Yüzey dalgalı yüksek frekans radarları

Yüksek frekans (HF) sinyalleri 3-30 MHz bandını kapsayan, uzun mesafeli radyo ve modem iletişiminde geçmişten beri kullanılan sinyallerdir. Bu bantta yer dalgası ve gök dalgası olmak üzere iki yayılım kipi geçerlidir. İyonosfer katmanı gök dalgası kipinde elektromanyetik dalgalara yansıtıcı ve taşıyıcı bir ortam oluştururken yer dalgası kipinde örneğin, iletken deniz yüzeyi iyi bir yayılım ortamı sağlar. Yüzey Dalgalı Yüksek Frekans (YDYF) Radarları yer dalgası yayılımından yararlanır ve deniz yüzeyinden iletilen, deniz yüzeyinin kendisinden ve denizdeki bir platformdan geri saçılan elektromanyetik dalgaların algılanması temeline dayanır. Deniz yüzeyinden yansıyan sinyallerin analizi ilk defa 1955 yılında Chrombie tarafından yapılmıştır. Yansıma sinyalleri, Bragg saçılımı olarak adlandırılan ve yayılan elektromanyetik dalganın dalga boyunun yarısı ile aynı aralığa sahip deniz dalgalarından geri saçılma sonucu yüksek genlikle alınan rezonans sinyalleri ile bu saçılmaların ikincil ve daha yüksek derecedeki yansımalarından oluşan diğer sinyallerin birleşiminden oluşmaktadır. Deniz dalgalarının temelde harmonik hareket yaparak devinmesi sonucu rezonans sinyalleri Doppler spektrumunda dar bantlı yüksek güçlü bileşenler, yüksek dereceli yansıma sinyalleri ise düşük güçlü yayvan bileşenler olarak gözlenir.

YDYF Radarları yapısal olarak verici ve alıcı anten dizi sistemlerine sahiptir ve dizi sinyal işleme teknikleri bakımından iki gruba ayrılırlar. Birincisi anten huzmesinin sayısal yolla oluşturularak döndürülmesi ile çalışan faz dizili sistemler, ikincisi sayısal yön bulma teknikleri uygulayan sistemlerdir. Bazı ticari sistemlerde her iki teknik de uygulanmaktadır. Günümüzde, yön bulma ile çalışan sistemler deniz meteorolojik ölçümlerin gerçekleştirilmesinde kompakt yapıları nedeniyle yaygın olarak kullanılmakta, deniz platformlarının izlenmesinde ise denemeleri sürdürülmektedir. Faz dizili sistemler deniz meteorolojik ölçümlerde kullanıldığı gibi deniz, liman trafiğinin izlenmesinde ve askeri amaçlarla kullanılmaktadır.

YF Radarların Kullanım Alanları

YDYF Radarları dünyada birçok ülkede deniz meteorolojik ölçümler için yaygın şekilde kullanılmaktadır. Radar verilerini ve en iyi deneyimlerini paylaşmak amacıyla Ülkemizin de içinde olduğu Dünya YF Radar Ağı üç bölgeyi temsilen 2012 yılında kurulmuştur. Birinci bölge Avrupa, Afrika ve Orta Doğu’yu kapsamaktadır. Avrupa’da 2021 yılı sonunda 70’e yakın YDYF Radarı aktif durumdadır. EuroGOOS YF Radar Takımı 2014 yılında kurulmuş ve Avrupa’daki radarların dünyadaki görünürlüklerini artmıştır. İkinci bölge Kanada, Amerika ve Güney Amerika ülkelerini kapsamakta, 176 radar Ağa gerçek zamanlı veri aktarmaktadır. Üçüncü bölge Asya ve Avusturalya’daki 110 radarı kapsamaktadır. Bölgede yalnızca Kore takribi 45 YDYF Radarı çalıştırmaktadır.

Öte yandan YDYF Radarları arama kurtarma çalışmalarında, tsunami alarmında, deniz ulaşımı güvenliğinde, petrol kirliliğine müdahalede, deniz kirliliği tayininde, çevre değişimlerinin takibinde kullanılmaktadır. Gelişmiş ülkelerde askeri amaçla ufuk ötesi menzilde hedef tespit ve takip için kullanılmaktadır. Birkaç bin kilometre menzile sahip Gök Dalgalı Radarlar ise soğuk savaş döneminde kıtalar arası füzelerin tespitinde kullanılmıştır.

YDYF Radarın Farklı Yanları ve Kaplama Diyagramları

YDYF Radarlarını diğer radarlardan ayıran temel özellik, yararlandığı elektromanyetik dalgaların yüzey dalgası olarak yayılması ve bu yayılımın avantajlarından yararlanmasıdır. Yüzey dalgaları yer dalgalarının bileşenlerinden biridir. Yer dalgaları, kaynak ile hedef arasındaki doğrudan görüş hattında yayılan direkt dalga, dalganın yansıyarak hedefe ulaştığı yansıyan dalga ve hava ile yer arasındaki empedans farklılığından dolayı kılavuzlanmış dalga olan yüzey dalgası bileşenlerinden oluşur (Şekil-1). Dünya yuvarlaklığının etkisiyle ve kaynakla hedefin yüksekliklerinin de yere yakın olduğu durumlarda direkt ve yerden yansıyan dalgalar ihmal edilebilir, yer dalgası sadece yüzey dalgası haline gelir.

YDYF Radarları YF bandının üst sınırı olan 30 MHz’e kadar kullanılan endüstriyel ürünlerden olup, özellikle deniz suyunun iletkenliğinin avantajı sayesinde, diğer radarların ulaşamadığı ufuk ötesi mesafelere kadar ulaşabilmektedir. Yüzey dalgalarının ada arkasındaki toparlanma etkisi, YDYF Radarlarına diğer radarlarda olmayan önemli bir özellik kazandırmaktadır. Adaya çarptığında kırılan ve adanın üstünden yayılan yüzey dalgası, ada arkasında gölgede kalan bir alandan sonra tekrar toparlanarak yayılıma devam eder (Şekil-2). YF bandının ilk çeyreğindeki frekansa sahip radarlar uzun menzilleri ve toparlanma sayesinde diğer radarlara göre daha uzun kaplama alanlarına sahiptir ve kıyı şeridinden başlayarak 400 km menzile ulaşabilirler.

Anten Yapıları ve Yerleşimi

YDYFR Radarların nesnelerin uzaklığını ve yönünü tespit edebilmek için dar bir elektromanyetik huzmeye sahip olmaları ve huzmelerini nesnenin yönüne doğru çevirebilmeleri gerekmektedir. Antenlerin boyutları büyüdükçe mekanik olarak antenleri istenen doğrultuya döndürmek mümkün değildir. YDYF Radar sistemlerinde çözüm için birçok antenin doğrusal veya düzlemsel bir biçimde dizilmesiyle elde edilen faz dizili sistemler kullanılmaktadır. Dizinin elemanları arasındaki faz farkından yararlanılıp dizi işleme algoritmaları ile belirli bir yönde ve dar bir huzme içinde kalan sinyaller algılanır. Bu sistemlerde dizinin huzme genişliği diğer bir deyimle açısal çözünürlük dalga boyu ve dizi uzunluğu arasındaki oran ile ifade edilir.

YDYFR Radarları alıcı ve verici antenlerinin konumuna göre monostatik ve bistatik olarak temel iki gruba ayrılır. Monostatik radarlarda alıcı ve verici antenleri birbirine yakın mesafededir. Monostatik radar sisteminin aksine bistatik radarlarda alıcı ve verici antenleri önemli bir mesafe ile ayrılmıştır. Bistatik radarlarda yayılan elektromanyetik dalganın doğrudan alıcıları etkilemesi ve doyuma uğratmasının önüne geçilebilir. Monostatik bir radara alıcı dizisi ilave edilerek bistatik özellik de kazandırılabilir. Böylece bir radar sistemi hem monostatik hem de bistatik olarak işlevini gerçekleştirebilir. Bir verici ile çok sayıda ayrı alıcı kullanıldığı durumlarda ise bu yapıya multistatik radar adı verilir. Şekil-3’te bir monostatik YDYF Radarının kurulum yerleşkesi temsil edilmektedir.

Modülasyon Tipi

YDYFR Radarlarında darbeli ve frekans modülasyonlu sürekli dalga (FMCW) modülasyon tipleri kullanılır. FMCW modülasyonu tanımladığı menzil çözünürlüğü ile menzil ve hız verisinin eş zamanlı olarak ölçülmesini sağlayan bir tekniktir. Yüksek işaret-gürültü-oranı (SNR) değerlerine ulaşabilmeyi sağlayan FMCW modülasyonu, darbeli modülasyonundan tamamen farklıdır. Frekansı doğrusal olarak değişen sürekli bir dalganın üretilmesi ve yayılımı ile darbeli radar sinyali tarafından yayılan enerjiden çok daha büyük bir enerji yayılmış olur. Yayılan sinyal ile hedeften saçılarak gelen sinyal arasında bir frekans farkı oluşur ve bu fark hedef menzilini doğrudan temsil eder. Yansıtıcı nesne alıcı antene göre radyal bir hıza sahipse, saçılma sinyali (hızdan kaynaklanan) bir Doppler frekansı oluşturur. Radar yalnızca referans frekansla bir farkı değil, ek olarak Doppler frekansı da ölçer. Ölçülen Doppler frekansı üzerinden hedefin radyal hızı hesaplanır. Kesikli frekans modülasyonlu sürekli dalga (FMICW) modülasyonu ise FMCW modülasyonu geliştirmek üzere uygulanan bir tekniktir. Temel olarak izolasyonu ve hassasiyeti artırmak için kullanılır. FMICW radar ışımasının belli bir zaman süresince durdurulması/kesilmesi ile elde edilir. Bu sayede radarın yaydığı enerji azaltılırken bu azalmaya bağlı olarak SNR değeri de kısmen azalır.

Algoritmalar

YDYFR Radarları temelde sahip oldukları bant genişlikleriyle menzil çözünürlüğü sağlarken, yatay açıda da algoritmalar aracılığı ile açısal çözünürlük sağlarlar. YDYFR Radarları bir geri yansıma sinyalinin yönünü bulabilmek için klasik ve alt uzay tabanlı varış-yönü kestirim algoritmalarından yararlanır. Klasik yöntemler sinyallerin istatistiksel bilgisini kullanmadan huzme oluşturma işlemlerine dayanır. Bu yöntemlerde anten dizisi fiziksel olarak hareket ettirilmeden, alınan sinyallerin genlikleri ve fazları bir döndürme vektörü ile çarpılarak, dizinin ışıma diyagramı yansıma doğrultusunda en yüksek kazancı sağlayacak şekilde yönlendirilir. Böylece huzmenin ilgili doğrultularda yüksek değer alarak kazancının sabit kalması, diğer doğrultularda ise huzme sıfırları yerleştirilerek istenmeyen işaretlerin filtrelenmesi sağlanır. Alt uzay tabanlı yöntemlerde ise sinyal alt uzayının gürültü alt uzayına dik olmasından yararlanılarak varış-yönü belirlenir. Bunlar anten dizisinden alınan işaretlerin eşdeğişinti matrisinin öz değer ayrışımını yaparak çoklu işaret sınıflandırması yapabilen yüksek çözünürlük algoritmalarıdır. Alt uzay tabanlı yöntemler gürültü alt uzay vektörü ile sinyal tarama vektörünün dikliğinden yararlanarak birbirine çok yakın sinyal kaynaklarının dahi ayrımını yapabilirler. Bu algoritmalar yüksek hesaplama maliyetine rağmen çok iyi çözünürlük ve doğruluk sağlayabildikleri için yön bulmada tercih edilmektedir. Klasik hüzme şekillendirme yöntemlerine geleneksel ışın huzmeleme (CBF), minimum varyanslı bozunumsuz tepke (MVDR), alt uzay tabanlı yöntemlere ise çoklu sinyal sınıflandırması (MUSIC) ve kök-çoklu sinyal sınıflandırması (Root-MUSIC) algoritmaları örnek olarak verilebilir.

Yazılım Arayüzleri ve Veri Ürünleri

YDYFR Radarlarının parametrelerinin, tüm işlevlerinin ve bilgilerinin kullanıcıya sunulması radar ekranları ile gerçekleşmektedir. Deniz meteorolojik ürünlerin hesaplanması amacıyla işletilen YDYF Radarlarında yüzey akıntı hızı ve dalga yüksekliği haritaları, yönlü ve yönsüz deniz dalga spektrumları, rüzgâr hızı ve yönü kestirimleri grafik arayüzler vasıtasıyla sunulmaktadır. Hedef takibi amacıyla sunulan bilgilerin başında ise radarın algıladığı hedef detayları gelmektedir. Hedef bilgileri, hedefin ayırt edilebilmesi için bir hedef numarasını, hangi konumda bulunduğunu saptamak için enlemini ve boylamını, süratini, radarın merkezine ne kadar uzaklıkta olduğunu anlamak için menzilini, rotasını ve benzeri bilgileri içerebilmektedir. Hedef bilgilerinin farklı sembollerle görselleştirilmesiyle radar ekranları oluşturulmaktadır. Radar arayüzünde anten durumları gibi birçok görselleştirme seçeneğinin yanında temel grafiklerden bir tanesi PPI Skop radar ekranıdır. PPI ifadesi plan, pozisyon ve indikatör kelimelerinden oluşmaktadır. Geri yansıma ve yön bulma işlemleri ile elde edilen radar verileri PPI Skop radar ekranında menzil bilgisi ve yatay açıya (yanca) göre sergilenmektedir. YDYF Radarları sahip oldukları yüksek çözünürlüklü Doppler radarı özelliklerinden dolayı diğer radarlardan farklı olarak kullanıcıya Menzil-Doppler düzlemleri sunmaktadır. Menzil-Doppler düzleminde sunulan iki boyutlu imaj radarın topladığı ham verilerin Fourier dönüşümü yardımıyla işlendikten sonra görselleştirilmesiyle oluşmaktadır. Menzil-Doppler düzlemleri menzil ve hız eksenlerinden oluşan, ilgili yönün detaylı bir kesitini gösteren, ayrıca üzerinde Bragg yansımaları ve hedef tespiti yapılabilen grafiklerdir.

Sonsöz

YDYF Radarları tüm dünyada uygun maliyetli, verimli araçlar olarak kabul görmekte ve oşinografi, deniz ticaret yolları ile münhasır ekonomik bölgelerin kontrolleri gibi bilimsel, ekonomik veya askeri amaçlarla kullanılmaktadır. YDYF Radarları arama ve kurtarma, deniz trafiği, kaçakçılık ve korsan gemilerin tespiti, deniz kazaları ve petrol sızıntısı durumlarında hızlı müdahale ve kaynak yönetimi gibi faaliyetleri destekleyen gerçek zamanlı veriler sağlar. YDYF Radarlarının diğer uygulamaları arasında deniz durumunun ve rüzgârın haritalanması, tsunami erken uyarı sistemleri, gemi tespiti ve takibi yer alır. YDYF Radarları ve küresel ağları sayesinde kapsamlı deniz meteorolojik parametreler ölçülerek ve modelleme yapılarak insanlığın engin dünya denizlerine hâkimiyetinde önemli gelişmeler sağlanmaktadır.