Calculation of the radar section area in a three-dimensional object using the radar time domain response

Radar zaman domeni cevabı kullanılarak üç boyutlu cisimde radar kesit alanının hesaplanması

PDF İndir

Tez No: 864238
Yazar: KÜBRA KUŞ
Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Electrical and Electronics Engineering, Defense and Defense Technologies
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2024
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 87

Özet

Bu tez, radar teknolojisinin temel bileşenlerinden biri olan radar kesit alanının (RCS) hesaplanmasına odaklanmaktadır. Özellikle, üç boyutlu nesnelerin RCS değerlerinin nasıl hesaplanabileceği üzerinde durulmuş, bu bağlamda mükemmel bir küre modeli üzerinde detaylı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Radar sistemlerinin gelişimi ve gizlilik teknolojileri alanındaki uygulamaları göz önünde bulunduran bu çalışma, radar dalgalarının karmaşık nesnelerle olan etkileşimlerini anlamak için gerekli teorik ve pratik bilgileri sunmaktadır. Bu tez, radar dalgalarının üç boyutlu karmaşık nesnelerle etkileşiminin matematiksel modellemesini ve bu modellemelerin bilgisayar simülasyonlarındaki uygulamalarını detaylandırmaktadır. İncelenen küre modeli, bilgisayar simülasyonları için ideal bir test yatağı olarak kullanılmış ve radar dalgalarının nesnenin yüzeyindeki yansıma, saçılma ve soğurma gibi çeşitli etkileşimleri üzerinde yoğunlaşılarak, gelişmiş gizlilik teknolojileri ve radar sistemlerinin tasarımı için temel bilgiler sağlamıştır. Ayrıca, bu çalışma, radar dalgalarının nesnelerle olan etkileşimlerinin detaylı analizi sayesinde, radar mühendisliği ve gizlilik teknolojileri alanında var olan bilgi birikimine önemli katkılarda bulunmayı hedeflemektedir. Bu tez, çeşitli 3D senaryolarda RCS tahmin etmek için temel ilkeleri, metodolojileri ve hesaplama tekniklerini ele alınır. Radar dalgalarının etkileşiminin temellerinden ileri modelleme ve simülasyon yaklaşımlarına kadar, gerçek dünya uygulamalarında 3D nesnelerin radar imzasını doğru bir şekilde tahmin etmek ve azaltmak için gerekli araçları ve bilgileri kapsamlı bir şekilde anlatır. Bu tez çalışmasının ana amacı, üç boyutlu nesnelerin radar kesit alanlarını, yani radar dalgaları tarafından nasıl yansıtıldıklarını ve algılandıklarını anlamaktır. RCS, bir nesnenin radar tarafından ne kadar iyi algılanabileceğini belirleyen kritik bir parametredir. Dolayısıyla, bu çalışma radar dalgalarının nesnelerle etkileşimi konusunda derinlemesine bir anlayış sağlamakta ve bu bilgileri, hem askeri hem de sivil radar sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunacak şekilde kullanmaktadır. Radar zaman domeni cevabı kullanılarak üç boyutlu cisimlerin radar kesit alanının (RCS) hesaplanmasına yönelik kapsamlı bir çalışma yürütülmüştür. Günümüz radar teknolojisinin temel bir unsuru olan RCS, bir cismin radar dalgalarını ne ölçüde yansıttığını gösterir ve dolayısıyla radar sistemleri tarafından tespit edilebilirliğini belirler. Radar imzası olarak da adlandırılan RCS, özellikle askeri stealth (gizlilik) teknolojileri ve sivil radar sistemleri gibi birçok alanda önemlidir. Tez, iki boyutlu (2D) cisimler için RCS hesaplamalarının görece basit olduğu bir ortamda, üç boyutlu (3D) cisimler için RCS hesaplamanın zorluklarını ele alır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, tez çeşitli hesaplama metodolojilerini, ileri modelleme ve simülasyon yaklaşımlarını sunar. Bu çalışma, radar dalgalarının etkileşimi temel alınarak, gerçek dünya uygulamalarında 3D cisimlerin radar kesit alanlarının doğru bir şekilde tahmin edilmesi ve azaltılması için gerekli araçları ve bilgileri sağlamayı amaçlar. Tezde öncelikle, radar kesit alanının temel prensipleri ve hesaplama metodolojileri incelenir. Radar dalgalarının bir cisimle etkileşimi sırasında ortaya çıkan saçılma özellikleri, RCS'nin temelini oluşturur. Bu etkileşim, cismin boyutu, şekli ve malzeme özellikleri gibi çeşitli faktörler tarafından etkilenir. Daha sonra, bu prensiplerin üç boyutlu cisimlere nasıl uygulanabileceği ve RCS'nin zaman domeni cevabı kullanılarak nasıl hesaplanabileceği detaylı bir şekilde ele alınır. Bu bağlamda, tezde hem analitik hem de sayısal yöntemler kullanılarak çeşitli 3D cisimlerin RCS hesaplamaları yapılır. RCS'nin frekans bağımlılığı ve çeşitli frekans bölgelerindeki saçılma davranışları da bu çalışmanın önemli bir parçasıdır. Rayleigh, rezonans ve optik olmak üzere üç ana frekans bölgesinde RCS'nin nasıl değiştiği incelenir. Bu bölümler, cismin boyutunun ilgili dalga boyuna göre değişik saçılma özellikleri göstermesine yol açar. Örneğin, Rayleigh bölgesinde, cismin boyutları dalga boyundan önemli ölçüde küçük olduğunda, RCS dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılı olarak azalır. Bu durum, küçük cisimlerin radar sistemleri tarafından tespit edilmesini zorlaştırır. Bu tez çalışmasında ayrıca, RCS hesaplamalarında kullanılan monostatik ve bistatik radar sistemlerinin avantajları ve dezavantajları ele alınmıştır. Her iki radar konfigürasyonunun RCS hesaplamaları üzerindeki etkileri incelenmiş ve bu sistemlerin farklı uygulama alanlarındaki kullanımı tartışılmıştır. Monostatik radarlar, radar vericisi ve alıcısının aynı konumda olduğu durumlarda kullanılırken, bistatik radarlar verici ve alıcının farklı konumlarda olduğu durumlar için daha uygun olabilmektedir. Bu iki radar tipinin RCS hesaplamalarındaki kullanımı, radar sistemleri tasarımında önemli bir rol oynamaktadır. Tez, ayrıca radar kesit alanının hesaplanmasında kullanılan farklı yöntemlerin avantajlarını ve dezavantajlarını tartışır. Bu yöntemler arasında, sayısal yöntemler (Metot of Moments, Fiziksel Optik vb.), deneysel ölçümler ve yaklaşık yöntemler bulunmaktadır. Her bir yöntemin uygulama alanları, güçlü ve zayıf yönleri detaylı bir şekilde incelenir. Bu yöntemlerin doğru kullanımı, radar kesit alanı hesaplamalarının doğruluğunu ve etkinliğini artırmada büyük önem taşımaktadır. Son olarak, tez radar kesit alanının hesaplanmasının pratik uygulamalarına değinir. Askeri gözetim, hava uzay mühendisliği, otonom navigasyon ve çevresel izleme gibi çeşitli alanlarda RCS analizinin önemi vurgulanır. Özellikle askeri uygulamalarda, bir varlığın radar imzasını azaltmak için RCS'nin anlaşılması ve azaltılması büyük önem taşır. Pratik uygulamalar kısmında, MATLAB tabanlı bir hesaplama çerçevesi kullanarak üç boyutlu nesnelerin geometrik modellemesini gerçekleştirmiştir. Bu modelleme sayesinde, nesnelerin farklı açılardan ve farklı frekanslarda nasıl yansıttıkları incelenmiş, bu bilgiler radar kesit alanı hesaplamalarında kullanılmıştır. Tez, RCS hesaplamalarında kullanılan farklı metodolojileri de kapsamlı bir şekilde incelemiş ve bu metodolojilerin etkinliğini değerlendirmiştir. Çalışmanın simülasyon bölümünde, ilk olarak idealize bir küre oluşturmak amacıyla bir icosahedron (yirmi yüzlü geometrik şekil) kullanılmış ve bu geometrik yapı, radar dalgalarının etkileşimlerini inceleyebilmek için ayrıntılı bir şekilde üçgenleştirilmiştir. Kürenin her bir yüzeyi detaylıca incelenmiş, böylelikle radar dalgalarının her bir yüzeyden nasıl saçıldığı ve bu saçılmaların genel radar kesit alanına olan etkileri titizlikle analiz edilmiştir. Küre yüzeyinin karmaşık etkileşimleri, yüzlerce minik yüzeye bölünerek ayrı ayrı değerlendirilmiş ve her bir yüzeyin RCS'ye olan katkısı özenle hesaplanmıştır. Simülasyon süreci boyunca, radar dalgalarının kürenin her bir yüzeyinden nasıl yansıdığına, yansıyan dalgaların zaman içindeki evrimine ve frekans spektrumlarına dikkatle odaklanılmıştır. Yapılan bu derinlemesine analizler, radar sistemi tasarımı ve gizlilik teknolojilerinin geliştirilmesi için kritik veriler sağlamıştır. Elde edilen bulgular, üç boyutlu nesnelerle radar dalgalarının karşılıklı etkileşimlerini daha detaylı anlayabilmek için önemli bir katkı sunmuştur. Tezin sonuç bölümünde grafiksel gösterimlerle hesaplanan ve teorik RCS değerler karşılaştırılarak üçgenlenerek örneklenmiş olan simülasyon sonuçlarının zaman aralığı boyunca karşılık gelen çizgilerinin tutarlı bir şekilde ifade edilip edilmediği incelenmiştir. Hesaplanan RCS değerleri, teorik modelden minimum sapmayı göstererek, kürenin saçılma özelliklerinin doğru bir simülasyonunu ortaya koyması beklenerek çalışma yürütülmüştür. Ayrıca son bölümde, gerçekleştirilen simülasyon ve hesaplamaların ayrıntıları açıklanmış ve elde edilen verilerin grafiksel analizi ile RCS hesaplamalarının hassasiyeti ve bu hesaplamaların radar sistemlerinin tasarımında nasıl entegre edilebileceği ortaya konmuştur. Ayrıca, bu tez çalışması, radar teknolojisinin ilerlemesine katkı sağlamış ve radar sistemlerinin daha etkin ve verimli bir şekilde geliştirilmesine yönelik önemli bilgileri ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, radar mühendisliğinde ve gizlilik alanında gelecekteki araştırmalar için sağlam bir temel teşkil etmekte ve bu alandaki yeniliklere zemin hazırlamaktadır. Bu çalışma, hem araştırmacılara hem de profesyonellere yönelik kapsamlı bir kaynak olarak hizmet eder. Radar teknolojisinin inceliklerini ve RCS analizini anlamak isteyen mühendislere, savunma analistlerine ve araştırmacılara rehberlik eder. Radar zaman domeni cevaplarını ve ileri hesaplama tekniklerini kullanarak 3D cisimler için radar kesit alanlarının daha doğru ve verimli bir şekilde hesaplanabileceğini öne süren bir hipotez üzerine kurulu olan bu tez, hem teorik hem de pratik açıdan radar teknolojisi alanına önemli katkılarda bulunmayı hedefler. Son olarak, bu tez çalışması radar mühendisleri, teknisyenleri ve öğrenciler için önemli bir eğitim kaynağı olarak hizmet vermektedir. Radar kesit alanı kavramlarını ve bu hesaplamaların nasıl yapılacağını daha derinlemesine anlamalarına yardımcı olmaktadır. Bu çalışma, radar teknolojisi alanında daha geniş ve karmaşık senaryoların ele alınmasına katkıda bulunarak, radar teknolojilerinin gelişimine devam edecektir.

Özet (Çeviri)

This thesis focuses on the calculation of radar cross section (RCS), a fundamental component of radar technology. Specifically, it explores how RCS values of three-dimensional objects can be calculated, with detailed simulations conducted on a perfect sphere model within this context. Considering the advancements in radar systems and applications in stealth technology, this study provides the necessary theoretical and practical knowledge to understand the interactions of radar waves with complex objects. The thesis details the mathematical modeling of three-dimensional complex object interactions with radar waves and elaborates on the applications of these models in computer simulations. The examined sphere model serves as an ideal testbed for computer simulations, concentrating on various interactions such as reflection, scattering, and absorption on the object's surface. It provides essential information for the design of advanced stealth technologies and radar systems by understanding the interactions of radar waves with objects. Furthermore, this study aims to contribute significantly to radar engineering and stealth technology by providing comprehensive principles, methodologies, and calculation techniques for predicting RCS in various 3D scenarios. From fundamental principles of radar wave interactions to advanced modeling and simulation approaches, it covers the tools and knowledge necessary to accurately predict and reduce the radar signature of 3D objects in real-world applications. The main objective of this thesis is to understand how three-dimensional objects reflect and are detected by radar waves, as RCS is a critical parameter determining how well an object can be detected by radar. Thus, this study provides an in-depth understanding of radar wave interactions with objects and utilizes this knowledge to contribute to the development of both military and civilian radar systems. The thesis conducts a comprehensive study on calculating the radar cross-section (RCS) of three-dimensional objects using radar time-domain response. RCS, a fundamental aspect of contemporary radar technology, indicates how much radar waves are reflected by an object, thereby determining its detectability by radar systems. RCS, also known as radar signature, holds significant importance in various fields, especially military stealth technologies and civilian radar systems. While calculating RCS for two-dimensional (2D) objects is relatively straightforward, the thesis addresses the challenges in RCS calculation for three-dimensional (3D) objects. To overcome these challenges, various calculation methodologies, advanced modeling, and simulation approaches are presented. This study aims to provide the necessary tools and knowledge for accurately predicting and reducing the radar cross-sections of 3D objects in real-world applications based on radar wave interactions. The thesis primarily examines the basic principles and calculation methodologies of radar cross-section. The scattering characteristics that emerge during the interaction of radar waves with an object form the basis of RCS. This interaction is influenced by various factors such as the size, shape, and material properties of the object. Subsequently, the thesis extensively discusses how these principles can be applied to three-dimensional objects and how RCS can be calculated using the radar time-domain response. In this context, various 3D object RCS calculations are performed using both analytical and numerical methods. The frequency dependence of RCS and scattering behaviors in various frequency regions are also significant parts of this study. It examines how RCS changes in three main frequency regions: Rayleigh, resonance, and optical. These sections lead to different scattering characteristics of the object depending on its size relative to the wavelength. For instance, in the Rayleigh region, when the dimensions of the object are significantly smaller than the wavelength, RCS decreases inversely with the fourth power of the wavelength. This makes it difficult to detect small objects by radar systems. Moreover, this study discusses monostatic and bistatic radar systems used in RCS calculations. These two radar configurations differ based on how the radar transmitter and receiver are positioned relative to the target and have significant effects on RCS calculations. Monostatic radars are used when the transmitter and receiver are at the same location, while bistatic radars are suitable for situations where the transmitter and receiver are at different locations. The advantages and disadvantages of monostatic and bistatic radar systems used in RCS calculations are also addressed in this thesis. The effects of both radar configurations on RCS calculations are examined, and the use of these systems in different application areas is discussed. Monostatic radars are used when the radar transmitter and receiver are at the same location, while bistatic radars may be more suitable for situations where the transmitter and receiver are at different locations. The use of these two radar types in RCS calculations plays a significant role in radar system design. Furthermore, the thesis discusses the advantages and disadvantages of different methods used in calculating RCS. These methods include numerical methods (Method of Moments, Physical Optics, etc.), experimental measurements, and approximate methods. The applications, strengths, and weaknesses of each method are examined in detail. The proper use of these methods is crucial for improving the accuracy and effectiveness of radar cross-section calculations. Finally, the thesis discusses the practical applications of radar cross-section calculations. The importance of RCS analysis in various fields such as military surveillance, aerospace engineering, autonomous navigation, and environmental monitoring is emphasized. Particularly in military applications, understanding and reducing the radar signature of an entity are crucial for stealth purposes. In the practical applications section, three-dimensional object geometric modeling is performed using a MATLAB-based calculation framework. This modeling allows for the examination of how objects reflect from different angles and frequencies, which is then used in radar cross-section calculations. The thesis extensively examines various methodologies used in RCS calculations and evaluates the effectiveness of these methodologies. During the simulation process, an icosahedron (a twenty-faced geometric shape) is initially used to create an idealized sphere to investigate radar wave interactions in detail. Each surface of the sphere is thoroughly examined, allowing for a detailed analysis of how radar waves scatter from each surface and the overall impact of these scatterings on the radar cross-section. The complex interactions of the sphere surface are analyzed by dividing them into hundreds of tiny surfaces and calculating the contribution of each surface to RCS meticulously. Throughout the simulation process, careful attention is paid to how radar waves reflect from each surface of the sphere, the evolution of the reflected waves over time, and their frequency spectra. These in-depth analyses provide critical data for radar system design and the development of stealth technologies. The findings contribute to a better understanding of mutual interactions between radar waves and three-dimensional objects. In the conclusion section, the thesis examines whether the simulated results, which are triangulated and sampled over the time span, consistently represent the calculated and theoretical RCS values using graphical representations. The calculated RCS values are expected to demonstrate minimal deviation from the theoretical model, indicating an accurate simulation of the scattering properties of the sphere. Additionally, the details of the conducted simulations and calculations are explained in the final section, along with a graphical analysis of the obtained data to demonstrate the sensitivity of RCS calculations and how these calculations can be integrated into radar system designs. Furthermore, this thesis contributes to the advancement of radar technology and provides valuable insights for more effective and efficient development of radar systems. These results serve as a solid foundation for future research in radar engineering and stealth technology, paving the way for innovations in the field. This study serves as a comprehensive resource for researchers and professionals, guiding engineers, defense analysts, and researchers who wish to understand the intricacies of radar technology and RCS analysis. Based on a hypothesis proposing that radar cross-sections for 3D objects can be more accurately and efficiently calculated using radar time-domain responses and advanced computation techniques, this thesis aims to contribute theoretically and practically to radar technology. Finally, this thesis serves as an important educational resource for radar engineers, technicians, and students, helping them gain a deeper understanding of radar cross-section concepts and how these calculations are performed. By addressing wider and more complex scenarios in radar technology, this study will continue to contribute to the development of radar technologies.

Benzer Tezler

Tez No
142556
Fizik optik yöntemle radar kesit alanı hesabı
Radar cross section calculation with physic optic method
TOLGA ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SELÇUK PAKER
Tez No
707907
Aeroacoustic investigation of unsteady transonic cavity flow via open CFD source codes
Açık kaynak CFD kodu ile zamana bağlı transonik kavitenin aeroakustik analizi
ALİ CAN FADIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHA ZAFER
Tez No
727160
Bir cisim etrafındaki sualtı akış gürültüsünün teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Therotical and experimental investigation of underwater flow noise around submerged bodies
SERTAÇ BULUT
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
Tez No
665700
Farklı sayısal yüzey modellerinin doğruluk değerlendirmesi
Accuracy assessment of different digital surface models
BARIŞ BEŞOL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Jeodezi ve Fotogrametri İstanbul Teknik Üniversitesi
Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ALGANCI
Tez No
419026
Çekirdeği gözenekli kiriş yapılarının difere419026nsiyel dönüşüm metodu kullanılarak serbest titreşim analizi
Free vibration analysis of foam core beam structures via differential transform method
AHMET GÖKAY ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL

Geri Dön