Geri Dön

Time and frequency domain numerical modeling for ground wave propagation

Yer dalgası yayılımının zaman ve frekans domeninde modellenmesi

  1. Tez No: 126710
  2. Yazar: FUNDA AKLEMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN TOPUZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2002
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 140

Özet

YER DALGASI YAYILIMININ ZAMAN VE FREKANS DOMENINDE SAYISAL MODELLENMESİ ÖZET En zor ve en önemli yayılım problemlerinden biri olan ve hem yer hem de gök dalgalan ile gerçeklenen dünya üzerinde radyo dalgası iletimi yirminci yüzyılın başından bu yana ilgi odağı olmuştur. Bu çalışmada, yer dalgası yayılımı, yeryüzeyinin ve atmosferdeki troposfer tabakasının etkileri de gözönüne alınarak incelenmektedir. Yer dalgalan, direk, yerden yansıyan ve yüzey dalgalan olarak tanımlanan üç bileşenden oluşmaktadır. Bu çalışmada, farklı yeryüzü karakteristiklerine sahip, radyal doğrultuda homojen olmayan atmosfer ile çevrili küresel dünya göz önüne alınmaktadır. Bu kanonik (örnek) model kullanılarak, dünya üzerinde seçilen herhangi iki nokta arasındaki yer dalgası yayılım karakteristiklerinin belirlenmesine ilişkin problemin çözülmesi hedeflenmektedir. Son derece karmaşık olan bu problem için, henüz sayısal olarak hesaplanabilen ve gözlenebilir analitik tam çözüm ya da genel olarak uygulanabilecek üç boyutlu sayısal çözüm bulunamamıştır. Öte yandan, teorik ve uygulamalara yönelik önemi nedeniyle, pek çok araştırmacı tanımlanan bu problem üzerinde çalışmaktadır. Araştırmalar sırasında kullanılan yöntemler, (i) analitik yaklaşık (ii) iki boyutlu (2B) sayısal yaklaşık, ve (iii) (i) ile (ii)'deki teknikleri beraber kullanan karma yöntemler olarak gruplanabilir. Tüm bu yöntemler yer dalgası yayılım probleminin çözümü için gerçekçi sonuçlar vermelerine karşın, yöntemlerin uygulanabilirlik bölgeleri belirli kısıtlamalar içermektedir. Bu çalışmada, daha genel olarak uygulanabilen sayısal bir teknik tanıtılacaktır. Öte yandan, yaklaşık analitik çözümler yer dalgası yayılım probleminin fiziğine ilişkin bilgi veren paha biçilmez teknikler olmalarının yanı sıra geçerlilik bölgeleri içinde elde edilen sonuçlar sayısal yöntemlerin geçerliliğinin test edilmesi için kullanılabilir. Bu yüzden bu çalışmada aşağıdaki yöntemler de ele alınmıştır: 1- Norton formülasyonu : Dalgasayısı spektral integral gösteriliminden elde edilen ışın - optik yaklaşımı XV2- Wait formülasyonu : Spektral integrali dünya yüzeyi üzerinde yayılan modlar toplamı olarak ifade eden yaklaşım 3- Karma WAVEPROB algoritması : Norton ve Wait çözümlerini daha etkin bir şekilde sonuç verecek şekilde birleştiren ve 1. ile 2.'nin geçerlilik bölgelerinin genişlemesini sağlayan yöntem. Analitik formulasyonların standart atmosferle çevrili pürüzsüz dünya üzerinde koordinat ayrıştırma yöntemine dayanması nedeniyle, ışın - mod ve onların birlikte kullanılmasından oluşan yöntemler,. yükselti farklılıkları ya da pürüzlülük içeren bölgelerde. düşey ve/veya yatayda homojen olmayan atmosfer tarafından oluşturulan yüzey ya da yükseltilmiş kanalların bulunduğu bölgelerde yer dalgası yayılım problemi için uygulanabilir değildir. Sadece pürüzlü yüzey etkileri WAVEPROB içine yaklaşık olarak eklenebilir. Bu çalışmada, troposferde elektromanyetik dalga yayılım için yoğun bir şekilde kullanılan adım adım parabolik denklem (Split Step Parabolic Equation, SSPE) algoritmasını da ele aldık. SSPE, parabolik forma indirgenmiş dalga denkleminin çözümünü sağlayan ve frekans domeninde çalışan bir yöntemdir. Tek yönlü dalga yayılımını modelleyen SSPE, eksenel doğrultuya yakın açılarda ilerleyen dalgaların modellenmesi için geçerli olup ayrıca geri yansıma etkilerini gözardı eder. Bir ilk değer problemi olan SSPE için enine başlangıç alan dağılımının bilinmesi gerekmektedir. Yayılımın başladığı mesafedeki alan dağılımı, kırılma indisi profili, n(z,x), ile tanımlanan bir ortam içinde uzunlamasına (mesafe boyunca) ilerletilir ve bir sonraki mesafe için gereken enine alan dağılımı elde edilir. Burada x ve z sırasıyla enine ve boyuna korrdinatlan belirtmektedir. Bu şekilde ayrık (hızlı) Fourier dönüşümü (HFD) ve ters HFD ile x ve kx bölgeleri arasında gidip gelinerek tüm uzaklıklara ilişkin enine alan profilleri hesaplanabilir. SSPE, geri saçılma etkileri az olan pürüzlü yüzeyler de dahil olmak üzere düşey ve/veya yatay olarak değişen kırılma indisine sahip ortamlarda ve özellikle VHF ile üzerindeki frekanslarda dar- bandlı dalga yayılımının modellenmesi için etkili ve güvenilir bir yöntemdir. Yine bu çalışmada, yeni ve saf-sayısal bir teknik tanıtılmakta ve yer dalgası yayılım modellenmesine ilişkin uygulamaları ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bu yöntemle elde edilen sonuçlar, yaklaşık analitik yöntemler ve/veya SSPE ile geçerlilik bölgeleri içinde hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Tüm çözümleri doğrudan doğruya zaman domeninde yapan bu yeni yöntem, zamanda sonlu farklar yayılım tekniği (Time-Domain Wave Propagator, TDWP) olarak adlandırılmıştır. TDWP, çeşitli elektromanyetik problemlerin çözümü için en yaygın olarak kullanılan sayısal modelleme tekniklerinden biri olan zamanda sonlu farklar (Finite-Difference Time-Domain, FDTD) yöntemine dayanmaktadır. Yer dalgası yayılımını zaman domeninde inceleyebilmek için elektromanyetik alanların uzak mesafelere doğru ilerlerken izlenmesi gerekmektedir; bu da, günümüz teknolojisinin imkanları ihtiyaç duyulan bilgisayar kapasitesini karşılayamadığından geleneksel FDTD algoritmaları ile imkansızdır. xviBu çalışmada, yukarıda kısaca bahsedilen bu güçlük, yaydım bölgesinin FDTD uzayı içinde kayan bir pencere yardımı ile takip edilmesi sayesinde ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Doktora çalışmasında, bu yeni yaklaşma tanıtılmış ve TDWP yönteminin çeşitli yayılım problemleri için uygulamaları tartışılmıştır. Şu aşamada hesaplamalar nispeten yavaş olduğu ve daha yüksek kapasiteli bilgisayarlara ihtiyaç duyulduğu halde, TDWP yönteminin, geniş bandlı dalga (darbe) yayılımının gerçek ortamlarda incelenebilmesi açısından etkili ve güvenilir olduğu gösterilmiştir. xvii

Özet (Çeviri)

TIME AND FREQUENCY DOMAIN NUMERICAL MODELING FOR GROUND-WAVE PROPAGATION SUMMARY Radio signal transmission over the earth's surface, which includes both ground and sky waves, is one of the most difficult and important propagation problems and has been a subject of interest from the beginning of the 20th century. In this study, ground wave propagation is investigated taking into account the effects of the lower and middle atmosphere (troposphere) characteristics as well as ground effects. Ground waves have three components categorized as direct waves, ground-reflected waves and surface waves. The model environment used in this study is a spherical earth, which may have various ground characteristics, above which exists a radially inhomogeneous atmosphere. Using this canonical model we pose ourselves the following problem: Determine the ground wave propagation characteristics between two points, which may be selected anywhere on or above the ground. The problem is very complex and neither a full-wave, observable-based, numerically computable analytical solution, nor a three-dimensional (3D), generally applicable numerical solution has yet appeared. On the other hand, due to its theoretical and practical significance, numerous researchers have addressed this problem. The techniques used in these investigations can be classified as (i) analytical approximations, (ii) two dimensional (2D) numerical approaches, and (iii) hybrid techniques, which are combinations of (i) and (ii). All of these approaches are capable of yielding accurate solutions to the ground wave propagation problem but their applicability is limited to certain parameter regimes. The aim of this study is to introduce a numerical method, which is more generally applicable. On the other hand, approximate analytic solutions are invaluable aids in gaining a clear physical insight into ground-wave propagation problem and within their domains of validity their outputs may be used for validation of numerical methods. In this study we therefore have also reviewed: 1- The Norton formulation, which extracts from a wavenumber spectral integral representation a ray-optical asymptotic approximation. xn2- The Wait formulation, which restructures the spectral integral as a series of normal modes propagating along the earth's surface. 3- The hybrid algorithm, WAVEPROB, which combines Norton and Wait solutions in an efficient manner to extend the range of validity of options 1. and 2. Ray-mode and their hybridised techniques cannot handle problems, such as. Propagation over rough surface terrain (note that roughness effects can be included in WAVEPROB, in an approximate sense).. Propagation through surface and/or elevated ducts formed by inhomogeneous vertical as well as horizontal atmospheric parameters (note that analytic formulations are based on a coordinate separable model over a smooth spherical earth with standard atmosphere). In this study we also considered the Split-Step Parabolic Equation (SSPE) algorithm, which is common and popular for the modelling of electromagnetic wave propagation in the troposphere. SSPE is a frequency domain wave propagator, which is the solution of a parabolic type wave equation. It is a one-way propagator that is valid under paraxial approximation (i.e., under weak longitudinal refractivity dependence or under near axial propagation), where backscatter effects are omitted. SSPE is an initial value problem and needs an initial transverse field distribution. The initial field distribution is longitudinally propagated through a medium defined by its refractive index profile, n(z,x) and the transverse field profile at the next range step is obtained. Here, x and z are transverse and longitudinal coordinates, respectively. By moving back and forth between x and kx domains via discrete (fast) Fourier transforms (FFT) and inverse FFT the transverse field profile at any range may be obtained. SSPE is efficient and reliable for modeling narrow-band wave propagation (especially for frequencies VHF and above) over weakly back-scattering rough surfaces, above which exists a vertically and/or horizontally varying refractivity profile. Also in this study, a novel, pure-numerical technique is introduced and its application to modelling ground wave propagation is explained in detail. The results generated by this technique are compared with the results obtained via approximate analytic methods and/or via the SSPE approach, whenever the latter are applicable. This new technique is formulated directly in time-domain and hence it is named as the Time- Domain Wave Propagator (TDWP). TDWP is based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) technique, which is one of the most commonly used numerical modelling methods in addressing various electromagnetic problems. The main difficulty in analysing ground wave propagation in time domain, is the requirement of obtaining data as the fields propagate over extended regions in range, which is impossible when using the conventional FDTD algorithms, since the required computational resources are well beyond the capabilities of today's technology. In this work the above-mentioned difficulty is overcome by tracing the propagation region with a dynamic sliding window (the FDTD space). The subjective of this study is to introduce this new approach and discuss the application of the TDWP to Xlllvarious wave propagation problems. It is shown that the TDWP, although computationally expensive, is an efficient and reliable method for addressing broadband wave (pulse) propagation problems in realistic environments. XIV

Benzer Tezler

  1. Tez No

    609259

    Seismic performance of tunnel in liquefiable soil

    Sıvılaşabilen zemin tüneli sismik performansı

    MOHSEN FATHIEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYFER ERKEN

  2. Tez No

    859908

    Kuvvetli yer hareketi altında suya doygun kumlarda oluşabilecek oturmaların sayısal analizlerle incelenmesi ve makine öğrenmesiyle değerlendirilmesi

    Investigation of settlements in saturated sands under strong ground motion by numerical analysis and evaluation by machine learning

    OZAN SUBAŞI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP İYİSAN

  3. Tez No

    75056

    Gömülü iletken cisimlerin elektromagnetik dalgalar yardımı ile zaman domeninde algılanması

    Başlık çevirisi yok

    SELÇUK PAKER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİNGÜL YAZGAN

  4. Tez No

    398750

    Doğrusal olmayan zemin ortamında rijit şerit temeller için dinamik empedans fonksiyonları

    Dynamic impedance functions for rigid strip foundation on nonlinear soil medium

    OSMAN KIRTEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAN ÇELEBİ

  5. Tez No

    442202

    Prediction of ground borne vibrations due to railway traffic

    Demiryolu trafiği kaynaklı zemin titreşiminin tahmini

    SALİH ALAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÇALIŞKAN

Geri Dön