Dönel hareketli cisimlerin radar kesit alanlarının ve doppler spektrumlarının incelenmesi
Examination of the radar cross section and doppler spectrum of rotating objects
Yazar: AYŞE ÇELİK
Danışman: PROF. DR. AHMET ARİF ERGİN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doppler kayması = Doppler shift ; Dönel parçalar = Rotational components ; Fourier dönüşümü = Fourier transformation ; Radar kesit alanı = Radar cross section

Özet:
Bu çalışmanın amacı dönel kanatlı cisimlerin radar kesit alanlarını (RKA; radar cross section (RCS)) ve zamana bağlı Doppler izlerini, Geometrik Optik (Geometrical Optics (GO)) yöntemi ve uzak alan yaklaşımı temellerine dayanan MASKE-II RKAY programı kullanarak hesaplamak ve üretmektir. Çalışmanın sonucu olarak, radar sistemlerinden elde edilen RKA izleri ile dönel kanatlı cisimlerin özelliklerinin yorumlanabilmesi için gerekli temel bilgilerin edinilmesi amaçlanmaktadır.
Cisimlerin RKA izlerini hesaplamak ve geometrileri ile RKA izlerinin ilişkisini incelemek için, RHINOCEROS programı ile damla-yapılı ve dikdörtgen plaka şeklinde dönel kanatlar oluşturulmuştur. Oluşturulan geometrilerin Doppler ve RKA izlerinin hesaplanması için MATLAB programında kodlar geliştirilmiş, hesaplamada gerekli olan genlik ve faz bilgileri ise RKAY programı ile elde edilmiştir. Elde edilen zamana bağlı saçılan elektrik alan değerleri kısa-zamanlı Fourier dönüşümüne (KZFD; short-time Fourier transform (STFT)) tabi tutularak zamana bağlı Doppler grafikleri oluşturulmuştur. Elde edilen Doppler grafikleri hakkında değerlendirmeler yapılmıştır.
Dönel kanatlı cisimlerin RKA değerlerini incelerken ortaya çıkan en önemli sonuç, elde edilen RKA değerinin, geometrik yapıyı oluşturan ve dönme ekseninden farklı uzaklıklarda yer alan farklı radyal hız bileşenlerine sahip kısımlardan meydana gelen saçılma sinyallerinin süperpozisyonu cinsinden elde edilmesidir. Bahsedilen formdaki RKA verisi üzerinde KZFD yönteminin sağladığı çözümleme sayesinde ise, dönel harekete sahip kanatlara ait kısımların (ki kanadın farklı çizgisel hızlara sahip nokta saçıcılar bütünü şeklinde olması söz konusu değerlendirmeyi kolaylaştırmaktadır) gözlem süresi boyunca radar sinyal işleme süreci kapsamında oluşturulan zaman-Doppler imgelerinde sergileyeceği salınımlı karakteristikler incelenebilmektedir. Elde ettiğimiz bu zaman-Doppler karakteristikleri, öncelikli olarak dönel kanatların şekline, sayısına, eğimine ve birbirleri arasındaki açıya bağlı olarak şekillenmekte ve radar alıcısı tarafında dönel kanata ilişkin teşhis bilgilerinin elde edilmesinde kullanılabilmektedir.

Abstract:
The main purpose of this thesis is to evaluate the radar cross section (RCS) characteristics of the objects with rotating blades via the software MASKE-II RKAY that is based on the far-field approximation and Geometrical Optics (GO) method, and to produce their Doppler signatures. As the outcome of the examination, it has been aimed to obtain basic information required to interpret the properties of the rotating blades with the help of the RCS signatures gathered from the radar systems.
In order to evaluate the RCS signature of the objects and to examine the relation to their geometries, rotating blade models are constructed by using the software RHINOCEROS for ideal rectangular plates and drop geometry, respectively. After evaluating the complex-natured (i.e., denoted by magnitude and phase information) scattered electric field characteristics via the software RKAY, the signal processing MATLAB scripts have been used for focusing on the RCS and Doppler signatures of the investigated geometries. By performing short-time Fourier transform (STFT) over the scattered electric field data, the time-dependent Doppler images have been constructed, and the useful insights about these images have been provided.
The most important outcome gathered by examining the RCS characteristics of objects with rotating blades is that the value of the RCS has been obtained in terms of the superposition of scattered signals caused by several parts of the rotating blades that have been located at different distances from the center of rotation yielding different radial velocity components. Hence, with the help of the decomposition provided by performing STFT over the RCS data with the above-mentioned structure, the oscillatory characteristics existing in the time-Doppler images constructed via radar signal processing through the entire radar observation could be investigated for several parts of the rotating blades (which might be better understood by considering the rotating blades as an assembly of several point scatterers with different linear velocities). The observed time-Doppler characteristics have been facing variations due to the number, shape, slope of the rotating blades and the angle between them, and are used for extracting the identification information of rotating blades in radar receivers.