PENGEMBANGAN SISTEM PENGOLAHAN DATA RADAR VHF LAPAN
1
M. Sjarifudin, 1A. Kurniawan, 1P. Sitompul, 1M. A. Aris, 1H. Bangkit, 1
M. Batubara, 2J. R. Roettger
1
Pusat Pemanfaatan Sains Antariksa, LAPAN Jl. Dr. Djundjunan 133 Bandung 40573
Telp. 022-6012602 Fax. 022-6014998 Email: [email protected] 2
DLR (Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt) Jerman Email: [email protected]
ABSTRACT
LAPAN VHF radar has been installed and operated since December 2007 at Pameungpeuk Space Observatory Station of LAPAN. The operating frequency is 150MHz with 1kW peak pulse power. The radar transmitter is 150MHz 1kW T-R Module made by Vikas Communication Pvt. Ltd. India, the radar receiver is 3 channels 150MHz receiver made by United System Engineering Ltd. (USE) India, completed by 32 Yagi antennas for the transmitter, and 32 Yagi antennas for the receiver. Radar operation is controlled by LAPAN made radar controller based on AT Mega 8535 microcontroller. At this moment the 150MHz radar signal is vertically transmitted in the form of 150MHz pulse signals, with 6µseconds duration and 75µseconds IPP (Inter Pulse Period). The atmospheric echo signal in the form of In-phase and Quadrature signals have been received. By using Meilhaus ME-4660S DAQ Card the digitation of those signals are controlled by LabVIEW Professional version 8 software. The ME-4660S DAQ Card is operated as 16 bits 500kHz ADC (Analog to Digital Converter). At the beginning, the ADC card was performed for radar system testing. Twelve digital data in the text file format have been collected every 6µseconds at 75µseconds radar pulse period. On year 2008, an research activity for developing the LAPAN VHF radar data processing system has been done in the form of Riset Insentif Kedirgantaraan (RIK) LAPAN. Actually the data processing system is a DSP (Digital Signal Processing) system for digitizing the In-phase and Quadrature signals, and convert it to the atmospheric characteristic digital data. For example the data of zonal, meridional, and vertical wind velocity. Those digital data will be analysed for getting atmospheric layer information which be useful for understanding weather and climate at westward Indonesia and also for ENSO (El-Nino and Southern Oscillation) and QBO (Quasi Biennial Oscillation) research. A signal processing system comparison study of EAR (Equatorial Atmospheric Radar) at Kototabang Bukittinggi, MF (Medium Frequency) radar di Pontianak and Pameungpeuk, VHF (Very High Frequency) radar Chung-Li Taiwan, and VHF radar Jicamarca Peru is in process. At this moment, a design of signal processing system for LAPAN VHF radar has been developed based on those study results. This paper will present the current activities results (until October 2008). The research will be continued in 2009 by signal processing system software implementation and in 2010 by signal processing system hardware implementation for LAPAN VHF radar.
Keywords: LAPAN VHF radar, ME-4660S DAQ Card, Digital Signal Processing, design of
1. PENDAHULUAN
Radar VHF LAPAN yang dibangun sendiri oleh LAPAN sejak tahun 2006 merupakan radar atmosfer dengan frekuensi kerja 150 MHz dan daya pancar 1 kW peak pulse dan dipasang di SPD Pameungpeuk. Data yang diperoleh selain meningkatkan pemahaman tentang cuaca dan iklim di kawasan Barat Indonesia juga akan mendukung informasi tentang fenomena seperti ENSO (El-Nino and Southern Oscillation) dan QBO (Quasi Biennial Oscillation). Saat ini data mentah yang diperoleh dari penerima analog baru sampai tahap pengubahan menjadi data sinyal digital dalam rangka pengujian operasi radar VHF LAPAN. Data sinyal digital yang diperoleh mempunyai resolusi yang kurang karena menggunakan konverter analog ke digital dengan frekuensi pencuplikan 500kHz. Pemrosesan data digital selanjutnya direncanakan menggunakan sistem DSP (Digital Signal Processing), yang memungkinkan dilakukannya berbagai perhitungan dan analisis seperti power spectrum, auto and cross correlation analysis, sehingga diperoleh informasi yang berguna untuk penelitian atmosfer seperti misalnya kecepatan dan arah angin pada ketinggian tertentu dengan akurasi yang tinggi.
Untuk mencapai maksud tersebut diperlukan berbagai kajian tentang penerima digital dan sistem DSP yang sesuai untuk radar VHF LAPAN. Dari kajian tersebut diharapkan diperolehnya rancang bangun sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN, yang diharapkan dapat diimplementasikan pada tahap berikutnya. Telah dilakukan studi banding sistem pengolahan data EAR (Equatorial Atmospheric Radar) di Kototabang Bukittinggi, MF (Medium Frequency) radar di Pontianak dan Pameungpeuk, VHF (Very High Frequency) radar Chung-Li Taiwan, dan VHF radar Jicamarca Peru. Saat ini rancang bangun sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN berdasarkan hasil studi terhadap radar-radar tersebut di atas, masih dalam tahap penyempurnaan. Pada makalah ini akan disampaikan hasil kegiatan yang telah diperoleh hingga bulan Oktober 2008. Penelitian ini akan dilanjutkan pada tahun 2009 berupa kegiatan implementasi perangkat lunak sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN, dan pada tahun 2010 berupa implememntasi perangkat keras sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN.
2. RADAR VHF LAPAN
Pada diagram blok radar VHF LAPAN, ditunjukkan ruang lingkup sistem pengolahan data radar VHF LAPAN yang meliputi unit ADC (DAQ Card ME-4660S) dan PC radar (S. Kaloka, dkk., 2006).
RX-Frontend RX-Frontend amplifier, filter amplifier, filter 150 MHz Mixers 30 MHz, b.b. amp’s, filters Mixers 30 MHz, b.b. amp’s, filters 150 MHz in-phase quadrature PDF PDF Master oscillator Master oscillator DAQ card ME-4660s PC RF-Pulse generator RF-Pulse generator TX1 (1 kW) TX1 (1 kW) VIKAS Meilhaus UNITED LAPAN LAPAN Meilhaus (0-500kHz) ISRO Improved Block Diagram LAPAN VHF RADAR Improved Block Diagram LAPAN VHF RADAR RX Antenna RX Antenna TX Antenna TX Antenna TX2 (1 kW)
Data quality tests Data quality tests Total system tests
Total system tests 3 channels 3 channels
µC
TX3 (1 kW)
RUANG LINGKUP
Gambar 1. Diagram blok radar VHF LAPAN
2.1 Penerima Radar VHF LAPAN
Menggunakan penerima analog 150MHz 3 kanal buatan United System Engineering Ltd. (USE) India dengan output berbentuk sinyal analog. Setiap kanal menghasilkan sinyal output analog I (In-phase) dan sinyal output analog Q (Quadrature). Penerima 3 kanal akan menghasilkan 6 buah sinyal output analog (3 sinyal In-phase dan 3 sinyal Quadrature).
2.2 Konverter Analog ke Digital
Digunakan Meilhaus ME-4660S DAQ Card 16 bit 500kHz A/D Converter dengan 16 single ended A/D channels, 2 D/A channels, 32 DIO Channels, 3 counters (Meilhaus Editor, 2005). ADC ini mempunyai Sample and Hold yang memungkinkan simultaneous data
acquisition yang dikontrol dengan software melalui 8 buah channel A/D (AD_0 – AD_7 pada 78
pin D-sub female connector ME-4660S). Fasilitas ini memungkinkan operasi digitasi 8 buah sinyal analog secara simultan, sehingga mampu mendigitasi 6 sinyal output analog penerima radar VHF LAPAN secara simultan (Meilhaus Editor, 2006).
2.2.1 Perioda Waktu Pencuplikan
Pada mode digitasi simultan, ME-4660S mempunyai perioda/waktu cuplik minimum
Minimum SCAN time = (No. Of channel x CHAN time) + recovery time, dimana CHAN time = 2
µs, sedangkan recovery time = 2 µs (min. 1,5 µs). Pada pengoperasian penerima radar VHF LAPAN 1 kanal perlu 2 channel sehingga No. of channel = 2. Dengan demikian, perioda waktu cuplik minimum = (jumlah channel simultan x 2 µs) + recovery time = (2 * 2 µs) + 2 µs = 6 µs.
Untuk memulai proses pencuplikan (digitasi) digunakan digital external trigger mode (digitasi ditrigger dengan sinyal digital level TTL dari luar) pada Acquisition Mode “ External
Standard”. Pada radar VHF LAPAN digunakan sinyal trigger ADC start yang dibuat oleh µC
AT Mega 8535 dan dimasukkan pada kaki AD_TRG_D di 78pin D-sub female connector ME-4660S. Trigger digital ini dilakukan tiap 75 µs yang merupakan IPP (Inter Pulse Period) untuk T-R Module mode transmit. Karena perioda pencuplikan adalah 6 µs maka pada satu IPP 75 µs hanya dapat dibuat pencuplikan sebanyak 12 kali. Artinya setiap 75 µs akan didapat 12 data digital dari sinyal output penerima. Pada diagram Acquisition Mode “ External Standard”, terlihat akibat settling time 2 µs maka digitasi pertama dimulai 2 µs setelah sinyal trigger ADC
start.
2.2.3 Pulse Timing Diagram
Pulse timing diagram menunjukkan saat proses fungsional pemancar, penerima, dan
konversi sinyal analog ke digital dilakukan. Pulse timing diagram pada radar VHF LAPAN ditunjukkan Gambar 2.2 (Mohamad Sjarifudin, dkk., 2006).
Gambar 2. Pulse timing diagram
2.3 Pemrosesan Data Radar VHF LAPAN
2.3.1 Pengumpulan Data Pada Ketinggian Tertentu
Dianalisis informasi sampel daya sinyal radar yang dihamburbalikan oleh lapisan atmosfer pada ketinggian tertentu, berdasarkan saat pencuplikan data analog radar menjadi data digital (perioda pencuplikan 6µdet, 16 sampel, lihat pulse timing diagram pada Gambar 2.2). Dengan formula h = ct/2 dimana c = kecepatan propagasi sinyal radar ≈ kecepatan cahaya, dapat
dihitung ketinggian lapisan atmosfer (h) untuk waktu propagasi sinyal radar (t) yang besarnya = saat pencuplikan sinyal radar yang bersangkutan. Karena dilakukan 12 pencuplikan dalam 1
perioda inter pulse (IPP), diperoleh hubungan nomor sampel, waktu propagasi dan ketinggian sebagai berikut.:
Tabel 1. Hubungan nomor sampel, waktu propagasi dan ketinggian NO SAMPEL WAKTU PROPAGASI (mikro detik) KETINGGIAN (meter) 1 8 1200 2 14 2100 3 20 3000 4 26 3900 5 32 4800 6 38 5700 7 44 6600 8 50 7500 9 56 8400 10 62 9300 11 68 10200 12 74 11100
Dari sampel data pengukuran seperti pada contoh data tanggal 12 Juni 2008 di bawah ini, dapat dilihat adanya daya sinyal yang dihambur-balikan oleh lapisan atmosfer pada ketinggian 1200m (identik dengan waktu propagasi 8 mikro detik = saat sampling pertama).
Data ketinggian h1 = 1200 m
Data ketinggiian hData ketinggian h2 = 2100 m 1 = 1200 m
Bukan Data
Gambar 3. Contoh hasil sampling sinyal radar VHF LAPAN
CONTOH DATA HASIL PENGAMATAN
DATA 11062008 ; 09:35 AM DATA 12062008 ; 07:08 PM DATA 13062008 ; 01:12 PM
2.3.2 Plotting Data I dan Q
Dilakukan plotting nilai daya sinyal I dan Q pada ketinggian h1 = 1200m, h2 = 2100m dan harga rata-ratanya :
HASIL PENGOLAHAN DATA RADAR
DATA 11062008; 09:35 AM DATA 13062008; 01:12 PM
DATA 12062008; 07:08 PM
Gambar 5. Plotting Data I dan Q
2.3.3 Verifikasi Sinyal Echo Dari Atmosfer
Dilakukan pengujian distribusi data I dan Q secara grafis, apakah Probability Density
Function (PDF) nya mengikuti pola Gaussian dan Rayleigh. Software penguji dibuat dalam
bahasa pemograman Matlab, dimana formula Probability Density Function Gaussian yang digunakan: x = I atau Q atau I2 + Q2 = standar deviasi 2 2 2 N Q I =
σ
=σ
= variansiSedangkan formula Probability Density Function Rayleigh yang digunakan adalah:
x = I atau Q atau I2 + Q2
( )
x
e
( )x
x
R
x∈
−
=
=
− −1
;
2
1
2 2 2 2 ,σ
µ
ϕ
σ
π
σ
ϕ
σ µ σ µHasil yang diperoleh menunjukkan bahwa umumnya PDF dari sinyal I, Q dan I2 + Q2 mengikuti bentuk fungsi Gaussian ataupun Rayleigh yang disyaratkan. Didapat kesimpulan sementara bahwa sinyal radar yang diterima merupakan sinyal echo dari atmosfer. Hasil ini perlu diverifikasi dengan menggunakan lebih banyak lagi sinyal radar dan analisis power spectrum.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Studi Sistem Pengolahan Data MF Radar
Dilakukan studi banding tentang MF radar (2,008MHz) di Pameungpeuk dan Pontianak untuk mempelajari sistem pengolahan datanya, sebagai referensi bagi sistem pengolahan data radar VHF LAPAN. Dilakukan kegiatan mempelajari configurasi format file dari MF Radar Pontianak (Sequence database file dan Experiment file), mempelajari Parameter format file (system parameter file format for acquisition program version 3 dan phase table file formats), serta mempelajari tentang IDI (imaging doppler interferometry) display module. Diperoleh contoh hasil pemrosesan data MF radar yang menunjukkan Zonal Velocity, Meridional Velocity,
Vertical Velocity, Power dan SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap ketinggian.
3.2 Studi Sistem Pengolahan Data EAR Kototabang
Dari diagram blok EAR (Equatorial Atmosphere Radar) diperoleh informasi tentang alur sinyal 47 MHz dan cara pengolahan datanya dengan menggunakan DSP (Digital Signal
Processing).
Gambar 6. Diagram Blok EAR
Pemrosesan data pada EAR memberikan informasi daya diterima radar EAR dalam bentuk plotting daya, angin zonal, angin meridional, angin vertikal, dan tabel daya terhadap ketinggian. Digunakan ADC 14 bit dengan frekuensi pencuplikan maksimum 2MHz, sehingga mampu memberikan data dengan range gate 1024, Coherent Integral number 1 – 128, FFT (Fast Fourier Transform) 2n, dan Incoherent Integral 1 – 32 (Shoijuro et. al, 2003).
On-The Job Training (OJB) at the EAR site di Kototabang Bukittinggi pada pertengahan
Oktober 2008, memberikan informasi analisis data terhadap data EAR dengan menggunakan Microsoft Excel. Dari training ini diperoleh masukkan cara untuk memplot data angin zonal, meridional, dan vertikal dari data EAR, serta membandingkannya dengan data radiosonde untuk mendapatkan informasi kondisi atmosfer pada berbagai ketinggian.
3.3 Studi Sistem Pengolahan Data Radar VHF Lainnya
Juga dilakukan studi tentang sistem pengolahan data radar VHF Jicamarca Peru dan radar VHF Chung-Li Taiwan, namun saat ini masih dalam pengkajian.
3.4 Desain Sistem Pengolahan Data Radar VHF LAPAN
Dari hasil studi terhadap sistem pengolahan data berbagai sistem radar yang telah dilakukan, dapat dibuat suatu desain sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN, dimana pengolahan sinyal echo atmosfer analog yang dihasilkan penerima radar diproses menjadi informasi daya echo, pergeseran Doppler, lebar spektral, dan level noise, dilakukan pada sistem DSP seperti yang terlihat pada Gambar 3.4. Dari Frequency Power Spectrum akan diketahui besar turbulent echo yang mempunyai distribusi Gaussian (M. Yamamoto, 2008).
Digital signal processing
Digital signal processing
A/D: Analog-to-Digital converter
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 -10 -5 0 5 10 Frequency [Hz] P ow er S pe ct ra l D en si ty [d B ]
3.5 Pembahasan
Pengolahan sinyal radar pada sistem DSP dimulai dengan proses pengubahan sinyal analog I (In-phase) dan Q (Quadrature) yang merupakan sinyal echo dari atmosfer menjadi sinyal digital pada unit ADC (Analog to Digital Converter). Selanjutnya dilakukan perhitungan
Coherent Integration terhadap sinyal digital tersebut. Sinyal I dan Q akan dirata-ratakan secara
terpisah. Waktu integrasi harus lebih pendek dari waktu korelasi sinyal-sinyal yang ada. Waktu korelasi ditentukan dengan mengubah posisi target pada area pencuplikan dan skala waktu fluktuasi indeks refraksi. Bila sinyal target tidak berubah selama waktu integrasi, merata-ratakan N buah data coherent akan meningkatkan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) dikali Ncoh.
Selanjutnya digunakan perhitungan FFT (Fast Fourier Transform) untuk menghitung
frequency power spectrum dari data digital yang diperoleh. Tersedia berbagai algoritma
perhitungan FFT seperti Cooley-Tukey algorithm dan Prime-factor algorithm).
Pada proses Incoherent Integration, data spektral dirata-ratakan untuk mengurangi fluktuasi spektral, yang akan efektif untuk meningkatkan keakuratan estimasi parameter-parameter spektral. Disarankan untuk menyimpan dulu data serial yang akan diintegrasi, karena
incoherent integration tidak perlu dihitung secara real-time dan memperbanyak data lebih
berguna untuk meningkatkan SNR (Yamamoto, 2008).
Karena radar VHF LAPAN menggunakan penerima 3 kanal dimana setiap kanal menghasilkan sinyal analog I dan Q, maka diperlukan 6 buah ADC yang masing-masing didedikasikan khusus untuk proses digitasi. Diperlukan ADC dengan kecepatan pencuplikan minimum 2MHz seperti yang digunakan pada EAR Kototabang.
Saat ini untuk merealisasikan perhitungan Coherent Integration, FFT, Incoherent
Integration, dan Power Spectral Estimation tidak perlu lagi dengan perangkat keras, dapat
dilakukan perhitungan dengan perangkat lunak yang dioperasikan pada PC berkecepatan tinggi. Perangkat lunak yang diperlukan akan diimplementasikan pada tahun 2009, sedangkan pengadaan perangkat kerasnya akan dilakukan pada tahun 2010.
4. KESIMPULAN
Dari uraian yang telah dikemukakan di atas, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:
a. Sistem pengolahan data radar VHF LAPAN saat ini menggunakan ADC berupa Meilhaus ME-4660S DAQ Card 16 bit 500kHz dengan 8 kanal input A/D yang memungkinkan digitasi 6 sinyal output penerima radar secara simultan. ADC ini pada awalnya digunakan
untuk pengujian sistem radar (sebagai generator sinyal pulsa kontrol radar) dan tidak didedikasikan khusus sebagai konverter sinyal analog ke digital.
b. Desain sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN yang sedang dibuat merupakan suatu sistem DSP dimana dilakukan proses digitasi sinyal I dan Q, perhitungan Coherent
Integration, perhitungan FFT, perhitungan Incoherent Integration, dan Power Spectral Estimation untuk memperoleh parameter-parameter spektral.
c. Implementasi perangkat lunak untuk sistem DSP akan dilaksanakan pada tahun 2010, sedangkan pengadaan perangkat kerasnya akan dilakukan pada tahun 2010.
d. Diperlukan 6 buah ADC dengan kecepatan pencuplikan minimum 2MHz yang didedikasikan khusus sebagai pengubah sinyal analog output dari penerima menjadi sinyal digital.
DAFTAR PUSTAKA
Meilhaus Editor, 2005. “Manual ME-4650/4660/4670/4680”, Meilhaus Electronic Manual
Mohamad Sjarifudin, Aries Kurniawan, Adi Purwono, Peberlin Sitompul, 2006. Sistem
Instrumentasi dan Konfigurasi Perangkat Keras Radar VHF LAPAN, Seminar Nasional
Sains Antariksa III, LAPAN, Bandung
M. Yamamoto, 2008. Radar Observation at the Atmosphere, A JSPS Asia-Africa Science Platform Program: Elucidation of Ground-Based Atmosphere Observation Network in Equatorial Asia, Lecture Series 1: Cloud Science and Radar Observation of the Atmosphere, LAPAN, Bandung
S. Kaloka, M. Sjarifudin, E. Hermawan, J. Roettger, T. Weissenberg, C. Marcuse, M. Chandra, C. Jacobi, G. Viswanathan, R. Ranga Rao, 2006. The LAPAN-TRAINERS VHF Radar for
Tropical Atmosphere Research in Indonesia, Proceedings of MST-11, Gadanki India
Shoichiro Fukao, Hiroyuki Hashiguchi, Mamoru Yamamoto, Toshitaka Tsuda, Takuji Nakamura, Mayasuki K. Yamamoto, 2003. Equatorial Atmosphere Radar (EAR):
