PROGRAM SIMULASI UNTUK PEMROSESAN KECEPATAN PESAWAT TERBANG DENGAN PERGESERAN DOPPLER TUGAS AKHIR - Pemrosesan kecepatan pesawat terbang dengan pergeseran doppler - USD Repository

  

PROGRAM SIMULASI UNTUK PEMROSESAN KECEPATAN

PESAWAT TERBANG DENGAN PERGESERAN DOPPLER

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Program Studi Teknik Elektro

Oleh:

Nama : Robertus Bellarmino Oscar Ariswasana

  

NIM : 025114078

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

  SIMULATION PROGRAM FOR AN AIRPLANE VELOCITY PROCESSING WITH DOPPLER SHIFT FINAL PROJECT Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree In Electrical Engineering Study Program By: Name : Robertus Bellarmino Oscar Ariswasana Student Number : 025114078 ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING SANATA DHARMA UNIVERSITY

HALAMAN PERSEMBAHAN

  

Kupersembahkan karya tulis ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus atas penyertaan dan bimbingannya

Bapak dan Ibu Tercinta atas segala dukungan, semangat serta doa

  

Kedua saudaraku tercinta Paska dan Icha

Almamaterku Teknik Elektro USD

HALAMAN MOTO

  

Semakin tinggi kita memanjat pohon

Semakin besar angin yang menerpa

Tapi kita dapat jauh melihat sekitar

Seperti pucuk padi

  

Semakin tinggi

Semakin menunduk

  

INTISARI

  Pendeteksian jarak jauh atau disebut dengan Radar, biasa digunakan di bandara untuk pengaturan lalu lintas udara yang meliputi pendeteksian tinggi, kecepatan dan jarak dari pesawat terbang. Dalam pendeteksian kecepatan pesawat terbang, bandara menggunakan prinsip pergeseran Doppler. Efek Doppler menjelaskan bahwa target yang mendekati peninjau akan menerima frekuensi yang lebih besar daripada target yang menjauhi peninjau. Frekuensi yang diterima oleh radar dari pantulan target adalah hasil penjumlahan dari frekuensi carrier yang dipancarkan dan frekuensi Doppler. Program simulasi pemrosesan kecepatan pesawat terbang dengan pergeseran Doppler ini dirancang untuk mengetahui kecepatan pesawat terbang.

  Program akan memancarkan sinyal pulsa dan menampilkan bentuk sinyal tersebut dengan spesifikasi masukan dari pengguna yang berupa Band Frekuensi, Frekuensi Carrier, Lebar Pulsa, Frekuensi Pengulangan Pulsa (PRF), dan perpindahan posisi target pada axes. Program selanjutnya akan menghitung time

  

travel , jarak target, kecepatan target dan frekuensi Doppler. Untuk mengetahui

  kecepatan target dan frekuensi Doppler, program akan mengambil posisi target yang dipilih pengguna dan posisi target sesudahnya.

  Program simulasi untuk pemrosesan kecepatan pesawat terbang dengan pergeseran Doppler telah diimplementasikan dan dilakukan pengujian untuk mengamati hasil perancangan. Dari hasil pengujian tersebut, program simulasi ini telah bekerja dengan baik. Kinerja dari program ini ditentukan berdasarkan hubungan antara masukan pada program dan kecepatan yang merupakan hasil program. Hasil yang diperoleh adalah frekuensi carrier dan frekuensi Doppler yang meningkat yang mengakibatkan kecepatan yang semakin tinggi. Frekuensi Doppler jauh lebih kecil dari pada frekuensi carrier. Agar memperoleh nilai frekuensi Doppler yang stabil, frekuensi carrier dan kecepatan target juga harus stabil.

  Kata kunci : Pergeseran Doppler, kecepatan target, radar

  

ABSTRACT

  Remote detection or known as Radar, commonly use in airport for air traffic control that cover detection of height, velocity and range from the airplane. In velocity detection of airplane, airport applies Doppler shift principle. Doppler Effect explains that target that is moving toward to the observer will receive larger frequency than target moving away from the observer. Frequency received by radar from target reflection is resulted by adding carrier frequency that was transmitted and Doppler frequency. Simulation program of velocity processing of airplane with Doppler shift is designed to understand the airplane velocity.

  This program will transmit pulse signal and display the waveform according to the user’s specification input, which are Frequency Band, Carrier Frequency, Pulse Width, Pulse Repetition Frequency (PRF), and displacement of target position on axes. This program calculates time travel, target velocity and Doppler frequency. To understand the target velocity and Doppler frequency, program will take the target position of user’s choice and the next position of the target.

  Simulation program for an airplane velocity processing with Doppler shift was implemented and tested to observe the scheme result. From this test, simulation program has been worked well. The performance of the program is determined based on the relation between program’s inputs and the velocity as the result of the program. The results are carrier frequency and the increment of Doppler Frequency resulting a velocity increment. Doppler Frequency much smaller than frequency carrier. To obtain a stable Doppler frequency value, carrier frequency and velocity of targets have to be stable.

  Keyword : Doppler shift, velocity of target, radar

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas Anugerah-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

  Dalam proses penulisan Tugas Akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu banyak pihak yang telah memberikan perhatian dan bantuan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Tuhan Yesus atas penyertaan dan bimbingannya.

  2. Bapak Ir. Greg. Heliarko, S.J., B.S.T., M.A., M.Sc, selaku dekan fakultas teknik.

  3. Bapak Damar Widjaya, S.T., M.T. selaku pembimbing atas ide-ide yang berguna, bimbingan, dukungan, saran dan kesabaran bagi penulis dari awal sampai Tugas Akhir ini bisa selesai.

  4. Bapak Bayu Primawan, S.T., M.Eng., Ir. Iswanjono, M.T., dan B. Djoko Untoro S., SSi., M.T. selaku penguji yang telah bersedia memberikan kritik dan saran.

  5. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  DAFTAR ISI

  JUDUL ................................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN................................................................ iii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ........................... v HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................ vi HALAMAN MOTO .............................................................................. vii

  INTISARI ............................................................................................... viii ABSTRACT ........................................................................................... ix KATA PENGANTAR ........................................................................... x DAFTAR ISI .......................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xvi DAFTAR TABEL .................................................................................. xix DAFTAR CONTOH .............................................................................. xx BAB I PENDAHULUAN ..............................................................

  1 1.1. Latar Belakang ...........................................................

  1 1.2. Tujuan Penulisan Tugas Akhir ..................................

  2 1.3. Manfaat Penulisan Tugas Akhir ................................

  3 1.4. Batasan Masalah ........................................................

  3

  BAB II DASAR TEORI .................................................................

  5 2.1. Komponen Dasar dari Sistem Radar ..........................

  5 2.1.1. Data Processing System..................................

  5 2.1.2. Signal Generator .............................................

  6 2.1.2.1. Pulsa Radar ......................................

  6 2.1.3 Signal Processor .............................................

  7

  2.1.3.1. Analog to Digital Converter (ADC)

  10 2.1.3.2. Matched Filter ..................................

  11 2.1.3.3. Detection Processor .........................

  12 2.1.3.4. Postprocessor ...................................

  13 2.1.4. Antena ............................................................

  13 2.2. Parameter yang Dihitung oleh Radar .........................

  13 2.2.1. Range dan Resolusi Range .............................

  14 2.2.2. Doppler Filtering ............................................

  15 2.3. Velocity Processing ...................................................

  16 2.3.1. Moving Target Indication (MTI) ...................

  16 2.3.2. Canceller ........................................................

  16 2.3.3. Pergerakan Target ..........................................

  17 2.4. Transformasi Fourier Diskret ....................................

  18 2.4.1. Transformasi Fourier .....................................

  18 2.4.2. Discrete Fourier Transform (DFT) ................

  19 2.4.3. Fast Fourier Transform (FFT).........................

  20

  2.4.5. Korelasi ...........................................................

  25 2.4.5.1. Fast Correlation ...............................

  29 2.4.6. Konvolusi ........................................................

  30 2.4.6.1. Sifat-sifat Operasi Konvolusi ..........

  33 2.4.6.2. Fast Convolution ..............................

  34 2.5. Layout pada Matlab ...................................................

  34 BAB III PERANCANGAN PROGRAM SIMULASI UNTUK

  VELOCITY PROCESSING DENGAN DOPPLER SHIFT .................................................................................

  36 3.1. Perancangan Program Pemrosesan Kecepatan ..........

  36 3.1.1. Merancang Sinyal ..........................................

  37 3.1.2. Menentukan Posisi Target .............................

  40 3.1.3. Menghitung Jarak Target dan Time Travel ....

  40 3.1.4. Merancang Sinyal Echo ..................................

  43 3.1.5. Mengubah Sinyal Analog ke Digital ..............

  43 3.1.6. Mengurangi Noise dengan Matched Filter ....

  46 3.1.7. Menghitung Kecepatan Target .......................

  46 3.2. Layout Program .........................................................

  48 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .........................................

  50 4.1. Tampilan Program .....................................................

  50

  4.3. Hubungan Antara Perubahan Kecepatan Target Terhadap Frekuensi Doppler dan Frekuensi Carrier .......................................................

  59

  4.4. Hubungan Antara Perubahan Kecepatan Target Terhadap Frekuensi Doppler dan Sudut yang Dibentuk Pergerakan Target dengan Radar ...............

  60 BAB V PENUTUP ...........................................................................

  63 5.1. Kesimpulan ................................................................

  63 5.2. Saran ..........................................................................

  63 DAFTAR PUSTAKA

  LAMPIRAN

  DAFTAR GAMBAR

  (b) Menjauh .................................................................. 17

Gambar 2.11. Masukan impuls dan tanggapan impuls yang sesuai pada sistem .............................................................................Gambar 2.10. Bentuk gelombang yang tidak sefase yang dikorelasikan 100 % dengan nol korelasi saat nol lag........................... 27Gambar 2.9. FFT butterfly untuk FFT 4-point .................................... 24Gambar 2.8. FFT butterfly untuk FFT 8-point .................................... 23Gambar 2.7. Sirkuit pembatalan pada MTI processor ........................ 18

  (c) Melingkar dengan radius tetap dari sumber ............ 17

  (a) Menuju .................................................................... 17

Gambar 2.1. Blok diagram dari sistem radar modern ......................... 5Gambar 2.6. Definisi dari saat

  θ

Gambar 2.5. Diagram blok dari subsistem detection processor .......... 12

  a) Masukan matched filter merupakan sinyal yang disembunyikan oleh noise ....................................... 11 b) Noise dari keluaran matched filter telah dikurangi . 11

  10 Gambar 2.4.

Gambar 2.3. Ambigu antara sinyal yang dikirim dengan sinyal yang diterima ..........................................................................Gambar 2.2. Bentuk gelombang pulsa ................................................ 7

  31

Gambar 3.1. Algoritma perancangan program untuk pemrosesan kecepatan …....................................................................

  37 Gambar 3.2. Diagram alir pemancaran sinyal ..................................... 39

Gambar 3.3. Merancang posisi target ................................................. 41Gambar 3.4. Merancang jarak target dan time travel .......................... 42Gambar 3.5. Diagram alir dari perancangan sinyal echo..................... 44Gambar 3.6 Diagram alir pengubahan dari Analog ke Digital .......... 45Gambar 3.7. Diagram alir matched filter ............................................ 47Gambar 3.8. Diagram alir dari proses perhitungan kecepatan ............ 48Gambar 3.9. Layout pada program ..................................................... 49Gambar 4.1. Tampilan awal program .................................................. 50Gambar 4.2. Tampilan program utama ................................................ 51Gambar 4.3. Submenu Tentang Kecepatan ......................................... 52Gambar 4.4. Submenu Petunjuk Penggunaan Program ..................... 53Gambar 4.5. Pesan kesalahan untuk frekuensi carrier ....................... 54Gambar 4.6. Pesan kesalahan untuk PRF lebih besar dari lebar pulsa ...............................................................................

  55 Gambar 4.7. Tampilan untuk sinyal yang dipancarkan ....................... 55

Gambar 4.8. Tampilan untuk sinyal pancar yang telah diperbesar ..... 56Gambar 4.9. Memasukkan posisi target pada axes ............................. 56Gambar 4.10. Pesan peringatan untuk target yang melebihi Range maksimum ......................................................................

  57

  maksimal target ..............................................................

  57 Gambar 4.12. Hasil akhir dari program simulasi .................................. 58

Gambar 4.13. Sinyal yang diterima oleh radar ..................................... 58Gambar 4.14. Grafik hubungan antara perubahan kecepatan Target terhadap frekuensi carrier dan Frekuensi Doppler ........ 59Gambar 4.15. Grafik hubungan antara frekuensi Carrier yang tidak stabil dengan frekuensi Carrier yang stabil ................... 60Gambar 4.16. Grafik hubungan antara perubahan kecepatan target

  Terhadap frekuensi Doppler dan sudut yang Dibentuk pergerakan target dengan radar ...................................... 61

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Band Frekuensi ...................................................................... 9

  DAFTAR CONTOH Contoh 2.1. FFT butterfly untuk FFT 4-point ....................................

  23 Contoh 2.2. Cross-correlation ...........................................................

  26 Contoh 2.3. Cross-correlation dengan lag .........................................

  28

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Radar merupakan sensor gelombang mikro aktif, yakni sensor yang

  mempunyai sumber tenaga sendiri. Kata radar merupakan kepanjangan dari Radio

  

Detection And Ranging . Yang sesuai dengan namanya, radar menggunakan

  gelombang radio untuk mendeteksi target dan menentukan jarak atau posisi. [1] Prinsip fisika yang mendasari dari pengoperasian sistem radar pertama kali diperagakan oleh Hertz sekitar tahun 1880-an. Eksperimennya membuktikan bahwa gelombang elektromagnet dapat dipantulkan oleh logam, seperti gelombang cahaya yang dipantulkan oleh cermin. Pada tahun 1904, insinyur dari Jerman, Christian Hulsmeyer, memperagakannya dalam pencegahan terhadap terjadinya tabrakan antar kapal. Radar setelah itu tidak dikembangkan lagi sampai tahun 1930-an. Selama Perang Dunia ke II, Inggris menggunakan radar untuk mendeteksi pesawat pengebom Jerman yang mendekat, yang berdasar atas usulan dari Robert Watson Watt pada tahun 1935. [2] Pada tahun 1950-an, sistem radar yang lebih canggih telah menyebar.

  Sebagai contoh perkembangannya dalam sistem pertahanan udara antar benua SAGE (semiautomatic ground environment). Sistem ini tidak memakai manusia lagi tetapi dikombinasikan oleh radar, komputer, komunikasi, dan teknologi

  Dengan bertambahnya waktu, teknologi radar dapat mendeteksi benda kecil dan subyek yang berbeda yang secara tepat dalam penargetannya walau di bawah kondisi yang kurang baik dan dalam waktu yang singkat. Sebagai contoh dalam aplikasi lalu lintas udara atau ATC (Air Traffic Control), navigasi kapal, prakiraan cuaca, pemetaan, astronomi, dan pendeteksi kecepatan mobil oleh polisi. [2]

  Secara sederhana, cara kerja dari radar adalah radar mengirimkan sinyal, beberapa sinyal mengenai target dan memantulkannya kembali. Dari sinyal yang diterima terdapat beberapa informasi, yaitu waktu tunda dari sinyal yang dipantulkan target yang mengindikasikan jarak dari radar ke target, pergeseran frekuensi Doppler yang dapat mengetahui kecepatan target. Hasil dari proses ditampilkan pada display.[4]

  Kebanyakan radar menggunakan efek Doppler untuk mengetahui kecepatan target. Efek ini menyebabkan frekuensi pantulan dari target dapat meningkat atau menurun, tergantung apakah target sedang bergerak mendekat atau menjauhi radar. Perbedaan frekuensi yang dipancarkan radar dan pantulan yang diterima dapat menentukan kecepatan relatif target dengan radar. [4] 1.2.

   Tujuan Penulisan Tugas Akhir

  Penulisan tugas akhir ini diharapkan dapat membuat program untuk mengetahui kecepatan dari benda yang bergerak dengan menggunakan program Matlab yang mengacu pada pemrosesan kecepatan dengan pergeseran Doppler.

  1.3. Manfaat Penulisan Tugas Akhir

  d.

  1.5. Sistematika Penulisan Tugas Akhir

  Tidak ada interferensi oleh sinyal lain.

  g.

  Terdapat hanya satu target.

  f.

  Radar bersifat stationary.

  e.

  Frekuensi yang dipancarkan sebatas L-Band dan S-Band.

  Sinyal yang dikirim dan diterima tidak mengalami ambigu.

  Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah: a.

  c.

  Program dibuat menggunakan program Matlab.

  b.

  Simulasi yang dibuat hanya terbatas pada pemrosesan kecepatan dengan pergeseran Doppler.

  Beberapa batasan masalah pada penulisan tugas akhir adalah sebagai berikut: a.

  1.4. Batasan Masalah

  Referensi yang dapat mendukung pada penelitian selanjutnya.

  b.

  Dapat digunakan sebagai bahan kuliah tentang pemrosesan kecepatan dengan pergeseran Doppler.

  Penulisan tugas akhir ini disusun dengan menggunakan sistematika sebagai berikut:

  BAB I : Pendahuluan Berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan tugas akhir, manfaat penulisan tugas akhir, batasan masalah, sistematika penulisan tugas akhir.

  BAB II : Dasar Teori Berisi tentang teori-teori yang mendasari penulisan tugas akhir. BAB III : Perancangan Program Berisi tentang langkah-langkah perancangan program simulasi untuk pemrosesan kecepatan pesawat terbang dengan pergeseran Doppler.

  BAB IV : Analisa Berisi pembahasan dari program simulasi. BAB V : Kesimpulan dan Saran Berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan perancangan dan saran yang berguna untuk pengembangan penelitian selanjutnya.

  BAB II DASAR TEORI 2.1. Komponen Dasar dari Sistem Radar Komponen-komponen utama pada sistem radar modern adalah Data

Processing System , Signal Processing, Signal Generator dan antena seperti yang

diperlihatkan pada Gambar 2.1. Control Unit Signal Transmit Generator And Data Receive Processing Antenna System Matched Detection ADC Postprocessor Display

Filter Processor

Processing Signal Processor Gambar 2.1. Blok diagram dari sistem radar modern [3] 2.1.1. Data Processing System Data processing system adalah otak dari sistem radar yang mengontrol

  semua fungsi. Sebagai contoh, untuk mengontrol dan menentukan posisi antena, mengontrol sinyal dalam signal generator, mengkonfigurasi signal processor, dan

  processing dan menghitungnya. Hasil dari pemrosesan ini akan ditampilkan pada

  sistem penampil dalam display processing.[2], [3] 2.1.2.

   Signal Generator

  Sinyal awal dari signal generator adalah berupa sinyal baseband yang dapat dirumuskan sebagai _{j 2 π f t o}

  s ( t ) = e (2.1)

  Sinyal ini kemudian diubah menjadi In-phase (I) dan Quadrature (Q). In-phase merupakan komponen sinyal referensi sedangkan quadrature merupakan komponen sinyal yang digeser sebesar 90° dari frekuensi referensi. Kemudian kedua sinyal ini akan digabungkan dan dimodulasikan dengan sinyal pulsa.

  Penggabungan sinyal in-phase dan quadrature dirumuskan dalam

  s ( t ) = I ( t ) cos (

  2 π f t ) − Q ( t ) sin ( _{o o} 2 π f t ) (2.2) Frekuensi dan panjang gelombang yang digunakan oleh radar distandarkan secara internasional yang dapat dilihat pada Tabel 3.1.

2.1.2.1. Pulsa Radar

  Pulsa radar dapat digambarkan seperti Gambar 2.2. Pulsa radar terdiri dari selanjutnya. PRI biasanya ditentukan dalam frekuensi yakni PRF atau Pulse

  Repetition Frequency yang diperoleh dari rumus

  1 PRF = (2.3)

  PRI dan N juga ditentukan dalam frekuensi yang dirumuskan sebagai 1/N.

  N Time

  PRI

Gambar 2.2. Bentuk gelombang pulsa [3] 2.1.3.

   Signal Processor

  Secara umum, terdapat tiga fungsi utama dari signal processing dalam radar modern, yakni mengurangi noise pada sinyal yang diterima dengan matched

  

filter , mencocokan sinyal dengan pendeteksian thresholding, dan menghasilkan

target metrics yang diperlukan (posisi target dalam range, angle, dan velocity).

  [2], [3] Tugas-tugas dari signal processing adalah [5]: 1.

  Menggabungkan informasi Radar secondary surveillance yang berada di bandara dapat berhubungan bahan bakar atau nomor penerbangan. Pilot juga bisa mengeluarkan sinyal bahaya lewat transponder. Signal processor radar yang ada di bandara mengkombinasikan data ini dengan hasil pengukuran range dan arah sudut serta memetakannya bersama-sama pada tempat yang sesuai dengan lingkup.

  2. Pelacakan Dengan menghubungkan himpunan data yang diperoleh dalam pengamatan, radar dapat menghitung garis vektor penerbangan yang menandai kecepatan pesawat terbang dan posisi untuk periode pengamatan berikutnya. Radar di bandara mampu melacak banyak target secara bersamaan, dan keselamatan penerbangan tergantung pada keandalannya. Sedangkan radar untuk militer menggunakan informasi ini untuk penggunaan senjata atau pemanduan proyektil untuk sasaran.

  3. Memisahkan ambiguity dalam range atau pengukuran Doppler Pada Gambar 2.3., antara sinyal yang dikirim dengan echo yang diterima dapat mengalami ambigu yaitu apakah echo yang diterima berasal dari pulsa sinyal yang pertama atau yang kedua. Untuk mengetahui hal ini, dapat merubah PRF. Dengan pengaturan PRF yang sesuai, ambiguity dapat dihilangkan dan posisi target yang benar dapat ditentukan.

  4. Pemetaan ground clutter

  Clutter adalah istilah kolektif untuk semua titik sinar yang tidak

  dikehendaki pada layar radar yang dapat berasal dari bangunan, pegunungan, dan lain-lain. Hal ini dapat dimanfaatkan untuk memetakan bumi dari pesawat atau dari satelit. Ataupun clutter dapat dihilangkan untuk mengetahui keberadaan target yang tersembunyi di antara clutter.

  Tabel 1. Band Frekuensi [6] Band

  Frekuensi Panjang

  Gelombang Rentang

  Frekuensi Aplikasi

  HF 100 – 10 m 3 – 30 MHz Sistem radar koastal, radar

  over the horizon (OTH)

  VHF 1 – 10 m 30 – 300 MHz

  Ground Penetrating

  UHF 0.3 – 1 m 300 – 1000 MHz Peringatan dini peluru balistik L 15 – 30 cm 1 – 2 GHz Radar ATC (Air Traffic

  Conrol ) dan surveillance

  S 7,5 – 15 cm 2 – 4 GHz Radar cuaca, marinir, ATC C 3,75 – 7,5 cm 4 – 8 GHz Radar cuaca X 2,5 – 3,75 cm 8 – 12 GHz Radar cuaca, marinir, pemetaan Ku 1, 67 – 2,5 cm 12 -18 GHz Pemetaan K 1,11 – 1,67 cm 18 – 27 GHz Radar cuaca, pendeteksian kecepatan motor oleh polisi Ka 0,75 – 1,11 cm 27 – 40 GHz Pemetaan, Radar foto

Gambar 2.3. Ambigu antara sinyal yang dikirimkan dengan sinyal yang diterima [7]

5. Meniadakan interferensi Interferensi dapat berupa gangguan alami atau buatan manusia.

  Interferensi alami dapat berupa hujan es atau hujan lebat, dan lain-lain. Sedangkan interferensi buatan manusia berupa jamming yang berasal dari peralatan elektronika.

  Di dalam signal processing terdapat beberapa sub sistem, yakni ADC (Analog-Digital Converter), Matched Filter, Detection Processor, dan Postprocessor .

2.1.3.1. Analog-Digital Converter (ADC) ADC pada radar digunakan untuk mengubah sinyal analog ke digital.

  Karena sistem radar mempunyai bandwidth yang tinggi, dibutuhkan ADC yang mempunyai jumlah bit yang lebih besar pula. [2]

2.1.3.2. Matched Filter

  Sinyal yang diterima biasanya telah bercampur dengan noise, sehingga diperlukan filter untuk mengurangi noise tersebut. Filter ini dinamakan matched

  

filter , yang mengurangi noise dengan menggunakan perhitungan dari konvolusi

  dan korelasi yang dapat dipercepat perhitungannya dengan menggunakan transformasi Fourier. Pada Gambar 2.4 (a) merupakan contoh sinyal yang telah disembunyikan oleh noise dan Gambar (b) noise dari sinyal tersebut dikurangi dengan menggunakan matched filter.

  (a) (b)

2.1.3.3. Detection Processor

  Data dari keluaran matched filter akan diproses pada subsistem selanjutnya yaitu disebut sebagai detection processor. Fungsi dari detection processor ini adalah untuk mencocokkan apakah sinyal yang diterima sama seperti sinyal yang dipancarkan. Data dari target yang cocok (yaitu yang melebihi threshold) diambil dan data yang tidak cocok bisa ditolak. Data yang diambil merupakan sinyal yang dipantulkan oleh target. Diagram blok dari struktur detection processor ditunjukkan dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Diagram blok dari subsistem detection processor [2]

  Magnitude calculation adalah perhitungan untuk mengukur magnitudo

  dari sinyal yang diterima. Diperoleh dari berapa besar sinyal quadrature yang untuk menyediakan tingkat threshold. Sehingga tingkat threshold dapat bervariasi untuk menstabilkan false alarm rate. Binary control digunakan untuk mengindikasikan postprocessor untuk mengambil data yang cocok (melebihi

  threshold ).[2] 2.1.3.4.

   Postprocessor

  Setelah filtering dan pendeteksian, langkah selanjutnya dari pemrosesan adalah postprocessing. Secara umum, langkah ini menggunakan keluaran dari

  

Detection Processor yang berupa data yang cocok (melebihi threshold) untuk

  menghasilkan target metrics dan signature information sehingga dapat mengetahui target yang sesungguhnya. Postprocessor berfungsi saat detection

  processor menghadapi sejumlah besar target atau clutter selama pencarian. [2] 2.1. 4.

   Antena

  Antena adalah perangkat untuk mengirim dan menerima energi radio

  

frequency (RF). Antena terdiri dari perangkat keras pengirim, modulator dan

  perangkat keras penerima. [2] 2.2.

   Parameter yang Dihitung oleh Radar

  Parameter-parameter yang dapat dihitung oleh radar meliputi posisi, jarak, dan kecepatan. Untuk melakukan pengukuran tersebut, diperlukan ‘penyinaran’ ke target dengan energi sinyal yang cukup sehingga terdapat pantulan energi sinyal

2.2.1. Range dan Resolusi Range Pengukuran range dalam radar adalah sebanding dengan pengukuran waktu.

  _max maksimum diberikan oleh rumus

  Range R c PRI

  ×

  R = (2.4) _max

  2 ₈ dengan c adalah kecepatan cahaya ( ≅ 3 × 10 m/detik) dan PRI adalah interval pengulangan pulsa. Dari persamaan 2.4, dapat pula ditentukan time travel dengan persamaan

  2 R

  T = (2.5) c

  Resolusi range merupakan perhitungan untuk dua target yang berdekatan satu sama lain yang bisa dilacak oleh radar. Hal ini diperlukan agar sinyal yang dipantulkan dari kedua target yang berdekatan tersebut tidak bisa menjadi target tunggal saat diterima oleh radar. Resolusi range dirumuskan sebagai:

  c × N

  Δ R = (2.6)

  2 dengan R Δ adalah resolusi range dan adalah lebar pulsa. [2] N

2.2.2. Doppler Filtering Doppler filtering dari informasi target didasarkan pada efek Doppler.

  Penentuan dari kecepaan target melibatkan pengukuran pergeseran frekuensi, yang dapat dirumuskan: [9] 2 vf _o

  

f = − cos θ

_d c

  (2.7) 2 v = − cos θ

  λ

  o

  dengan f adalah frekuensi carrier, adalah kecepatan target, v λ adalah panjang _o gelombang ( c f ), f adalah hasil pergeseran frekuensi yang diterima, dan = λ _d

  θ adalah sudut yang dibentuk antara sumber dengan arah dari pergerakan.

Gambar 2.6. menunjukkan target yang bergerak menuju, menjauhi atau melingkar dengan radius yang sama dengan sumber. Yang apabila target bergerak

  menuju sumber, maka sudut θ yang terbentuk adalah

  90 ° ≤ θ ≤ 180 ° . Sehingga

  cos θ bernilai negatif dan bernilai positif. Dengan demikian mengalami f f _{d d} peningkatan frekuensi. Begitu juga sebaliknya, apabila target bergerak menjauhi sumber, maka sudut θ yang terbentuk adalah ° ≤ θ ≤

  90 ° . Sehingga cos θ bernilai positif dan bernilai negatif. Dan mengalami penurunan frekuensi. f f _{d d}

  Apabila target bergerak melingkar dengan radius tetap, maka arah pergerakan akan tegak lurus dengan sumber. Sehingga sudut θ yang terbentuk sebesar 90º

  Pengukuran pergeseran Doppler dapat dipenuhi dengan analisis spektrum dan resolusi kecepatan yang ditentukan oleh sudut, yang dua sinyal saat frekuensi yang berbeda dapat dibedakan. Resolusi kecepatan dapat ditingkatkan dengan menambah frekuensi dari pembawa RF dan mengurangi panjang gelombang.

2.3. Velocity Processing 2.3.1. Moving Target Indication (MTI)

  Aplikasi dari radar mengenai pemrosesan kecepatan tercakup dalam moving

  

target indication (MTI). Sistem MTI ini mengukur perubahan fase antara sinyal

  yang dikirim dan sinyal yang kembali untuk menentukan gerakan dari target, atau bisa disebut juga dengan menggunakan efek Doppler, sehingga dapat membedakan antara target yang bergerak dan diam. Karena MTI digunakan hanya untuk target yang bergerak saja, maka target yang diam dapat dihilangkan. [2], [10] 2.3.2.

   Canceller

  Agar target yang diam tersebut dapat dihilangkan, maka ini dapat terpenuhi oleh rangkaian pembatalan (cancellation circuit). Processor MTI yang ditunjukkan pada Gambar 2.7, mengambil sample dari keluaran perbandingan fase dan merata-ratanya. Target yang bergerak akan mempunyai rata-rata nol, sedang target yang diam akan mempunyai rata-rata yang tidak sama dengan nol. Sinyal

  (a) (b) (c)

Gambar 2.6. Definisi dari θ saat a) menuju b) menjauhi

  c) melingkar dengan radius tetap dari sumber [9] 2.3.3.

   Pergerakan Target

  Pergerakan target yang mendekati radar atau menjauhi radar dapat diketahui besarnya pergeseran Doppler seperti yang telah dijelaskan di atas.

  Sedangkan untuk pergerakan yang melingkar dengan radius tetap dari sumber maka untuk memperoleh kecepatan dari target harus mengetahui jarak perpindahan target dan waktu dari pemancaran sinyal. Misalkan radar memancarkan sinyal saat t = detik dan target diketahui posisinya, kemudian radar memancarkan sinyal lagi saat t =

  3 detik, dan target mengalami pergeseran dalam jarak sebesar 30 meter. Maka kecepatan target dapat diketahui dengan 30 meter meter membagi jarak tempuh target dengan waktu, yakni =

  10 . detik 3 − detik

Gambar 2.7. Sirkuit pembatalan pada MTI processor [10] 2.4.

   Transformasi Fourier Diskret

  Agar matched filter dapat melakukan perhitungan dengan kecepatan tinggi maka diperlukan suatu transformasi yang dapat melakukan perhitungan dengan cepat. Dalam hal ini Fast Fourier Transform (FFT) digunakan oleh sistem radar, karena kecepatan perhitungannya.[2], [11], [12], [13], [14]

2.4.1. Transformasi Fourier

  Untuk fungsi kontinyu dari satu variable f (t ) , transformasi Fourier F ( j ω ) akan didefinisikan sebagai:

  ∞

d ( ω ) j t

  − ω

  = F ( j ) = f ( t ) e dt (2.8) ω

  ∫ d /

  2 ω π

  − ∞

  Dan inverse dari transformasi Fourier sebagai

  ∞ _{j ω t} f ( t ) = F ( j ω) e df (2.9)

  ∫ − ∞

  Dengan j adalah akar dari -1 dan adalah bilangan eksponensial e

  φ e = cos( φ ) j sin( φ ) (2.10)

• j

2.4.2. Discrete Fourier Transform (DFT)

  Data yang ditransformasikan merupakan diskrit dan tidak periodis. DFT dari deretan x (nT ) dengan adalah jumlah sample dan n T adalah interval untuk menghasilkan deret sample sebanyak digambarkan sebagai

  sampling N

  deretan nilai kompleks

  X ( k Ω ) pada kawasan frekuensi, dengan Ω adalah frekuensi harmonik. X ( k Ω ) pada umumnya mempunyai komponen real dan

  imajiner sehingga untuk harmonik ke- diberikan oleh rumus

  k

• X ( k ) = R ( k ) jI ( k ) (2.11)

Jadi N data real (dalam kawasan waktu) ditransformasikan menjadi N data kompleks (dalam kawasan frekuensi). Nilai DFT,

  X (k ) , diberikan oleh rumus N ¹

  − _{jk nT}

− Ω

X ( k ) = x ( nT ) e ; k =0, 1, …., N − 1 (2.12) _n ∑

  =

  dengan adalah jumlah harmonik dari komponen transformasi. Dan inverse dari

  k

  transformasi DFT didefinisikan sebagai

  N − ¹

  1 _{jk Ω nT}

  X ( nT ) X ( k ) e ; =0,1, …, 1 (2.13)

  = n N −

  ∑ N k

  =

2.4.3. Fast Fourier Transform (FFT)

  Algoritma yang lebih cepat telah dikembangkan oleh Cooley dan Tukey sekitar tahun 1965 yang disebut FFT (Fast Fourier Transform). Ketika diterapkan dalam kawasan waktu, algoritma ditunjukkan sebagai Decimation in Time (DIT) FFT. Decimation kemudian menunjuk ke pengurangan yang signifikan dalam jumlah perhitungan yang diterapkan pada kawasan waktu. Pengurangan _{2 N} perhitungan yang terjadi bisa mengenai N log N kali. Dari persamaan 2.12

  − ₂

  2 dapat ditulis sebagai

  N − ¹ Jika weighting/twiddle factor _{j 2 / N N} − π

  W = e (2.15)

  maka persamaan 2.14 menjadi _{N − 1 1 n}

kn

  X ( k ) = x W ; k = 0, …., N −

_N

1 (2.16) ∑ _n =

  N

  Beberapa relasi W adalah

  

j

^{2 π / N} _N

−

W = e _{N N / 2 2}

  (2.17)

  W = W ^{( k N / 2 ) K}

• W = − W

  _{N N}

  Untuk menggunakan persamaan 2.16 di atas, urutan data dapat dibagi menjadi dua urutan yang sama panjang, yakni data nomor genap dan data nomor ganjil. Agar urutan menjadi sama panjang, maka data harus berjumlah genap, jika urutan data ₁ ganjil, maka diperlukan penambahan nol. _{11 12} X ( k ) dapat ditulis dalam 2 DFT yaitu X ( k ) untuk deretan data genap dan

  X ( k ) untuk deretan data ganjil. N -point

  DFT diubah menjadi 2 DFT masing-masing N / ₁

  2 . Proses berulang sampai X ( k ) terbagi menjadi N /

2 DFT masing-masing 2 point. Persamaan 2.16 dapat

  N / ^{2 1 N / 2 1} − −

  X ( k ) = x W x W ^{1 2 nk ( 2 n 1 ) k 2 n N 2 n 1 N} _{n n} ∑ ∑

• = =

  1

  42

  43 1 4 2 4 4 3

  4 odd sequence ; k = ,....., N − 1 (2.18) _{N /} even sequence _{2 1 N / 2 1}

  − −

• = x W W x W ^{2 nk k 2 nk}
^{2 n N N 2 n}

^{1 N}

_{n n} ∑
• = = 2 nk nk

  Menggunakan persamaan 2.17, W = W , sehingga persamaan 2.18 di atas _{N N / 2} menjadi _{N / 2} − = − _{1 n N / nk k nk 2}

₁

X ( k ) x W W x W ; k = ,..., N − 1 (2.19)

  = + _{2 n N / 2 N 2 n 1 N / 2 n = n =} ∑ ∑

• Persamaan 2.19 dapat disederhanakan menjadi _k

  1 ¹¹

¹²

X ( k ) = + X ( k ) W _N X ( k ) ; k = ,..., N −

  1 (2.20) 2.4.4.

   Butterfly

Gambar 2.8 merupakan contoh penggambaran dari FFT 8-point yang biasa disebut dengan istilah butterfly. Data dari kawasan waktu ( x , x ,...., x ) akan

  _{1 7} dirubah menjadi data berkawasan frekuensi

  X ( ), ₁ X ( ₁ 1 ),...., X ( ₁ 7 ) . Persamaan X ( k ) pada Gambar 2.8 diperoleh dari ₂₁

k

Gambar 2.8. FFT butterfly untuk FFT 8-point [11]

  Begitu juga untuk persamaan

  X ( k ),

₂₂

X ( k ), ₂₃ X ( k ) menggunakan cara ₂₄

  yang sama dengan persamaan 2.21 di atas. Persamaan

  X ( k ) diperoleh dari ₁₁

  penggabungan hasil perhitungan dari persamaan sebelumnya, yakni

• X ( k ) =
₁₁ X ( k ) W _{21 N /} ^k ₂ X ( k ) ; k = , ₂₂ 1 , 2 , 3 (2.22)

  Contoh 2.1: Terdapat empat nilai tegangan tersampling dengan urutan {1, 0, 0, 1}. Dari data tersebut dapat diketahui nilai DFT yang diperoleh dengan FFT.

  X

  1

  − = − = x x

  1 ) 1 ( _{3 1 22} − =

  1

  X

  1 ) ( _{3 1 22} =

  1

  X

  − = − = x x

  1 ) 1 ( _{2 21} =

  X Gambar 2.9. FFT Butterfly untuk FFT 4-point

  menjadi DFT, dan mempunyai hasil masing-masing 2 poin DFT Data

  1 ) ( _{2 21} =

  1

  sebelumnya, yakni

  1 ( ₂₁ X ) ( ₂₂ X ) 1 ( ₂₁ X diperoleh dari penjumlahan atau pengurangan dari data masukan

  ditunjukkan pada Gambar 2.9. Untuk nilai , , , ) ( ₂₁ X )

  x ₂ x ₁ x ₃ x

  tersebut akan dipisiahkan menjadi dua, genap dan ganjil. Untuk yang genap terdiri dari , , dan untuk yang ganjil terdiri dari , . Butterfly untuk data ini _o

  4

  2 /

• =
• = x x
• =
• = x x
Hasil akhir dari data ini adalah

  X ( ) , ₁₁ X ( ₁₁ 1 ) , X ( ₁₁ 2 ) , X ( ₁₁ 3 ) yang diperoleh

  dari

  X ( ) W X ( ) ₁₁ = _{21 4 22} − π

• X ( )