Page 29 - bilgem-teknoloji-dergisi-7

Deniz BÖLÜKBAŞ Platformların RF İzi Kestirimi Yazılımı: RASES
1. TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAR
Bu bölümde RASES yazılımın temel fonksiyonlarını
tanımlamak için gereken bazı kavramlar açıklanmış ve
tanımlara yer verilmiştir.
1.1. Elektromanyetik Dalga Yayılımı
Elektromanyetik dalga, ışımanın dalga teorisine göre,
uzayda ya da maddesel bir ortamda yayılan ve salınım yapan
bir elektrik alan ve manyetik alanın birlikte oluşturduğu
kabul edilen dalgalara verilen isimdir. Maxwell denklemleri
elektromanyetik dalga aracılığıyla enerji yayılımının
mümkün olduğunu göstermiştir. Bu dalgalar şekil olarak son
derece karmaşık, bazı özel durumlarda ise çok basit
olabilmektedir. Anten teorisine göre gözlemci (alıcı)
kaynaktan (verici) yeteri kadar uzaksa dalga ön yüzü yaklaşık
olarak düzlemsel kabul edilir. Bu varsayım uzak alan koşulu
olarak da ifade edilebilir. Uzak alan varsayımının
r
yapılabildiği uzaklık olan ’nin, kaynağı içine alan en küçük
D
λ
kürenin çapı ve dalga boyu ile bağıntısı literatürde,
r
r
 D ,  λ ve 2>r D / λ gibi değişik şekillerde ifade
2
edilmiştir.
Farklı fiziksel olgular cisimden farklı türde saçılmaya yol
açarlar. Bir cisimden saçılmayı türlerine göre beş ana
kategoride toplamak mümkündür.
1. Yansıma (Reflection)
RKA değerini etkileyen en belirleyici saçılmadır. Snell
yasaları geçerlidir. Birden fazla yüzeyde çoklu yansıma
görülebilir.
2. Kırılma (Refraction)
Kırılma dalganın farklı geçirgenliğe sahip olan iki ortam
arasındaki geçişi sırasında uğradığı etkidir. Bu etki genlik,
faz ve ilerleme yönündeki değişiklikler olarak gözlenir.
Değişik malzemelerle kaplı cisimlerin RKA değerlerini
etkiler. Eğer cisim üzerinde kavite bulunuyorsa dalga, kavite
içinde yüzeye defalarca çarparak farklı açılarda çok kez
yansımaya (multiple bouncing) sebep olur bu da RKA
değerini büyütür.
3. Kırınım (Diffraction)
Kenar yada uç noktaları gibi süreksiz yüzeylerden
kaynaklanır. Yansıyan dalgalardan daha az etkilidir ancak
geniş bir açı aralığında varlığı görülebilir. Düşük RKA
değerlerinde sonucu etkileyebilir.
4. Yüzey dalgaları (Surface Wave)
Yüzey boyunca ilerleyen ve genliği yüzeyden uzaklaştıkça
üstel olarak azalan dalgalardır.
5. Sürünen dalga (Creeping Wave)
Cismin yüzeyi bir dalga klavuzu gibi davranarak
yüzeyindeki dalgaları arkaya doğru taşır. Eğer yüzey küre
gibi kapalı ve düzgünse dalga cisim etrafında defalarca
dolaşır. Böylelikle yüzeyden defalarca geri saçılma olur. Bu
dalgalara sürünen dalga adı verilir.
54
1.2. Radar Kuramı 1.4. Ters Yapay Açıklıklı Radar İmgesi
Radar kelimesi “Radyo Dalgaları ile Algılama ve Uzaklık Hedeflerin yüksek çözünürlükte görüntülenmesine olanak
Ölçme” anlamına gelen (RAdio Detection And Ranging) Hedef veren Yapay Açıklıklı Radar (YAR), geniş açıklıklı gerçek bir
kelimelerinin baş harflerinden türetilmiştir. Radar tekniği, radar anteninin etkisinin, dar açıklıklı bir radar anteninin
elektromanyetik dalgalarla aydınlatılan cisimlerden yansıyan σ varsayılan açıklığı boyunca hareketiyle yapay olarak elde
elektromanyetik enerjinin ölçülmesine dayanır. Bu ölçümle, edilmesi tekniğine dayanır. Yapay olarak elde edilmiş anten
yansıtıcı cismin belli bir koordinat sistemine göre konumu, genişliğine ve frekans band genişliğine bağlı olarak, YAR
varsa hızı ve ivmesi ya da karakteristik özellikleri R R çözünürlük hücresi boyutları birkaç santimetreye kadar
belirlenebilir. Radarlar hedeflerin varlıklarını, konumlarını t r inerek yüksek çözünürlük sağlayabilmektedir. Ters Yapay
ve bazı özelliklerini çok uzaklardan doğru olarak G t G r Açıklıklı Radar (TYAR) (Inverse Syntetic Aperture Radar, ISAR)
belirledikleri için İkinci Dünya Savaşı’nda askeri amaçlarla P t P r sistemlerde ise antenler sabit olup hedefin hareketiyle suni
kullanılmaya başlanmıştır. Bununla beraber radarlar, gemi ve açıklık oluşturulur. Elde edilen imgede, herhangi bir
uçakların yön bulmaları ve uzaklık tayini, hava durumu Verici Alıcı noktanın şiddeti saçılan alanın büyüklüğünü gösterir.
tahmini gibi sivil amaçlarla da kullanılmaktadır.
Radar Kesit Alanı çalışmalarında, elektriksel olarak büyük
Radar uygulamalarında hedeflerin büyüklüğü, RKA olarak bir nesneden elektromanyetik saçılma, nesnenin üzerinde
bilinen saçıcının yansıtma özelliği ile belirlenir. Bu değer saçılma merkezi olarak adlandırılan ayrık noktalardan
frekansla değişen ama uzaklıktan bağımsız bir büyüklüktür. Şekil 1. RME parametreleri. kaynaklandığı kabulüyle yaklaşık olarak modellenebilir.
Saçıcının üzerine gelen güç yoğunluğu alanı RKA kadar olan Saçılma merkezi modeli pek çok radar uygulamasında
bir açıklık tarafından alınmış ve alınan güç izotropik olarak gerçek karmaşık bir hedefin azaltılmış saçıcı
yeniden yayınlanmış olarak varsayılır. Radarda bir cismin Bu formüldeki temel varsayım ’nin düzlemsel bir dalga görüntüsüdür. Büyük veri setlerini saklamak yerine yalnızca
E
i
uzak mesafelerden tespit edilebilmesi, o cismin RKA olduğu ve bu yüzden genliğinin mesafeye bağımlı saçılma merkezinin şiddeti ve konumu bilgisi kullanılarak
değerinin büyüklüğüne bağlıdır. Bu nedenle özellikle askeri olmadığıdır. saçıcının bir boyutlu (1-B) menzil profili, iki boyutlu (2-B) ve
uygulamalarda platformun RKA değerinin küçük olması üç boyutlu (3-B) TYAR imgesi ve RKA değeri gerçek zamanlı
tercih edilir. Radar Kesit Alanı cinsinden olmasına rağmen geniş bir olarak elde edilebilir. Saçıcının saçılma merkezleri ise 3-B
2
m
aralıkta değerler almasından dolayı genellikle dBsm (desibel TYAR imgesine en fazla katkı yapan genliği yüksek
Her yöne eşit yayın yapan (omnidirectional) bir verici metre kare) cinsinden verilir. noktaların çekilmesi ile bulunabilmektedir.
antenden gücü ile yayın yapan ve kazancı olan bir
G
P
t
t
R
antenin mesafesindeki güç yoğunluğu radar menzil 2. RASES YAZILIMI
eşitliğindeki ilk terimi verir. σ dBsm  = 10log( [ σ m 2 ]) (3) RASES yazılımı ile 2-18 GHz frekans aralığında


PG σ G λ 2 platformların RKA değeri frekans, açı gibi kestirim
P r = t t 2 × 2 × r (1) parametreleri göz önüne alınarak hesaplanabilmekte,
4π R 4π R 4π Radar Menzil Eşitliği denkleminde radar sistemine ait saçılma merkezleri ortaya çıkarılarak TYAR görüntüleri elde
‘anten kazancı’ ve ‘sistem gürültüsü’ gibi parametreler ve edilebilmekte, yer, hava ve deniz kargaşasının modellemesi
elektromanyetik dalgalanın katettiği ortama ait ‘yol yapılabilmektedir. RASES yazılımında platforma ilişkin
RKA bir alan ifadesi olduğundan, gelen sinyalin alana bağlı uzunlukları’ ve ‘atmosferik kayıplar’ gibi parametreler vardır. bilgiler üç boyutlu Bilgisayar Destekli Tasarımı (BDT) çizimi
güç yoğunluğu ile çarpıldığında hedefin ne kadar yansıtma Bu parametrelerin yanında, hedefin özelliği olarak sadece ile girilmektedir. Mevcut model üzerinde RKA kestirim
yapacağı bulunur. İlk iki terimin çarpımı hedeften yansıyan RKA değeri denklemde yer almaktadır. RKA değeri, sonuçları ve polar diyagramları, saçılma merkezleri, TYAR
gücü gösterir. Benzer şekilde antenin alan ifadesi hedefin geometrik özellikleri ve yapıldığı malzemeye göre görüntüleri, hedefin manevra sırasındaki özel istatistiksel
diyebileceğimiz açıklık değeriyle bu yoğunluk çarpıldığında değişkenlik gösterir. RKA davranışı, çoklu yansıma ve kavitenin RKA değerine
P
alıcı tarafından algılanan güç bulunmuş olur. Burada λ etkisini içeren bilgiler elde edilebilmektedir. Platformun
r
σ
G
dalga boyu, alıcı antenin kazancı, ise hedefin RKA Frekansa bağlı olarak RKA karakteristiğinin üç farklı manevrası sırasında (yaw, roll, pitch ile) radara göstereceği
r
değeridir. Bir cismin radar ile bakıldığında hangi menzilde bölgede kuvvetli değişime uğradığı gözlenmiştir. Dalga sayısı kesite ve bakış açısına bağlı olarak hesaplanan RKA değerleri
L
görülebilir olduğunu belirlemekte kullanılan denkleme k = 2πλ ve cismin maksimum boyutu olmak üzere kullanılarak istatistiki dağılım çıkarılabilmektedir. Yazılımın
çarpımına göre bölgeler tanımlanır. Farklı boyuttaki cisimler ana ekranı Şekil 2'de görülmektedir.
radar denklemi veya radar menzil eşitliği adı verilir. Bu için alçak ve yüksek frekans bölgeleri farklı frekans
denklem radar menzil eşitliğinin en temel ve basit formudur.
Radar Menzil Eşitliği denklemine giren parametreler Şekil aralıklarına karşılık gelmektedir.
1'de görülmektedir. Radar tasarımında ya da hedeflerin Alçak frekans bölgesi (Rayleigh bölgesi): Bu frekanslarda,
görünürlük analizinde bu denklem daha fazla sayıda etkiyen dalganın faz değişimleri cisme göre çok küçüktür.
parametrenin yer aldığı biçimiyle kullanılmaktadır. RKA ile değişimi çarpımıyla doğru orantılıdır.
kL
1.3 Radar Kesit Alanı Rezonans bölgesi (Mie bölgesi): Yüzey üzerindeki akımın
kL
faz değişimleri büyüktür. RKA değeri değerine göre
σ
Radar Kesit Alanı, , yüzeye etkiyen elektromanyetik alan salınım gösterir.
E
şiddeti ve yüzeyden saçılan elektromanyetik alan şiddeti
i
E Yüksek frekans bölgesi (Optik bölge): Yüzey üzerindeki
olmak üzere şu formülle hesaplanır.
s akımın faz değişimleri çok sayıda çevrim içerir. Bu bölgede
E 2 RKA değişimi düzgündür
lim 4 r π 2 s (2)
r→∞ E i 2 Şekil 2. RASES yazılımı ana ekranı.
Sayı 07 · Eylül-Aralık 2011 http://www.bilgem.tubitak.gov.tr/ 55