Yakın mesafe radar sistemi /
Yazar: ONUR KOÇ
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında kullanılan radar sistemi ile yakın mesafede (50 metre ve civarı) konumlanmış bir hedefin tespiti yapılmıştır. Hedefin konum ve açı bilgileri elde edilmiştir. Bu bilgilerin elde edilmesi için alıcıda sinyal işleme algoritması yazılmıştır ve algoritma yazımı için MATLAB programından faydalanılmıştır. 
Bu radar sistemi bir verici ve iki alıcıdan oluşmaktadır. Vericiden iletilmek üzere kulllanılan sinyal, Doğrusal Frekans Modülasyonlu (LFM: Linear Frequency Modulation) Cıvıltı (Chirp) sinyalidir. Doğrusal frekans modülasyonu, sinyalin frekansının zamanla doğrusal artmasını veya azalmasını sağlar. Doğrusal frekans modülasyonu, radarın hedefleri birbirinden ayırt etme yeteneği olan menzil çözünürlüğünü arttırmak için kullanılmaktadır. Çözünürlükteki artış bir darbe sıkıştırma (pulse compression) tekniği ile  gerçekleştirilmektedir. Darbe sıkıştırma tekniği kullanıldığında, frekansı doğrusal olarak artan sinyalin belirli bir sıkıştırma oranı ile alıcıda sıkıştırılması sonucu darbe süresi azalır. Uzun bir darbe gönderildiğinde kısa darbenin menzil çözünürlüğü elde edilirken istenen güç seviyesi korunmuş olur.
Darbe sıkıştırma tenknikleri analog ve sayısal olmak üzere iki çeşittir. Bu tez çalışmasında analog darbe sıkıştırma tekniği olan Germe İşlemi (stretch processing) kullanılmıştır. Germe İşlemi  bir diğer analog sıkıştırma tekniği olan Uyumlu Filtreleme (Matched Filter) tekniğine alternatif bir yöntemdir. Uyumlu Filtreleme dar bantlı sistemler için kullanılmaktadır. Bant genişliği çok yüksek olduğunda Analog-Sayısal Dönüştürücü (ADC: Analog to Digital Converter) limitini  aşmaktadır. Germe işlemi bu donanımsal sınırlamaya çözüm olarak kullanılmaktadır. Germe işleminde belirli bir mesafe penceresinde işlem gerçekleşir. Bir referans sinyali (vericiden iletilen sinyalin gecikmiş formu) ile alıcıya gelen sinyalin karıştırılması sonrasında Alçak Geçiren Filtre'den (LPF: Low Pass filter) geçirilir. Bu sayede temel banda (sinyalin vericide modüle edilmeden önceki hali) indirgenen sinyal belirli bir zaman penceresinde Analog-Sayısal Dönüştürücü ile sinyal sayısal hale getirilir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT: Fast Fourier Transform) uygulandığında farklı frekans noktalarında tepe değerleri elde edilir ve bu farklı frekans noktalarından hedefin konum bilgileri elde edilir. 
Yakın mesafe radar sisteminde hedefin konum (x,y koordinatı) ve açı bilgisini elde etmek için öncelikle bir eşik değeri (threshold) belirlenir. Bu eşiğin üstünde kalan tüm frekans noktalarına karşılık gelen mesafe değerleri  hesaplanır. Alıcıların konumları çemberin merkezi, mesafe değerleri çemberin yarıçapı olarak kabul edilir ve iki alıcı için bu çemberlerin kesişim noktaları  hesaplanır. Kesişim noktalarının x ve y koordinatları belirlenerek konum ve açı bilgileri elde edilir. Belirlenen her bir muhtemel hedef konumu için hedefin gerçek konumuna olan dik uzaklıklar hesaplanarak hata elde edilir. Bu hata değeri menzil çözünürlüğü (0.6 metre) değerine yakın elde edilmeye çalışılmıştır. Frekans bölgesinde eşiği geçen noktaların genliklerine göre ağırlıklandırma yapılarak hata düşürülmüştür. Radar sisteminde kullanılan parametrelerin (bant genişliği, darbe süresi, örnek sayısı, örnekleme hızı, sıfır sayısı, eşik değeri, işaret gürültü oranı) değişimi ile sistemin başarım ölçütü olan hatanın optimum değeri elde edilmeye çalışılmıştır. Sistem parametrelerinin optimimum değerleri ile hata 0.6 yakın bir değerde elde edilmiştir.

Abstract:
A target located near the radar system (50 meters and near) has been detected with this radar system. Target position and angle information is obtained. In order to obtain this information, a signal processing algorithm is written in the receiver and the MATLAB program is used to write the algorithm.
This Radar system consists of a transmitter and two receivers. The signal used for transmission from the transmitter is the Linear Frequency Modulation (LFM) Chirp signal. Linear frequency modulation allows the frequency of the signal to linearly increase or decrease over time. Linear frequency modulation is used to increase range resolution, which is the ability of the radar to distinguish targets from each other. The increase in resolution is achieved by a pulse compression technique. When a pulse compression technique is used, the duration of the resulting pulse is reduced when the frequency is linearly increased and the signal is compressed at the receiver with a certain compression ratio. When a long pulse is sent, the desired power level is preserved while the short pulses have a range resolution.
Pulse compression techniques are two types, analog and digital. In this thesis study, stretch processing which is analog pulse compression technique is used. Stretch processing is an alternative to the Matched Filter technique, which is another analog compression technique. Matched filter is used for narrow band systems. When the bandwidth is too high, it exceeds the Analog-to-Digital Converter (ADC) limit. Stretch processing is used as a solution to this hardware limitation. Processing takes place at a certain distance window in the stretching process. After mixing a reference signal (the delayed form of the transmitted signal from the transmitter) with the signal from the receiver, it is passed through a Low Pass Filter (LPF). In this case, the baseband signal (before the signal is modulated in the transmitter) is digitized by the Analog-to-Digital Converter at a reduced time window. When Fast Fourier Transform (FFT) is applied, peak values are obtained at different frequency points and positional information of targets is obtained from these different frequency points. 
In the near-field radar system, a threshold value is first determined to obtain the target position (x, y) and angle information. The distance values corresponding to all frequency points above this threshold are calculated. The locations of the receivers are assumed to be center of the circle, the distance values are assumed to be the radius of the circle, and the intersection points of these circles are calculated for the two receivers. Position and angle information is obtained by determining the x and y coordinates of intersection points. The error is obtained by calculating the perpendicular distances to the actual position of the target for each possible target position. This error value has been tried to be obtained near the range resolution (0.6 meter). The error is reduced by weighting according to the amplitudes of the crossing points in the frequency domain. It has been tried to obtain the optimum value of the error which is the performance criterion of the system by changing the parameters used in the radar system (bandwidth, pulse duration, sample number, sample rate, zero number, threshold value, signal to noise ratio). The optimum values of the system parameters and the error are close to 0.6.