Mashury Wahab
1)dan Sulistyaningsih
2)1) 2) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Komplek LIPI Gdg. 20 Lt. 4, Jl. Sangkuriang, Bandung- Indonesia Tlp. 022-2504661, Fax. 022-2504659, Email: mashury@ppet.lipi.go.id
ABSTRAK
Dalam makalah ini dilakukan studi dan evaluasi dari clutter yang biasa dikenal dalam bidang keilmuan dan aplikasi Radar. Implementasi Radar, seperti yang sedang dilakukan oleh PPET-LIPI dengan Radar Pengawas Pantainya, harus memperhitungkan dampak clutter ini terhadap kinerja Radar untuk menghindari kesalahan deteksi yang tinggi dan menurunnya akurasi. Kajian mengenai clutter ini dimulai dengan definisi, teori dasar, jenis clutter, pendekatan model clutter, dan pereduksian clutter. Diharapkan kajian ini dapat menjadi sumbangan pemikiran untuk penelitian dan pengembangan Radar di Indonesia.
Kata kunci: clutter, kajian, kinerja, pereduksian, implementasi, Radar.
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Radar berperan sangat penting dalam aktivitas kehidupan manusia baik untuk membantu pengaturan lalu lintas dan peningkatan keselamatan dalam transportasi udara dan laut, pengawasan wilayah dibidang Hankam, pengamatan cuaca, pemetaan dan lain lain. Mengingat wilayah Indonesia yang sangat luas maka diperlukan Radar dalam jumlah banyak untuk mengawasi seluruh wilayah NKRI sepanjang waktu. Berdasarkan hal-hal diatas perlu dibangun kemandirian bangsa dalam pembuatan Radar. Kondisi ini, diperparah oleh kondisi perekonomian bangsa yang sedang terpuruk ini tidak memungkinkan pemerintah untuk membeli peralatan Radar dari luar negeri yang umumnya bernilai sangat mahal (dari U$100.000 sampai dengan jutaan U$ dollar). Hal ditambah dengan sulitnya mekanisme pembelian Radar yang bernilai strategis dibidang keamanan.
Penelitian dan pengembangan Radar harus memperhitungkan banyak faktor-faktor yang dapat mempengaruhi keakuratan Radar dalam pendeteksian target yang diinginkan, seperti pesawat udara atau kapal laut. Faktor-faktor ini antara lain lebar berkas dari sinyal yang dipancarkan antena, kekuatan sinyal yang dipancarkan, sudut penerimaan dan pemancaran, jenis dan tingkat gangguan pada sinyal yang dipancarkan/diterima, dan lain-lain.
Pada makalah ini kami membahas salah satu gangguan yang dialami pada saat aplikasi Radar yaitu
clutter. Tergantung pada jenisnya, clutter ini ada beberapa jenis. Paparan makalah ini lebih banyak pada segi teoritis. Diharapkan makalah ini dapat memberikan kontribusi pada pemahaman clutter pada bidang keilmuan Radar.
1.2 Definisi Clutter
Clutter adalah suatu istilah yang digunakan untuk menguraikan beberapa obyek yang membangkitkan kembalian Radar yang tidak dikehendaki yang mengganggu terhadap pengoperasian Radar normal [1, 3, 6]. Parasitic
returns yang memasuki Radar melalui main lobe
antena disebut main lobe clutter; jika tidak disebut dengan side lobe clutter.Clutter dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori utama: surface clutter dan
airborne atau volume clutter [1, 3, 6].Surface clutter
meliputi pohon-pohon, tumbuh-tumbuhan, landasan tanah lapang, stuktur buatan manusia, dan permukaan laut (sea clutter). Volume clutter secara normal mempunyai luas besar (ukuran) dan meliputi sekam, hujan, burung-burung, dan serangga. Surface clutter
mengubah dari satu area ke yang lain sedangkan
volume clutter mungkin lebih dapat diprediksikan.
Clutter echoes, acak dan mempunyai
karakteristik seperti thermal noise karena komponen- komponen clutter tersendiri (tersebar-sebar) mempunyai fase-fase acak dan luas. Pada banyak kasus, tingkatan isyarat clutter lebih tinggi dibandingkan dengan tingkatan gangguan penerima. Jadi, kemampuan Radar untuk mendeteksi target dengan high clutter background tergantung pada
Signal-to-Clutter Ratio (SCR) dari pada Signal-to- Noise Ratio (SNR) [1, 2, 3].
White noise secara normal memperkenalkan jumlah yang sama dari noise power across semua Radar range bins, sedangkan daya clutter dapat bermacam-macam di dalam satu single range bin [1, 2, 3]. Sejak kembalian clutter adalah target seperti
echoes, satu-satunya cara suatu Radar dapat
membedakan kembalian target dari clutter echoes
didasarkan pada Radar Cross Section (RCS) target σt, dan antisipasi RCS clutter σc (melalui peta clutter).
Clutter RCS dapat didefinisikan sebagai ekivalen RCS dihubungkan dengan pemantulan dari suatu area Clutter, Ac. Rata-rata RCS clutter dirumuskan:
138
(1) dimana adalah koefisien clutter scattering, suatu kuantitas tanpa dimensi yang sering dinyatakan dalam dB. Beberapa insinyur Radar menyatakan dalam cm persegi tiap meter persegi. Pada kasus-kasus ini, adalah 40 dB lebih tinggi dari normal.
2. JENIS-JENIS CLUTTER 2.1 Surface Clutter
Surface Clutter meliputi keduanya daratan
dan clutter laut, dan sering disebut area clutter [1, 2, 3]. Area Clutter menunjukkan bahwa area clutter sendiri dalam airborne Radar dalam mode look-down. Ini juga suatu perhatian utama untuk ground based Radar ketika mencari-cari target pada low grazing
angles. The grazing angles adalah sudut dari
permukaan bumi ke sumbu utama dari illuminating beam, seperti digambarkan pada Gambar 1.
Tiga faktor yang mempengaruhi jumlah dari
clutter di dalam berkas sinyal Radar. Mereka adalah
grazing angle, kekasaran permukaan, dan panjang
gelombang Radar [1, 2, 3]. Secara khas koefisien
clutter scattering lebih besar untuk panjang
gelombang yang lebih kecil. Gambar 2 menunjukkan uraian ringkas ketergantungan dari pada grazing angle. Tiga daerah yang dikenali: yaitu daerah low graz ing angle, daerah datar atau dataran tinggi, dan daerah high grazing angle.
Daerah low grazing angle memperluas dari nol kepada sudut kritis. Sudut kritis didefinisikan oleh Rayleigh sebagai bawah sudut yang mana suatu permukaan dianggap menjadi lembut, dan diatas permukaan dianggap menajdi kasar. Merupakan rata- rata akar kuadrat (rms) dari suatu ketidakteraturan tingginya permukaan sebagai , kemudian menurut criteria Rayleigh permukaan yang dianggap lembut jika
(2) Mengingat peristiwa gelombang pada atas suatu permukaan, ditunjukkan pada Gambar 3. Dalam kaitan dengan ketidakaturan tingginya permukaan (permukaan kasar), “alur kasar” lebih panjang dibanding dengan “alur lembut” dengan suatu jarak
.Beda alur ini diterjemahkan dalam suatu diferensial fase :
(3)
Sudut kritis kemudian akan menghitung ketika (pertama nol), maka
(4) atau ekivalen,
(5)
Gambar 1: Definisi dari grazing angle .
Gambar 2: Daerah Clutter.
Gambar 3: Definisi permukaan kasar.
Di dalam kasus sea clutter, sebagai contoh, rms ketidakteraturan tingginya permukaan adalah
(6) di mana status lautan, yang mana disusun tabel di dalam beberapa acuan yang diuji.
Status laut dikarakteristikan oleh tingginya gelombang, periode, panjang, kecepatan partikel, dan kecepatan angin. Sebagai contoh, =3 mengacu pada status laut sedang, di mana dalam hal ini tingginya gelombang kira-kira sepadan antara 0.9144 sampai 1.2192 m, periode gelombang 6.5 sampai 4.5
139
s, panjang gelombang 1.9812 sampai 33.528 m, kecepatan gelombang 20.372 sampai 25.928 Km/hr, dan kecepatan angin 22.224 sampai 29.632 Km/hr.
Clutter pada daerah high grazing angle sering dikenal sebagai clutter dihamburkan, di mana ada sejumlah besar kembalian clutter di dalam beam Radar (pemantulan tidak koheren). Pada daerah yang datar ketergantungan pada atas grazing angle adalah minimal. Clutter di dalam daerah high grazing angle
lebih specular (pemantulan koheren) dan hamburan komponen clutter menghilang lenyap. Di daerah ini permukaan lembut mempunyai lebih besar dari permukaan kasar, kebalikan daerah low grazing angle .
2.1.2 Persamaan Radar untuk Clutter Area
Dalam hal ini dipertimbangkan suatu Radar
airborne naik di udara pada look-down mode
ditunjukkan pada Gambar 4 [1, 2, 3]. Persimpangan dari berkas sinyal antena dengan landasan menggambarkan suatu footprint berbentuk lonjong. Ukuran dari footprint adalah suatu fungsi dari grazing
angle dan antena 3dB beam width , seperti
digambarkan pada Gambar 5. Footprint dibagi menjadi banyak ground range bins masing-masing ukuran , di mana suatu lebar pulsa. Dari Gambar 5, Area Clutter adalah
(7)
Gambar 4: Airborne Radar pada mode look-down.
Gambar 5. Definisi Footprint.
Daya yang diterima oleh Radar dari suatu scatterer dalam Ac dinyatakan oleh persamaan
berikut:
(8) di mana seperti biasanya, adalah puncak daya dipancarkan, adalah penguatan antena, adalah panjang gelombang, dan adalah target RCS. Dengan cara yang sama, daya yang diterima dari
clutter adalah
(9) di mana tulisan di bawah garis digunakan untuk
area clutter. Substitusi persamaan (1) untuk ke
dalam Persamaan (9), kita dapat memperoleh SCR untuk area clutter yang dibagi pada persamaan (8) dengan persamaan (9). Dengan tepat,
(10) 2.2 Volume Clutter
Volume clutter mempunyai luas besar
(ukuran) dan meliputi hujan (cuaca), sekam, burung- burung, dan serangga. Koefisien volume clutter secara normal dinyatakan dalam meter persegi (RCS per volume resolusi) [1, 2, 3, 6]. Burung-Burung, serangga, dan beterbangan lainnya sering dikenal sebagai angle clutter atau clutter biologi.
Seperti tersebut diawal, sekam digunakan sebagai suatu teknik ECM oleh hostile forces. Itu terdiri dari sejumlah besar reflektor dipole dengan besar nilai RCS. Menurut sejarah, sekam dibuat dari aluminium foil; di tahun terakhir kebanyakan sekam yang dibuat dari rigid fiber glass dengan conductive
coating. Maksimum sekam RCS terjadi manakala
panjangnya dipole L adalah satu setengah panjang gelombang Radar.
Clutter cuaca atau hujan lebih mudah untuk
to suppress dibanding sekam, karena rain droplets
dapat dipandang sebagai lapisan kecil sempurna. Kita dapat menggunakan perkiraan Rayleigh tentang lapisan sempurna untuk menafsirkan rain droplets' RCS. Perkiraan Rayleigh, tanpa memperhatikan propagasi indeks medium dari pantualan, adalah
(11) dimana dan adalah radius dari rain droplet.
Gelombang elektromagnetik ketika dicerminkan dari suatu lapisan sempurna menjadi
strongly co-polarized (mempunyai polarisasi yang
sama sebagai incident waves). Konsekwensi, jika
140
Radar memancarkan, disebut, suatu polarisasi gelombang Right-Hand-Circularly (RHC), kemudian polarisasi gelombang yang diterima Left-Hand-
Circularly (LHC), sebab sedang menyebarkan dalam
arah berlawanan. Oleh karena itu, energi back-
scattered dari rain droplets mempertahankan
perputaran gelombang yang sama (polarisasi) sebagai
incident wave, tetapi telah dibalikkan arah dari
propagasi. Hal itu mengikuti bahwa Radar dapat
suppress rain clutter dengan co-polarizing antena pemancar Radar dan penerima. Penjelasan seperti RCS per volume resolusi unit , dihitung sebagai penjumlahan dari semua individu scatterers RCS di dalam volume [3]
(12)
di mana total jumlah dari scatterers dalam volume resolusi.
Total RCS dari suatu volume resolusi tunggal adalah
(13) Suatu resolusi volume ditunjukkan pada Gambar 6, dan diperkirakan dengan
(14) di mana, dan adalah, berturut-turut, antenna azimuth dan elevasi beam width dalam radian, lebar pulsa dalam detik, c kecepatan cahaya, dan R adalah jarak.
Gambar 6: Definisi dari volume resolusi.
Mempertimbangkan propagasi medium dengan suatu indeks pantul . ith rain droplet RCS diperkiraan dalam medium ini adalah
(15) dimana
(16)
dan adalah ith diameter droplet. Sebagai contoh, temperatur antara 32 o F dan 68 o F adalah
(17) dan untuk es persamaan (17) dapat diperkirakan sebagai
(18) Substitusi persamaan (17) ke dalam persamaan (12) hasilnya adalah
(19) di mana koefisien clutter cuaca digambarkan sebagai
(20) Secara umum, diameter rain droplet
diberikan dalam milimeter dan volume resolusi Radar dinyatakan dalam meter kubik, begitu unit dari Z sering dinyatakan dalam .
2.2.1 Persamaan Radar untuk Volume Clutter Persamaan Radar memberi jumlah tenaga yang diterima oleh Radar dari suatu target pada Jarak R sebagai [1, 3]
(21) di mana semua parameter dalam persamaan (21) telah digambarkan lebih awal. Daya yang diterima Clutter
cuaca oleh Radar adalah
(22) Menggunakan persamaan (13) dan persamaan (14) ke dalam persamaan (22) dan digabung menghasilkan
(23) SCR untuk clutter cuaca dihitung dengan pembagian persamaan (21) dengan persamaan (23). Dengan tepat,
(24) di mana tulisan di bawah garis V digunakan untuk menandakan volume clutter.
3. MODEL CLUTTER
Model clutter yang dibahas dalam seksi ini adalah model statistik dari clutter [3]. Sejak clutter
dalam suatu sel resolusi atau volume adalah terdiri atas sejumlah scatterers dengan fase acak dan amplitudo secara statistic, yang diuraikan oleh suatu fungsi distribusi probabilitas. Jenis distribusi tergantung pada sifat alami clutter sendiri (laut, daratan, volume), Radar yang beroperasi frekwensi, dan grazing angle.
Jika clutter laut atau daratan terdiri atas dari banyak kecil scatterers ketika kemungkinan dari echo penerima dari satu menyebar secara statistik tidak terikat pada echo penerima dari menyebar yang lain, kemudian clutter mungkin diperagakan menggunakan distribusi Rayleigh,
(25) di mana rata-rata nilai x kuadrat.
Log-Normal distribusi yang terbaik menguraikan clutter daratan pada grazing angle. Hal ini juga sesuai dengan clutter laut dalam daerah dataran tinggi. Diberikan oleh
(26)
di mana angka median dari variabel acak, dan adalah simpangan baku tentang variabel acak ln(x).
Distribusi Weibull digunakan untuk model
clutter pada low grazing angles (lebih sedikit
dibanding lima derajat) untuk frekwensi antara 1 dan 10 GHz. Fungsi probabiliti Weibull Density ditentukan oleh parameter slope Weibull (sering ditabelkan) dan koefisien nilai tengah scatter , dan dirumuskan
(27) di mana dikenal sebagai bentuk parameter. Catatlah bahwa ketika distribusi Weibull
menjadi suatu distribusi Rayleigh.
4. PEREDUKSIAN CLUTTER
Dalam seksi ini dijelaskan mengenai salah satu cara sederhana yang dipakai untuk penekanan clutter
tanah (ground clutter) untuk Radar-Radar yang dipasang diatas tanah dengan kemampuan untuk deteksi kecepatan target (Doppler) [4, 5]. Hal ini dilakukan melalui penghilangan (clipping) puncak Doppler spektrum pada kecepatan Doppler 0 m/s (kedudukan Radar terhadap tanah tidak berubah), lihat Gambar 7. Pengurangan terhadap rata-rata dari U(t)
sebelum FFT Doppler akan memberikan hasil yang sama, dimana U(t) ini adalah sinyal setelah proses
perhitungan jangkauan (Range) pada suatu sistem Radar. Penekanan ini penting dilakukan apabila dalam pengukuran-pengukuran dengan sudut elevasi rendah karena Radar lebih dekat dengan tanah.
Gambar 7: Penekanan clutter pada Doppler spectrum.
5. KESIMPULAN
Clutter mempunyai dampak terhadap kinerja Radar
berupa kesalahan deteksi yang tinggi dan menurunnya akurasi. Telah dipaparkan kajian dan evaluasi dari
clutter pada bidang keilmuan Radar. Ada dua jenis
clutter yang dipaparkan yaitu area dan volumeclutter. Dipresentasikan juga model statistik untuk clutter.
Salah satu contoh pereduksian clutter dengan metoda
clipping juga dipresentasikan.
DAFTAR REFERENSI
[1] Leo P. Ligthart, ’Short Course on Radar Technologies’, International Research Centre for Telecommunications and Radar, TU Delft, September 2005.
[2] Mark Richards, ’Radar Signal Processing’, McGraw-Hill, 2005.
[3] Bassem R. Mahafza, ‘Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB’, Chapman & Hall, 2005.
[4] S.H. Heijnen, ‘TARA Data Processing’, Report for Cloudnet, October 2003.
[5] S.H. Heijnen, J.S. Van Sinttruijen, W.F. Van der Zwan, L.P. Ligthart, ’A Dedicated Computer System for FM-CW Radar Applications’, Proceeding of 13th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, 2000 (Mikon-2000).
[6] M.I. Skolnik, ’Radar Handbook’, McGraw-Hill, 1990.