Muhtelif Cisimlerin Radar Kesit Alanı Analizleri ve RKA Optimizasyonu Radar Cross Section Analysis of Various Objects and RCS Optimisation

Transkript

1 Muhtelif Cisimlerin Radar Kesit Alanı Analizleri ve RKA Optimizasyonu Radar Cross Section Analysis of Various Objects and RCS Optimisation Ozan Yurduseven, Okan Yurduseven,, Ahmet Serdar Türk Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Marmara Üniversitesi Özet Bu çalışma günümüz savunma sanayisi için vazgeçilmez unsurlardan biri olan radar kesit alanın analizi ve optimizasyonu üzerine yapılmıştır. Yapılan çalışmada basit geometrik yapılardan savaş araçlarına kadar bir çok cismin radar kesit alanı analizleri yapılmıştır. Elektronik harp teknolojisinin oldukça ilerlediği günümüzde radarda görünmezlik teknolojisi savunma sanayisinin vazgeçilmez unsurlarından biri haline gelmiş ve kendisine hava, kara, deniz ve denizaltı platformlarında yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Bir ülke için büyük önem arz eden gemi, uçak, helikopter, denizaltı gibi araçların radar tarafından tespit edilme ihtimallerini oldukça düşüren bu tekniklerin kullanılması günümüz savunma sanayisinde kaçınılmaz bir teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu bağlamda görünmezlik teknolojisi üzerine çalışılarak, radar kesit alanını düşürmeye yönelik yöntemler detaylı olarak incelenmiştir. Abstract This work is based on the analysis and optimization of the radar cross section that is indispensable for today s defense industry. In this study, radar cross section analysis of many objects from simple geometric structures to military vehicles are made. Nowadays, when the electronic war technology is growing rapidly in, the stealth technology in radar systems became one of the indispensable factors of the defence industry and is used widely in air, land, sea and undersea platforms. Usuage of these techniques that reduces the dedection probability of vehicles that are very important for a country such as ship, plane, helicopter, submarine, etc. is a very important technology in defence industry. On this scope by working on stealth technolgy the methods for reducing radar cross section was investigated detailed.. Giriş Bu çalışmada, günümüz elektronik savunma sistemlerinin en önemli unsurlarından biri olan radar kesit alanı (RKA) üzerine çalışılmıştır. Bu bağlamda hem monostatik hem de bistatik RKA ile birlikte temel radar teorisi hakkında detaylı bilgiler verilmiştir. Basit geometrik yapılardan, savaş uçaklarına kadar birçok cismin monostatik RKA analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlerin ardından görünmezlik teknolojileri üzerine çalışılmış ve monostatik RKA yı düşürmeye yönelik yöntemler detaylı olarak incelenmiştir. Bu bağlamda tasarımı yapılan tüm yapıların analizleri üç-boyutlu tam dalga elektromagnetik simülasyon programları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.. Teori ve Formülasyon RKA, bir cismin veya platformun bir radardaki görünürlük miktarı veya elektromagnetik (EM) dalgalar olan radar sinyallerini yansıtma miktarı olarak tanımlanabilir. RKA şu şekilde ifade edilebilir []: RKA= Hedeften saçılan güç Hedefe m başına gelen güç Matematiksel olarak RKA aşağıdaki şekilde gösterilir []: U RKA= lim 4π () R s R U i RKA nın birimi metrekare [ m ] dir. Fakat bir cismin değişik 6 6 açılardaki RKA değeri m ile m arasında değişim gösterebilmektedir. Bu kadar geniş aralıktaki RKA değerlerini aynı grafik üzerinde göstermek zor olduğu için RKA ölçümlerinde genellikle logaritmik bir ölçekle gösterilen desibel metrekare [ dbm ] veya İngilizce decibel squaremeter teriminin kısaltması olan dbsm birimi kullanılır. Metrekare ile dbsm cinsinden RKA değerlerinin arasında; σ db = log (. xσ db ) ( σ) σ = (3) formülleri ile geçiş sağlanabilir. ()

2 Hedefin fiziksel boyutu radarın çalıştığı frekansa ilişkin dalgaboyu ile kıyaslandığında ne kadar büyük olursa, elde edilen RKA değeri de o kadar artacaktır. Aksi durumda, cismin fiziksel boyu, dalga boyu ile kıyaslandığında çok küçük kalırsa, elde edilen RKA değeri de çok düşük olacaktır. Bununla beraber hedefin geometrik yapısı da çok büyük önem taşımaktadır. Hedef gelen radar sinyalini aynı doğrultuda geri yansıtacak bir geometriye sahipse, beklenen RKA değerleri daha yüksek olacaktır. Ancak, hedef gelen radar sinyallerini radara değil de, farklı yönlere saçacak özel bir geometriye sahip ise, beklenen RKA değerleri düşük olacaktır. Bunun yanında hedefe hangi açıdan bakıldığı ve hedefin hangi malzemeden yapıldığı da büyük önem taşımaktadır. Hedef teorik olarak mükemmel iletken (PEC) yapıda ise, gelen radar sinyalini olduğu gibi geri yansıtacaktır. Ancak hedef teflon gibi daha kayıplı bir malzemeden yapılmış ise, hedeften geriye yansıyan sinyal oranı PEC yapıya sahip hedefteki kadar yüksek olmayacaktır... RKA da Kullanılan Radar Türleri Radar kesit alanı ölçümlerinde iki tür radar sistemi kullanılmaktadır. Bunlar: Monostatik radarlar, Bistatik radarlardır. Olarak belirtilebilir. bandında GHz merkez frekansında gerçekleştirilmiş olup, cismin boyutlarının bu frekanstaki dalga boyuna uygun olarak seçilmesine dikkat edilmiştir. Bu yapının RKA analizinin ardından, F7 ve F gibi daha karmaşık yapıdaki hedeflerin RKA analizleri yapılmıştır. Yapılan ilk simülasyon GHz frekansında,.5m x.5m x.5m boyutlarına sahip mükemmel iletken (PEC) bir kübün RKA analizidir. Şekil : Kübün simülasyon programındaki görünümü. Cisme x-y düzleminde birer derece aralıklarla çarpacak şekilde düzlem dalga tanımlandıktan sonra yapılan simülasyon sonucunda elde edilen RKA paterni şekil 3 te verilmiştir... Monostatik Radarlar Alıcı ve verici anteni aynı olan ya da alıcı ve verici anteni ayrı olup aynı yerde bulunan radar türüdür. Günümüzde, radar kesit alanı analizlerinde çoğunlukla bu türden radar sistemleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada da monostatik RKA üzerine analizler gerçekleştirilmiştir. Şekil de monostatik radar sisteminin genel bir blok diyagramı gösterilmektedir []. Şekil 3: Kübün RKA paterni. Şekil : Monostatik radar sistemine ilişkin blok diyagram... Bistatik Radarlar Bistatik radar sistemlerinde alıcı ve verici olmak üzere farklı yerlere yerleştirilmiş iki ayrı anten bulunmaktadır. Bistatik radar sistemleri; Çok yüksek güçle çalışılıyor ve çok düşük güçler elde ediliyorsa, bir başka deyişle yüksek dinamik aralıkta çalışma durumu söz konusu ise, Hedef, gelen radar sinyalini farklı yönlere saçacak bir geometriye sahip ise, tercih edilir. 3.. Askeri araçların RKA analizleri Kübün RKA analizinin ardından, yakın zamana kadar A.B.D. donanması tarafından kullanılan ve ilk görünmez uçaklardan olan F7 savaş uçağının monostatik RKA analizi yapılmıştır. RKA analizi yapılan F7 savaş uçağı şekil 4 te 3. Tasarım ve RKA Analizleri 3.. Kübün RKA analizi Bu çalışmada ilk olarak küp gibi basit bir geometrik yapının RKA analizi gerçekleştirilmiştir. Kübün RKA analizi X Şekil 4: F7 savaş uçağının FEKO programında görünümü.

3 Uçağın RKA analizi üç-boyutlu tam dalga simülasyon programında GHz frekansında yapılmıştır. F7 savaş uçağı mükemmel iletken kabul edilerek uçağa, yere veya bir araç üzerine konuşlandırılmış bir hava savunma radarı tarafından alt çaprazdan gelecek şekilde birer derecelik aralıklarla düzlemsel dalga yollanmıştır. Elde edilen RKA paterni şekil 5 teki gibidir. Savaş uçağının RKA analizi GHz merkez frekansında yapılmıştır. Uçak mükemmel iletken kabul edilmiştir. Yere ya da araç üzerine konuşlandırılmış bir hava gözetleme radarı tarafından uçağa alt çaprazdan birer derecelik aralıklarla düzlemsel dalga gönderilmiştir. Elde edilen RKA paterni şekil 7 de görülmektedir. Şekil 5: F7 savaş uçağının RKA paterni. Hava savunma radarı tarafından F7 nin ön cephesi tarandığında θ = 45 (uçağa göre alt çapraz) için F7 den 45 < φ < 35 arasında elde edilen RKA değerleri dbsm in altında olmaktadır. Elde edilen bu sonuca göre bir hava savunma radarının, F7 yi ön cephesi ve çevresinden tespit edebilmesinin oldukça zor olduğu söylenebilir. Yine aynı şekilde hava savunma radarı F7 yi arka cepheden taradığında θ = 45 için (uçağa göre alt çapraz) uçaktan 8 < φ< 33 arasında elde edilen RKA değerleri dbsm in altında olmaktadır. Burada da uçağın ön cephesiyle benzer bir durum söz konusudur. Yani hava savunma radarının uçağı arka cephesi ve çevresinden tespit edebilmesi oldukça güçtür. Yan cephelere bakıldığında ise her iki yan cepheden de RKA değerleri yaklaşık olarak 3.68 dbsm olarak ölçülmüştür. Bu sonuç, hava savunma radarının F7 ye yan cephelerden bakması durumunda uçağı, ön ve arka cephelerle kıyaslandığında daha rahat tespit edebileceği anlamına gelir. RKA analizi yapılan bir diğer savaş uçağı ise F modelidir. F savaş uçağının üç-boyutlu simülasyon programındaki görünümü şekil 6 daki gibidir. Şekil 7: F savaş uçağının RKA paterni. Şekil 7 den görüldüğü gibi F savaş uçağının ön cephesi tarandığında, θ = 45 (uçağa göre alt çapraz) için uçaktan 5 < φ < 3 arasında elde edilen RKA değerleri dbsm in altında olmaktadır. Dolayısıyla bu açılardan bu uçağın hava savunma radarı tarafından tespit edilmesi oldukça güçtür. Yine aynı şekilde hava savunma radarı uçağı arka cepheden taradığında, θ = 45 için (uçağa göre alt çapraz) uçaktan 9 < φ < 34 arasında elde edilen RKA değerleri 5 dbsm in altında olmaktadır. Bunun anlamı hava savunma radarının uçağı arka cephesi ve çevresinden tespit edebilmesi oldukça güç olduğudur. 4. RKA Optimizasyonu Görünmezlik teknolojilerinin büyük önem kazandığı günümüz savunma sanayisinde RKA yı düşürmeye yönelik yapılan çalışmalar hayati bir önem taşımaktadır. Bu bağlamda savunma teknolojileri alanında başı çeken ülkeler, bu çalışmalar için milyarlarca dolar harcamakta ve bu çalışmaları büyük bir gizlilik altında sürdürmektedirler. Bu çalışmada cisimlerin, gelen radar sinyallerini absorbe eden radar soğurucu malzemeler (RAM) ile kaplanarak RKA analizleri gerçekleştirilmiştir. Buradaki amaç, RKA değerini düşürerek, radarın hedeften aldığı gücü düşük seviyede tutmaktır. 4.. Radar Soğurucu Malzeme ile Optimizasyon Radar soğurucu malzeme (RAM) ile kaplama iki şekilde gerçekleştirilmektedir: Tek katmanlı RAM ile kaplama Çok katmanlı RAM ile kaplama Şekil 6: F savaş uçağının üç-boyutlu simülasyon programındaki görünümü Tek Katmanlı Soğurucu Yapısı Bu bölümde tek katmanlı kaplama tekniği olarak Salisbury Screen yapısı incelenmiştir. Salisbury Screen, tek katmanlı ve dar bandlı bir radar soğurucu malzeme yapısıdır. Kalınlık olarak, çalışılan frekansa ilişkin dalga boyunun çeyrek katıdır. Salisbury Screen in genel yapısı şekil 8 de

4 Şekil 8: Salisbury Screen genel yapısı. Kaplamanın eşdeğer mikrodalga devre yapısı şekil 9 da görülmektedir. Şekil 9: Salisbury Screen eşdeğer mikrodalga devre yapısı. Teorik olarak mükemmel iletkenin empedansı sıfır yani kısa devredir. Smith abağında kısa devre noktasından kaynağa doğru çeyrek dalga boyu ilerlendiği zaman görülecek empedans sonsuz yani açık devre olacaktır. Bu durumda soğurucu mazlemenin girişinden görülen empedans, z empedansı ile açık devrenin paraleline yani Ω luk z empedansına eşit olacaktır. Bu şartlar altında girişten görülen yansıma katsayısı hesaplanacak olunursa: r = + Formülünden; r= = + olarak bulunur. Hedefe gelen radar sinyali, girişten görülen yansıma katsayısı sıfır olduğundan dolayı yansımaya uğramayacak ve radarın alıcı antenine geri dönmeyecektir. Tek katmanlı RAM yapısı olan Salisbury Screen ile kaplamanın RKA üzerine etkilerini incelemek amacı ile açısal RKA analizi gerçekleştirilmiştir. (4) Şekil : Yalnız PEC ve salisbury secreen kıyaslaması. Analizi yapılan yapının görünümü şekil da görülmektedir. Yapının herhangi bir malzeme ile kaplanmaması ve Salisbury Screen ile kaplanması sonucu elde edilen RKA paternlerinin karşılaştırması ise şekil de yapılmaktadır. 4.. Çok Katmanlı RAM ile Kaplama Bu bölümde çok katmanlı kaplama tekniği olarak Jaumann Absorber yapısı incelenmiştir. Salisbury Screen tek katmanlı kaplama tekniğinin geliştirilmiş hali olan Jaumann soğurucu yapısı, dar band problemini ortadan kaldırmayı amaçlamaktadır. Bunun için kaplamada kullanılan rezistif tabakaların sayısı arttırılmıştır. Bu durum band genişliğini arttırırken, aynı zamanda kaplama malzemesinin kalınlığını da arttırmaktadır. Şekil de Jaumann soğurucu türünün genel yapısı Şekil : Jaumann soğurucu genel yapısı. Burada metal olarak belirtilen yüzey hedefin yüzeyi olup, aralarında, çalışılan merkez frekansın çeyrek dalga boyu kadar mesafe bulunan rezistif tabakalar kullanılarak kaplanmaktadır. Yapının mikrodalga eşdeğer devresi şekil 3 te Şekil : Salisbury Screen ile kaplanan mükemmel iletken. Şekil 3: Jaumann soğurucu yapısının mikrodalga eşdeğer devresi. Şekil 4 te çeyrek dalga boyundaki transmisyon hattı

5 r = = = 6.3 (6) Şekil 4: Çeyrek dalga boyundaki transmisyon hattı. Bu transmisyon hattının girişinden görülen empedans Smith abağı kullanılarak yada aşağıdaki formül yardımıyla bulunabilir: = x (5) in out Şekil 3 e bakılacak olunursa, Smith abağında çeyrek dalga boyu kadar kaynağa doğru gidildiğinde mükemmel iletkenin empedansı sonsuz yani açık devre olacak ve birinci katmanın girişinden görülen empedansı, A empedansına eşit olacaktır. İkinci katmanın yükü, hesaplanmış olan A empedansına eşittir. Bu yük smith abağında işaretlenip çeyrek dalga boyu kadar kaynağa gidildiğinde bulunan empedans değerinin empedansı ile paraleli alındığında, ikinci katmanın girişinden görülen empedansı hesaplanır. B Benzer analiz N. katmana kadar gerçekleştirilebilir. Örnek bir tasarımın [] geometrisi ve mikrodalga eşdeğer devresi sırasıyla şekil 5 ve şekil 6 daki gibidir: olarak bulunur. Buradan güç bazında sisteme gelen sinyalin; P = P r = P = (7) iletilen gelen ( ) gelen (.3 ).9998 %99.98 i sisteme giriş yapmaktadır. Yansıyan sinyal, gelen sinyalin %. sidir. Gelen radar sinyallerinin çok büyük bir bölümü, herhangi bir yansımaya uğramadan RAM tarafından soğurulacaktır. Dolayısı ile elde edilen RKA değeri daha düşük olacaktır. Şekil 7: Sadece mükemmel iletken ile mükemmel iletkenin 6 katmanlı Jaumann Absorber ile kaplanması durumunun frekans bandında kıyaslanması. 5. Kaynaklar [] Ergin, A., "Görünmezlik Teknolojileri:Radar Kesit Alanı Nedir?", Savunma ve Havacılık, No:, 7 [] Shaeffer, Tuley and Knott. Radar Cross Section. SciTech Publishing, 4 Şekil 5: 6 Katmanlı Jaumann Absorber Yapısının Görünümü. Şekil 6: 6 Katman Jaumann Absorber ın mikrodalga eşdeğeri. Şekil 6 dan görülebileceği gibi, RAM yapısının girişinden görülen empedans Ω olarak hesaplanmıştır. Havanın empedansı ise Ω dur. Bu durumda sistemin girişinden görülen yansıma katsayısı aşağıdaki formül ile: