Prinsip kerja sistem radar FMCW (bagian 4 hasil percobaan)


Halo semua, masih ingat tentang tulisan saya sebelumnya yang membahas teori radar FMCW dan proses pembuatannya? Sekarang saya kan mempublikasikan hasil percobaan yang sudah kami (saya dan tim) lakukan. Percobaan yang dilakukan dan hasil yang didapatkan ini adalah nyata tanpa ada manipulasi sedikitpun. Percobaan kami lakukan pada tanggal 12 Januari 2017 sekitar jam 10.30 WIB di lapangan sebelah gedung LTRGM (Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro) ITB atau yang biasa saya bilang gedung radar. Oh ya, semua souce code dan skema rangkaian akan selalu saya upload di link ini. Secara ringkasnya, saya bilang ini berhasil. Lumayan bisa deteksi objek sampai 20 meter.

Seperti biasa, banyak foto yang akan saya tampilkan disini. Di bawah ini foto waktu uji coba

tes-12-januar-set-up

Antena yang ditunjukkan oleh tanda panah biru putih di atas adalah pemancar (Tx) dan penerima (Rx). Untuk lebih jelasnya bisa lihat ditulisan saya yang pertama bagian antenaDi depannya saya letakkan PCB sebagai reflektor. PCB? Iya itu PCB yang berukuran besar. Jadi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan melalui antena akan dipantulkan oleh PCB tersebut. Jarak reflektor saya variasikan untuk melihat perbedaan hasilnya. Oh ya, waktu uji coba, sebelum dipancarkan melalui antena, gelombang yang berasal dari splitter (lihat tulisan pertama) kami kuatkan lagi dengan amplifier yang lebih besar. Gambarnya seperti dibawah ini

RF amplifier

Kami pasang heatsink dan fan untuk menghindari overheating yang terjadi pada amplifier. Setelah cek semuanya dan dipastikan sudah benar maka uji coba dimulai. Jarak reflektor terhadap antena divariasikan mulai dari 1 meter hinga 13 meter dengan step setiap 1 meter. Kemudian setelah 13 meter langsung pindah ke jarak 20 meter dari antena. Kenapa langsung lompat? Ini karena kondisi cuaca yang panas waktu itu jadi biar tidak terlalu lama panas-panasan saja hehehe. Ingin tahu hasilnya? Langsung kita amati saja gambar di bawah ini. Sebelumnya saya minta maaf menampilkan banyak gambar karena ini hasil percobaan yang telah dilakukan. Saya sampaikan sejelas mungkin

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

fmcw radar

Nah sekarang saya jelaskan. Oh ya, penjelasan ini ada hubungannya dengan tulisan saya sebelumnya ya jadi mohon baca tulisan saya mulai pertama kalau belum jelas. Tapi kalau belum jelas juga langsung kontak saya saja hehehe. Masing-masing gambar di atas ada title nya. Seperti yang sudah saya jelaskan dan simulasikan pada tulisan pertama, gelombang yang dipancarkan akan dikalikan dengan gelombang pantulan yang diterima. Sebagai hasilnya, kita akan mendapatkan gelombang chirp yang dimodulasi. Frekuensi modulasi tersebut bergantung dari jarak objek (dalam hal ini reflektor). Gelombang chirp yang dimodulasi tersebut selanjutnya melewati filter untuk melemahkan frekuensi tinggi (gelombang chirp) dan mendapatkan gelombang modulasi yang frekuensinya yang jauh lebih rendah dari frekuensi gelombang chirp. Nah, sub gambar dengan title beat waveform inilah gelombang modulasi tersebut (lihat tulisan pertama untuk mengetahui asal gelombang modulasi). Proses selanjutnya adalah melakukan FFT (Fast Fourier Transform) pada gelombang tersebut untuk menghitung jarak objek. Sub gambar dengan title FFT adalah spektrum frekuensi gelombang tersebut. Setelah proses FFT selesai, informasi yang didapatkan digunakan untuk menentukan jarak. Sub gambar dengan title B-Scan adalah tampilan jarak objek. Pada sub gambar B-Scan, jika dilihat mulai dari gambar pertama yaitu ketika objek pada jarak 1 meter hingga objek berjarak 13 meter dari antena, garis warna jingga semakin turun. Sumbu y adalah jarak dengan titik nol di sudut kiri atas dan sumbu x adalah waktu. Jadi garis lurus yang berwarna jingga tersebuk menunjukkan posisi objek terhadap waktu. Jika lurus horizontal artinya objek diam. Nanti akan saya tampilkan gambar hasil uji coba ketika saya jalan dengan membawa reflektor. Oh ya, mengapa amplitudo grafik beat waveform kecil di kedua ujungnya dan besar di tengahnya? Ini hanya masalah windowing saja. Kalau belum tahu tentang windowing, silahkan ketik saja window function di google ya. 

Pada tulisan pertama bagian mixer, sudah saya jelaskan bahwa semakin jauh objek maka semakin lama jeda waktu gelombang pantulannya. Akibatnya semakin tinggi frekuensi modulasinya (frekuensi beat). Mau tahu buktinya? Gambar di atas merupakan buktinya. Mari perhatikan dan bandingkan sub gambar Beat waveform dan FFT antara jarak 1 meter dengan jarak yang lain. Semakin jauh jarak objek, beat waveform semakin rapat dan spektrum frekuensinya semakin bergeser ke kanan yang artinya frekuensi beat semakin tinggi. Sekarang sudah sesuai ya antara teori dan kenyataannya. Oh ya bagaimana dengan jarak 20 meter? Hasilnya seperti di bawah ini

b-scan-20-meter-edt

Loh kok kadang terdeteksi kadang tidak ya? Kenapa bisa seperti ini? Antena radar memiliki yang namanya directivity. Maksudnya, berkas gelombang elektromagnetik yang dipancarkan memiliki arah tertentu sehingga dapat memfokuskan energi pada arah tersebut. Objek akan terdeteksi ketika gelombang pantulan mengarah kembali ke antena. Pada jarak yang lebih jauh, uji coba relatif lebih sulit karena saya harus atur reflektor sedemikian rupa sehingga arah gelombang pantulan kembali ke antena. Sedangkan saya tidak bisa tahu arah gelombangnya kemana sehingga saya harus mengatur arah permukaan reflektor pada  arah 3 dimensi agar terdeteksi. Miring kanan, miring kiri, miring ke atas, miring ke bawah, miring ke kiri atas, miring ke kiri bawah, dan seterusnya. Ditambah lagi kondisi yang berangin waktu itu sehingga reflektornya pun terus goyang. Jadi itu kesulitannya saya tidak tahu secara pasti kemana arah berkas gelombang yang dipancarkan. Analoginya seperti gini deh, misal kita menyorot cermin dengan sinar laser. Kita semua tahu bahwa laser memiliki berkas yang kecil dan terarah. Itu analogi dari directivity. Pantulan sinar akan kembali ke kita jika permukaan cermin menghadap ke kita, begitu kan? Jika kita miringkan maka pantulan juga akan ke arah lain dan tidak kembali ke kita. Kira-kira seperti itu analoginya. Lalu maksudnya kopling Rx dan Tx itu apa? Pada tulisan pertama saya tunjukkan gambar antena yang digunakan. Antena pemancar bersebelahan dengan antena penerima. Kopling yang dimaksud disini adalah antena penerima Rx langsung menerima gelombang yang dipancarkan oleh antena pemancar (Tx). Karena konstruksi yang masih taraf prototipe, jadi isolasi antena Rx dan Tx masih belum sepenuhnya sempurna sehingga terjadi kopling. Faktor lain adalah panjang kabel yang digunakan. Pada tulisan ketiga, saya tampilkan ketika membuat kabel koaksial RG316. Saya membuat 2 kabel dengan panjang masing-masin sekitar 45 cm. Jadi semakin panjang kabel akan menambah jeda waktu gelombang pantulan, akibatnya titik nol akan bergesar juga. Dari hasil ini saya sarankan untuk membuat panjang lintasan dari antena ke modul RF sependek mungkin.

Radar yang dibuat ini bisa mendeteksi benda bergerak tidak? Jawabannya bisa. Di bawah ini hasil uji coba ketika saya jalan mendekat dan menjauhi antena.

Radar

Berbeda dengan 14 gambar sebelumnya dimana posisi objek ditunjukkan oleh garis horizontal, ketika bergerak posisi objek akan selalu berubah terhadap waktu sehingga tampak miring seperti gambar di atas. Garis yang ditunjukkan linear karena saya jalan dengan kecepatan konstan. Ya lumayanlah, bisa mendeteksi hingga 20 meter. Kenapa tidak di coba lebih 20 meter? Kalau yang ini karena keterbatasan lebar lapangan waktu uji coba hehehe.

Ada pertanyaan lain, kenapa garis tanda objek lebar sekali ya? Kenapa tidak ditunjukkan dengan garis tipis? Masalah ini sudah teridentifikasi. Faktornya adalah gelombang ramp yang digunakan untuk memodulasi VCO. Memang ada masalah apa? Gelombang ramp ini dihasilkan oleh Arduino. Tetapi, usut punya usut, gelombang yang dihasilkan tidak benar-benar stabil. Dengan kata lain mengandung jitter. Seperti ini contohnya

Jitter

Pada tulisan sebelumnya saya sudah tampilkan gelombang ramp yang tampak baik. Tapi ketika kita melihat lebih detil, maka hasilnya seperti gelombang dengan jurus seribu bayangan. Jitter yang terjadi kadang bisa lebih dari 100 μs. Ditambah lagi ada gangguan lain yang mengakibatkan frekuensi gelombang RF yang dipancarkan tidak sepenuhnya linear sehingga menurunkan kualitas gambar yang dihasilkan. Berikut ini saya tambahkan video tentang jitter dari ramp yang sudah saya rekam sendiri

Stabilitas ramp ini sangat jelas mempengaruhi gelombang RF yang dipancarkan. Jika terjadi hal semacam ini, maka akan terjadi pelebaran spektrum frekuensi yang mengakibatkan peningkatan ketidakpastian dalam pengukuran jarak objek. Dari hasil percobaan ini, saya sangat sarankan untuk membuat ramp generator dengan jitter yang sangat rendah dan linearitas tinggi.

Dalam memperbaiki radar versi prototipe ini, kami sudah berencana untuk mencoba membuat yang lebih stabil dari sisi ramp generator dan VCO nya. Semoga cepet beres ya hehehe. Baiklah, cukup sekian dulu untuk tulisan kali ini. Tunggu tulisan saya berikutnya ya.

Sumber:

Merrill I Skolnik. Radar Handbook Thrid Edition.2008. McGraw Hill

Merrill I.Skolnik. Introduction to Radar Systems.1980.McGraw Hill

https://www.researchgate.net/profile/Andriyan_Suksmono/publication/309390315_Design_and_Realization_of_Multi-Wide-Band_FMCW_Radar_for_Educational_Purposes/links/580d9e0f08ae74852b63cd91.pdf?origin=publication_list

4 thoughts on “Prinsip kerja sistem radar FMCW (bagian 4 hasil percobaan)

  1. Semoga semakin lebih baik. Tio emang jos…. Dalam beberapa bulan hasilnya banyak dan tampilannya sudah berubah drastis.. Good Luck Tio, Mas Don dan Prof. Andriyan….

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s