Geri Dön

İyonkürede elektromanyetik dalga yayılım modeli ve benzetimi

Electromagnetic wave propagation model and simulation in ionosphere

PDF İndir

  1. Tez No: 455724
  2. Yazar: ESRA ERDEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FEZA ARIKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 171

Özet

Kısa Dalga (KD) bandında (3 - 30 MHz) elektromanyetik dalga yayılımı uzak mesafe haberleşme için büyük önem taşımaktadır. KD bandında dalganın yayılım ortamı, atmosferin iyonküre katmanıdır. İyonküre, iyonlaşan gazlardan oluşan, zamana göre değişim gösteren, düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamdır. İyonküre ortamına elektromanyetik dalga yayılımı çözümlerinin yapılması zorlu bir problemdir. Dalga denkleminin düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamda çözülmesi için hali hazırda uygulanan çeşitli analitik ve nümerik yöntemler yetersiz kalmaktadır. Bu yöntemler ancak iyonkürenin fiziksel özelliklerinin büyük ölçüde ihmal edilmesi ve dalga denkleminde çeşitli yaklaşımların yapılması ile uygulanabilmektedir. İşlem yükü ve çözüm süresi fazla olan bu yöntemler ile elde edilen çözümler, uygulanan yaklaşımlar nedeniyle iyonkürenin fiziksel yapısını yansıtmayan çıktılar vermektedir. Bazı durumlarda dalga yayılımı hesaplama iyonkürenin zamana göre değişim hızından daha yavaş olmakta ve elde edilen çözüm geçerliliğini yitirmektedir. Uzak mesafe haberleşme teknolojisinin başarımı iyonküre ve iyonkürede dalga yayılımı modellerinin gerçeğe yakın olması ile artmaktadır. Bu nedenle yeni bir yaklaşımla iyonkürede elektromanyetik dalga yayılımının modellenmesi ve iyonkürenin yapısının bu modele dahil edilmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu doktora tezi çalışmasında KD bandı için yeni ve özgün bir dalga yayılım modeli geliştirilmiştir. Bu model, dalganın ışın izleme ile gösterimi ve iyonkürenin 3 Boyutlu (3B) küresel hücre modeli bileşenlerinden oluşmaktadır. Işın izleme, bir geometrik optik yaklaşımı olarak uygulanmaktadır. Geliştirilen dalga yayılım modelinde ışın izleme yöntemlerinden Snell yasası uygulanmaktadır. Snell yasası ile ışın izlemede önemli bir parametre olan kırılma indisinin hesaplanmasında, Appleton-Hartree eşitliği kullanılmaktadır. Appleton-Hartree eşitliği iyonkürenin fiziksel parametrelerini içermekte olup, geliştirilen modelde tüm parametreleri ile hesaba dahil edilmektedir. İyonkürenin yön bağımlı olmasının bir sonucu olarak kaynaktan yayınlanan dalga iyonküreye girdiğinde sıradan ve sıradışı dalga olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen modelde sıradan ve sıradışı dalga için ayrı ayrı, 3B küresel hücre modeli üzerinden ışın izleme uygulanmaktadır. 3B küresel hücre modeli iyonkürenin düzgün dağılmayan yapısını yansıtmaktadır. Her bir hücreye karşılık gelen iyonküre parametreleri zamana bağımlı olarak hesaplandığından, iyonkürenin zamana göre değişimi de model tarafından karşılanmaktadır. İyonküre parametreleri IRI-Plas yazılım aracı ile hesaplanmaktadır. IRI-Plas, iyonkürenin ölçülebilen bazı parametrelerinin verilerini girdi olarak alarak mevcut iyonküreyi daha gerçekçi benzetebilmektedir. Bu tez kapsamında geliştirilen modelde IRI-Plas yazılımının bu özelliğinden yararlanılmakta ve verilen zamana kar¸sılık Toplam Elektron İçeriği (TEİ) verileri otomatik olarak sağlanarak IRI-Plas yazılımına beslenebilmektedir. Geliştirilen iyonkürede dalga yayılım modelinin mühendislik uygulamasını yapmak üzere IONOLAB-RAY algoritması tasarlanmıştır. IONOLAB-RAY ön işlem ve ana işlem olmak üzere iki parçadan oluşmaktadır. Kullanıcı tarafından tanımlanan ilgi alanı bölge ve zamanlar için koşum süresi görece olarak uzun süren hesaplamalar ön işlem aşamasında yapılarak kaydedilmektedir. Ana işlem aşamasında ise oluşturulan ilgi alanı bölge ve zamanlar için istenilen senaryolar koşturulabilmektedir. Dalga yayılımının modellenmesi için ihtiyaç duyulan tüm parametreler IONOLAB-RAY modülleri tarafından otomatik olarak hesaplanmaktadır. Girdi parametrelerinin çoklu de˘gerlerine kar¸sılık tüm senaryo kombinasyonları tek komutla ko¸sturulabilmektedir. Elde edilen çıktıların formatları mühendislik çalı¸smalarına ve analizlerine uygundur. IONOLAB-RAY algoritması modülleri ile dalganın ilerleme yolunun yanı sıra dalganın zayıflaması, zaman gecikmesi, faz hızı, grup hızı ve Faraday dönmesi parametrelerini hesaplayabilmektedir. Bu parametreler aynı zamanda uzak mesafe iletişiminde kullanılan kanal modellerine girdi sağlayabilmektedir. IRI-Plas yazılımına istatistiksel modele dayalı veri beslemesi yapılabilmektedir. Böylece dalganın izlediği yolun, yeryüzüne ulaştığı konumların ve dalga parametrelerinin istatistiksel dağılımlarının incelenmesine imkan sağlanmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen IONOLAB-RAY algoritması ile dünyanın farklı konumları için mevsim ve günün saatindeki değişimlere göre dalganın yayılım yolları incelenmi¸stir. Dalganın kaynaktan yayınlanmasını tanımlayan girdi parametrelerinin değişimine karşılık elde çıktılar değerlendirilmiştir. İyonküre modelini veri ile beslemenin etkileri gözlenmi¸stir. IONOLAB-RAY algoritması literatürde bulunan benzer amaçlarla geliştirildiği bilinen çalışmalar ile karşılaştırılmış, kullanılan modellerden kaynaklı farklılıklar göz önünde bulundurularak çıktıların uyumlu olduğu değerlendirilmiştir. IONOLAB-RAY algoritması ile iyonogram türetilmiş ve ölçüm çıktısı olan iyonogram ile karşılaştırılmışır. Böylece IONOLAB-RAY literatürde bulunan benzer amaçlı yazılımlar ve iyonogram ölçümleri üzerinden geçerlenmiştir.

Özet (Çeviri)

High frequency (HF) electromagnetic wave propagation is important for long distance communication. In HF, the medium for wave propagation is the ionosphere layer of the atmosphere. Ionosphere, which is composed of ionized gasses, is a time varying, inhomogeneous and anisotropic medium. In ionosphere, it is challenging to solve wave equation problems. Existing analytical and numerical methods are insufficient which are applied to solve wave equation in anisotropic an inhomogeneous ionosphere. These methods can be applied only when some physical properties of ionosphere are ignored or some approximations on the wave equation are made. The results obtained with such heavy processing load and long run time methods can not reflect the physical structure of the ionosphere. In some cases run time gets longer than the time that the structure of the ionosphere changes, so that the result can not be valid for the ionosphere which is desired to be modeled. The performance of long distance communication technology increases, when the models of ionosphere and wave propagation are close to the reality. So there is a demand for a new approach arises to model wave propagation through the ionosphere and represent the physical properties of the ionosphere in this model. In this thesis, a novel and unique HF wave propagation model is developed. This model is composed of ray tracing representation of wave and 3 Dimensional (3D) spherical voxel model of ionosphere. Ray tracing is applied as a geometrical optics approach. Snell's law is used as a ray tracing technique. The well known Appleton-Hartree formula is used for calculation of refractive index, which is a critical parameter of ray tracing with Snells law. Appleton-Hartree formula represents physical parameters of ionosphere and in the developed model, all components of the formula are covered. Wave incident to the ionosphere splits into two waves, which are ordinary and extraordinary waves, as a result of anisotropic structure of the ionosphere. In the wave propagation model developed in this thesis, ray tracing is applied for each of ordinary and extraordinary waves through 3D spherical voxel model of the ionosphere. 3D spherical voxel structure of represents the inhomogeneous structure of the ionosphere. Parameters of the ionosphere are calculated for each voxel for each given time. So that time dependency of ionosphere is also fulfilled by the model. The parameters of the ionosphere is calculated using IRI-Plas software tool. IRI-Plas can be assimilated with data to represent the state of ionosphere better. IONOLAB-RAY provides Total Electron Content data automatically and using IRI-Plas, gives the opportunity to assimilate date to the ionosphere model. IONOLAB-RAY algorithm is developed to implement wave propagation and ionosphere models generated in this study and to apply on engineering applications. IONOLAB-RAY is composed of preprocess and mainprocess phases. For the region of interest and time defined by the user, calculations which need relatively longer time and proper to do previously are done in preprocess phase. In mainprocess desired scenarios can be run in the given region of interest and time. All of the parameters needed in calculation of wave propagation in the ionosphere are calculated automatically by the modules of the IONOLAB-RAY. Multiple runs can be applied for sets of values of input parameters with one command and all combinations of the scenarios can be run. The format of outputs is available for engineering studies and analysis. IONOLAB-RAY includes modules to calculate wave parameters such as, attenuation, time delay, phase velocity, group velocity and Faraday rotation. These parameters can also be inputs of channel models of long distance communication. Data assimilation to the IONOLAB-RAY based on statistical models is available. This property enables to examine the statistical variation of wave propagation paths and arrival positions on Earth. Wave paths with respect to different locations on Earth, days in year and times in day are generated using IONOLAB-RAY, which is developed in the scope of this thesis study. Results depending on the variations in the input parameters are obtained. The effects of data assimilation into the ionosphere model is observed. All of the results are examined. IONOLAB-RAY algorithm is compared with other limited studies in the literature, which have the same purposes with IONOLAB-RAY, and compatible results are obtained under the limitations of major differences of the models. Ionograms are produced using IONOLAB-RAY algorithm and compared with measured ionograms. So that IONOLAB-RAY is validated over the comparisons both with simulations and measurements

Benzer Tezler

  1. Tez No

    518800

    İyonkürede dalga yayılımı modellemesi için ışın izleme algoritmalarının grafik işlemci birimleri ile paralel işlenmesi

    GPU parallel computing of ray tracing algorithms for modeling wave propagation in the ionosphere

    ATİLLA KAÇAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CENK TOKER

  2. Tez No

    169265

    İyonkürede HF dalgalarının yansıma ve geçme katsayılarının hesaplanması

    Calculation of refraction and transmission indices of HF waves in the ionosphere

    GÜLŞEN CEYLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MEHMET AYDOĞDU

  3. Tez No

    134809

    İyonküre plazmasında yayılan yüksek frekanslı (HF) elektromanyetik dalgaların alan şiddetinin hesaplanması ve ölçülmesi

    The Calculation and measurement of the field strength of high frequency (HF) electromagnetic waves propagating through ionospheric plasma

    İBRAHİM ÜNAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN ÖZCAN

  4. Tez No

    477817

    İyonkürede dikey yayılan dalganın gürültü özellikleri

    Noise features of the vertically propagated wave in the ionosphere

    ALPER DEMİRTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT CANYILMAZ

  5. Tez No

    343388

    Yıldırım kaynaklı elektromanyetik dalgaların alt iyonküreyi ısıtma ve iyonlaşma süreçleri

    Heating and ionization processes to lower ionosphere by lightning induced electromagnetic waves

    RAMAZAN ATICI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ESAT GÜZEL

Geri Dön