Pengantar
Penggunaan pulsa RF untuk mendeteksi objek dalam tiga dimensi dimulai pada awal 1900-an. Aplikasi awal difokuskan pada kebutuhan militer, khususnya deteksi kapal dan pesawat terbang. Saat ini, radar digunakan dalam berbagai aplikasi militer, komersial, dan penelitian termasuk melacak pesawat, memantau cuaca, dan mendeteksi kecepatan apa pun, mulai dari bola tenis hingga mobil. Prinsip dasar radar tetap tidak berubah, dengan semburan pendek energi RF yang ditransmisikan dan kemudian penerima menunggu untuk mendeteksi energi yang telah dipantulkan kembali dari objek yang jauh.
Setelah dipasang, banyak radar diharapkan berjalan tanpa gangguan selama beberapa dekade layanan. Untuk memastikan bahwa kinerja mereka tidak menurun dari waktu ke waktu, perlu untuk mengukur metrik kinerja utama mereka secara berkala. Salah satu area kinerja utama yang dipantau adalah karakteristik pulsa RF yang ditransmisikan. IEEE telah menerbitkan spesifikasi tentang bagaimana parameter kritis pulsa harus diukur, “IEEE Std 181-2011, Standar untuk Transisi, Pulsa, dan Bentuk Gelombang Terkait”. Standar ini menentukan secara tepat parameter apa yang perlu diukur dan bagaimana pengukuran tersebut harus dihitung.
Field Master Pro MS2090A dengan opsi 0421 pulse analyzer menampilkan karakteristik pulsa penuh dan memberikan hasil numerik terperinci untuk semua parameter radar umum. Catatan aplikasi ini menyoroti penggunaannya dalam pengukuran lapangan radar pengawasan bandara dan radar cuaca.
Radar Pengawasan Bandara
Pada tahun 1998 Administrasi Penerbangan Federal Amerika Serikat (FAA) memperkenalkan radar pengawasan bandara baru yang disebut ASR-11 yang melacak pergerakan pesawat dan juga menyediakan beberapa informasi cuaca. Sekarang ada lebih dari 400 radar ini dikerahkan di seluruh AS.
| Radar Pengawasan Bandara ASR-11 | |
| Pabrikan | Raytheon |
| Frekuensi | 2.7 ke 2.9 GHz |
| Jarak | 60 Mil (~97 km) |
| Kekuatan puncak | 25 kW |
| Lebar Pulsa | 1 s hingga 80 s |
| Frekuensi Pengulangan Pulsa | ~ 1 ms |
| Tingkat Rotasi | 12.5 RPM |
Daya puncak yang tinggi dari radar ini membuatnya sangat mudah untuk dideteksi bermil-mil dari lokasinya. Misalnya, radar FAA yang mencakup San Francisco Bay Area terletak di ujung selatan teluk seperti yang terlihat pada gambar peta 1.
Radar khusus ini mentransmisikan pada 2.875 GHz. Memasang antena pemandu gelombang 2 hingga 4 GHz pada tripod pada jarak sekitar 50 kilometer, pulsa radar mudah dideteksi (gambar 3).
Karena rotasi antena radar, pulsa hanya diarahkan ke penganalisis penerima kira-kira setiap 5 detik seperti yang terlihat pada gambar 4.
Gambar 5 menunjukkan bahwa karena durasi pendek dari pulsa dan rotasi antena pemancar, penganalisis spektrum dalam mode sapuan frekuensi tidak menangkap sinyal, bahkan dengan penahanan maksimum jejak yang diterapkan.
Dengan mengganti mode analyzer untuk melihat sinyal dengan RTSA, seseorang dapat melihat sinyal radar yang selalu ditangkap (gambar 6). RTSA terus menerus menampilkan kekuatan pulsa radar yang tampak naik dan turun saat antena berputar mengarah ke antena klakson pemandu gelombang yang terhubung ke Field Master Pro MS2090A dan kemudian berputar menjauhinya. Ini memiliki efek menampilkan kepadatan spektrum daya yang tampak "bernafas". Penggunaan jejak penahanan maksimum memberikan indikasi yang baik tentang tingkat sinyal saat ini relatif terhadap kondisi maksimum (gambar 7).
Untuk melihat pulsa dalam domain waktu, penganalisis spektrum dimasukkan ke mode rentang nol. Ini memperbaiki frekuensi input penganalisis dan menampilkan daya terhadap waktu di layar. Awalnya menarik untuk mengatur rentang waktu yang lama agar pulsa pemancar radar dapat terlihat. Gambar 8 menunjukkan kelompok pulsa yang ditampilkan dengan siklus tugas nominal 5 detik saat pemancar radar berputar. Dalam hal ini, setiap ledakan energi RF mengandung banyak pulsa individu 1 s.
Meskipun pengukuran pada pulsa dapat dilakukan dalam mode rentang nol dengan menempatkan penanda pada jejak, ini tidak memiliki akurasi atau ketertelusuran pengukuran yang disediakan oleh penganalisis pulsa opsi 0421.
Mengaktifkan opsi penganalisis pulsa memberikan pengukuran pada pulsa dan aliran pulsa yang sepenuhnya sesuai dengan standar IEEE. Untuk pengukuran frekuensi pengulangan pulsa, siklus kerja dan waktu mati, setidaknya dua pulsa harus ditangkap dan ditampilkan, biasanya lebih baik untuk menangkap lebih banyak (gambar 11). Tergantung pada rangkaian pulsa dan karakteristik pulsa individu, mungkin tidak mungkin untuk melakukan semua pengukuran seperti waktu naik dalam rentang yang sama.
Atur tingkat pemicu video dan penundaan pra pemicu untuk menampilkan aliran pulsa yang stabil pada tampilan instrumen. Opsi penganalisis pulsa secara otomatis mengisi semua pengukuran yang dapat dilakukan pada data yang diambil, tidak diperlukan pengaturan tambahan.
Kurangi waktu sapuan untuk menampilkan satu pulsa. Garis penanda vertikal secara otomatis ditempatkan pada titik daya linier 10% dan 90% untuk tepi naik dan turun serta penanda horizontal untuk tingkat referensi 50% yang digunakan untuk mengukur durasi pulsa. Nilai nilai default IEEE dapat diganti secara manual jika diperlukan. (Rincian pengukuran IEEE dapat ditemukan di lampiran.)
Gambar 13 menunjukkan mode tampilan layar penuh yang tersedia untuk tampilan yang lebih detail dari satu pulsa.
Dengan opsi penganalisis pulsa Field Master Pro MS2090A, pengukuran lapangan radar pengawasan bandara dapat diselesaikan secara akurat dan cepat tanpa mengganggu operasi.
Radar Cuaca
Aplikasi umum lainnya dari radar adalah untuk memantau kondisi cuaca, termasuk curah hujan, badai, dan salju. Radar cuaca dapat berbasis darat untuk secara aktif melacak curah hujan dan badai atau berbasis satelit untuk pemantauan area yang lebih luas. Di AS, jaringan lebih dari 150 radar cuaca berbasis darat dioperasikan oleh pusat cuaca nasional. Dikenal sebagai sistem Next Generation Weather Radar (NEXRAD), radar pertama dikerahkan dan dioperasikan pada tahun 1990-an dan sistem ini terus ditingkatkan.
| Radar Cuaca Nasional WSR-88D | |
| Kontraktor Utama | Unisys |
| Frekuensi | 2.7 ke 3.0 GHz |
| Jarak | 90 hingga 150 Mil (~145 hingga 240 km) |
| Kekuatan puncak | 700 kW |
| Lebar Pulsa | ~ 1 s hingga 5 s |
| Frekuensi Pengulangan Pulsa | ~ 1 ms |
| Tingkat Rotasi | 3 RPM |
Karakteristik radar cuaca mirip dengan radar pengawasan bandara. Keduanya menggunakan pita frekuensi dan pulsa daya tinggi yang sama. Perencanaan frekuensi penting untuk memastikan tidak ada interferensi antar teknologi. Radar cuaca yang mencakup San Francisco Bay Area terletak di Gunung Umunhum sekitar 20 mil selatan San Jose.
Radar cuaca Gunung Umunhum mentransmisikan pada 2.745 GHz dan antena berputar sekitar 3 kali per menit (gambar 15). Kereta pulsa bervariasi tergantung pada kondisi saat itu. Hujan lebat akan memantulkan lebih banyak daya dan mengurangi jangkauan.
Tes yang disiapkan untuk radar ini mirip dengan yang dijelaskan sebelumnya untuk radar pengawasan bandara. Antena klakson pemandu gelombang yang terhubung ke Field Master Pro MS2090A dan diarahkan ke arah radar memungkinkan pengukuran dilakukan bermil-mil dari lokasi radar.
Menganalisis rangkaian pulsa dalam mode rentang nol menyoroti perubahan frekuensi pengulangan pulsa yang digunakan oleh radar dalam mode yang berbeda untuk menganalisis perubahan kondisi atmosfer. Gambar 16 menunjukkan perbedaan dalam dua tampilan yang diambil secara terpisah
Opsi penganalisis pulsa sekali lagi memberikan analisis rinci cepat dari rangkaian pulsa dan karakteristik pulsa individu yang dapat dilihat pada gambar 17.
Kesimpulan
Opsi penganalisis pulsa Field Master Pro MS2090A memberikan solusi pengujian yang kuat untuk mengukur sinyal radar berdenyut di lapangan. Lebar pita pengukuran mendukung pengukuran waktu naik secepat 30 ns. Digabungkan dengan pengukuran pulsa yang sesuai dengan IEEE, pengujian rutin radar untuk aplikasi pemeliharaan atau pemecahan masalah dimungkinkan dengan cara yang sebelumnya terbatas pada lab dan dapat diselesaikan di lapangan.
Lampiran: Ringkasan Pengukuran Pulsa yang Didukung
Pengukuran Pulsa
Menemukan Tingkat Referensi Tinggi/Rendah Menggunakan Algoritma Histogram
Ketika jenis level pulsa diatur ke AUTO, metode algoritme histogram digunakan untuk menentukan level status tinggi dan rendah seperti yang dijelaskan dalam Standar IEEE untuk Pulsa, Transisi, dan Bentuk Gelombang Terkait (181-2011), Bagian 5.2.1. Data jejak diambil sebagai masukan dan amplitudo dioperasikan dalam satuan dBm. Data jejak diubah menjadi histogram di mana jumlah nampan ditentukan oleh lebar nampan tetap 0.01 di seluruh rentang total nilai dalam data jejak (trace max to trace min). Dengan kata lain, setiap amplitudo titik jejak menghasilkan "jumlah" yang bertambah di bin histogram yang sesuai dengan rentang amplitudo di mana amplitudo itu turun. Untuk menemukan tingkat keadaan tinggi dan rendah, histogram yang dihasilkan dibagi menjadi histogram "atas" dan "bawah" di mana yang pertama terdiri dari semua bin yang sesuai dengan kisaran amplitudo 50% atas, dan yang terakhir adalah 50% lebih rendah. jarak. Kemudian keadaan tinggi ditentukan sebagai modus histogram atas, yaitu amplitudo yang sesuai dengan bin histogram dengan hitungan tertinggi. Status rendah juga ditentukan sebagai mode histogram yang lebih rendah.
Jika hitungan salah satu mode tidak lebih besar dari setidaknya 1% dari total jumlah titik dalam input data jejak, maka histogram dibuat ulang menggunakan lebar bin yang sepuluh kali lebih besar. Proses regenerasi histogram dengan lebar bin yang lebih besar ini diulang sampai mode histogram setidaknya 1% dari jumlah total poin. Ini berarti bahwa resolusi kasus terbaik dari keadaan tinggi dan keadaan rendah yang dihasilkan adalah 0.01 dBm (lebar nampan awal), dan tergantung pada seberapa besar tingkat keadaan berfluktuasi, resolusi dapat turun kembali ke 0.1 dBm, 1 dBm, dan seterusnya. .
Saat jenis level pulsa diatur ke USER, pengguna menentukan level status tinggi dan rendah dan memasuki level menggunakan pengaturan USER TOP (S2) dan USER BOTTOM (S1).
Menemukan Instan Tingkat Referensi
Instan adalah nilai waktu tertentu dalam durasi waktu bentuk gelombang. Mereka biasanya direferensikan relatif terhadap instan awal bentuk gelombang. Bagian berikut menjelaskan bagaimana pengukuran pulsa ditentukan:
Menemukan Transisi
Transisi adalah daerah bersebelahan dari bentuk gelombang yang menghubungkan, baik secara langsung atau melalui transien intervensi, dua kejadian keadaan yang berurutan dalam waktu tetapi merupakan kejadian keadaan yang berbeda. Untuk menemukan transisi, mulailah dengan daftar instans tingkat referensi yang difilter yang hanya berisi instans yang melewati tingkat referensi rendah atau tinggi. Setiap instan tingkat referensi dalam daftar memiliki indeks dan arah yang sesuai (misalnya indeks jejak tepat sebelum amplitudo melintasi tingkat referensi, dan arah yang menunjukkan apakah jejak melintasi dari atas ke bawah tingkat referensi atau sebaliknya).
Daftar instan yang difilter ini diurutkan dalam urutan indeks menaik. Kemudian semua transisi positif dan negatif (antara tingkat referensi tinggi/rendah) ditemukan dengan mencari instans berurutan dalam daftar yang difilter yang keduanya memiliki arah yang sama. Bentuk gelombang didefinisikan berada dalam "keadaan tinggi" jika melebihi tingkat referensi 90% dan dalam "keadaan rendah" jika turun di bawah tingkat referensi 10%. Ini adalah alternatif yang dipilih daripada menggunakan batas atas/bawah negara bagian (yang menurut standar IEEE adalah opsional).
Menemukan Durasi dan Periode Pulsa
Durasi pulsa ditentukan dengan menggunakan transisi positif dan negatif seperti yang dijelaskan di atas untuk memeriksa apakah itu pulsa yang valid. Jika demikian, maka setiap tingkat referensi durasi pulsa (50%) diverifikasi ada dalam transisi positif/negatif. Tingkat referensi ini menentukan periode awal dan akhir pulsa. Durasi hanyalah perbedaan antara titik akhir dan titik awal. Periode pulsa juga pertama-tama menentukan bahwa kita memiliki pulsa yang valid dari transisi positif dan negatif. Berbeda dengan pengukuran durasi pulsa, periode pulsa harus memiliki pengulangan pulsa, atau rangkaian pulsa, untuk melakukan pengukuran. Harus ada setidaknya 3 transisi di tingkat referensi 50% untuk menghasilkan pengukuran yang valid. Periode adalah jarak antara level awal pulsa pertama dan level awal pulsa kedua.
Menemukan Rata-rata Gelombang Wave
Rata-rata gelombang ditentukan dengan rata-rata tingkat daya semua titik dalam semua periode lengkap yang tersedia di jejak. Untuk menentukan di mana harus memulai dan berhenti, jumlah transisi digunakan untuk menentukan apakah ada setidaknya satu periode penuh. Sistem mengembalikan "nan" jika tidak ada periode penuh. Jika tidak, titik awal pengukuran ini adalah awal transisi pertama dan titik akhir adalah awal transisi periode penuh terakhir.
Misalnya, jejak dengan enam transisi memiliki sejumlah titik sebelum transisi pertama diikuti oleh dua periode penuh, kemudian diikuti oleh kurang dari satu periode penuh. Setelah awal dan akhir dari semua periode lengkap ditemukan, semua titik di antara mereka dijumlahkan dan dibagi dengan jumlah total titik yang digunakan dalam pengukuran.
Menemukan Rata-Rata Jejak
Rata-rata jejak adalah rata-rata eksponensial dari semua titik dalam jejak. Berbeda dengan rata-rata gelombang, tidak dibatasi untuk pulsa penuh.
Menemukan Rata-Rata Pulsa
Rata-rata pulsa adalah rata-rata dari titik-titik dalam keadaan pulsa yang tinggi (biasanya titik-titik di atas garis referensi 90%). Ini hanya berlaku untuk pulsa positif. Jika tidak ada pulsa positif, maka tidak ada pengukuran yang dikembalikan.
Menemukan Pusat Pulsa Instan dan Frekuensi Pengulangan
Frekuensi pengulangan pulsa ditentukan dari kebalikan periode pulsa (1/periode pulsa) sebagai nilai frekuensi. Instan pusat pulsa ditentukan dengan mengambil durasi pulsa (50%) waktu mulai dan menambahkan titik tengah durasi pulsa, yaitu setengah dari durasi pulsa (durasi pulsa/2).
Menemukan Puncak Pulse
Puncak pulsa adalah nilai maksimum dalam bentuk gelombang setelah transisi positif. Jika tidak ada transisi positif, amplitudo puncak dari keseluruhan bentuk gelombang dikembalikan.
Menemukan Kemiringan Pulsa
Kemiringan pulsa mengukur distorsi keadaan bentuk gelombang di mana kemiringan keseluruhan keadaan pada dasarnya konstan dan selain nol. Kemiringan dapat berupa polaritas dan dihitung untuk pulsa negatif atau positif. Pulsa lengkap (dengan setidaknya dua transisi) diperlukan untuk memastikan bahwa ada keadaan bentuk gelombang yang dapat diukur kemiringannya. Jika ada data jejak yang cukup dalam keadaan bentuk gelombang, 25% sampel pertama dan terakhir di mana distorsi overshoot paling mungkin terjadi dihilangkan. Kemiringan sisa 50% dari data jejak keadaan kemudian dihitung menggunakan metode kuadrat terkecil, dan kemiringan dihitung dengan mengalikan kemiringan dengan jumlah titik jejak dalam keadaan.
Menemukan Amplitudo Gelombang
Amplitudo gelombang ditemukan dengan mengurangkan amplitudo tingkat keadaan bawah dari amplitudo tingkat keadaan atas dalam satuan dB.
Menemukan Rata-rata Puncak ke Gelombang
Puncak gelombang rata-rata ditemukan dengan mengurangkan rata-rata gelombang dari puncak pulsa dalam hal dB. Ini membutuhkan rata-rata gelombang untuk memiliki nilai yang valid, jadi harus ada setidaknya satu periode penuh untuk a pengukuran.
Menemukan Daerah Penyimpangan Sebelum dan Sesudah Transisi
Wilayah penyimpangan pra-transisi ditentukan sebagai wilayah jejak sebelum keadaan terakhir melintasi sebelum transisi pertama, dan dengan lebar yang sama dengan tiga kali durasi transisi pertama. Ini dibatasi oleh data jejak yang tersedia sebelum transisi. Daerah aberasi pasca transisi adalah daerah yang dimulai pada keadaan pertama yang melewati transisi pertama, dan berakhir pada tiga kali durasi transisi atau pada awal transisi berikutnya, mana saja yang lebih dulu.
Menemukan Daerah Penyimpangan Sebelum dan Sesudah Transisi
Wilayah penyimpangan pra-transisi ditentukan sebagai wilayah jejak sebelum keadaan terakhir melintasi sebelum transisi pertama, dan dengan lebar yang sama dengan tiga kali durasi transisi pertama. Ini dibatasi oleh data jejak yang tersedia sebelum transisi. Daerah aberasi pasca transisi adalah daerah yang dimulai pada keadaan pertama yang melewati transisi pertama, dan berakhir pada tiga kali durasi transisi atau pada awal transisi berikutnya, mana saja yang lebih dulu.
Menemukan Overshoot dan Undershoot Setiap Daerah Aberasi
Overshoot dan undershoot masing-masing region dihitung dengan mengambil selisih antara nilai trace maksimum dan minimum setiap region aberasi dan level local state. Tingkat status lokal (Rendah = pra-transisi → Tinggi = pasca-transisi) dalam transisi positif, dan (Tinggi = pra-transisi → Rendah = pasca-transisi) dalam transisi negatif
