Deniz ortamında atmosferik türbülansın elektro-optik keşif görüntüleme sistemleri üzerindeki etkisi ve atmosferik türbülans tahmini
The impact of atmospheric turbulence on electro-optical surveillance imaging systems in a maritime environment and atmospheric turbulence prediction
Yazar: BURAK FERDİ AKTAN
Danışman: PROF. DR. ELİF KAÇAR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektro-optik keşif gözetleme sistemlerinin performansını belirlemek çözülmesi zor bir problemdir. Bu problemi etkileyen parametrelerden biri olan atmosferik türbülans, atmosferin kırıcılık indisinin bir ölçüsüdür. Atmosferin farklı gaz ve aeorosol içeriklerinden oluşması aynı zamanda meteorolojik etkilere maruz kalması nedeniyle oluşan atmosferik türbülans, elektro- optik keşif gözetleme sistemleri üzerinde performans kayıpları oluşturmaktadır. Bu nedenle atmosferik türbülansın ölçülmesi ya da tahmin edilmesi atmosferik türbülans kaynaklı bozulmaların etkisini kestirmek için önemlidir. Atmosferik türbülans ölçümleri ile atmosferik türbülans tahmini arasındaki korelasyonu belirlemek için Marmara bölgesinde 2023 yılının 4 farklı mevsiminde ocak, nisan, temmuz ve ekim aylarında meteorolojik parametreler toplanarak atmosferik türbülans tahmin modeli yardımıyla türbülans tahminleri yapılmış aynı zamanda aynı mevkiide atmosferik türbülans ölçümleri yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Atmosferik türbülansın keşif gözetleme sistemleri üzerindeki etkisinin görülmesi amacıyla meteorolojik ölçüm yapılan ve atmosferik türbülans ölçümü yapılan mevkiide 20 km ve 30 km uzaklıktaki rüzgar türbini görüntüleri SWIR (kısa dalga boylu kızılötesi) kamera ile toplanmıştır. Atmosferik türbülans tahmini için Sadot-Kopeika tahmin modeli kullanılmıştır. Bu tahmin modelinde atmosferik türbülans parametresi, meteorolojik parametreler olan sıcaklık, rüzgar hızı, bağıl nem gibi makrometeorolojik parametreler kullanılarak belirlenebilmektedir. Meteorolojik parametrelerin toplanarak tahmin edilen atmosferik türbülans değeri ile eş zamanlı yapılan türbülans ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında birbirleriyle örtüşüğü görülmüştür. Tahmin edilen atmosferik türbülans değerleri ve ölçülen atmosferik türbülans değerlerinin elektro-optik bir sensörün performansı üzerindeki etkisini incelemek için elektro- optik sensöre yönelik DRI (Tespit-Teşhis-Kimliklendirme) analizleri, NVIPM ( Night Vision Integrated Performance Model) yazılımı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Elektro-optik sensörün, atmosferin, gözlemcinin ve hedefin modellenmesinin ardından yapılan DRI analizleri sonuçları karşılaştırıldığında, tahmin edilen atmosferik türbülans değerlerinin yarattığı performans kayıpları sonuçlarının, ölçülen atmosferik türbülans değerlerinin yarattığı performans kayıpları ile örtüştüğü gözlemlenmiştir. Gelecek çalışmalar için, algoritmaların elektro-optik sensör görüntüleri, meteorolojik parametreler ve atmosferik türbülans değerleri üzerinde derin öğrenme ile eğitilmesinden sonra, elektro-optik sensörlerin görüntülerdeki piksel bazlı bozulmaya dayalı anlık atmosferik türbülansı belirleyebileceği öngörüsünde bulunulmuştur.

Abstract:
Determining the performance of electro-optical surveillance systems is a difficult problem to solve. Atmospheric turbulence, one of the parameters affecting this problem, is a measure of the refractive index of the atmosphere. Atmospheric turbulence, which occurs because the atmosphere is composed of different gas and aeorosol contents and is exposed to meteorological effects, causes performance losses on electro-optical surveillance systems. herefore, measuring or predicting atmospheric turbulence is important for estimating the impact of atmospheric turbulence induced disturbances. In order to determine the correlation between atmospheric turbulence measurements and atmospheric turbulence prediction, meteorological parameters were collected in January, April, July and October in 4 different seasons of  2023 in the Marmara region and turbulence predictions were made with the help of atmospheric turbulence prediction model and atmospheric turbulence measurements were made at the same location and the results were compared. In order to see the effect of atmospheric turbulence on surveillance systems, wind turbine images were collected with a SWIR (short wavelength infrared) camera at a distance of 20 km and 30 km from the location where meteorological measurements and atmospheric turbulence measurements were made. Sadot-Kopeika prediction model was used for atmospheric turbulence estimation. In this prediction model, atmospheric turbulence parameter can be determined by using macrometeorological parameters such as temperature, wind speed and relative humidity. When the atmospheric turbulence value estimated by summing the meteorological parameters is compared with the simultaneous turbulence measurement results, it is seen that they overlap with each other. In order to examine the effect of predicted atmospheric turbulence values and measured atmospheric turbulence values on the performance of an electro-optical sensor, DRI (Detection-Diagnostic-Identification) analyses for the electro-optical sensor were performed with the help of NVIPM (Night Vision Integrated Performance Model) software. After modeling the electro-optical sensor, the atmosphere, the observer and the target, the results of the DRI analyses were compared and it was observed that the performance losses caused by the predicted atmospheric turbulence values coincided with the performance losses caused by the measured atmospheric turbulence values. For future works, after training the algorithms with deep learning on electro-optical sensor images, meteorological parameters and atmospheric turbulence values, it is foreseen that electro-optical sensors can determine instantaneous atmospheric turbulence based on pixel-based distortion in images.