vericileri sayesinde  uzun menzilde dahi yüksek çözünürlükte tespitler yapılmasını, görüntüler elde edilmesini sağlarlar. Ancak optik radarların da dezavantajı hafif karlı, yağışlı sisli yani genel olarak olumsuz hava koşullarının olduğu durumlarda görüntüleme kabiliyetlerinin zayıflıyor olmasıdır. Yine de uzak mesafelerde görüntüleme yaparken sıklıkla kullanılan türlerdir. Zor hava koşullarında daha çok elektromanyetik radarlar tercih edilmektedir. Bunların frekansı optik frekansının altındadır elbette. Dalga boyları da haliyle optik radarlara göre daha fazla olduğu için çözünürlük anlamında daha zayıftırlar ancak daha dayanıklı şekilde görüntüleme yapılması sıklıkla tercih edilmelerini sağlar. Huzme genişliği, çözünürlük, dalga boyu kavramlarından da bahsedeceğiz yazının ilerleyen kısımlarında. 

Frekans spektrumu

Huzme Genişliği & Çözünürlük Kavramları

Öncelikle elektromanyetik dalganın bilinmesi gereken en temel parametrelerinden biri dalga boyu ve frekanstır. Zaten bu ikisi ışık hızıyla orantılı şekilde bulunabilirler. Elektromanyetik dalgaboyu aşağıdaki formülden elde edilebilir.

Işık bir elektromanyetik dalga ve elektromanyetik dalgaların da ışık hızında hareket ettiklerini bize söyleyen Maxwell'i burada anıyoruz. Dalgaboyu-Işık hızı-Frekans ilişkisi fiziğin önemli bağıntılarından biridir.

Huzme Genişliği

Görselde bir elektromanyetik radar örneği görülmektedir. Burada antenin hedef cisme gönderdiği sinyalin izlediği radyal mesafenin açısı anten huzmesini temsil eder. Huzme genişliği formülü de,

şeklindedir. Optik radarlarda bu anten optik merceklerdir . Burada elektromanyetik radar olduğu çanak anten yapısında antenler kullanılmaktadır. Huzme genişliğini değerlendirirken elde edilen deltaTeta değerinin büyük bir değer olması çözünürlüğün düşmesi anlamına gelir. Görselden de anlaşılacağı üzere huzme genişliği değeri ne kadar ufak olursa hedef cismin üzerinde yapılacak taramalarla birden fazla radar pikseli ile cismi parça parça elde etmek bir kesit alanının daha iyi anlaşılması açısından bir avantaj sağlayacaktır. 

Çözünürlük Performansı 

Radarlarda çözünürlük hesabı yapılırken huzme genişliğinin yanında dikkate alınan ve denkleme katılan bir diğer parametre de anten ile hedef cisim arasındaki mesafedir. Bu durumda Angular Resolution ve Range Resolution formülleri şu şekilde olacaktır:

Çözünürlük değeri fazla çıktığında yani çözünürlük performansı düşük olduğunda huzme içerisinde birden çok cisim olsa da tek bir cisim olarak algılanırlar. Sinyalin geldiği bellidir ancak hangi türde bir cisim olduğu tam olarak saptanamaz. Bu yüzden çözünürlük performansının yüksek olması önemlidir. 

Elektromanyetik antenlerdeki huzme genişliği, optik merceklerinki kadar yüksek çözünürlük performansı gösteremezler. Fakat daha önce bahsettiğimiz gibi karanlık  ya da olumsuz hava koşullarında elektromanyeitk radarlar kadar verimli olamazlar. Bu olumsuz koşullar dışında optik radarlar sıklıkla tercih edilirler. Optik radarlarda tabi çok da fazla çaresiz kalınmaz.  Karanlık, ışık olmayan yerlerde optik radarların kızılötesi frekansında çalışan versiyonları etkindir.

Maksimum-Minimum Menziller

Radar Örneği - GPR Radar

Halk arasında en bilinen türlerden ve sıklıkla karşılaşılabilecek diğer türleirne göre daha kolay erişilebilir olan bir tür: GPR Radarlardır. Daha önce teknik incelemesini yaptığımız metal dedektörleri de bu sınıfta yer alırlar ve piyasada da en çok karşılaşılan türdendir.  Ya da yer  altı mayınlarını görüntülemek için kullanılan GPR türü radarlar yüzey altındaki patlayıcı maddelerin tespitinde etkin rol oynarlar ve askeri uygulamalarına sıklıkla rastlanır. Metal patlayıcıların olduğu yerlerde elektromanyetik sinyaller kullanarak tespit yapmak daha efektif bir çözümdür dalganın yapısından ötürü ancak görüntülenmek istenen cismin metal olmayan malzeme yapısında olması (örneğin plastik) elektromanyetik dalgaların tespite katkısını azaltır. Burada akustik yani ses dalgalarının daha etkili olduğunu söyleyebiliriz. Bunu da fiziksel olarak ele aldığımızda elektromanyetik dalganın metalle olan etkileşiminin daha kuvvetli, plastik ile ise daha zayıf olmasından anlarız. Akustik sinyaller için ise bu tam tersidir. EM dalga metalden daha çok yansıyacaktır bu da metal cisimlerin daha kolay tespit edilmesine yardımcı olur. Burada EM ile tespitte iletkenlik kavramı önemlidir.

Tabi yalnızca tek tipte tespit yöntemleri kullanmak zorunda değiliz. Birçok GPR uygulamasında sensor fusion yöntemi karşımıza çıkabilir. Örneğin yer altı mayın tarama uygulamalarında plastik mayınların tespiti için akustik, metal malzemenin olup olmadığından  kesin emin olmak için beraberinde metal dedektörü niteliği ve patlayıcı tespiti için de NQR sensörler (sadece azot içeren malzemelere tepki verir) bir arada kullanılabilirler. Bu şekilde tespitin doğruluk niteliği artmaktadır. Anti tank plastik mayını bu tür uygulamanın gerekliliği için örnek bir hedef cisimdir mesela.

Optik ile görüntüleme yüzey altı uygulamalarında pek efektif olmadığı için yardımcı sistem olarak bile bahsetmedik farkındaysanız. Zaten başlı başına frekansları EM ve Akustik türünde dalgalara göre da çok daha yüksek olduğu için dalgaboylarının epey ufak olmasından ötürü deri etkisi yani nüfuz etme, derine inme nitelikleri de tıpkı olumsuz ortam koşullarından etkilenmeleri gibi negatif özellikleridir. Zaten frekans yeterince yükseldikçe ve hatta optik frekansından da önce  milimetrik dalgaboylarına geldikçe dalganın topraga veya engele nüfuz etme, aşma özelliği azalır. O yüzden genelde düşük frekans yapılar tercih edilmektedir yüzey veya engel arkası görüntülemede. 

Burada nüfuz etmeden bahsetmişken matematiksel ifadesine de bakacak olursak,

Buraya kadar radarların ve özellikle GPR  hakkında çok temel bilgiler vermiş olduk. Devamında ..... yazımızda Radar türleri, GPR çalışma prensipleri, çeşitli kavramlar anlatılmıştır.



***NOTLAR

Optik radarlar açık alanda en başarılı radarlardandır. Derinlikteki çözünürlükleri  çok iyidir. Çünkü  yukarıda formülü verilen derinlik çözünürlülğündeki Bant genişliği kavramı optik radar için baya geniştir. Görünür ışık da kızılötesi de baya geniş bir aralıkta frekans spektrumuna sahiptir. Bu da bant genişliğinin yüksek olmasnı ve pikselin düşük olmasını sağlar. Sinyal olarak da direk ışık kullanırlar. Dezavantajları ise kötü hava koşullarında dalgaboylarının ufak olmasından  ve  ışığı dalga olarak kullandıkları için çözünürlük ve maks range azalır. Bu durumda alternatif olan en uygun radarlar Milimetrik Dalga Radarlarıdır.