Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI Kampus LIPI Gedung 20 Lt. 4, Jl. Sangkuriang, Bandung 40135 Tlp. 022-2504661, Fax. 022-2504659, Email: [email protected]
ABSTRAK
Dalam tulisan ini dipaparkan pembuatan perangkat lunak untuk mengolah citra Radar serta hasil-hasil penelitian yang telah dicapai. Landasan teori dalam pengolahan sinyal Radar juga dipaparkan. Tujuan pembuatan perangkat lunak ini adalah untuk memproses sinyal yang diperoleh dari bagian penerima Radar sehingga pemakai (user) dengan mudah menginterpretasikan tampilan dilayar Radar. Beberapa model tampilan Radar dipresentasikan sebagai hasil dari penelitian.
Kata kunci : citra Radar, perangkat lunak, teori, tampilan, pengolahan sinyal.
1. PENDAHULUAN
Radar berfungsi sangat penting untuk membantu pengaturan lalu lintas laut dan udara. Termasuk juga untuk pengamatan cuaca dan aplikasi untuk pertahanan dan keamanan. Selama ini Radar untuk kebutuhan dalam negeri dipenuhi melalui impor dari luar negeri. Seiring dengan semakin mahalnya harga Radar dan mekanisme pembelian yang sulit maka perlu dimulai usaha untuk pembuatan Radar didalam negeri. Sehubungan dengan hal ini penelitian rancang bangun Radar telah dimulai sejak lebih dari sepuluh tahun yang lalu. Akan tetapi, penelitian yang berkenaan dengan perangkat lunak (software) belum banyak yang melakukan secara intensif. Oleh karena itu, telah dilakukan rancang bangun perangkat lunak Radar (untuk Radar jenis FM-CW) di PPET-LIPI.
Diharapkan dengan adanya pembuatan pengolah citra Radar ini dapat dilakukan integrasi dengan komponen-komponen lain sehingga terwujudnya satu sistem Radar yang fungsional. Adanya keinginan dari pihak luar negeri untuk bekerja sama dalam penelitian/pembuatan Radar seperti International Research Centre for Telecommunications and Radar (IRCTR) dari TU Delft, Belanda dan University Technology of Malaysia juga turut mendorong diajukannya penelitian ini.
Blok diagram Radar Frequency Modulated Continuous Wave (FM-CW) yang diteliti di PPET dapat direpresentasikan pada Gambar 1. Sistem Radar terbagi atas dua bagian utama yaitu transmitter (pemancar) dan receiver (penerima). Hasil deteksi Radar akan ditampilkan oleh Display unit yang mengolah sinyal yang diterima dari bagian Receiver menjadi suatu gambar yang dapat diinterpretasikan dengan mudah oleh pengguna (bagian ini merupakan topik dari penelitian), Bagian Duplexer berfungsi untuk meneruskan sinyal dari transmitter ke antenna, juga meredam sinyal ini
sehingga tidak masuk bagian Receiver, dan
meneruskan sinyal dari antenna ke bagian Receiver.
Ada antenna control yang berfungsi untuk mengatur agar gerakan antenna sesuai dengan tampilan dilayar dari Display unit. Synchronizer berfungsi untuk menyesuaikan sinyal-sinyal yang dikirimkan oleh transmitter dengan tampilan yang diinginkan di Display unit.
Gambar 2 memperlihatkan contoh tampilan Radar maritim yang mengamati obyek-obyek di lautan. Tampilan ini diperoleh setelah sinyal-sinyal analog dari bagian penerima (receiver) mengalami proses yang kompleks sebelum dapat dilihat pada monitor dan dapat dimengerti dengan mudah oleh pemakai.
Gambar 1. Blok diagram sistem Radar.
Gambar 2. Contoh tampilan pada Radar.
Gambar 3 memperlihatkan blok diagram sistem pengolahan citra. Dalam gambar ini, terdapat lima komponen dari sistem yang dimaksud:
Synchronizer Transmitter
Display Unit Receiver Power Supply
Antenna Control Video
• Penguat instrumentasi: digunakan untuk memperkuat sinyal yang telah difilter dari bagian penerima Radar.
• Analog to digital converter (ADC): digunakan untuk mengkonversi sinyal analog signals menjadi sinyal digital.
• Data akuisisi dan antar muka (interface): digunakan untuk mengatur kesesuaian koneksi dan tingkat sinyal diantara penerima Radar dan bagian pengolahan sinyal. Data digital disimpan sementara sebelum diproses oleh perangkat lunak pengolahan citra.
• Perangkat lunak pengolahan citra: sebuah komponen penting untuk pengolahan data, menghilangkan interferensi (noise dan clutter) dari data, dan mengekstrak informasi yang diinginkan.
• Indikator (monitor): informasi yang
diperoleh ditampilkan pada monitor dalam bentuk posisi dan kecepatan dari obyek yang diamati.
Gambar 3. Blok diagram sistem pengolahan citra Radar.
Dalam implementasinya, ADC, komponen antar muka dan data akuisisi digantikan oleh sebuah modul Digital Signal Processing (DSP) sehingga lebih terintegrasi dan kompak (ukuran perangkat keras keseluruhan bisa lebih kecil).
2. LANDASAN TEORI
Dalam penelitian ini, Radar jenis FM-CW dijadikan sebagai model Radar yang akan dilakukan pengolahan citra [1, 5]. Radar FM-CW ini dipilih karena dalam aplikasinya tidak memerlukan bagian penguat daya (magnetron) yang umumnya sulit diperoleh dari luar negeri dan dapat diganti dengan komponen penguat daya yang biasa (berupa transistor atau IC). Dalam Radar jenis ini, bentuk dari sinyal yang ditransmisikan adalah berbentuk gigi gergaji (saw tooth) seperti dalam gambar berikut:
Gambar 4. Bentuk sinyal yang dipancarkan (transmitted) dan sinyal yang diterima (received) dalam modulasi
frekuensi.
Dimana fe adalah frekuensi ekskursi, fb adalah
beat frequency (∆f) dan Tsweep adalah sweep time.
Setelah adanya pantulan dari obyek yang diamati maka sinyal pantulan yang diterima akan dicampur dengan sinyal yang ditransmisikan pada saat yang hampir sama untuk memperoleh sinyal beat sebagai berikut:
Gambar 5. Sinyal beat setelah dicampur dan dikurangi oleh rata-rata amplituda sinyal (sweep time 1ms).
Sinyal beat diatas dapat dinyatakan dalam persamaan berikut [6, 7, 8, 9]:
)
)
(
2
cos(
)
2
cos(
πft
x
π
f
+
f
bt
(1)Dimana f adalah frekuensi yang ditransmisikan, fb adalah beat frekuensi, komponen cos() yang dibagian kiri adalah sinyal yang diterima dan cos() dibagian kanan adalah yang sedang ditransmisikan. Dengan menggunakan sebuah lowpass filter, komponen frekuensi tinggi dari hasil perkalian dipersamaan (1), yaitu
cos(2π(2f
+
f
b)t)
, dapat dihilangkan dan tersisa hanya komponen)
2
cos(
πf
bt
. Jadi hanya sinyal dengan beat frequencyfb yang tersisa. Beat frequencyfb adalahsebanding dengan waktu delay ∆t diantara
penerimaan dan pemancaran sinyal, dan karenanya juga sebanding dengan jangkauan dari target Radar r. f Tsweep T(s) fe Transmitted signal Received signal fb ∆t
Amplifier ADC (Analog to Digital Converter)
Hardware utk antar muka dan
akuisisi data Perangkat lunak untuk pengolahan sinyal Radar Indikator (monitor) Sinyal Radar yang
diterima
Sinyal dari synchronizer
2.1 Spektrum Jangkauan.
Untuk setiap penyapuan sinyal (sweep), spektrum jangkauan memberikan jangkauan yang tergantung pada nilai refleksivitas [6, 7, 8, 9]. Untuk obyek pengamatan yang banyak pada jangkauan yang berbeda-beda, sebuah Fast Fourier Transform (FFT) bersama-sama dengan sebuah teknik window (jendela) pada sinyal beat diperlukan untuk menganalisa sinyal ini dalam frequency domain [6, 7, 8, 9]. Hasilnya adalah sebuah sinyal kompleks (yang memiliki suku I dan Q). Konversi ke jangkauan frekuensi diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
c
r
t
T
f
t
f
s e b=
,
∆
=
2
∆
(2)Setelah proses jangkauan, sinyal pada jangkauan yang tetap menunjukkan ketergantungan terhadap waktu:
∑
= − −=
N k r jg t f j k k k De
e
A
t
U
1 )) 0 ( ( 2)
(
π (3)dimana: adalah amplituda yang berhubungan
dengan target k, adalah frekuensi Doppler yang
berhubungan target k, adalah fasa awal
yang berhubungan dengan posisi awal dari target k. N adalah jumlah target atau partikel yang terdapat
dalam volume Radar dengan jangkauan r.
Amplituda tergantung pada sifat-sifat Radar (frekuensi transmisi, polarisasi) dan pada sifat-sifat partikel (jangkauan, ukuran, permitivitas relatif dan bentuk). k
A
k Df
))
0
(
(r
kg
kA
2.2 Spektrum Doppler.Sejumlah sinyal sweep dikumpulkan untuk memperoleh ketergantungan terhadap waktu dari sinyal U sehingga setiap sel jangkauan sebuah FFT Doppler (juga menggunakan teknik window) juga bisa dihitung. Hasilnya adalah sebuah spektrum Doppler untuk setiap jangkauan. Perhitungan dari tiga moments dari spektrum daya Doppler dilakukan untuk mendapatkan refleksivitas, kecepatan Doppler rata-rata, dan lebar Doppler. Spektrum Doppler ditunjukkan dalam Gambar 6 [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Reflektivitas ekuivalen (momen ke 0) adalah
Z
m
m
L i i=
=∑
=1 0 (4)Kecepatan Doppler rata-rata (momen ke 1) adalah
( )
V
m
v
m
m
v
m
v
m
L i i i L i i L i i i=
=
=
=
∑
∑
∑
= = = 0 1 1 1 1 (5)Gambar 6. Spektrum Doppler.
Lebar spektrum Doppler (momen ke 2) adalah
W
m
v
v
m
m
L i i i=
−
=
∑
= 0 1 2 2))
(
(
(6)dimana L menunjukkan jumlah Doppler bins
(biasanya L = 512).
2.3 Pengolahan Spektrum Daya Doppler Untuk Memperbaiki Estimasi Z, V dan W
Perbaikan estimasi Z, V dan W dalam subseksi sebelumnya dilakukan melalui peningkatan spektrum Doppler [6, 7, 8, 9]. Melalui penerapan FFT dari jangkauan dan Doppler pada sinyal yang diterima, spektrum Doppler diperoleh untuk setiap jangkauan (atau untuk setiap volume resolusi Radar). Pada langkah ini, spektrum Doppler yang diperoleh mengalami gangguan noise (derau) dan sinyal yang tak diinginkan (clutter). Langkah- langkah pengolahan sederhana dilakukan untuk membersihkan spektrum Doppler.
1. Penekanan clutter tanah.
Hal ini dilakukan melalui penghilangan puncak Doppler spektrum pada kecepatan Doppler 0 m/s (kedudukan Radar terhadap tanah tidak berubah), lihat Gambar 7. Pengurangan
terhadap rata-rata dari sebelum FFT
Doppler akan memberikan hasil yang sama. Penekanan ini penting dilakukan apabila dalam pengukuran-pengukuran dengan sudut elevasi rendah karena Radar lebih dekat dengan tanah.
)
(t
U
2. Pengambilan nilai rata-rata dan penghalusan (smoothing).
Smoothing untuk setiap spektrum bersama- sama dengan kemungkinan pengambilan nilai rata-rata sekumpulan spektrum dilakukan untuk mengurangi aspek derau (noise) dari spektrum
Doppler Width Mean Doppler Velocity Power Doppler Velocity
Doppler. Tingkat noise adalah sebuah karakteristik Radar. Noise atmosfer adalah karena fluktuasi ruang dan waktu dari target yang terdistribusi dan media Radar. Teknik smoothing dapat dilakukan pada spektrum Doppler.
Gambar 7. Penekanan clutter tanah.
Gambar 8. Pemangkasan tingkat daya.
3. Pemangkasan (Clipping).
Informasi target yang diperoleh pada tingkatan derau sudah terkontaminasi oleh derau itu sendiri. Untuk melewati kesukaran ini dan untuk hanya mendapatkan pengukuran target, hanya daya diatas tingkat pemangkasan yang di pertahankan untuk integrasi, lihat Gambar 8. Untuk meng-estimasi profil-profil dari refleksivitas, kecepatan Doppler rata-rata dan lebar Doppler, tingkat pemangkasan yang biasa dilakukan adalah 3dB diatas tingkatan derau. Untuk mengestimasi parameter-parameter lainnya, mungkin diperlukan untuk menaikkan tingkat pemangkasan ini.
4. Koreksi yang tergantung pada jangkauan. Langkah terakhir dalam memproses perbaikan estimasi Z, V dan W, sebuah koreksi pada nilai- nilai refleksivitas harus dilakukan untuk pemisahan ruang dari antena pemancar dan penerima.
3. HASIL DAN DISKUSI
Berdasarkan landasan teori yang dipaparkan pada seksi II, maka telah dilakukan pembuatan tampilan Radar untuk INDRA II dalam beberapa versi dimana versi yang terakhir merupakan penyempurnaan dari versi-versi sebelumnya. Dalam makalah ini, dipresentasikan versi hasil penelitian pada akhir tahun 2007 dan awal tahun 2008 ini. Dalam tampilan Radar ini, informasi tentang parameter-parameter utama yang digunakan pada Radar juga diperlihatkan untuk meng-informasikan pengguna tentang setting yang digunakan pada Radar FM-CW. Contoh tampilan dapat dilihat pada Gambar 9, 10 dan 11.
Gambar 9. Tampilan dari pengolahan citra Radar versi I.
Gambar 10. Tampilan dari perangkat pengolahan citra Radar versi II.
Tampilan dari dari perangkat lunak pengolahan citra Radar versi I diperlihatkan pada gambar 9. Pada tampilan ini sudah ada pull-down menu, obyek-obyek yang berukuran besar ditandai oleh lambang asterisk yang besar, dan labeling dari setiap lingkaran (yang menyatakan jangkauan) juga sudah diberikan. Setting parameter diinformasikan pada kotak sebelah kiri.
Gambar 10 memperlihatkan tampilan dari perangkat lunak pengolahan citra Radar versi II (versi akhir tahun 2007). Pada tampilan ini, susunan setting parameter-parameter telah diperbaiki dan
diisi nilai defaultnya. Latar belakang tampilan juga dibuat lebih terang. Masih ada permasalahan yaitu bagaimana menempatkan latar belakang yang berupa gambar lokasi stasiun Radar dengan penunjukkan Radar supaya bisa overlap karena sering terjadi error pada perangkat lunak kalau hal ini dipaksakan. Hal ini terus kita tangani untuk diatasi permasalahannya.
Gambar 11. Tampilan dari perangkat pengolahan citra Radar versi III.
Tampilan Radar dengan menggunakan software lain (jenis software data base) diperlihatkan pada gambar 11. Penggunaan sofware ini semata-mata untuk menampilkan hasil pengolahan sinyal karena dimungkinkan untuk menampilkan peta lokasi stasiun Radar di Cilegon dengan garis scanning Radar.
Peningkatan keakurasian dan tampilan dari perangkat lunak citra Radar perlu percobaan yang terus menerus dikarenakan banyak sekali faktor- faktor yang harus dimasukkan dan diperhitungkan pengaruhnya terhadap keakuratan hasil deteksi. Usaha menghilangkan pengaruh Clutter dan Noise, memperkirakan ukuran obyek yang dimonitor melalui Radar Cross Section, mengurangi kesalahan pendeteksian (false alarm) dan melakukan tracking terhadap obyek yang bergerak adalah kegiatan- kegiatan kunci dalam pembuatan perangkat lunak pengolahan citra Radar.
Selanjutnya akan dilakukan percobaan pembuatan tampilan Radar dengan menggunakan langkah-langkah berikut:
1. Data dari ADC akan disimpan dalam
memori sementara.
2. Selanjutnya data ini akan dibaca oleh program pengolah data dan komputasi. 3. Hasil pengolahan pada poin nomor 3 akan
disimpan dalam format data base.
4. Program tampilan (GUI = graphical user interface) akan membaca data dengan format data base tertentu serta membuat
plot garis scanning dan posisi obyek- obyek yang diamati pada layar komputer.
4. KESIMPULAN
Dalam makalah ini telah dipresentasikan tentang rancang bangun perangkat lunak citra Radar di PPET-LIPI berlandaskan teori-teori pengolahan sinyal Radar. Penelitian Pembuatan Perangkat Pengolahan Citra Radar ini belum mencapai hasil yang sempurna dikarenakan banyak sekali faktor- faktor yang harus dimasukkan dan diperhitungkan pengaruhnya terhadap keakuratan hasil deteksi. Dikaji kemungkinan penyimpanan data dengan format data base tertentu untuk kemudahan plotting pada tampilan Radar.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada pengelola program kompetitif LIPI yang telah memberikan pendanaan penelitian dan juga kepada staf IRCTR TU-DELFT yang telah memberikan bimbingan teknis.
DAFTAR PUSTAKA
1. M.I. Skolnik, ’Radar Handbook’, McGraw-
Hill, 1990.
2. M.I. Skolnik, ’Introduction to Radar
Systems’, McGraw-Hill, 2002.
3. Byron Edde, ’Radar: principles, technology, and applications’, Prentice-Hall Inc., 1993. 4. August W. Rilhaczek, ‘Radar resolution and
complex-image analysis’, Artech House Inc., 1996.
5. Leo P. Ligthart, ’Short Course on Radar
Technologies’, International Research Centre for Telecommunications-transmission and Radar-TU Delft, September 2005. 6. Mark Richards, ’Radar Signal Processing’,
McGraw-Hill, 2005.
7. Bassem R. Mahafza, ‘Radar Systems
Analysis and Design Using MATLAB’, Chapman & Hall, 2005.
8. S.H. Heijnen, ‘TARA Data Processing’,
Report for Cloudnet, October 2003.
9. 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).