Geri Dön

Characterization of different shape objects using EM pulse for several different scenarios

Farklı senaryolarda EM darbesi kullanarak farklı şekillerdeki nesnelerin karakterizasyonu

  1. Tez No: 904011
  2. Yazar: EMRE İŞCAN
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. SEBAHATTİN EKER, PROF. VASIL TABATADZE
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgi ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Bu tez, elektromanyetik darbelerin (EMP) çeşitli şekillerdeki nesnelerle etkileşimi kapsamlı bir şekilde incelenmekte ve karakterizasyon için hesaplama yöntemine odaklanmaktadır. Elektromanyetik prensipler üzerine inşa edilen bu kapsamlı çalışma, radyasyon ve kırınım olaylarını analiz etmek için gerekli olan teorik çerçeveyi formüle etmek üzere Maxwell denklemlerini temel almaktadır. Çalışmanın başlangıcında, elektrik ve manyetik geçirgenlik ile karakterize edilen uniform dielektrik bir ortam bağlamında Maxwell denklemlerine değinilmektedir. Bu denklemler, çeşitli ortamlarda elektrik ve manyetik alanların davranışını tanımlamak için kritiktir ve frekans domain formlarında sunulmaktadır. Tezin ana iskeleti, EM Gauss radyasyon ve kırınım ile ilgili problemlerin formülasyonuna odaklanmaktadır. Maxwell denklemlerine rot operatörü uygulayarak, elektromanyetik alanların nasıl yayıldığını ve farklı nesnelerle nasıl etkileşime girdiğini açıklayan ifadeler türetilmektedir. Tez, radyasyon ve kırınım fenomenlerini yöneten integral denklemleri türetmek için gerekli olan nesnelerin yüzeylerindeki sınır koşullarını titizlikle incelemektedir. Tezin önemli bir bölümü, EM problemleriyle ilgili integral denklemleri çözmek için vazgeçilmez olan Green fonksiyonlarının türetilmesine ayrılmıştır. Bu fonksiyonlar, farklı konfigürasyonlardaki kaynaklar tarafından oluşturulan alanları karakterize etmeye yardımcı olur. Tez ayrıca, EM alanlarının matematiksel olarak nasıl temsil edilebileceğini ve manipüle edilebileceğini anlamada kritik olan elektrik ve manyetik vektör potansiyellerinin hesaplanmasını detaylandırmaktadır. Çalışmada kullanılan birçok hesaplama yönteminin temelini oluşturan integral denklemler dikkatle türetilip açıklanmaktadır. Bu temel adımlar, teorik temellerin sağlam ve güvenilir olmasını sağladığı için karmaşık simülasyonlar ve analizler için kritik öneme sahiptir. EM darbelerinin saçılmasını incelerken, tez çeşitli sınır koşullarını kullanarak senaryoların doğru simülasyonunu sağlar. Bu koşullar, elektrik ve manyetik alanların teğetsel bileşenlerinin arayüzler boyunca sürekliliğini içerir ve bu da elde edilen doğrusal cebirsel denklemlerin çözülmesi için kritiktir. Bu denklemlerin ters çevrilmesi, bilinmeyen alanların genliklerini sağlar ve nesnelerin hem içindeki hem de dışındaki alanların hesaplanmasını kolaylaştırır. Sınır koşullarının ele alınışı, simülasyonların fiziksel doğruluğunu sağlamak için kritik olup, tez bu koşulların nasıl uygulandığını detaylı bir şekilde anlatmaktadır. Bu titiz yaklaşım, simülasyonların gerçekçi fiziksel davranışları yansıtmasını sağlar ve sonuçların güvenilirliği açısından önemlidir. Tez, bu teorik yapıları farklı şekillerdeki nesneleri içeren pratik problemlere uygulamaya ilerler. Bu amaçla, Yardımcı Kaynaklar Yöntemi (MAS) geniş bir şekilde kullanılmaktadır. MAS, nesnenin etrafına yerleştirilen varsayımsal kaynaklar kullanarak saçılan alanları yaklaştıran verimli bir hesaplama tekniğidir. Bu yöntemin etkinliği, özellikle nesnelerin geniş bir frekans aralığında görünmez hale getirilmesi gereken senaryolarda, MAS'ın yenilikçi bir uzantısı olarak vurgulanmaktadır. Ayrıca araştırma, EM darbeler kullanarak nesnelerin şekil rekonstrüksiyonunu araştırmaktadır. EM darbelerine verilen dielektrik nesnelerin frekans tepkisini analiz ederek, tez, saçılma özelliklerinin kapsamlı bir karakterizasyonunu sunmaktadır. Bu çift yaklaşım, EM darbeler ile nesneler arasındaki etkileşimlerin daha ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasına olanak tanır ve zaman alanı analizinden kolayca görülmeyen içgörüler sunar. Frekans domaini analizi ayrıca, saçılma özelliklerinin özellikle belirgin olduğu rezonans frekanslarını belirlemeye yardımcı olur ve bu da algılama ve tespit teknolojilerinde uygulamalar için değerlidir. Pratik uygulamalarda, tez MAS yönteminin gerçek zamanlı nesne karakterizasyonu için kullanılabilirliğini göstermektedir. Araştırma, EM darbe sinyalini hızlı bir şekilde işleyebilen ve nesne şekillerini yeniden oluşturup malzeme özelliklerini belirleyebilen algoritmalar geliştirmeyi içermektedir. Bu algoritma, sayısal simülasyonlardan elde edilen sonuçlar kullanılarak test edilmiştir. Sonuçlar, MAS tabanlı algoritmaların nesneleri gerçek zamanlı olarak doğru ve verimli bir şekilde karakterize edebildiğini göstermekte olup, hızlı değerlendirme gereken saha uygulamaları için uygun hale getirmektedir. Tez, zaman domaini analizi kullanarak şekil rekonstrüksiyonu konusunu da ele almakta olup, bu yöntem, bir EM darbesinin ilk ve ikinci yankıları arasındaki zaman gecikmesini ölçerek nesnenin boyutlarını belirlemeyi içermektedir. Bu yöntem, düşük eliptiklikteki nesneler için özellikle doğru sonuçlar vermektedir. Nesnenin permittivitesi bilindiğinde, hem şekil hem de boyutlar doğru bir şekilde yeniden oluşturulabilir; aksi takdirde, sadece şekil tahmin edilebilir. Bu teknik, hassasiyet ve güvenliğin kritik olduğu tıbbi görüntüleme gibi invaziv olmayan uygulamalar için hayati öneme sahiptir. Araştırma, zaman domaini analizinin şekil rekonstrüksiyonu doğruluğunu önemli ölçüde artırabileceğini göstermekte olup, bu da gelecekteki araştırmalar ve pratik uygulamalar için umut verici bir alan sunmaktadır. Tez ayrıca, bulgularının pratik sonuçlarını, özellikle radar ve gizlilik teknolojisi alanında araştırmaktadır. Eliptik silindirler ve yüksek eliptiklikteki dielektrik elipsoidlerin parametrelerini optimize ederek, MAS yöntemi saçılma yankılarını etkili bir şekilde en aza indirir, böylece nesnenin radar tarafından tespit edilmesini zorlaştırır. Bu, askeri ve savunma uygulamaları için büyük öneme sahiptir, çünkü nesnelerin radar kesit alanını azaltmak bu alanlarda kritik öneme sahiptir. Tez, bu prensiplerin gerçek dünya senaryolarına nasıl uygulanabileceğini gösteren detaylı vaka çalışmaları sunmakta olup, farklı dielektrik özellikler ve konfigürasyonları kapsamaktadır ve MAS yönteminin pratik uygulamaları hakkında değerli bilgiler sunmaktadır. Araştırmanın önemli bir diğer uygulaması, yüksek eliptiklikteki 3D dielektrik elipsoidlerden gelen Gauss darbe saçılmasında ön yankının azaltılmasıdır. Elipsoidlerin boyutu ve dielektrik permittivitesi gibi parametreleri optimize ederek, MAS yöntemi saçılma yankılarını etkili bir şekilde en aza indirir, böylece nesnenin radar tarafından tespit edilmesini zorlaştırır. Bu, özellikle gizlilik teknolojisi ve füze tasarımı gibi askeri ve savunma uygulamaları için büyük öneme sahiptir. Tez, önerilen yöntemin pratik faydasını göstermek için detaylı sayısal sonuçlar sunmaktadır. MATLAB yazılım paketi kullanılarak simülasyonlar gerçekleştirilmiş ve sonuçlar, dielektrik elipsoidlerin elektrik alan genliklerini göstermek üzere görselleştirilmiştir. Bu sonuçlar, ön yankıda önemli azaltmalar olduğunu vurgulamakta olup, önerilen yöntemin pratik yararlılığını doğrulamaktadır. Sayısal sonuçlar, tezin önemli bir bölümünü oluşturarak türetilen formülasyonların pratik uygulamalarını göstermektedir. Bu sonuçlar, teorik modelleri doğrulamakla kalmayıp, hesaplama yönteminin karmaşık saçılma problemlerini ele alma kapasitesini de göstermektedir. Sayısal sonuçlar, MAS yönteminin saçılma davranışını modellemedeki hassasiyetini vurgulayan ayrıntılı grafikler ve tablolar şeklinde sunulmaktadır ve bu yöntemi çeşitli uygulamalar için güçlü bir araç haline getirmektedir. Ayrıca, MAS kullanımının avantajları, çeşitli sayısal deneyler ve Momentler Yöntemi (MoM) ve Sonlu-Fark Zaman-Domaini (FDTD) yöntemi gibi diğer yöntemlerle karşılaştırmalar aracılığıyla gösterilmektedir. Bu karşılaştırmalar, MAS yöntemini diğer yöntemlere karşı doğrulamakta olup, hesaplama verimliliği ve doğruluğu açısından avantajlarını göstermektedir. Özetle, bu tez, farklı şekillerdeki nesnelerle EM darbe etkileşimlerinin kapsamlı bir analizini sunmaktadır. Teorik formülasyonları ileri hesaplama yöntemiyle birleştirerek elektromanyetik araştırmalar alanına önemli katkılar sağlamaktadır. Geliştirilen yöntemler ve elde edilen sayısal sonuçlar, radar tespiti, gizlilik teknolojisi, telekomünikasyon, tıbbi görüntüleme, yer ve malzeme bilimi gibi alanlarda potansiyel uygulamalara sahiptir. Çalışma, teknolojik gelişmelere katkı sunmakla kalmayıp, ayrıca dielektrik nesnelerle elektromanyetik etkileşimlerin bilimsel anlayışını da zenginleştirmektedir. Tezde sunulan detaylı açıklamalar, kapsamlı sayısal simülasyonlar ve pratik uygulamalar, elektromanyetik alanında araştırma yapan ve uygulayıcılar için değerli bir kaynak oluşturmaktadır. Tezde sunulan bulgular ve metodolojiler, gelecekteki araştırma ve geliştirmelere etki edebilecek potansiyele sahip olup, karmaşık elektromanyetik problemlerle başa çıkmak için yeni içgörüler ve araçlar sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis presents a thorough investigation into the interaction of electromagnetic pulses (EMP) with various shaped objects, with a particular focus on computational method for characterization. The comprehensive dissertation is anchored in the principles of electromagnetics, with Maxwell's equations serving as the foundation for formulating the theoretical framework essential for analyzing radiation and diffraction phenomena. Initially, the study delves into Maxwell's equations within the context of a uniform dielectric medium characterized by permittivity and permeability. These equations are crucial for describing the behavior of electric and magnetic fields in various media and are presented in their frequency domain forms. The main framework of the thesis revolves around the formulation of problems related to EM radiation and diffraction. By applying the curl operator to Maxwell's equations, the study derives expressions that elucidate how electromagnetic fields propagate and interact with different objects. The thesis meticulously examines the boundary conditions at the surfaces of different objects, essential for deriving the integral equations governing radiation and scattering phenomena. A significant portion of the thesis is devoted to the derivation of functions, which are indispensable for solving the integral equations related to EM problems. These functions assist in characterizing the fields generated by sources in different configurations. The thesis also details the computation of electric and magnetic vector potentials, which are pivotal in understanding how EM fields can be represented and manipulated mathematically. The integral equations, which form the basis for many of the computational methods used in the study, are carefully derived and explained. These foundational steps are critical as they set the stage for the complex simulations and analyses that follow, ensuring that the theoretical underpinnings are robust and reliable. In examining the scattering of EM pulses, the thesis employs various boundary conditions to ensure accurate simulation of the scenarios. These conditions include the continuity of tangential components of electric and magnetic fields across interfaces, which is critical for solving the resulting linear algebraic equations. The inversion of these equations provides the amplitudes of the unknown fields, facilitating the calculation of fields both inside and outside the objects. The handling of boundary conditions is crucial for ensuring the physical accuracy of the simulations, and the thesis provides a detailed account of how these conditions are implemented. This meticulous approach ensures that the simulations reflect realistic physical behaviors, which is paramount for the reliability of the results. The thesis progresses to apply these theoretical constructs to practical problems involving different shapes of objects. The Method of Auxiliary Sources (MAS) is extensively utilized for this purpose. MAS is an efficient computational technique that approximates the scattered fields by placing hypothetical sources around the object. This method's efficacy is particularly highlighted in its application to scenarios where objects need to be rendered invisible over a broad frequency range—a novel extension of MAS within this thesis. Numerical research explores the potential of time domain analysis in addition to frequency domain methods. Moreover, the research extends to shape reconstruction of objects using EM pulses. By analyzing the frequency response of the dielectric objects to EM pulses, the thesis provides a comprehensive characterization of their scattering properties. This dual approach allows for a more detailed understanding of the interactions between EM pulses and objects, offering insights that are not readily apparent from time-domain analysis alone. The frequency-domain analysis also helps identify resonant frequencies at which the scattering characteristics are particularly pronounced, valuable for applications in sensing and detection technologies. In practical applications, the thesis demonstrates the feasibility of using the MAS method for real-time object characterization. The research includes developing algorithm that can quickly process Gaussian EMP signal to reconstruct object shapes and determine material properties. This algorithm is tested using results generated from numerical simulations. The results show that the MAS-based algorithms can accurately and efficiently characterize objects in real-time, making them suitable for deployment in field applications where rapid assessment is required. The thesis delves into shape reconstruction using time-domain analysis, which involves measuring the time delay between the first and second echoes of an incident EMP to determine the object's dimensions. This method proves particularly accurate for objects with low ellipticity. When the object's permittivity is known, both the shape and dimensions can be accurately reconstructed; otherwise, only the shape can be inferred. This technique is vital for non-invasive applications such as medical imaging, where precision and safety are crucial. The research demonstrates how time-domain analysis can significantly enhance shape reconstruction accuracy, offering a promising avenue for further research and practical applications. The thesis also explores the practical implications of its findings, particularly in the field of radar and stealth technology. By optimizing the parameters of objects such as elliptical cylinders and dielectric ellipsoids with high ellipticity, the MAS method effectively minimizes the scattering echoes, making the object less detectable by radar. This has significant implications for military and defense applications, where reducing the radar cross-section of objects is of paramount importance. The thesis provides detailed case studies of how these principles can be applied to real-world scenarios, enhancing the understanding of EMP interactions with various materials and shapes. The case studies are comprehensive, covering different dielectric properties and configurations, and provide valuable insights into the practical applications of the MAS method. One of the other significant applications of the MAS method in this research is the reduction of front echo in Gaussian EMP scattering from 3D dielectric ellipsoids with high ellipticity. By optimizing the parameters of the ellipsoids, such as size and dielectric permittivity, the MAS method effectively minimizes the scattering echoes, making the object less detectable by radar. This has important implications for military and defense applications, particularly in stealth technology and missile design. The thesis presents detailed numerical results to demonstrate the efficacy of the MAS method. Simulations were performed using a specially designed software suite, and the results were visualized to show the electric field amplitudes for dielectric ellipsoids. These results highlight significant reductions in front echo, validating the proposed method's practical utility. Numerical results form a substantial part of the thesis, showcasing the practical applications of the derived formulations. These results not only validate the theoretical models but also demonstrate the capability of the computational method to handle complex scattering problems. The numerical results are presented in a series of detailed graphs and tables, illustrating the effectiveness of the MAS method in reducing computational complexity while maintaining high accuracy. The results highlight the precision with which the MAS method can model the scattering behavior, making it a powerful tool for various applications. Also, the advantages of MAS are demonstrated through a variety of numerical experiments and comparisons with other methods, such as the Method of Moments (MoM) and the Finite-Difference Time- Domain (FDTD) method. These comparisons are essential as they validate the MAS method against established techniques, showcasing its advantages in terms of computational efficiency and accuracy. In summary, this thesis offers a comprehensive analysis of EMP interactions with different shaped objects. It combines rigorous theoretical formulations with advanced computational method, providing significant contributions to the field of electromagnetic research. The methods developed and the numerical results obtained have potential applications in areas such as radar detection, stealth technology, telecommunications, medical imaging, geoscience and material science. The study not only advances technological capabilities but also enriches scientific understanding of electromagnetic interactions with complex objects. The detailed explanations, extensive numerical simulations, and practical applications presented in the thesis make it a valuable resource for researchers and practitioners in the field of electromagnetics. The findings and methodologies presented in this thesis have the potential to influence future research and development in the field, offering new insights and tools for tackling complex electromagnetic problems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    19262

    Değişken rezolüzyonlu görüntü örnekleyici

    Multi resolution image sampler

    RIZA CAN TARCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1991

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Y.DOÇ.DR. M. SAİT TÜRKÖZ

  2. Tez No

    840461

    Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production

    3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı

    EVREN DEMİRCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK

  3. Tez No

    350513

    Yüzeye yakın saçıcıların saçılmış yüzey dalgaları ile görüntülenmesi

    Imaging near-surface scatterers by scattered surface waves

    SERDAR DEMİREL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE KAŞLILAR

  4. Tez No

    19288

    Fraktal geometri ve hidrolik pürüzlülük

    The Fractal geometry and the hydraulic roughness

    SAİT ALANSATAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1991

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. CAHİT ÖZGÜR

  5. Tez No

    215858

    3d reconstruction, classification and mechanical characterization of microstructures

    Mikroskopik yapıların 3b rekonstrüksiyonu, sınıflandırılması ve mekanik nitelendirilmesi

    MUHAMMET ALİ HOCAOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA ÜNEL

Geri Dön