Geri Dön

Gemi manyetik izine ilişkin düz ve ters problemler

Forward and inverse problems related to ship magnetic signature

PDF İndir

  1. Tez No: 928471
  2. Yazar: MEHMET ALBAYRAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Haberleşme Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

Gemiler veya denizaltılar Dünya manyetik alanı ile etkileşimleri sonucu çevrelerinde manyetik bozulmalar yaratırlar. Gemilerin Dünya manyetik alanında yarattıkları bu anomaliler gemi manyetik izi olarak adlandırılır. Askeri gemi ve denizaltılar manyetik izleri sebebiyle düşman sistemleri tarafından algılanarak zarar görebilir. Gemi manyetik izleri manyetik sensörler içeren su altı araçları, hava araçları , manyetik mayınlar ve torpido sistemleri tarafından algılanabilirler. Gemilerin bu sistemler tarafından tespit edilmesi zarar görmelerine veya yok edilmelerine sebep olabilir. Gemileri algılama ve zarar verme konusunda deniz mayınları oldukça etkili bir silahtır. Deniz mayınları tetikleme mekanizmalarına göre temaslı, manyetik, akustik, basınç veya kombine mayınlar olarak sınıflandırılabilirler. Dünya manyetik alanında meydana gelen bozulmaları algılayarak tetiklenen mayınlara manyetik mayınlar denir. Bu mayınlar gemi manyetik izini algılayarak tetiklenirler. Özellikle dip mayınları olarak kullanılmaları ve temas gerektirmeden tetiklenmeleri bu mayınları oldukça sinsi ve tehlikeli bir silah yapar. Manyetik deniz mayınları 1. ve 2. Dünya Savaşları da dahil olmak üzere uzun yıllardır gerek savunma gerek saldırı amaçlı kullanılmaktadır. Teknolojik gelişmeler sayesinde hassas sensör sistemlerine, akıllı tetikleme algoritmalarına, gelişmiş veri işleme yöntemlerine sahip olan manyetik mayınlar gemiler için büyük tehditler oluşturur. Gemilerin Dünya manyetik alanında yarattığı bozulmalarının tespit edilerek zarar görmelerini önlemek üzere birçok çalışma yapılmıştır. Gemi manyetik izlerinin azaltılması veya tamamen yok edilmesi savaş gemileri için hayati önem taşımaktadır. Bu sebeple gemilerin belirlenen standartlara göre düşük manyetik alanlar yaratacak şekilde tasarlanmaları tercih edilmektedir. Yüksek manyetik alan yaratan gemilerde ise manyetik izlerini düşürecek şekilde uygulamalar yapılmaktadır. Bu uygulamalardan en etkin olanı temelde gemi etrafına sarılmış bobinlerden ve bu bobinlere akım sağlayan elektronik sistemlerden oluşan Degaussing (DG) sistemidir. Degaussing sistemleri genellikle gemi inşa edilmeden önce tasarlanır. Gemi manyetik iz değerlerine göre bobinlerin konumlarına ve akım-sarım oranlarına karar verilir. Gemilerin manyetik izlerinin ölçülmesi ve hesaplanması, bu izlere sebep olan kaynakların tespit edilmesi gemilerin güvenlikleri için oldukça önemlidir. Bu sebeple birçok ölçüm ve hesaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Gemi manyetik izlerinin su altına döşenmiş sensör veya sensör dizileri ile ölçülmesi sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. Oldukça maliyetli olan bu sistemler ayrıca su altı işçilikleri gibi uygulama zorluklarına sahiptir. Bu yönteme benzer olarak yine su altı sensörlerine sahip olan ancak bunlarla beraber gemi çevresini saran bobinler ile gemi manyetik izi ölçülebilir. Bu yöntemlere alternatif olarak gemi manyetik alanları insansız su altı ve insansız hava araçları tarafından ölçülebilir. İnsansız su altı ve hava araçları sayesinde sabit bir ölçüm istasyonuna bağlı kalmadan ve istenilen yüksekliklerden gemi manyetik izleri ölçülebilmektedir. Gemi manyetik izlerinin ölçülemediği durumlarda veya gemi inşa edilmeden önce yapılacak çalışmalarda analitik, sayısal ve ampirik yöntemlerle gemi manyetik izleri hesaplanabilir. Bilgisayar tabanlı simülasyon programları ile karmaşık geometrilere ve manyetik özelliklere sahip olan gemi manyetik izleri hesaplanabilir. Özellikle sonlu elemanlar yöntemine dayalı simülasyon yazılımları ile bu hesaplamaların yapılması yaygındır. Ancak bu yöntem ile gemi manyetik izi uygun ağ (mesh) yapısı ile tanımlı ölçüm bölgelerinde hesaplanır. Ölçüm bölgesinin genişletilmesi durumunda doğru hesaplamaların yapılabilmesi için ağ sayısı artırılmalıdır. Bu artış hesaplama maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemine ek olarak manyetik dipol modelleme ile gemi manyetik izi hesaplanabilir. Yapılan çalışmalarda gemi manyetik izinin manyetik dipol momentlerle modellenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada dipol modeli oluşturulmak istenen geminin manyetik iz verileri sentetik verilerden elde edilmiştir. Sentetik veriler sonlu eleman tabanlı ALTAIR Flux yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Manyetik izi hesaplanmak istenen gemi öncelikle gemi bilgisayar ortamında modellenmiştir. Güverte, perde, kabuk ve donatım elemanlarından oluşan geometrik model tamamlandıktan sonra sonlu elemanlar yöntemi ile hesaplamalar yapılmak üzere gemi modeline uygun ağ yapısı tanımlanmıştır. Ağ yapısı tamamlanan gemi modelinde manyetik izin hesaplanacağı ölçüm uzayı sınırlandırılmıştır. Sınırlandırılan uzay ölçüm hassasiyetine uygun şekilde ağ yoğunluğu belirlenmiştir. Gemi manyetik alanlarının hesaplanması için gemi fiziksel parametrelerinin tanımlanması gerekmektedir. Bu sebeple gemide kullanılan malzemelerin kalınlıkları, elektriksel özellikleri ve manyetik geçirgenlik parametreleri tanımlanmıştır. Gemi modeli tamamlandıktan sonra gemiye etki eden Dünya manyetik alanı simüle edilmiştir. Dünya manyetik alanı manyetik iz bileşenlerinin ayrılabilmesi için gerekli olan ölçüm senaryolarına uygun olarak ayarlanmıştır. Dünya manyetik alanı etkisi ile hesaplanan gemi indüklenen manyetik alanının belirlenen noktalarda üç eksenli manyetik iz bileşenlerini içeren iz verileri elde edilmiştir. Bu iz verileri 1 μT genlikli Dünya manyetik alanının gemiye enine, boyuna ve dikey yönlerde etki edecek şekilde ayrı ayrı elde edilmiştir. Ayrıca ölçüm yapılmak istenen yüksekliklerde, gemi geometrik merkezinden 14.5 m ve 18.5 metre yüksekliklerde , x ve y yönlerinde belirlenen aralıklarda iz verileri kaydedilmiştir. Modellenen geminin benzetim programı ile elde edilen manyetik alan değerleri kullanılarak MATLAB üzerinde yazılan bir program ile gemi manyetik dipol modeli tasarlanmıştır. Manyetik dipol model gemi manyetik özelliklerini temsil eden manyetik dipol momentler ile oluşturulur. Dipoller gemi manyetik iz verilerinden ters model yardımı ile kaynakların bulunması yöntemi ile hesaplanır. Dipol momentler ile gemi manyetik izinin düşük hata oranları ile temsil edilebilmesi için farklı optimizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Farksal gelişim (DE, Differential Evolution) algoritması başlangıç değerlerine çok fazla bağlı olmadığı için optimizasyon sürecinde tercih edilmiştir. Ancak optimum çözüme yakınsamada uzun sürelere ihtiyaç duyması sebebiyle belirlenen iterasyon sayısı tanımlanarak DE optimizasyonu ile hesaplanan manyetik dipoller LM (Levenberg–Marquardt) algoritmasının başlangıç parametre değerleri olarak kullanılmıştır. LM algoritması ile optimum çözüme hızlı bir şekilde yakınsanmıştır. Kullanılan optimizasyon metotları sayesinde yüksek başarım oranına sahip dipol model oluşturulmuştur. Tasarlanan uygulama sayesinde gemi manyetik dipol modelleri başarı ile oluşturulmuştur. Uygulamaya yüklenen ayrıştırılmış iz verileri ve gemi koordinatları ile dipol sayısına ve yapılacak iterasyon sayılarına kullanıcının karar verebileceği modeller oluşturulmasına olanak sağlanmıştır. Yüklenen iz dosyasına göre geminin hangi eksende dipol momentlerinin oluşturulacağı seçilmiş olur. Uygulamada belirlenen yönlerdeki dipol sayısına ve iterasyon sayılarına göre gemi manyetik modelini oluşturan dipol momentler hesaplanmış olur. Manyetik dipol model oluşturulduktan sonra gemi manyetik izinin istenen noktalarda hesaplanmasına olanak sağlanmıştır. Bu uygulamada dipol modelin başarımının gösterilmesi için manyetik izin hesaplanmak istendiği ölçüm düzleminde iz değerleri ölçülmüştür. Hesaplanan ve ölçülen değerler, grafikler ve başarım oranları kullanılarak kıyaslanmıştır. Başarım oranları modelin hata oranları kullanılarak elde edilmiştir. Dipol modellerinin hata oranları iki farklı şekilde hesaplanmıştır. Bunlardan ilki hesaplanan manyetik alan ile ölçülen manyetik alan arasındaki farkın maksimum değerinin, ölçülen manyetik alanın maksimum değerine oranı ile elde edilen maksimum değere göre hata oranıdır. İkincisi ise tüm ölçüm noktalarındaki ortalama hata hakkında bilgi veren hesaplanan manyetik alan değerleri ile ölçülen manyetik alan değerlerinin farklarının, ölçülen manyetik alana oranlarından elde edilen relatif başarımın ortalama değeridir. Dipol model tamamlandıktan sonra Degaussing (DG) sistemi kangal tasarımı yapılmıştır. Kangal tasarımında momentlerin hesaplanan konum ve genlik değerleri başlangıç değer parametreleri olarak kullanılmıştır. Bu sayede insansız hava aracı ile manyetik izi ölçülen bir geminin fiziksel parametreleri kullanılarak dipol modeli ve DG kangal tasarımı yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

Ships or submarines create magnetic disturbances in their surroundings as a result of their interaction with the Earth's magnetic field. These anomalies created by ships in the Earth's magnetic field are called ship magnetic signatures. Military ships and submarines can be detected by enemy systems due to their magnetic signatures and can be damaged. Ship magnetic signatures can be detected by underwater vehicles, unmanned aerial vehicle, aircraft, magnetic mines and torpedo systems containing magnetic sensors. Detection of ships can cause damage or destruction of ships. Sea mines are very effective weapons in detecting and damaging ships. Sea mines can be classified as contact, magnetic, acoustic, pressure or combined mines according to their triggering mechanisms. Mines that are triggered by detecting the disturbances in the Earth's magnetic field are called magnetic mines. These mines are triggered by detecting the ship's magnetic signature. Especially being used as bottom mines and triggered without requiring contact makes these mines a very insidious and dangerous weapon. Magnetic sea mines have been used for both defensive and offensive purposes for many years, including World Wars I and II. Thanks to technological developments, magnetic mines with sensitive sensor systems, smart trigger algorithms, and advanced data processing methods pose great threats to ships. Many studies have been conducted to detect the disruptions that ships create in the Earth's magnetic field and prevent them from being damaged. Reducing or completely eliminating ship magnetic signatures is of vital importance for warships. For this reason, it is preferred that ships are designed to create low magnetic fields according to specified standards. In ships that create high magnetic fields, applications are made to reduce their magnetic signatures. The most effective of these applications is Degaussing (DG) systems, which basically consist of coils wrapped around the ship and electronic systems that provide current to these coils. Degaussing systems are mostly designed before the ship is built. The locations of the coils and current-winding ratios are decided according to the ship's magnetic signature values. Measuring and calculating the magnetic signatures of ships and identifying the sources that cause these signatures are very important for the safety of ships. For this reason, many measurement and calculation methods are used. Measuring ship magnetic signatures with sensors or sensor arrays laid underwater is a frequently used method. These systems, which are quite costly, also have application difficulties such as underwater workmanship. Similar to this method, the ship's magnetic signature can be measured with coils that surround the ship, which also have underwater sensors. As an alternative to these methods, ship magnetic fields can be measured by autonomous underwater vehicle (AUV) and unmanned aerial vehicle (UAV). Thanks to UAV and AUV, ship magnetic signatures can be measured from desired heights without being connected to a fixed measurement station. In cases where ship magnetic signatures cannot be measured or in studies to be carried out before the ship is built, ship magnetic signatures can be calculated with analytical, numerical and empirical methods. Ship magnetic signatures with complex geometries and magnetic properties can be calculated with computer-based simulation programs. It is common to make these calculations especially with simulation software based on the finite element method. However, with this method, the ship magnetic signature is calculated in measurement areas defined with a suitable mesh structure. In case the measurement area is expanded, the number of meshes should be increased in order to make correct calculations. This increase significantly increases the calculation costs. In addition to the finite element method, the ship magnetic signature can be calculated with magnetic dipole modeling. The ship whose magnetic signature is to be calculated is modeled in a computer environment in order to perform ship magnetic signature analysis. After the geometric model consisting of deck, bulkhead, shell and rigging elements was completed, a network structure suitable for the ship model was defined to make calculations with the finite element method. In the ship model with the network structure completed, the measurement space where the magnetic signature will be calculated was limited. The network density was determined in accordance with the limited space measurement sensitivity. In order to calculate the ship magnetic fields, the ship's physical parameters must be defined. For this reason, the thicknesses of the materials used on the ship were defined. The magnetic permeability parameters that directly affect the ship's magnetic field distortions were defined. After the ship model was completed, the Earth's magnetic field affecting the ship was simulated. The Earth's magnetic field was adjusted in accordance with the measurement scenarios required for the separation of magnetic signature components. Signature data containing the three-axis magnetic signature components of the ship's induced magnetic field calculated with the effect of the Earth's magnetic field at the specified points were obtained. These signature data were obtained separately in a way that the 1 μT amplitude Earth magnetic field would affect the ship in transverse, longitudinal and vertical directions. In addition, signature data were recorded at intervals determined in x and y directions at the desired heights of the measurement, 14.5 m and 18.5 m from the ship geometric center. In addition, a ship magnetic dipole model was designed in MATLAB software using ship magnetic measurement data. The magnetic dipole model is created with magnetic dipole moments representing the ship magnetic properties. Dipoles are calculated from the ship magnetic signature data with the help of the inverse model and the source finding method. Different optimization methods were used to represent the ship magnetic signature with dipole moments with low error rates. The differential evolution (DE) algorithm was used in the optimization process due to its low sensitivity to the initialization parameters. However, since it requires long periods to converge to the optimum solution, the determined iteration number was defined and the magnetic dipoles calculated with DE optimization were used as the initialization values of the LM (Levenberg–Marquardt) algorithm. The optimum solution was quickly converged with the LM algorithm. Thanks to the optimization methods used, a dipole model with a high success rate was created. Thanks to the application designed with MATLAB App, ship magnetic dipole models were successfully created. With the decomposed signature data and ship coordinates uploaded to the application, it is possible to create models in which the user can decide on the number of dipoles and the number of iterations to be made. According to the loaded signature file, the axis on which the ship will create dipole moments is selected. The models are compared according to the number of dipoles in the directions determined in the application and the number of iterations, and the dipole moments that form the ship magnetic model are decided. After the magnetic dipole model is created, it is possible to calculate the magnetic signature of the ship magnetic signature at the desired point. In this application, in order to show the success of the dipole model, the magnetic signature values were measured in the measurement plane where the magnetic signature was desired to be calculated, and the calculated values were compared with the measured values with graphs and performance rates. The performances of the magnetic dipole models are the success ratio according to the maximum value obtained by the ratio of the maximum value of the calculated magnetic field to the maximum value of the ship's magnetic signature and the average value of the relative success obtained from the ratios of the calculated magnetic field values to the measured magnetic signature values at all measurement points. After the dipole model was completed, the Degaussing (DG) system coil design was made. In the coil design, the position and amplitude values of the moments were used as initial value parameters. In this way, the dipole model and DG coil design were made using the physical parameters of a ship whose magnetic signature was measured by an unmanned aerial vehicle.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    928462

    A comparison of fatigue strength assessment of seam-welded joints using methods of different standards used in rail vehicle construction

    Demiryolu taşıtlarında kullanılan kaynaklı bağlantıların farklı standartlardaki yöntemler ile yorulma mukavemeti değerlendirmesinin karşılaştırılması

    ADA ÖZCEÇELİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU

  2. Tez No

    129502

    Gemi ana tahrik sistemi üzerindeki algılayıcıların bilgisayar ortamında monitörize edilip manyetik ortama kayıt edilmesi

    PC based monitoring the ships main propulsion system sensors and data logging to the journal

    H. İLKER KÖSELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Makine Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. EROL UZAL

  3. Tez No

    890365

    Gemi yapımında kullanılan çelik malzemelerin kaynaklanabilirliğinin iyileştirilmesi

    Improving the weldability of steel materials used in ship building

    RAMAZAN BOZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiMilli Savunma Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEYNEP TAŞLIÇUKUR ÖZTÜRK

  4. Tez No

    384923

    Lorentz force effect on turbulent wall-bounded flows

    Türbülanslı duvar-sınırlı akışlarda Lorentz kuvveti̇ etki̇si̇

    ATİLLA ALTINTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL

  5. Tez No

    276549

    Sol-jel yöntemi kullanılarak tekstil materyallerinin elektriksel, manyetik ve mikrodalga özelliklerinin modifikasyonu ile görünmezlik özelliği kazandırılması

    Archieveing of stealthing property with modification of electrical, magnetic and microwave properties of textile materials by using sol-gel technique

    NURHAN ONAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AYSUN AKŞİT

Geri Dön