PENDAHULUAN DESAIN 1. Pemodelan Sinyal yang Dipancarkan dan

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 Diterima Persamaan gelombang Helmholtz yang dapat diturunkan dari persamaan Maxwell untuk propagasi gelombang datar di dalam medium yang lossy digunakan untuk memodelkan sifat gelombang di dalam tanah. Solusi persamaan gelombang Helmholtz untuk medan listrik adalah sebagai berikut: 7 adalah kuat medan listrik awal, adalah konstanta propagasi yang terdiri dari komponen riil dan imajiner yaitu α sebagai konstanta redaman dan sebagai konstanta fasa. Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa sinyal yang merambat melalui medium yang lossy akan mengalami redaman dan pergeseran fasa. 3.2. Spesifikasi 3.2.1. Pemancar Untuk mendapatkan resolusi yang tinggi diperlukan SFCW-GPR dengan bandwidth yang lebar. 69 Pada simulasi ini frekuensi yang digunakan adalah 700 – 1398.5 MHz. Di dalam tanah dengan permitivitas relative dan bandwidth 698.5 MHz, memberikan resolusi jarak: 8 Nilai permitivitas relatif diambil karena nilai tersebut merupakan nilai permitivitas relatif pasir yang terdapat di GPR Test Range milik Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro ITB. 3.2.2. Frequency Stepsize Frequency stepsize, , adalah selisih jarak antara frekuensi ke-i dengan dengan frekuensi ke- i+1 . Frequency stepsize dari simulasi ini adalah: 9 Untuk adalah jumlah frequency step dipilih 128 karena beberapa pertimbangan. Pertama, berhubungan dengan proses IFFT. Proses IFFT akan lebih cepat jika jumlah sample-nya merupakan kelipatan pangkat 2 yaitu dengan untuk menghasilkan angka 128. Kedua, berhubungan dengan jarak unambiguous yaitu: 10 Jarak ini sudah cukup untuk aplikasi GPR. Dan pertimbangan ketiga adalah karena keterbatasan memori dari komputer yang digunakan untuk simulasi. 3.2.3. Daya Pancar Daya pancar disesuaikan dengan hardware yang tersedia terutama power amplifier. Power amplifier yang digunakan memiliki spesifikasi daya output maksimum pada 1dB compression sekitar 20 dBm. Dengan kata lain daya pancar maksimum dari transmitter tidak akan lebih dari nilai tersebut.

3.2.4. Propagasi di Medium Kanal

Spesifikasi propagasi di medium akan menentukan seberapa besar sinyal akan teredam setelah melewati medium sebagai fungsi frekuensi. Untuk menentukan seberapa besar redaman dalam medium kita gunakan persamaan radar yang sudah dimodifikasi untuk GPR yaitu: 11 Dengan adalah daya yang diterima, adalah daya yang dipancarkan, dan masing-masing gain antenna pemancar dan antenna penerima, adalah panjang gelombang dalam medium, adalah radar cross section, adalah konstanta redaman yang nilainya sama dengan sedangkan adalah skin depth, dan adalah jarak ke target. Untuk menghitung redaman antenna dianggap sebagai antenna isotropis. Persamaan redaman pada medium adalah: 12 Dengan adalah panjang gelombang di medium yang nilainya dinyatakan oleh: 13 14 konduktivitas Dan adalah radar cross section yang nilainya dinyatakan oleh: 15 jari-jari benda target Persamaan radar cross section menggunakan persamaan 15 karena benda target dianggap berbentuk seperti bola sehingga nilainya hanya ditentukan oleh dimensi benda.

3.2.5. Penerima

Sistem penerima menggunakan arsitektur homodyne . Pemilihan arsitektur homodyne karena lebih sederhana daripada heterodyne dan karena lebih sederhana sehingga relatif lebih murah. Arsitektur homodyne dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini. Gambar 2: Arsitektur homodyne Radar homodyne merupakan system yang mendeteksi sinyal secara sinkron menggunakan sinyal 70 asli yaitu sinyal yang dipancarkan dalam hal ini yang berasal dari frequency synthesizer. Hal ini diperoleh dengan me-mixing sinyal yang diterima dengan duplikat sinyal yang dipancarkan seperti tampak pada gambar di atas. Keluaran mixer terdiri dari sinyal DC dan dua kali dari sinyal yang dipancarkan. Sinyal ini kemudian dilewatkan melalui low pass filter untuk mendapatkan informasi komponen DC. 3.3. Ringkasan Spesifikasi Desain Tabel 1. Parameter Simbol Rumus Nilai Frekuensi start 700 MHz Frekuensi stop 1398.5 MHz Bandwidth 698.5 MHz Jumlah frekuensi step 128 Frekuensi step 5.5 MHz Resolusi jarak 9.5 cm Resolusi waktu 1.43 ps Jarak maksimum unambiguous 12.07 m 71

4. SIMULASI DAN HASIL SIMULASI