Yakın alan sayısal kodlu radar sistemi tasarımı ve benzetimi
Near field digital coded radar system design and simulation
Yazar: FATİH AKGÜL
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, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, tasarımı yapılan radar sistemi için radarın yakın alan çevresinde (yaklaşık 100-200 metre menzilinde) bulunan hedeflerin menzilini tespit edebilmesi amacıyla kullanabileceği sayısal kodlu dalga formu önerilmiştir ve alıcı yapısı oluşturularak işaret işleme algoritması tasarlanmıştır. Tasarımı ve benzetimi yapılacak radar sistemi bir verici, bir alıcı ve bir sinyal işleme yapısından oluşmaktadır.
Radar işaret formunun yapısı ve özellikleri, bir radar sisteminin tasarımı ve performansı ile ilgili en önemli etmenlerin başında yer almaktadır. Radar sistemleri, dalga formu olarak sürekli veya darbeli dalga formlarını modülasyonlu veya modülasyonsuz olarak kullanabilmektedir. Radarın performansını arttırmak veya radara yeni yetenekler kazandırmak amacıyla radar dalga formları farklı modülasyon yöntemleri ile modüle edilebilir. Bu kapsamda, dalga formlarına uygulanacak modülasyon teknikleri ise analog ve sayısal olarak sınıflandırılmaktadır.
Dalga formu tasarımı gerçekleştirilirken işaret gürültü oranı (SNR: Signal to Noise Ratio) ve menzil çözünürlüğü parametreleri ile birlikte bant genişliği, örnekleme hızı, güç, yan lob seviyeleri gibi gereksinimler ve kısıtlar da dikkate alınır. Bu parametrelerden menzil çözünürlüğü, radarın menzilindeki hedefleri birbirinden ayırt etme kabiliyeti olarak nitelendirilir. Modülasyon tekniklerinden yararlanarak radar dalga formunun bant genişliği arttırılabilir, böylelikle darbenin genişliği azaltılmadan dalga formu için daha iyi bir menzil çözünürlüğü elde edilir. Bu teknikler, analog ve sayısal olmak üzere iki türde olan darbe sıkıştırma teknikleri ile birlikte radar dalga formlarına uygulanabilmektedir. Analog darbe sıkıştırma teknikleri, doğrusal ve doğrusal olmayan frekans modülasyonlu yöntemlerden oluşmaktadır. Sayısal darbe sıkıştırma teknikleri ise ikili faz kodları, frank kodlar ve yalancı rastgele kodlar olarak sınıflandırılabilir. Bu tez çalışmasında, ikili faz kodlarından olan yalancı rastgele kodlu yapı kullanılarak faz modülasyonlu dalga formu oluşturulacaktır.
Tasarımı ve benzetimi yapılacak olan yakın alan sayısal kodlu radar sisteminin fonksiyonu esas olarak, sayısal kodlu bir radar dalga formunun sistemin vericisi tarafından üretilip anteni tarafından yakın alanda yer alan hedefe doğru iletilmesi sonrasında hedeften saçılan dalga formunun anten tarafından algılanması ve bu yankı işaretinin alıcısı tarafından demodüle edilip hedefin menzil bilgisinin elde edilmesine dayanmaktadır. Bu kapsamda, sayısal darbe sıkıştırma tekniği kullanılarak faz kodlu dalga formu üretildikten sonra radyo frekans (RF: Radio Frequency), karıştırıcı, ara frekans (IF: Intermediate Frequency) ve analog sayısal dönüştürücü (ADC: Analog to Digital Converter) bölümlerinden oluşan alıcı yapısı incelenmiştir. Radyo frekans bölümünde düşük gürültülü bir kuvvetlendirici (LNA: Low Noise Amplifier) ile alıcı girişine gelen yankı işareti kuvvetlendirildikten sonra bant geçiren filtre ile yankı işaretinde bulunan bant dışı frekans bileşenleri kaldırılır. RF bölümü çıkışında elde edilen işaret, yerel osilatör frekansı ile karıştırılarak bir ara frekansa kaydırılır. IF bölümünde, IF kuvvetlendirme katından sonra işaret bant geçiren filtreye geçirilir. Bu filtreleme işlemi ile işaretin frekans bandı dışında kalan frekanslardaki bileşenler ve karıştırıcı bölümünde meydana gelebilecek istenmeyen bileşenler yok edilir. Bu işlemden sonra artık ADC'nin örnekleme hızına uygun, daha rahat örnek alabileceği bölgeye indirgenmiş ara frekans işareti oluşturulur. ADC bölümünde de işaret ara frekansta örneklenerek sayısal forma getirilir ve alıcı yapısı çıkışından sinyal işleme bölümüne giriş için hazır olur.
Tasarımı yapılan radar sisteminin en son kısmı olan sinyal işleme bloğunda çalışmak üzere hedefin menzil bilgisini tespit edebilmek amacıyla çeşitli matematiksel modeller oluşturularak algoritmalar tasarlanmaktadır. Bu tez çalışmasında, korelasyon yöntemine dayalı bir sinyal işleme algortiması tasarımı yapılarak algoritmanın benzetimi MATLAB programında gerçekleştirilmiştir. Korelasyon, bilinen bir işaretin varlığını başka bir işarette tespit etmenin ve tam olarak tespit edilecek işaretin nerede gerçekleştiğini belirlemenin en iyi yöntemidir. Bu kapsamda, radar sisteminin alıcısındaki gürültülü işaret ile radar sisteminin verici yapısında üretilen kodlu işaretin çapraz korelasyonu sonucunda hedefin menzil profili bilgisi çıkarılmıştır.

Abstract:
In this thesis, a digital coded waveform is proposed for the radar system designed to detect the range of targets in the near field of the radar (approximately 100-200 meters range) and the signal processing algorithm is designed by constructing the receiver structure. The radar system to be designed and simulated consists of a transmitter, a receiver and a signal processing structure.
The structure and characteristics of the radar signal form are among the most important factors related to the design and performance of a radar system. Radar systems can be used as continuous or pulsed waveforms with or without modulation. Radar waveforms can be modulated with different modulation methods to improve the performance of the radar or to give new capabilities to the radar. In this scope, modulation techniques to be applied to waveforms are classified as analog and digital.
When designing the waveform, the signal to noise ratio (SNR) and range resolution parameters are taken into consideration along with the requirements and constraints such as bandwidth, sampling rate, power, side lobe levels. Range resolution of these parameters is described as the ability of the radar to distinguish targets within range. By benefiting from modulation techniques, the bandwidth of the radar waveform can be increased; therefore, a better range resolution for the waveform without reducing the width of the pulse is achieved. These techniques can be applied to radar waveforms in combination with two types of pulse compression techniques named as analog and digital. Analog pulse compression techniques consist of linear and nonlinear frequency modulation methods. Digital pulse compression techniques can be classified as binary phase codes, frank codes and pseudo-random codes. In this thesis, a phase modulated waveform will be generated by using a pseudo random coded structure which is one of the binary phase codes.
The function of the near field digital coded radar system to be designed and simulated is essentially based on the detection of the waveform scattered from the target by the antenna after a digital coded radar waveform is generated by the transmitter of the system and transmitted by the antenna to the target located in the near field. This function is also based on obtaining the range information of the target via demodulating this signal in the receiver. In this scope, after constructing phase coded waveform by using digital pulse compression technique, receiver structure consisting of radio frequency (RF), mixer, intermediate frequency (IF) and analog to digital converter (ADC) parts was examined. After the echo signal to the receiver input is amplified by a low noise amplifier in the radio frequency section, the out-of-band frequency components in the echo signal are removed by the bandpass filter. Then, the signal obtained at the output of the RF section is shifted to an intermediate frequency by mixing with the local oscillator frequency. In the IF section, the signal is passed to the bandpass filter after the IF amplification layer. This filtering process eliminates components at frequencies outside the frequency band of the signal and any unwanted components that may occur in the mixer section. After this process, the intermediate frequency signal, which is reduced to the region where ADC can be sampled more easily according to the sampling rate, is created. n the ADC section, the signal is sampled at intermediate frequency and converted into a digital form and ready for entry into the signal processing section from the output of the receiver structure. 
The algorithms are designed by creating various mathematical models for determination of the range information of the target in order to work in the signal processing block which is the last part of the designed radar system. In this thesis, a signal processing algorithm has been designed based on the correlation method and the simulation of the algorithm has been realized in MATLAB program. Correlation is the best method of detecting the presence of a known signal in another signal and determining exactly where the signal to be detected occurs. In this scope, the range profile information of the target was extracted as a result of the cross correlation of the noisy signal at the receiver of the radar system and the coded signal generated in the transmitter structure of the radar system.
The process of detecting a target within the range of the radar takes place as a result of the comparison of the measurement made at the receiver of the system with a threshold value. Measurements that exceed this threshold value are associated with echoes emitted from targets, while measurements below the threshold are associated with noise sources such as thermal noise, signals emitted by other devices around the radar, or interference effects. For this reason, the threshold value of the detector structure in the radar system is chosen to obtain the highest possible target detection and false alarm probability based on a specific SNR value. A false alarm occurs when a noise source generates a measured value that exceeds the detection threshold in the radar system where there is no target in the radar's range. At this point, a radar system is designed to achieve a certain false alarm probability and to sustain it.
The detector structure in the signal processing section of the radar system gives one of three possible results, which are called as correct decision, missed detection or false alarm. The correct decision is a decision in which the detector accurately reports the presence or absence of a target within range of the radar. A missed detection is a decision in which the detector reports that it has not detected that target, while the measurement actually contains an echo emitted from a target. The false alarm occurs when the detector reports the presence of a target, in the absence of an echo emitted from a target in the actually measured data. In this context, the signal printed as a result of the correlation is provided as an input to the CFAR (Constant False Alarm Rate) detection algorithm, which is a method used to detect targets within the range of the radar. The CFAR detection algorithm is an algorithm that says that the measurements in the range of the radar compared to the measurement made in its receiver with a threshold value, the measurements exceeding the threshold belong to the echoes emitted from the targets. By applying this algorithm in MATLAB, targets within the range of the numerical code radar can be determined. The range profile information of the targets has been calculated from the delay times corresponding to the relevant sample, which exceeded the threshold value as a result of the CFAR algorithm.
It has been concluded that the length of the code in the numerical signal created in the transmitter structure of the system, and the CFAR window length parameters in the detector structure running the CFAR algorithm in the signal processing section of the system play an important role in the performance of the system. As a result of running certain scenarios in MATLAB, it has been observed that it can detect targets in the range of the numerically coded radar system with high accuracy with the selection of appropriate code length and CFAR window length. In this thesis, it is evaluated that this proposed numerically coded radar model can be used in systems that will be used in the detection of targets located at a distance of approximately 100-200 meters.