Kompleks hedeflerin radar kesit alanı analizi
Radar cross section analysis of complex targets
Yazar: NİLGÜN ALTIN
Danışman: PROF. DR. ERDEM YAZGAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Radar kesit alanı = Radar cross section

Özet:
Elektronik harp teknolojisinin hızla ilerlediği günümüzde, radarlarda hedefin görünmezlik teknolojisi savunma sanayisinin yoğun bir biçimde ilgi odağı haline gelmiş ve kendisine hava, kara, deniz ve denizaltı platformlarında yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Bu konudaki çalışmalar açısından günümüz savunma sanayisi için vazgeçilmez konulardan biri de Radar Kesit Alanı (RKA) hesaplamasıdır. RKA bir cismin veya platformun bir radardaki görünürlük miktarı veya elektromanyetik (EM) dalgalar olan radar sinyallerini yansıtma miktarı olarak tanımlanabilir.Bu çalışmada yüksek frekanslarda basit geometrik şekillerden savaş araçlarına kadar birçok cismin RKA analizleri Seken Işın Yöntemi (SIY) ve Fiziksel Kırınım Teorisi-Eşdeğer Kenar Akımları (FKT-EKA) yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Seken Işın Yöntemi (SIY) rastgele seçilmiş hedeflerin RKA değerini hesaplamak için Geometrik Optik (GO) ve Fiziksel Optik (FO) yöntemlerini beraber kullanan ışın takibine dayalı bir algoritmadır. Bu algoritmada hedefe gelen her bir ışının hedeften ayrılıncaya kadar izlediği yol takip edilir ve hedef ile etkileşimi hesaplanır. En çok hesaplama gücü gerektiren aşama bu kısımdır. Bu aşama birkaç yöntemle (Badouel's, Trumbore-Möller) hesaplanmış ve bu adımı hızlandırmak amacıyla Plücker test yönteminden faydalanılmıştır. SIY algoritmasının son aşamasında her ışının saçılan alana (ve dolayısıyla RKA değerine) katkısı hesaplanmıştır. Saçılan alanı hesaplarken Huygen's prensiplerinden yararlanılmıştır. Karmaşık ve basit şekilli hedeflerin RKA analizini SIY algoritmasını kullanarak gerçekleştirmek için hedefler Bilgisayar Destekli Tasarım (BDT) formatı olan stereolithography (STL) ağ yapısında modellenmiştir. BDT ortamında modellenen hedefler STL ağ formatında koda taşınmış ve işlem yapılmıştır. Cisimlerin RKA değerlerini bakış açısına göre hesaplayabilmek için iki farklı döndürme geometrisi kullanılmıştır. Bu yöntemlerden birincisinde ışın penceresi sabit; hedef döndürülüyor, ikincisinde ise hedef sabit ışın penceresi hedef etrafında döndürülüyor. SIY yöntemi kırınım etkilerini ele almadığından bu yöntemle geliştirilen koda kırınım etkilerini dâhil etmek amacıyla Fiziksel Kırınım Teorisi-Eşdeğer Kenar Akımları yöntemi eklenmiştir.Literatürde yapılan çalışmalarda uçağın gövde geometrisi genellikle silindir biçiminde ve kokpit kısmı dikdörtgen kesitli açık uçlu boşluk olarak modellenmiştir. Bu çalışmada uçağın gövdesi eliptik bir yüzey olarak ve kokpit kısmı gerçeğe yakın bir şekilde ele alınmıştır. Bu yüzeyden saçılma Fock saçılma fonksiyonuyla ve ışıma Geometrik Kırınım Teorisiyle analiz edilmiştir. Gerçeğe yakın olarak modellenen kokpit kısmından kaynaklanan RKA SIY yöntemi ile incelenmiştir. Hedeflerin RKA analizini gerçekleştiren kod MATLAB® ortamında geliştirilmiştir. Geliştirilen kodla elde edilen sonuçlar Fiziksel Optik yöntem sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, yazılan kodu farklı şekilli hedefler için mümkün olduğunca geliştirme imkânı sunmaktadır.

Abstract:
Nowadays, the electronic warfare technology grows rapidly and, the stealth technology in radar systems became one of the indispensable factors of the defence industry and is used widely in air, land, sea and underwater platforms. Radar Cross Section (RCS) that is indispensable for today?s defense industry can be defined as the amount of visibility an object or a platform in the radar or as the amount of reflection radar signals in the direction of the radar receiver.In this study, radar cross section analysis of many objects from simple geometric structures to military vehicles are made using Shooting and Bouncing Ray (SBR) and Physical Theory of Diffraction-Equivalent Edge Current method in the high frequency. SBR algorithm is based on ray tracing and uses both Geometric Optics (GO) and Physical Optics (PO) approaches to compute the RCS of arbitrary scatterers. In this algortihm, each ray is traced on the target and its interaction with target is calculated. This tracing and calculation phase is the most time consuming part. Therefore this part requires the powerful processor. This phase is calculated using several methods (Badouel?s, Trumbore-Möller) and additionally Plucker test method is also used to accelerate this step. In other step the last of SIY algorithm is contribution of scattering field of each ray hence its contribution to RCS are calculated. In calculation of the scattered field, Huygens principle is used. To perform RCS analyses of complex and simple targets SBR algorithm is modeled by Computer Aided Design (CAD) format known as Stereo Lithography (STL). Targets composed in CAD tools are imported in STL mesh format and handled in the code. Different sweep geometries are defined to compute the RCS of targets with respect to aspect angles. In the first of these methods, ray window is fixed and the target is rotated, in the second one, target is fixed and the ray window is rotated around the target. Since SBR algorithm can not handle diffraction effects, Physical Diffraction Theory-Equivalent Edge Current method is added for taking into account diffraction effects in the developed code with SBR method and diffraction effects are examined with the help of this method.In the literature study, body of the aircraft is usually modeled in the form of a cylinder and cockpit part is modeled as an open cavity with rectangular cross sections. In this thesis work, body of the aircraft is handled as an elliptic surface and cocpit part of the aircraft is handled as close to reality as possible. Scattering from elliptic surface is analysed with Fock scattering function and radiation is analysed with Geometrical Theory of Diffraction. RCS from cockpit part is closely modeled as in reality and investigated with SBR method. In this work, a code based on MATLAB is developed to compute the Radar Cross Section (RCS) of complex targets and developed code is compared to Physical Optics method. These comparisons enabled us to improve the code as possible as it is.