Desain dan Simulasi Transceiver Stepped Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar SFCW GPR 700 – 1400 MHz
Tommi Hariyadi, Endon Bharata, Andriyan Bayu Suksmono
Teknik Elektro – ITB LTRGM Jl. Ganesha No. 10 Bandung – INDONESIA
Telp. 022 2501661 Fax. 022 2534133 email: tommi, endonb, suksmonoltrgm.ee.itb.ac.id
ABSTRAK
Stepped Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar SFCW-GPR merupakan alternatif realisasi perangkat transceiver GPR yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan GPR yang
menggunakan impuls. Dalam tulisan ini akan dipaparkan langkah-langkah desain dan simulasi SFCW-GPR. Transceiver menggunakan arsitektur homodyne karena biayanya relatif murah dan lebih sederhana. Dalam
simulasi ini medium dianggap homogen. Untuk menggambarkan adanya suatu target pada kedalaman tertentu penulis menggunakan waktu tunda. Hasil yang diperoleh dari simulasi ini adalah A-scan dari transceiver
SFCW-GPR. Karena ketidakidealan komponen hardware menyebabkan pergeseran fasa. Oleh karena itu perlu dilakukan kalibrasi terlebih dahulu sebelum dilakukan pengukuran. Kemudian hasil pengukuran di-offset
dengan hasil kalibrasi sehingga diperoleh data yang mendekati sebenarnya. Kata kunci: Stepped Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar, transceiver, homodyne, IFFT, A-
scan.
1. PENDAHULUAN
Radar penembus permukaan GPRGround Penetrating Radar
adalah suatu alat pencitra gelombang elektromagnetik EM yang mampu
“melihat” benda-benda di bawah permukaan tanah atau dibalik dinding.
Secara prinsip ada dua macam teknologi pancaran radiasi EM yang bisa dipakai untuk
membuat radar, yaitu pancaran impuls dan pancaran gelombang kontinyu. Tulisan ini akan menjelaskan
GPR yang dibuat berdasarkan prinsip kedua, yakni radar dengan teknik SFCW Stepped-Frequency
Continuous Wave
. Untuk kepentingan praktis tertentu yang
memerlukan resolusi tinggi, durasi impuls efektif yang diperlukan haruslah sangat singkat sampai orde
sub-nano detik. Sumber impuls yang demikian sulit untuk dibuat atau dicari, sangat mahal, memerlukan
rangkaian RF yang tidak sederhana, dan perlu penguat daya yang tidak mudah dibeli. Masalah ini dapat
diatasi dengan teknik SFCW, meskipun akan meningkatkan waktu akuisisi data dan pengolahan
sinyal. Teknik multipleksing ruang-frekuensi, dimana beberapa frekuensi dapat dipancarkan secara serempak
pada beberapa titik koordinat spasial sekaligus dapat dipakai sebagai pilihan dalam mengatasi masalah
kecepatan pencitraan. Disamping itu, perkembangan mutakhir dari teknik pencitraan kompresif juga
menjanjikan solusi bagi masalah yang sangat mendasar ini.
2. TEORI DASAR
2.1. Stepped Frequency Continuous Wave Radar
Frequency-stepping merupakan teknik modulasi yang digunakan untuk meningkatkan
bandwidth total dari suatu radar. Radar yang menggunakan stepped frequency, masing-masing
sinyal frekuensinya dinaikkan secara linier dengan frequency step diskrit tertentu.
Bentuk gelombang dari SFCW radar terdiri dari sejumlah N sinyal koheren dengan frekuensi
dinaikkan secara linier dengan kenaikan frekuensi tertentu
Δf. Frekuensi sinyal ke-N dapat dituliskan sebagai:
1 Dengan
adalah frekuensi awal, adalah ukuran
frequency step , dan nilai i adalah
. SFCW radar menentukan jarak suatu benda
dari pergeseran fasa sinyal yang dipantulkan oleh benda. SFCW radar menentukan jarak ke target
dengan meng-konstruksi profil jarak sintetik dalam domain waktu menggunakan Inverse Fast Fourier
Transform
IFFT.
2.2. Prinsip Kerja GPR
Citra benda yang diperoleh sistem radar secara umum pada dasarnya merupakan sekumpulan
pantulan gelombang EM sebagai fungsi dari posisi dan
68
sifat benda pemantul. Untuk sebuah radar ideal, impuls radar dapat dianggap sebagai suatu fungsi delta
dirac δt. Bagian pengirim Tx memancarkan impuls
δt, kemudian impuls akan mengenai objek dimana sebagian gelombang akan dipantulkan kembali dan
akhirnya sampai ke sistem penerima Rx. Sinyal yang diterima ini bisa dinyatakan sebagai
δt-Δt. Karena kecepatan gelombang EM dalam medium tertentu
telah diketahui, maka jarak antara antenna ke benda dapat dihitung berdasarkan waktu tunda.
Sebuah impuls dapat dibangkitkan melalui dua cara, yaitu: 1 pembangkitan pada kawasan
waktu, dan 2 pembangkitan pada kawasan frekuensi. Cara 1 disebut juga cara langsung, sedangkan cara
2 adalah cara yang tidak langsung dengan sintesa tanggapan frekuensi.
Tinjau suatu fungsi waktu atau sinyal kontinyu st. Penguraian sinyal ini kedalam
komponen frekuensi dilakukan dengan transformasi Fourier sebagai berikut:
2 3
Dengan adalah frekuensi angular dan
adalah bilangan imajiner. Teknik SFCW berhubungan langsung dengan
sintesis Fourier. Dalam hal ini, sinyal s diperoleh dengan terlebih dahulu mengukur nilai S sebagai
fungsi frekuensi. Karena pada umumnya S bernilai kompleks, sintesis s memerlukan magnitudo maupun
fasa dari S. Sehingga pada sisi implementasi sistem deteksi sinyal harus dibuat sedemikian hingga
komponen magnitudo dan fasa, atau bagian riil dan imajiner bisa didapatkan.
2.3. Teknik Sintesa Frekuensi untuk Radar
Nilai S hanya dapat diperoleh untuk sekumpulan frekuensi yang berubah secara diskrit.
Dengan demikian, proses yang sebenarnya lebih sesuai untuk memodelkan sistem radar SFCW adalah
analisis dan sintesis sinyal dengan transformasi Fourier diskrit DFT sbb:
4
5 Sintesa untuk membentuk impuls dilakukan dengan
persamaan 5, sedangkan koefisien Fourier S
k
yang bernilai kompleks diperoleh dari pengukuran
magnitudo dan fasa gelombang pantul. Indeks k menyatakan urutan frekuensi ke-k dari sinyal.
Gambar 1: Konstruksi dasar sistem SFCW-GPR
Diagram blok sederhana dari sistem SFCW- GPR diperlihatkan pada gambar 1. Pada gambar
tersebut, sekumpulan gelombang dengan frekuensi tertentu
dibangkitkan oleh frequency synthesizer dan dipancarkan secara berurutan melalui antena.
Penerima akan menangkap pantulan gelombang melalui antena penerima untuk di-demodulasi dengan
IQ demodulator . Hasilnya adalah sinyal I
k
inphase dan sinyal Q
k
quadrature yang secara bersama-sama membentuk koefisien Fourier kompleks:
6 Setelah dicuplik dengan ADC, pengolah sinyal akan
merekonstruksi sinyal kawasan waktu dengan
algoritma IDFT.
3. DESAIN 3.1. Pemodelan Sinyal yang Dipancarkan dan
