Darbant ve genişbant sanal iyonosonda için sinyal işleme teknikleri
Signal processing techniques for narrowband and wideband virtual ionosonde
Yazar: MEHMET KABASAKAL
Danışman: DOÇ. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: HF bandı = HF band ; Kanal kestirimi = Channel estimation ; İyonküre = Ionosphere

Özet:
Uzak mesafelerle haberlesme yapmak için sıklıkla kullanılan bantlardan biri Kısa Dalga (KD) bandıdır. KD bandı frekans aralıgındaki (3-30 MHz) radyo dalgalarının, atmosferin tabakalarından biri olan iyonosfer tabakasından yansıyarak yeryüzüne ulasması neticesinde, binlerce km uzaklıktaki iki nokta arasında iletisim gerçeklestirilebilmektedir. Bu sebeple, zamana, konuma, günes aktiviteleri vb. etkilere bağlı olarak degisken
özelliklere sahip olan iyonosfer tabakasının iyi karakterize edilmesi önemlidir. Bu amaçla iyonosonda adı verilen cihazlar kullanılmaktadır. İyonosondalar, KD bandında çalısan bir tür radar olarak değerlendirilebilmektedir. İyonosferik katmanların kritik frekansları ve yansıma yükseklikleri arasındaki iliski kullanılarak, iyonosondalar tarafından oluşturulan sinyaller, iyonosfer tabakasına gönderilerek, alınan ve gönderilen sinyal arasındaki zaman farkı üzerinden iyonosferik katman yüksekliklerini hesaplanmaktadır. İyonosonda istasyonlarının kurulumu maliyetlidir ve işletilmeleri belirli bir uzmanlık gerektirmektedir. Bu nedenle, dünya üzerinde belirli bölgelerde yoğunlasmıs, sınırlı sayıda istasyon bulunmaktadır. Dolayısıyla, ölçüm sonucu alınamayan noktalar bulunmaktadır.
Bu eksikliği gidermek adına, uydularla gerçekleştirilen tomografik ölçüm yöntemleri ve yer ölçüm noktaları arası aradeğerleme yaklasımları ile ölçüm alınamayan noktalar için veri olusturulmaktadır. Tez çalısmaları kapsamında, bu problem iyonosonda operasyonu açısından ele alınmıs ve iyonosonda operasyonunda gerçeklesen asamalar benzetim ortamına aktarılmıştır. Bu amaçla, 3B ısın izleme yöntemi, ITS kanal modeli ve IRI-Plas iyon yoğunlugu kestirim araçları bir araya getirilerek entegre bir sekilde kullanılmıstır. IRI-Plas ile olusturulan iyon yoğunlugu profilleri, TEİ, hmF2, foF2 verileri ile beslenerek iyileştirilmis ve oluşturulan iyonosonda benzetim altyapısı,
iyonosferik fırtınalı ve sakin günler için gerçek iyonosonda ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçta, olusturulan benzetim altyapısı, gerçek ölçümlere yakın hmF2 ve foF2 değerleri ile beslenebildiği sürece, hem fırtınalı hem de sakin günlerde, iyonogram şekli, katman yükseklikleri ve en büyük kullanılabilir frekans degerleri anlamında, iyonosonda ölçüm sonuçları ile benzer sonuçların alınabildigi görülmüstür. İyonosondalarla ilgili bir diğer problem, 100 - 600 W mertebelerinde çıkıs güçlerine sahip olmaları ve anlık dar bir bantgenisliginde çalıştıklarından, sonuç olusturmak için belirli bir frekans bandını taramalarıdır. Yüksek çıkıs gücü ile frekans bandının taranması, halihazırda kalabalık bir spektruma sahip olan KD bandı için istenmeyen bir
durum olusturmaktadır. Tez çalısmaları kapsamında, genişbant (1 MHz bantgenişliği) dalgaşekilleri, ITS kanal modeli ve zaman frekans analiz yöntemleri kullanılarak, iyonosonda çıktısı olan iyonogram verisinin düsük çıkıs gücüyle (20 W) üretilebilecegi gösterilmistir. Bu amaçla, faz kodlu dalgaşekillerinden Barker, PN, Golay, frekans modülasyonlu dalgaşekillerinden Doğrusal Frekans Modülasyonu (DFM), Costas kodlu ve Doğrusal Olmayan Frekans Modülasyonu (DOFM) dalgasekilleri belirsizlik fonksiyonları ve iyonogram çıktıları üzerinden karşılaştırılmıştır. İstenilen uzunlukta üretilebilmeleri, taradıkları frekans bandı içerisinde düz bir spektrum görüntüsüne sahip
olmaları ve frekans değişimlerine olan dayanıklılıkları nedeniyle DFM dalgasekillerinin kullanılmasına karar verilmistir. Zaman frekans analiz yöntemleri içinse, Wigner-Ville Dagılımı (WVD), Kısa Süreli Fourier Dönüsümü (KSFD) ve YenidenAtama yöntemleri incelenmiş, yüksek çözünürlük, sinyal ayırt edicilik ve çapraz terim olusturmamaları nedeniyle Yeniden Atama yöntemi tercih edilmistir. Yapılan çalısmalarda, mevcut durumda kullanılan darbant iyonosonda yöntemi ve önerilen genisbant ölçüm yöntemi benzetim ortamında farklı SNR degerlerinde karsılastırılmıs, düsük SNR seviyelerinde genişbant ölçüm yönteminin daha yüksek başarıma sahip oldugu görülmüştür. Ayrıca her iki yöntem iyonogram olusturma süreleri açısından karşılaştırılmış, önerilen genişbant
ölçüm yöntemi ile 20 - 70 ms sürede sonuç üretilebildiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, genişbant ölçüm yöntemi kullanılarak düşük çıkıs gücüyle diger KD bandı kullanıcılarına girişim yaratmadan, yüksek hızlarda sonuç üretilebileceği görülmüstür. Kısa sürelerde alınan iyonogram sonuçlarının, özellikle hızlı degisimlerin gerçeklestigi iyonosferik fırtınalı günlerde kullanılabileceği degerlendirilmiştir.

Abstract:
One of the mostly used band for long range communication is High Frequency (HF) band. Radio waves in the HF band range (3 - 30 MHz) are reflected from ionosphere which is one of the layers of atmosphere. So, a communication link can be set between two nodes which are thousands of kilometers away from each other. Hence, it is important to characterize the ionosphere state of which depends on date, time, location, sun activities etc. Ionosondes are used for this purpose. Ionosondes can be considered as HF band radar, so the ionospheric layer heights can be calculated by measuring the time delay between transmitted and received signals through the relation between
critical frequencies and reflection heights. The construction of ionosonde stations are costly and requires special expertise. That's why, there are limited number of stations around the world and they are sparsely
distributed. So, there are still some blind zones. To compansate the missing data for blind zones, tomographical methods using satellites and interpolation methods through earth measurement points are utilized. In this thesis, this problem is handled by considering ionosonde operation and the steps of ionosonde operations are realized in simulation environment. Hence, 3D ray tracing, ITS channel model and IRI-Plas estimation tools are integrated together to construct an ionosonde structure. Total Electron Content (TEC), hmF2 and foF2 values are fed into IRI-Plas to improve the electron density estimation results. The ionosonde structure results are compared with the real ionosonde measurement results for ionospheric stormy and calm days. The results show that, as long as the ionosonde structure is fed by true hmF2, foF2 values, it is possible to take similar results with real ionosonde measurements in terms of ionogram shape, layer heights and maximum usable frequency (MUF) results. Another problem about ionosondes is their high output power (i.e. around 100 - 600 W) and frequency sweep due to their narrow instantaneous bandwidth. Sweeping a large band in HF with relatively high output power is a problem for other HF band users, since it produces interference for other users. So in this thesis, wideband waveforms 
(1 MHz bandwidth), ITS channel model and time frequency analysis methods are utilised to costruct ionogram trace with relatively low output power (20 W). For this purpose, Barker, PN and Golay codes are investigated among phase coded waveforms. Linear Frequency Modulation (LFM), Costas coded and Non Linear Frequency Modulation
(NLFM) waveforms are investigated among frequency modulated waveforms. All waveforms are evaluated in terms of their ambiguity functions and their effects on ionogram traces. LFM waveforms are selected because of their flat spectral view along their bandwidth, robustness to frequency variations and availability for long duration
pulses. Wigner-Viller Distribution (WVD), Short Time Fourier Transform (STFT) and Reassignment methods are investigated for time frequency analysis. As a result, Reassignment method is selected due to its high resolution, distinction capability and cross term features. In the simulations, the current narrowband ionosonde waveforms and
operations are compared with those of the proposed wideband method. The results show that, for low SNR values the proposed method performs better than the current narrowband method. One more comparison is performed for ionogram construction durations and it is concluded that, wideband method is able to construct the ionogram trace in 
20 - 70 ms. As a result, it is shown that, in order to construct ionogram traces with low output power, without interfering other HF band users and in very short time duration is possible by using the proposed wideband method. This result emphasizes that it can be easily adapted to track sudden changes in the ionosphere, especially for
stormy ionospheric days when rapid changes occur