Frekans dağıtıcı malzemeyle kaplanmış cisimlerin radar kesit alanının zamanda sonlu farklar yöntemi ile hesaplanması
Radar cross section computation of objects coated by frequency dispersive materials using finite difference time domain method
Yazar: MERT ÖTENEL
Danışman: PROF. DR. ÖZLEM ÖZGÜN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tez kapsamında, rastgele geometriye sahip üç boyutlu karmaşık hedeflerin Radar Kesit Alanını (RKA) Zamanda Sonlu Farklar yöntemiyle hesaplayan MATLAB tabanlı bir yazılım aracı geliştirilmiştir. Bu yazılım "Radar Cross Section Prediction Tool" ismi içerisinden harfler seçilerek "RaPTo" olarak adlandırılmıştır. Geliştirilen yazılım hem iletken hedefleri hem de üzerinde izotropik (yön bağımsız) ve frekans dağıtıcı malzeme ile kaplanmış hedefleri modelleyebilmektedir. Hem grafiksel sonuç hem de görsel simülasyonlar elde edilmesine olanak sağlayan RaPTo yazılımı ile, RKA analizi ve özellikle RKA azaltımı gibi uygulamalar için bir yazılım altyapısının literatüre kazandırılması hedeflenmiştir. 

RaPTo herhangi bir bilgisayar destekli grafik tasarım (CAD) programıyla üçgen yüzeyler kullanılarak modellenmiş .stl dosya uzantılı hedef ağ yapısını, ışın izleme algoritması kullanarak üç boyutlu kübik elemanlara dönüştürmektedir. Kübik elemanları kullanarak probleme ait monostatik ve bistatik RKA değerlerini hesaplama kabiliyetine sahiptir. Yazılım içerisinde frekans dağıtıcı malzeme özelliklerini temsil eden üç farklı model (Debye, Lorentz ve Drude modelleri) tanımlanabilmektedir. Ayrıca problemdeki hedefin malzeme özellikleri tümüyle iletken, tümüyle frekans dağıtıcı malzeme ya da iletken üzerine istenilen kalınlıkta frekans dağıtıcı malzeme ile kaplı şekilde tanımlanabilmektedir. Kullanıcı tarafından berlirlenen operasyon frekansı ve düzlem dalganın küresel koordinatları kullanılarak RKA hesaplanmaktadır. 

Yazılımın verdiği sonuçların gerçek RKA verilerine yakınlığının test edilmesi için, öncelikle kanonik bir cisim olan iletken küre kullanılmıştır. RaPTo ile elde edilen küreye ait bistatik RKA verileri, hem analitik sonuçlarla hem de ticari bir yazılım olan CST Studio'nun Zaman Alanı (Time Domain) çözücüsü kullanılarak elde edilen bistatik RKA sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra frekans dağıtıcı malzeme ile kaplanmış küreye ait Lorentz, Debye ve Drude modellerinin RaPTo ile elde edilen bistatik RKA sonuçları CST ile karşılaştırılmıştır. Son olarak ise, RKA azaltılmasına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamda hem küp, küre ve levha gibi kanonik geometriler hem de F-117 Nighthawk ve F-16 Fighting Falcon gibi karmaşık geometriler üzerinde kaplanmış frekans dağıtıcı malzemenin RKA azaltımı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Kaplama kalınlığının ve malzemeye ait çarpışma frekansının RKA üzerindeki etkisi analiz edilmiş ve sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
A MATLAB-based software tool has been developed under the scope of this study to calculate the Radar Cross Section (RCS) of three-dimensional complex targets with random geometry using the Finite Difference Time Domain (FDTD) method. The software is named "RaPTo", derived by selecting letters from the full name "Radar Cross Section Prediction Tool". The developed software is capable of modeling both conductive targets and targets coated with isotropic and frequency-dispersive materials. RaPTo allows for graphical results and visual simulations, aiming to contribute to the literature by providing a software infrastructure for RCS analysis and, particularly, RCS reduction applications.

RaPTo models the target mesh structure, initially modeled using triangular surfaces with any computer-aided design (CAD) software and saved in the .stl file format, into three-dimensional cubic elements using a ray-tracing algorithm. Using cubic elements, the software can calculate both monostatic and bistatic RCS values for the given problem. Three different models representing the characteristics of frequency-dispersive materials (Debye, Lorentz, and Drude models) can be defined within the software. Additionally, the material properties of the target in the problem can be defined as entirely conductive, entirely frequency-dispersive material, or conductive with a desired thickness of frequency-dispersive material. The RCS is calculated using the operation frequency and spherical coordinates of the plane wave specified by the user.

To validate the results obtained by the RaPTo software, a canonical object (i.e., a conductive sphere) was initially used. Bistatic RCS data obtained by RaPTo for the sphere were compared with both analytical results and bistatic RCS results obtained using the time domain solver of the commercial software CST Studio. Subsequently, bistatic RCS results obtained by RaPTo for a sphere coated with frequency-dispersive material (Lorentz, Debye, and Drude models) were compared with those obtained using CST. Finally, studies on RCS reduction were conducted. In this context, the impact of coated frequency-dispersive material on RCS reduction was investigated on both canonical geometries such as cube, sphere, and plate, and complex geometries such as F-117 Nighthawk and F-16 Fighting Falcon. The influence of coating thickness and collision frequency of the material on RCS was analyzed, and the results are presented comparatively.