X-bant gürültü radarı ile dron ve martıların mikro-doppler karakteristiklerin çıkarımı
Extraction of micro-doppler characteristics of drone and seagulls with x-band noise radar
- Tez No: 925687
- Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Radarlar hedef tespiti için kullanılan uzaktan algılama araçlarından biridir. Radarlar temelde darbe ve sürekli dalga radarları olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bir radarın hedefi uzak mesafelerden tespit edebilme kabiliyeti, radarın anten özelliğine, kullanılan materyale, dalga formuna, anten yapısına, RF hattındaki gürültü seviyesine, hedef radar kesit alanına, sinyal işleme tekniğine ve etkin çıkış gücüne bağlıdır. Radar sistemlerinde çıkış gücü, gönderilen darbenin uzunluğu veya bant genişliğine bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Uzun darbeler, daha fazla enerji taşıdığı için daha yüksek çıkış gücü sağlar ve bu da hedef tespit metriği olan SNR'ın (sinyal-to-noise ratio) artmasına katkı sağlamaktadır. Ancak, darbenin uzun tutulması veya bant genişliğinin azaltılması, düşük mesafe çözünürlüğüne yol açarak sistemin birbirlerine yakın olan hedefleri ayırt etme yeteneğini olumsuz etkilemektedir. Mesafe çözünürlüğü, radarın birbirine yakın iki hedefin mesafelerine göre ayırt edebilme yeteneğini ifade etmektedir. Mesafe çözünürlüğü düşük olan bir radar sistemi, birbirine yakın olan iki hedefi tek hedefmiş gibi algılamaktadır. Radar sistemlerinde yüksek çıkış gücü ve yüksek mesafe çözünürlüğü elde etmek için darbe sıkıştırma teknikleri kullanılmaktadır. Darbe sıkıştırma teknikleri, radar sistemlerinde sinyalin hem yüksek bant genişliği hem de uzun darbe süresi ile gönderilmesine olanak sağlayan bir metotdur. Bu durum, radar sistemine hem yüksek çıkış gücüne sahip radarlar (örneğin, magnetron veya TWT tabanlı) ile eşdeğer SNR elde etme hem de yüksek mesafe çözünürlüğü yeteneği kazandırmaktadır. Bahse konu yetenek kazanımında darbe sıkıştırma ve uyumlu süzgeç alıcısı (matched filter receiver) kullanımı önemlidir. Radar alıcı tarafında kullanılan uyumlu süzgeç ile sinyal işleme kazancı sağlanmaktadır. Uyumlu süzgeç, radar tarafından gönderilen ve alınan sinyallerin korelasyon işlemini sayısal bir sistem üzerinden gerçekleştiren bir araçtır. Korelasyon işleminde, radar tespit menzili içinde kalan tüm hedeflerden dönen sinyaller alınır ve uyumlu süzgeçten (matched filter) geçirilmesine dayanmaktadır. Çalışmada mesafe çözünürlüğü, uygulamada kullanılan radara ait darbe sıkıştırma tekniği ile korelasyon işlemi ve uyumlu süzgeç ilişkisi detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Radarlarda kullanım alanlarına göre farklı dalga formları ve farklı frekans bantları kullanılmaktadır. Örneğin sivil denizcilikte genellikle X-bantta çalışan lineer frekans modülasyonlu (LFM) dalga formu kullanılmaktadır. Bunun nedeni düşük sinyal işleme maliyeti, yüksek çözünürlük ve yüksek çıkış gücüdür. Askeri alanda kullanım düşünüldüğü zaman bir radarın karşıt unsurlar tarafından tespit edilmesinin düşük olması, aldatma ve karıştırmaya dayanalıklı olması ile uzak mesafelerde yüksek çözünürlükte çalışması beklenmektedir. Bu kapsamda geleneksel dalga formları ile gürültü dalga formu avantajları ve dezavantajları detaylarıyla birlikte açıklanmıştır. Gürültü radarı rastgele gürültü sinyalini dalga formu olarak kullanan aktif bir darbe sıkıştırma radarıdır. Geleneksel radar sistemlerinde frekans ve faz kodlu (Frank, Barker, P4, LFM gibi) olarak bilinen sabit dalga formları kullanılırken, gürültü radarında her darbede rastgele gürültü dalga formu değişiklik göstermektedir. Gürültü radarı, düşük çıkış gücü ve geniş bantlı rastgele sinyal dalga biçimleri sayesinde aldatma ve karıştırmaya karşı yüksek bir direnç sergilemektedir. Bunun yanı sıra, ortogonal dalga biçimleri kullanan gürültü radarları, elektromanyetik spektrumu paylaşma baskısı oluşturmadan aynı batta çalışan başka radarlarla yakın mesafelerde çalışabilme yeteneğine sahiptir. X-bantta yapılan ölçümler sırasında radar, gürültü dalga formu dışında sentetik gürültü (COSPAR) ve LFM dalga formlarında da çalıştırılmıştır. Deniz ortamında elde edilen tecrübelere istinaden radar LFM dalga formunda çalıştırılırken gemi radarlarının neden olduğu girişimler görülmüştür. Günümüzde dronların kullanımının yaygınlaşması ve erişilebilirliğinin artması, beraberinde çeşitli güvenlik risklerini gündeme getirmektedir. Küçük ticari dronlar (yaklaşık 40 cm boyutlarında), yasa dışı malzeme veya patlayıcı taşımaktan askeri alanda asimetrik tehditler yaratmaya ve kritik bölgelerin izinsiz görüntülenmesine kadar pek çok amaçla kullanılabilmektedir. Bu tür tehditlerle başa çıkmak için, özellikle hassas bölgelerde gelişmiş algılama ve izleme kapasitesine sahip sistemlerin konuşlandırılması önemlidir. Özellikle savaş gemilerinde kullanılan deniz gözetleme ve arama radarlarının, tespit edilen hedefleri sınıflandırabilmesi, olası tehditlere karşı erken müdahale imkânı sağlayarak güvenlik seviyesini artıracaktır. Deniz ortamında görev yapacak radar sistemlerinin, dronları martılar gibi diğer hareketli nesnelerden ayırt edebilmesi kritik bir gerekliliktir. Bu ayrımı yapabilmek için, hedeflerin mikro-Doppler imzalarının detaylı şekilde incelenmesi büyük önem arz etmektedir. Bu tür bir inceleme, radarın yalnızca tespit yapmakla kalmayıp hedefin türünü de doğru bir şekilde sınıflandırmasına olanak tanımaktadır. Dronlar (örneğin DJI Matrice 100, Phantom IV gibi) için mikro hareketler pervanelerinin dönmesinden, martılar için ise kanat çırpma hareketlerinden kaynaklanmaktadır. Düşük radar kesit alanına (RKA) sahip bu tür hedeflerin ayrımını yapmak için yalnızca menzil-Doppler profili veya menzil profili yeterli olmamaktadır. Bu nedenle, dronlar ve martılar gibi hedeflerin hareket karakteristiklerini daha detaylı incelemek için zaman-frekans analizi gereklidir. Literatürde, yüksek dönüş hızına sahip pervanelerin etkilerini incelemek amacıyla genellikle K, V, Ka ve W gibi yüksek frekans bantlarında ve yüksek darbe tekrarlama frekansına (PRF) sahip radar sistemleriyle analizler gerçekleştirildiği görülmektedir. Bu tezde, Uluslararası Telokominikasyon Birliği tarafından belirlenen deniz radarı frekansında çalışan X-bant gürültü radarının, küçük hava hedeflerini mesafe, hız ve mikro-Doppler imzası temelinde ayırt edebilme yeteneği incelenmiştir. Çeşitli darbe tekrarlama frekanslarında çalıştırılan gürültü radarı ile DJI Matrice 100 dronu ve martılardan alınan radar cevapları toplanmıştır. Toplanan radar cevapları sinyal işleme teknikleri kullanılarak bahse konu hedeflere ait menzil profili ve menzil-Doppler profili çıkarılmıştır. Klasik radar sinyal işleme tekniklerine ek olarak, hedefe ait mikro-Doppler karakteristiğin çıkarılması için zaman-frekans analizi uygulanmıştır. Bu analiz dronun bulunduğu mesafe hücreleri üzerine kısa zamanlı Fourier dönüşümü (KZFD) uygulanarak elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu yaklaşımla düşük radar kesit alanına (RKA) sahip küçük hedeflerin tespitine ek olarak, hedeflerin sınıflandırılmasına katkı sağlayabilecek yeni bilgiler elde edilmiştir. KZFD kullanılarak elde edilen spektrogramların incelenmesi sonucunda, dron ve martıların mikro-Doppler desenlerinin farklı özniteliklere sahip olduğu ve bu özniteliklerin hedef sınıflandırma sürecinde kullanılabileceği ortaya konulmuştur. Drona ait spektrogramlar incelendiğinde yüksek hızlı pervane dönüşlerinin etkisiyle Doppler ve zaman ekseninde sık ve düzenli çizgiler dikkat çekmektedir. Buna karşın martılara ait spektrogramlarda kanat çırpma hareketlerinden kaynaklanan daha düzensiz ve kısa yayılma gösterdiği gözlemlenmiştir. Ölçümlerde kullanılan gürültü radarının tipik gemi radarı özellikleri taşıdığı göz önüne alındığında, deniz ortamında çeşitli manevralar gerçekleştiren dron ve martıların mikro-Doppler imzalarını çıkarmaya yönelik etkili bir çalışma ortaya çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
Radar systems are remote sensing tools widely used for target detection. Fundamentally, radars can be categorized into two main types: pulse radars and continuous wave (CW) radars. The ability of a radar to detect targets at long distances is influenced by several factors, including the radar's antenna characteristics, materials used, waveform design, antenna structure, noise levels in the RF path, target radar cross-section (RCS), signal processing techniques, and effective transmitted power. In radar systems, the transmitted power varies depending on the pulse length or bandwidth of the system. Longer pulses contain higher energy, thereby enabling higher transmitted power. This increase in transmitted power enhances the signal-to-noise ratio (SNR), a critical metric for target detection. However, the use of longer pulses or a reduction in bandwidth results in lower range resolution. Range resolution refers to the radar's ability to distinguish between two closely spaced targets based on their distance. A radar system with low range resolution may merge closely spaced targets, interpreting them as a single object. To overcome these limitations and achieve both high transmitted power and high range resolution, pulse compression techniques are employed. These techniques allow for the transmission of long-duration pulses while maintaining a wide bandwidth, thereby preserving high range resolution and improving detection performance. Pulse compression techniques are methods that enable the transmission of signals with both wide bandwidth and long pulse duration in radar systems. This dual capability provides radar systems with the advantage of high-energy output power while maintaining high range resolution. Among the commonly used pulse compression techniques are correlation processing and stretch processing. In correlation processing, the signals returned from all targets within the radar's range are collected and passed through a matched filter. This process enhances the signal-to-noise ratio (SNR) and improves the detection of weak targets. In stretch processing, the received signals are first multiplied with a reference signal (a replica of the transmitted waveform). The resulting signal is then filtered using a low-pass filter,digitized, and subsequently passed through a band-pass filter for further processing. This approach is particularly effective in mitigating noise and achieving precise range measurements. In this study, the concept of range resolution is thoroughly examined with a focus on the pulse compression techniques used in the implemented radar system, as well as the correlation processing and matched filtering methods applied. Although the radar's instrumented range is approximately 12 km, experimental results demonstrated that the noise radar effectively detected a drone with a small RCS within a close range. Additionally, the study highlights the importance of pulse compression techniques in modern radar systems, as they address the trade-off between range resolution and transmitted power. Advanced signal processing approaches, such as adaptive matched filtering and time-frequency analysis, are discussed as potential methods to further enhance detection performance, particularly in cluttered environments or when tracking small, dynamic targets. These techniques not only improve target identification but also ensure robustness under varying operational conditions. Different waveforms and frequency bands are utilized in radar systems depending on their application areas. For instance, in civilian maritime applications, radars typically operate in the X-band and employ linear frequency modulation (LFM) waveforms. This choice is driven by the advantages of low signal processing cost, high resolution, and high output power, which are essential for accurate navigation and collision avoidance. In military applications, however, radar systems face more complex requirements. They must be designed to minimize the likelihood of detection by adversarial systems, withstand jamming and deception techniques, and operate at long ranges with high resolution. These demands necessitate the use of advanced waveforms and techniques that enhance performance while maintaining stealth and robustness. This work provides a detailed analysis of traditional waveforms and noise-based waveforms, highlighting their operational principles and suitability for specific use cases. Traditional waveforms, such as LFM, are advantageous for their simplicity and effectiveness in many scenarios, but they may be vulnerable to interception and countermeasures. On the other hand, noise waveforms offer an inherent low probability of interception (LPI) and high resistance to electronic warfare tactics due to their randomized nature and wide spectral occupancy. Noise radar is an active pulse compression radar that utilizes a random noise signal as its primary waveform. Unlike traditional radar systems, which rely on fixed waveforms such as frequency- and phase-coded signals (e.g., Frank, Barker, P4, LFM), the waveform of a noise radar varies randomly with each pulse. This inherent randomness, coupled with low output power and wideband noise waveforms, provides noise radar with a high degree of resistance to jamming and deception techniques. Additionally, noise radars employing orthogonal waveforms demonstrate the capability to operate in close proximity without imposing pressure on the shared electromagnetic spectrum, making them particularly suitable for dense signal environments. During X-band measurements, the noise radar was tested not only with noise waveforms but also with synthetic and LFM waveforms for comparative analysis. Experiments conducted in maritime environments revealed that when the radar operated with an LFM waveform, it experienced interference caused by ship radars. This observation highlights the advantages of noise radar's inherent spectral agility and its ability to operate effectively in challenging environments, where traditional waveforms might be susceptible to interference or detection. These findings emphasize the potential of noise radar systems to address modern challenges in radar technology, particularly in applications requiring low probability of interception (LPI), resilience against electronic countermeasures, and coexistence with other systems in congested spectral environments. The widespread use and increasing accessibility of drones in recent years have brought various security concerns to the forefront. Small commercial drones, approximately 40 cm in size, can be employed for a range of purposes, from smuggling illegal materials or explosives to creating asymmetric threats in military contexts and unauthorized surveillance of critical areas. Addressing these threats necessitates the deployment of advanced detection and tracking systems, particularly in sensitive regions. In maritime environments, the ability of surveillance and search radars, especially those aboard naval vessels, to classify detected targets is crucial. Such classification capabilities enhance security by enabling early responses to potential threats. A critical requirement for radar systems operating in these environments is their ability to distinguish drones from other moving objects, such as seagulls. Achieving this distinction demands detailed analysis of the micro-Doppler signatures of the targets. Micro-Doppler analysis is essential not only for the detection of targets but also for their accurate classification. By extracting and interpreting the unique motion-induced frequency shifts of different objects, radar systems can effectively differentiate drones from biological targets and other non-threatening entities. This capability significantly enhances situational awareness and provides a robust foundation for timely and informed decision-making in maritime security operations. The micro-motions of drones, such as the DJI Matrice 100 and Phantom IV, originate from the rotation of their propellers, while for seagulls, they arise from wing-flapping movements. For such targets with low Radar Cross Sections (RCS), using only Range-Doppler Profiles or Range Profiles is insufficient for effective discrimination. Therefore, a more detailed examination of the motion characteristics of targets like drones and birds requires the application of time-frequency analysis. The existing literature reveals that radar systems operating at K, V, Ka, and W frequency bands, often coupled with high pulse repetition frequencies, are commonly employed to analyze the effects of high rotational speeds of propellers. These studies highlight the importance of leveraging high-resolution time-frequency techniques to distinguish between drones and biological targets accurately. This approach provides valuable insights into the unique micro-Doppler signatures of different objects, enabling more effective classification and enhancing radar system capabilities in complex operational environments. This thesis examines the capability of a noise radar operating within the frequency band used by ship radars in maritime environments to distinguish small airborne targets based on range, velocity, and micro-Doppler signatures. Radar responses were collected from a DJI Matrice 100 drone and seagulls using an X-band pulse radar, operating at various pulse repetition frequencies, compliant with the maritime radar frequency band designated by the International Telecommunication Union (ITU). The collected radar responses were processed using signal processing techniques to extract range profiles and range-Doppler profiles of the specified targets. Beyond classical radar signal processing methods, joint time-frequency analysis was conducted to derive the micro-Doppler characteristics of the targets. This analysis was achieved by applying the Short-Time Fourier Transform (STFT) to the range cells corresponding to the drone's position. The findings of this study highlight the effectiveness of noise radar in detecting and classifying small airborne targets in maritime environments, providing valuable insights for enhancing radar performance and addressing the challenges of target discrimination in such operational contexts. In conclusion, this approach not only facilitates the detection of small targets with low RCS but also provides new insights that can contribute to the classification of targets. The analysis of spectrograms obtained using the Short-Time Fourier Transform revealed that the micro-Doppler patterns of drones and seagulls exhibit distinct characteristics, which can be profited by in the target classification process. Examination of the drone spectrograms highlighted frequent and regular lines along the Doppler and time axes, attributed to the high-speed rotation of the propellers. In contrast, the spectrograms of seagulls displayed more irregular and shorter dispersions caused by wing-flapping motions. Considering that the noise radar employed in the measurements exhibits typical features of ship radars, the study demonstrates an effective analysis method for extracting the micro-Doppler signatures of drones and seagulls performing various maneuvers in a maritime environment. These findings underline the potential of micro-Doppler analysis as a valuable tool for enhancing the detection and classification capabilities of radar systems in complex operational settings.
Benzer Tezler
- GF 22nm FDSOI power management unit with integrated SRAM design
Entegre SRAM tasarımlı GF 22nm FDSOI güç yönetim birimi
MAHMUT ÇOBAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEKİN
- X-band hybrid front-end receiver module design for spaceborne synthetic aperture radar applications
Sentetik aralıklı radar uzay platformlarına uygun x-bant hibrid ön uç RF modülü tasarımı
ARİF EKİN UZUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDEF KENT PINAR
- An input matched X-Band balanced low noise amplifier design and implementation using discrete transistors
Ayrık transistörler kullanılarak X-Bantta giriş empedans uyumlu, dengeli ve düşük gürültülü yükselteç tasarımı ve gerçeklenmesi
ÇAĞDAŞ BALLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
DR. TARIK REYHAN
- Design and analysis of X-band cavity magnetron
X bant kavite magnetron tasarımı ve analizi
TÜRKER İSENLİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KORKUT YEĞİN
- Doğrusal anten dizileri için ölçeklenebilir örtüşen alt-dizi mimarisi ile X-bant hüzme yönlendirme sistemi
A scalable X-band overlapped subarray beamformer for linear phased array antennas
YASİN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER