Calculating radar range profile by time domain processing with physical optics
Fiziksel optik yöntemiyle zaman domeninde sinyal işleme kullanılarak radar menzil profilinin hesaplanması
- Tez No: 907909
- Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- 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: 149
Özet
Bu tez, Radar Kesit Alanı (RCS) analizi kavramına derinlemesine bir bakış sunmaktadır. RCS, radar teknolojisinde bir hedefin radarla tespit edilebilirliğini ölçmek için kullanılan kritik bir metriktir. Temel olarak, RCS bir hedef tarafından saçılan elektromanyetik enerjinin radar sistemine geri yansıyan miktarını ifade eder. Bu çalışmada, RCS'nin teorik temelleri, hesaplama yöntemleri ve pratik uygulamaları incelenmiş; teorik bilgiler ile gerçek dünya uygulamaları arasındaki boşluğu doldurmayı amaçlayan bir yaklaşım sunulmuştur. Tez, radar sistem tasarımı, radar sinyal işleme ve gizlilik teknolojilerinin değerlendirilmesi gibi önemli alanlarda katkılar sağlamaktadır. Çalışma, RCS kavramının teorik temelleriyle başlamaktadır. RCS; bir nesnenin boyutu, şekli, malzeme özellikleri, radar dalgalarına göre yönelimi ve radarın çalışma frekansı gibi birçok faktörden etkilenir. RCS'nin oluşumunda etkili olan saçılma mekanizmaları, speküler yansıma, difüz saçılma, kenar kırınımı ve çoklu saçılma olarak kategorize edilmiştir. Her bir mekanizma, hedefin geometrisine ve elektromanyetik özelliklerine bağlı olarak farklı şekillerde RCS'yi etkiler. Ayrıca, RCS'nin davranışı, üç ana bölgeye ayrılarak açıklanmıştır: Rayleigh bölgesi (nesnenin boyutunun radar dalga boyundan çok daha küçük olduğu durum), Rezonans bölgesi (nesnenin boyutunun radar dalga boyuna yakın olduğu durum) ve Optik bölge (nesnenin boyutunun radar dalga boyundan çok daha büyük olduğu durum). Bu sınıflandırmalar, bir hedefin geometrisi ve radar frekansı arasındaki etkileşimin radar görünürlüğünü nasıl etkilediğini anlamak için temel bir çerçeve sağlar. Tezin ikinci kısmı, RCS analizi için kullanılan hesaplama yöntemlerine odaklanmaktadır. Hesaplama yöntemleri, yüksek frekanslı ve düşük frekanslı teknikler olarak iki ana kategoriye ayrılmıştır. Yüksek frekanslı teknikler, Fiziksel Optik (PO), Geometrik Optik (GO), Geometrik Kırınım Teorisi (GTD) ve Çarpan ve Sıçrayan Işınlar (SBR) yöntemlerini içerir. Bu teknikler, büyük hedefleri modellemek için optik yaklaşımlara dayanır ve hesaplama açısından oldukça verimlidir. Ancak, kırınım ve çoklu saçılma gibi etkileri doğru bir şekilde modelleme konusunda sınırlıdırlar. Buna karşılık, Düşük Frekanslı Teknikler, Momentler Yöntemi (MoM) ve Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) gibi yöntemleri içerir. Bu teknikler, küçük hedefler veya rezonans durumlar için tam dalga çözümleri sağlayarak yüksek doğruluk sunar, ancak büyük hedefler için hesaplama maliyetleri oldukça yüksektir. Hangi yöntemin kullanılacağına, hedefin boyutu, radar frekansı ve istenen doğruluk düzeyi gibi faktörler doğrultusunda karar verilir. Bu tezde, hesaplamaların doğruluğunu iyileştirmek amacıyla RCS hesaplamasına ek olarak iki adet algoritma geliştirilmiştir: ağ (mesh) iyileştirme algoritması ve gölgeleme algoritması. Ağ iyileştirme algoritması, üç boyutlu modellerdeki üçgen yüzeylerin, radar dalga boyuna dayalı olarak belirli boyut sınırlamalarına uygun hale getirilmesini sağlar. Bu yöntem, karmaşık geometrilere sahip hedeflerin RCS tahmin doğruluğunu artırır. Yüksek eğrilik veya karmaşık detayların olduğu bölgelerde, daha detaylı bir temsil sağlamak için yüzeyler iteratif olarak bölünür. Gölgeleme algoritması ise hedefin gölgeli bölgelerini doğru bir şekilde tanımlayarak ve modelleyerek, radar dönüşlerine katkıda bulunmayan bu bölgeleri hesaba katar. Bu iki algoritmanın kombinasyonu, karmaşık geometrilere sahip hedefler için RCS hesaplama sürecini daha doğru ve güvenilir hale getirir. Bu tezin önemli katkılarından biri, geleneksel frekans alanı analizlerinden zaman alanı simülasyonlarına geçerek hedef ile radar etkileşimini analiz etmek için farklı bir bakış açısı sunmasıdır. Çoğu geleneksel yöntem, sürekli dalga (CW) radar operasyonlarını varsayarak çalışır ve bu durum modern radar sistemlerinin darbe tabanlı yapısını doğru bir şekilde yansıtmaz. Bu sorunu ele almak için tezde, fiziksel optik prensipleri zaman alanı simülasyonlarıyla birleştirilmiştir. Bu yöntem, radar darbelerinin davranışını daha gerçekçi bir şekilde modellemeyi mümkün kılar. Aydınlanan ağ elemanlarının yansıtıcılık katkıları detaylı bir şekilde depolanarak, hedef ile radar darbeleri arasındaki etkileşim dinamik ve mekânsal olarak çözülmüş bir şekilde analiz edilmiştir. Bu geçiş, hedef hareketi ve radar geri dönüşlerindeki zamana bağlı değişiklikler gibi gerçek zamanlı radar operasyonlarını simüle etme kabiliyetini önemli ölçüde artırır. Tez, bu çerçeveyi ileri sinyal işleme teknikleriyle daha da güçlendirmektedir. Eşleşmiş filtreleme, zayıf hedeflerin tespit edilmesini kolaylaştırarak sinyal-gürültü oranını (SNR) en üst düzeye çıkarır ve menzil çözünürlüğünü artırır. Menzil normalizasyonu, radar sinyalinin mesafe boyunca zayıflamasını telafi ederek, değişen menzil aralıklarında eşit algılama hassasiyeti sağlar. Koherent entegrasyon, birden fazla radar darbesi boyunca sinyal enerjisini biriktirerek, daha zayıf hedeflerin tespit edilmesine olanak tanır. Bu teknikler, yüksek çözünürlüklü menzil profilleri (HRRP'ler) oluşturulmasını sağlar. HRRP'ler, önceden tanımlanmış bir menzil penceresi içindeki en güçlü yansımaları izole ederek, hedeflerin fiziksel boyutları ve yansıtıcı özellikleri hakkında ayrıntılı bilgiler sunar. Önerilen yöntemlerin pratik uygulanabilirliği, farklı hedeflerin simülasyonlarıyla test edilmiştir. İlk olarak, bir PEC füze hedefi, 2 GHz ve 4 GHz çalışma frekanslarında analiz edilmiştir. Bu analizlerde elde edilen RCS sonuçları, ticari FEKO yazılımından elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmış ve yüksek bir doğruluk düzeyi sergilenmiştir. Füzenin yapısal özellikleri, saçılma davranışı ve yüksek çözünürlüklü menzil profili çeşitli açılardan incelenmiş, bu yaklaşımla hedefin fiziksel boyutlarının 0.24 metre hassasiyetle tahmin edilebildiği görülmüştür. Ek olarak, daha büyük boyutlara ve karmaşık bir geometriye sahip olan F-22 uçağı ele alınmıştır. Uçak için elde edilen RCS sonuçları, FEKO simülasyonlarıyla karşılaştırılmış ve önerilen yöntemlerin doğruluğu test edilmiştir. HRRP analizi, uçağın boyutlarını ve menzilini doğru bir şekilde tahmin ederek, bu çerçevenin karmaşık geometrilere ve büyük ölçekli hedeflere uygulanabilirliğini göstermiştir. Eşleşmiş filtreleme, menzil normalizasyonu ve koherent entegrasyon gibi sinyal işleme adımları her iki hedefte tutarlı bir şekilde uygulanarak, hedef yansımaları ile gürültü arasında güvenilir bir ayrım yapılmasını sağlamıştır. Son olarak, daha karmaşık bir geometriye sahip olan Chengdu J-20 uçağı, 4 GHz çalışma frekansında analiz edilmiştir. Bu analizde elde edilen RCS sonuçları, FEKO simülasyonları ile tutarlılık göstermiş ve önerilen yöntemlerin sağlamlığı doğrulanmıştır. Chengdu J-20'nin detaylı menzil profilleri çıkarılmış, önerilen yaklaşımın büyük ölçekli hedefler üzerindeki uygulanabilirliği bir kez daha gösterilmiştir. Tez, bu yöntemlerin RCS analizi ve radar sinyal işleme alanlarına katkılarını vurgulayarak sonuçlanmaktadır. Ağ iyileştirme ve gölgeleme algoritmalarının zaman alanı simülasyonlarıyla entegrasyonu, karmaşık geometrilerin ve gerçek zamanlı radar etkileşimlerinin modellenmesinde önemli zorlukları ele alır. Önerilen teknikler, radar sistem tasarımı, gizlilik teknolojisi değerlendirmesi ve elektromanyetik dalga analizi gibi çeşitli alanlarda geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Bu tez, teorik prensipleri hesaplama yenilikleriyle birleştirerek, radar teknolojisi alanında gelecekteki araştırmalara ve pratik ilerlemelere sağlam bir temel oluşturmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis provides an in-depth exploration of the concept of Radar Cross Section (RCS) analysis. RCS is a critical metric in radar technology, used to measure the detectability of a target by quantifying the electromagnetic energy scattered by the target and reflected back to the radar system. This study examines the theoretical foundations, computational methods, and practical applications of RCS, offering an approach that aims to bridge the gap between theoretical knowledge and real-world implementations. The thesis contributes significantly to areas such as radar system design, radar signal processing, and stealth technology evaluation. The study begins with the theoretical foundations of the RCS concept. RCS is influenced by numerous factors, including the size, shape, material properties, and orientation of the object, as well as the radar operating frequency. The scattering mechanisms that affect RCS are categorized into specular reflection, diffuse scattering, edge diffraction, and multiple scattering. Each mechanism impacts RCS differently depending on the geometry and electromagnetic properties of the target. Additionally, the behavior of RCS is described across three main regions: the Rayleigh region (where the object's size is much smaller than the radar wavelength), the Resonance region (where the object's size is comparable to the radar wavelength), and the Optical region (where the object's size is much larger than the radar wavelength). These classifications provide a fundamental framework for understanding how the interaction between geometry and radar frequency affects the visibility of a target. The second part of the thesis focuses on computational methods used for RCS analysis. These methods are divided into two main categories: high-frequency and low-frequency techniques. High-frequency techniques include Physical Optics (PO), Geometric Optics (GO), the Geometric Theory of Diffraction (GTD), and the Shooting and Bouncing Rays (SBR) method. These techniques are based on optical approximations and are computationally efficient for modeling large targets. However, they are limited in accurately modeling diffraction and multiple scattering effects. On the other hand, low-frequency techniques, such as the Method of Moments (MoM) and the Finite Element Method (FEM), provide accurate full-wave solutions for small targets or resonant cases but come with high computational costs for large targets. The choice of method depends on factors such as the target's size, radar frequency, and the desired level of accuracy. To improve the accuracy of RCS computations, this thesis introduces two algorithms: a mesh refinement algorithm and a shadowing algorithm. The mesh refinement algorithm ensures that triangular surfaces in 3D models meet specific size constraints based on the radar wavelength, enhancing the accuracy of RCS predictions for targets with complex geometries. In regions with high curvature or intricate details, surfaces are iteratively subdivided to provide a more detailed representation. The shadowing algorithm accurately identifies and models the shadowed regions of the target, which do not contribute to radar returns. By combining these two algorithms, the thesis provides a more accurate and reliable framework for RCS computations, particularly for targets with complex geometries. One of the key contributions of this thesis is the transition from traditional frequency-domain analysis to time-domain simulations, offering a different perspective for analyzing target-radar interactions. Most conventional methods assume continuous wave (CW) radar operations, which do not accurately reflect the pulse-based structure of modern radar systems. To address this limitation, this study integrates physical optics principles with time-domain simulations. This approach enables more realistic modeling of radar pulse behavior. By storing the reflectivity contributions of illuminated mesh elements in detail, the interaction between radar pulses and the target can be analyzed dynamically and spatially. This transition significantly enhances the ability to simulate real-time radar operations, accounting for target movement and temporal variations in radar returns. The thesis further strengthens this framework through advanced signal processing techniques. Matched filtering maximizes the signal-to-noise ratio (SNR), facilitating the detection of weak targets and improving range resolution. Range normalization compensates for signal attenuation over distance, ensuring consistent detection sensitivity across different ranges. Coherent integration accumulates signal energy across multiple radar pulses, enabling the detection of weaker targets. These techniques allow for the generation of high-resolution range profiles (HRRPs), which provide detailed information about the physical dimensions and reflective properties of targets by isolating the strongest reflections within a predefined range window. The practical applicability of the proposed methodologies has been tested through simulations of different targets. First, a PEC missile target was analyzed at operating frequencies of 2 GHz and 4 GHz. The RCS results were validated against those obtained from the commercial FEKO software, demonstrating a high level of accuracy. The missile's structural features, scattering behavior, and high-resolution range profile were examined from multiple perspectives, and the proposed approach achieved a target dimension estimation with an accuracy of 0.24 meters. Additionally, the F-22 aircraft was also analyzed as part of the validation process. RCS results were compared with FEKO simulations, showing excellent agreement and verifying the accuracy of the proposed techniques. The HRRP analysis accurately estimated the dimensions and range of the F-22, demonstrating the applicability of the framework to complex geometries. Signal processing steps, such as matched filtering, range normalization, and coherent integration, were consistently applied across all targets, ensuring reliable differentiation between target reflections and noise. Lastly, the Chengdu J-20 aircraft, with its larger dimensions and complex geometry, was analyzed at 4 GHz. The RCS results obtained for this aircraft were consistent with FEKO simulations, further validating the robustness of the proposed methodologies. This case study highlights the framework's ability to handle large-scale targets and intricate geometries, as well as its effectiveness in extracting detailed range profiles of the aircraft. The thesis concludes by emphasizing the contributions of these methodologies to RCS analysis and radar signal processing. The integration of mesh refinement and shadowing algorithms with time-domain simulations addresses significant challenges in modeling complex geometries and real-time radar interactions. The proposed techniques have a wide range of applications, including radar system design, stealth technology evaluation, and electromagnetic wave analysis. By combining theoretical principles with computational innovations, this thesis establishes a strong foundation for future research and practical advancements in radar technology.
Benzer Tezler
- Gemilerin ısar ile görüntülenmesinde radar saçılma yüzeylerinin fizik optik yardımıyla modellenmesi
Başlık çevirisi yok
E.ELİF TEPELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERCAN TOPUZ
- Yer dalga iletiminde parabolik denklem (PD) yöntemi
Parabolic equation (Pe) method in ground wave propagation
ÖZLEM ERCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. LEVENT SEVGİ
- Sanayi kaynaklı hava kirliliğinde modellerin kullanımının karar verme sürecindeki rolü
The role of models in terms of decision making in industry based air pollution
EZGİ ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- Yüksek çözünürlüklü menzil profili kullanarak deniz hedeflerinin sınıflandırılması
Ship target classification using high range resolution profile
ÖZLEM ERGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SOYSAL
- Horseshoe adası Antarktika'da İHA-GPR gözlemlerine dayalı buzul izleme ve 3D modelleme
Glacier monitoring and 3D modeling based on UAV-GPR observations on horseshoe island, antarctica
MEHMET ARKALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUT OĞUZ SELBESOĞLU