USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

ARACA MONTELİ İLERİ BAKAN YERE NÜFUZ EDEN RADAR

SİSTEMLERİNİN ZUSF YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ

M. Burak Özakın(a), Serkan Aksoy (a),

A. Serdar Türk (b) , M. Dağcan Şentürk (b)

(a) Gebze Teknik Üniversitesi, Elektronik Mühendisliği Bölümü

bozakin@gtu.edu.tr, saksoy@gtu.edu.tr

(b) Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

asturk@yildiz.edu.tr, msen@yildiz.edu.tr

ÖZ

Toprakta gömülü cisimlerin tespit ve teşhisi için Yere Nüfuz Eden Radar (YNR)

sistemleri sivil ve askeri alanlarda yoğun olarak kullanılmaktadır. Gömülü patlayıcıların

klasik YNR’lere (anteni toprağa dik) göre menzilde daha erken tespit ve teşhisinin

yapılabilmesi için bu sistemler araca ileri bakacak şekilde monte edilmektedir.

YNR’lerde tespit ve teşhis performansı kullanılan antenle ilişkili olduğundan, farklı

antenler için sistemin elektromanyetik modellenmesi önemlidir. İleri Bakan YNR (İB-

YNR) probleminde gerek kaynakların geniş bandlı olması ve gerekse anten ve

cisimlerin karmaşık geometrileri nedeniyle analitik çözümler çoğu kez mümkün

değildir. Bu nedenle sayısal yöntemler kullanılır. Bu çalışmada, araca monteli bir İB-

YNR sistemi için tasarlanan çok geniş bandlı Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli

Reflektör antenleri için sistemin tespit başarımı sayısal bir yöntem olan üç boyutlu

Zaman Uzayı Sonlu Farklar, ZUSF (Finite Difference Time Domain, FDTD) yöntemi

ile araştırılmıştır. Problem uzayında verici/alıcı anten, toprak ve toprakta gömülü iletken

bir küp cisim bulunmaktadır. İB-YNR problemi açık uzay problemi olduğundan

problem uzayı soğurucu sınır koşulu (PML) ile sonlandırılmıştır. Antenlerin hava-

toprak ara yüzüne göre üç farklı açıda (düşük, orta (Brewster) ve yüksek) yerleştirilmesi

durumunda, yatay eksende konumsal saçılan alanların hesaplanması ile sistemin tespit

başarımı incelenmiştir. Buna göre Brewster açısında antenlerin kullanımı ile menzilde

daha erken tespit yapabildiği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Araca Monteli Yere Nüfuz Eden Radar, Çok Geniş Bandlı Anten,

Erken Tespit Sistemleri, Gömülü Patlayıcılar, Zaman Uzayı Sonlu Farklar Yöntemi.

156

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

VEHICLE MOUNTED FORWARD LOOKING GROUND

PENETRATING RADAR SYSTEMS MODELLING

BY USING FDTD METHOD

ABSTRACT

Ground Penetrating Radar (GPR) systems are frequently used in the civilian and

military applications for detection and discrimination of buried objects. Unlike classical

GPR systems whose antennas are normal to the ground, these systems are mounted on

the vehicle like forward looking form for early detection of buried explosives. Because

detection and discrimination performance of GPR depend on its antennas,

electromagnetic modeling of the system for different antennas is quite important.

Analytical solutions are mostly impossible for Forward Looking GPR (FL-GPR)

problem because of wide-band sources and complex shaped geometry of

antennas/objects. For this reason, numerical methods are used. In this work, detection

performance of the vehicle mounted FL-GPR system is investigated by a numerical

method of three-dimensional Finite Difference Time Domain (FDTD) for wide-band

Horn, Vivaldi and Horn-fed Reflector antennas. Receiver/transmitter antenna, soil and a

buried cubic conductive object are included within the problem space. The numerical

problem space is terminated by a PML type absorbing boundary condition because the

FL-GPR problem is an open-space problem. Detection performance of the system is

investigated by calculation of scattered field range distribution along a horizontal axis

for three different angles (low, medium (Brewster angle), and high) of antennas which

are located at air-soil interface. Accordingly, the Brewster angle shows better

performance for early detection.

Keywords: Buried Explosives, Early Detection Systems, Finite Difference Time

Domain Method, Vehicle Mounted Forward Looking Ground Penetrating Radar, Wide-

Band Antenna.

157

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

1 GİRİŞ

Toprak altı yapısının araştırılması ve gömülü cisimlerin tespiti yoğun araştırılan

konulardır. Bu amaç için kullanılan Yere Nüfuz Eden Radar, YNR (Ground Penetrating

Radar, GPR) sistemleri elektromanyetik sistemler olup, bu sistemlerin gelişimi geniş

çapta mühendislik ve bilimsel araştırmalar gerektirmektedir. Elektromanyetik dalgaların

kayıplı ortamlarda yayılması, anten teknolojisi, radar sistem tasarımı ve işaret/görüntü

işleme konuları bunların başlıcalarıdır. YNR teknolojisinde donanım özellikleri hedefin

türüne, yapısına ve gömülü bulunduğu ortama göre optimize edilmelidir [1].

Günümüzde YNR sistemleri sivil ve askeri olmak üzere bina/yapı tahribatsız testi,

yol/tünel kalite değerlendirmesi, yer altı boşluk, boru, kablolar ve kara mayınlarının

tespiti vb. geniş uygulama alanı bulmuştur. YNR sistemleri insanlı/insansız bir araca

monte edilerek antenin ileriye bakacak şekilde konumlandırılması ile, menzilde erken

tespit ve teşhis araştırmaları yapılmış ve bu sistemler İleri Bakan YNR, İB-YNR

(Forward-Looking GPR, FL-GPR) olarak isimlendirilmiştir. İB-YNR sistemlerinin

geliştirilmesi için yapılan prototipler ve bunların testleri ekonomik olarak maliyetli ve

zaman alıcıdır. Ayrıca farklı senaryoların uygulanması için test ortamının oluşturulması

zor ve sıkıntılı olduğundan modelleme ve simülasyon çalışmaları kritik önem

taşımaktadır.

İB-YNR probleminde gerek kaynakların geniş bandlı olması ve gerekse anten ve

cisimlerin karmaşık geometrileri nedeni ile analitik çözümler son derece zor veya

mümkün değildir. Bu nedenle sayısal çözümler öne çıkmaktadır. Bu kapsamda Zaman

Uzayı Sonlu Farklar, ZUSF (Finite Difference Time Domain, FDTD) yöntemi çözüm

için yoğun olarak kullanılmaktadır [2]. Bu yöntemin kullanılmasında İB-YNR problemi

bir açık uzay (open space) problemi olduğundan, sayısal problem uzayının Soğurucu

Sınır Koşulu (Absorbing Boundary Condition) ile sonlandırılması gereklidir. Böylece

açık uzay şartları benzetim ortamında sağlanmış olmaktadır [3].

Bu çalışmada araca monteli bir İB-YNR sistemi için tasarlanan üç farklı ve çok geniş

bandlı (Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör) antenin tespit başarımı analizi üç

boyutlu ZUSF yöntemi tabanlı XFDTD yazılım paketi kullanılarak incelenmiştir [4].

Antenlerin hava-toprak ara yüzüne göre göre üç farklı açıda (düşük, orta (Brewster) ve

yüksek) yerleştirilmesi durumunda, yatay eksende konumsal saçılan alan dağılımının

hesaplanması ile sistemin erken tespit başarımı incelenmiştir.

158

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

2 YERE NÜFUZ EDEN RADAR

YNR sistemleri elektromanyetik dalgaların farklı ortamlarla etkileşimi prensibine

dayanmaktadır. Farklı elektriksel ortamlarla karşılaşan elektromanyetik dalgaların

enerjisinin bir kısmı söz konusu ortama belli bir açıyla nüfuz eder, geri kalan kısmı da

yansıyarak geri döner. Yansıyarak geri dönen işaret bize farklı bir katmanın/cismin

varlığını gösterir. Ortamın elektromanyetik parametreleri saçılmanın oluşmasında

önemli rol oynar. Şekil 1’de temel bir YNR sitemi blok şeması ve yayılım ortamı

gösterilmiştir.

Şekil 1. Temel bir YNR sistemi blok şeması ve yayılım ortamı.

Şekil 1’e göre D vericiden alıcıya doğrudan iletilen işareti, G hava-toprak arayüzünden

geri yansıyarak alıcıya ulaşan işareti, S ise gömülü cisimden saçılan işareti gösterir.

YNR sistemlerinin başarılı olması için tasarım aşamasında İşaret/Gürültü oranı, Hedefin

yatay çözünürlüğü, Derinlik çözünürlüğü vb. parametreler öngörülmelidir. Bunlarla

birlikte menzil, havadan toprağa geçiş kaybı, topraktan havaya geçiş kaybı, yayılım

kaybı, hedef saçılma kaybı, ortam zayıflama kaybı, parazitler vb. ek parametrelerin de

değerlendirilmesi gerekmektedir.

Bahsedilenler kapsamında YNR probleminin benzetimi Maxwell denklemlerinin verilen

başlangıç ve sınır koşulları altında çözümünden ibarettir. Bu denklemlerin çözümü

kanonik geometriler için analitik olarak elde edilebilmekle beraber, karmaşık

geometriler ve farklı ortam parametreleri için zor olduğundan, sayısal (nümerik) olarak

elde edilir. Bu amaçla geliştirilen yöntemlerden bazıları Sonlu Farklar yöntemi, Sonlu

Elemanlar yöntemi ve Momentler yöntemidir. Özel olarak YNR sistemlerinin benzetimi

için geniş bandlı çözümlere ihtiyaç duyulacağından, zaman uzayı çözümleri önem

kazanmaktadır. Bunlardan biri olan ZUSF çözümleri tam dalga (full wave) çözüm

sağladığından, yukarıda bahsedilen tüm etkileri çözümünde barındırmaktadır [3].

159

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

3 ZAMAN UZAYI SONLU FARKLAR YÖNTEMİ

Zaman Uzayı Sonlu Farklar, ZUSF (Finite Difference Time Domain, FDTD) yöntemi

elektromanyetik problemlerin çözümünde yaygın olarak kullanılmaktadır. ZUSF

toprağın katmanlı ve heterojen modellenmesi ile birlikte, toprak katmanlarının

elektromanyetik parametrelerinin benzetim senaryolarına göre değiştirilebilmesine ve

geniş bandlı kaynakların uygulanmasına imkân sağlayan bir yöntem olduğundan,

gerçekçi YNR benzetimlerinde sık tercih edilmektedir [2], [3].

3.1 Maxwell Denklemleri ve ZUSF Yöntemi

ZUSF yöntemi temelde analitik türevlerin ve bilinmeyen alanların zaman ve konumda

ayrıklaştırılarak zamanda en ileride olanın önceki zamanda yer alan alanlardan iteratif

olarak hesaplanması mantığına dayanır. Örneğin ikinci Maxwell denklemi için

∇ × 𝑯(𝒓, 𝑡) =𝜕

𝜕𝑡𝑫(𝒓, 𝑡) + 𝑱(𝒓, 𝑡) (1)

ifadesinde zamana ve konuma bağlı türev ve alanlar ayrıklaştırılarak bir Yee hücresine

yerleştirilir. Konum ve zaman türevleri sonlu merkezi farklar ile alınarak

𝐸𝑥|𝑖+

12,𝑗,𝑘

𝑛+1 =∆𝑡

𝜀

[ 𝐻𝑧|

𝑖+12,𝑗+1,𝑘

𝑛+12 − 𝐻𝑧|

𝑖+12,𝑗,𝑘

𝑛+12

∆𝑦−

𝐻𝑦|𝑖+

12,𝑗,𝑘+1

𝑛+12 − 𝐻𝑦|

𝑖+12,𝑗,𝑘

𝑛+12

∆𝑧− 𝐽𝑥|

𝑖+12,𝑗,𝑘

𝑛+12

]

+ 𝐸𝑥|𝑖+

12,𝑗,𝑘

𝑛 (2)

şeklinde güncelleme denklemi elde edilir. Burada ∆𝑡 birim zaman adımı, ∆𝑦 ve ∆𝑧

ayrıklaştırılmış uzayın sırasıyla 𝑦 ve 𝑧 ekseni yönündeki birim hücre uzunluklarıdır.

Buradan, zamanda en ileride olan alan üzerinden ve her bir bileşen için ZUSF

güncelleme denklemi elde edilmiş olur. Yukarıda elde edilen denkleme benzer olarak

diğer alan bileşenleri için de güncelleme denklemleri elde edilebilir [3].

3.2 Sayısal Kararlılık

Sınırlı Giriş için Sınırlı Çıkış anlamına gelen sayısal kararlılık kapsamında ZUSF

yönteminin kararlılığı

∆𝑡 ≤1

𝑐[

1

∆𝑥2+

1

∆𝑦2+

1

∆𝑧2]−

12 (3)

olmak üzere Courant–Friedrich–Levy kararlılık koşuluna bağlıdır. Burada 𝑐

elektromanyetik dalganın yayılım hızını gösterir.

160

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

4 İB-YNR SİSTEMLERİNİN ZUSF İLE MODELLENMESİ

Bu kısımda üç boyutta ve toprakla açılı durumda geniş bandlı Horn anten, Vivaldi anten

ve Horn beslemeli Reflektör anten için benzetim sonuçları verilecektir. Sonuçlar her bir

anten için düşük, orta (Brewster) ve yüksek açıda

- Problem uzayının dikey kesitinde toplam elektrik alan dağılımı,

- Alıcı antende indüklenen (alınan) elektrik alanların her birinin zaman uzayı

değişimleri üzerinden hesaplanan konumsal saçılan alanlar

kapsamında ele alınarak, İB-YNR antenlerinin erken tespit başarımı ön görülmeye

çalışılacaktır. Yeterli matematiksel doğruluk sağlanması için kaynağın en yüksek

frekans bileşenine karşılık gelen dalga boyu üzerinden birim hücre uzunlukları

belirlenerek sayısal dispersiyon hataları azaltılmıştır.

4.1 Sayısal Problem Uzayı

İB-YNR problemi için gerçekte üç boyutlu olan ZUSF sayısal problem uzayının iki

boyutlu şematik görünümü Şekil 2’de verilmiştir. Buna göre hava-toprak ara yüzüne

farklı açılarla yerleştirilen anten ile dikdörtgen kesitli iletken gömülü bir cisim için

ZUSF benzetimleri yapılmıştır. Antenin bulunduğu hava bölgesi boş uzay (free space)

ve iletken cismin bulunduğu toprak dielektrik ortam olarak modellenmiştir. Antenlerin

geometrik bakımından daha doğru modellenmesi için sayısal problem uzayı homojen

olmayan şekilde ızgaralanmıştır. Yani antenin bulunduğu bölge daha sık, diğer bölgeler

ise daha seyrek modellenmiştir.

Şekil 2. Homojen olmayan ızgarlama ile İleri Bakan YNR ZUSF benzetim problemi

geometrisinin iki boyutlu şematik gösterilimi.

161

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

Şekil 2’ye göre antenler hava-toprak ara yüzünden sabit bir yükseklikte tutularak yatay

menzil boyunca eş adımlarla hareket ettirilip saçılan alanlar toplanmaktadır. Antenlerin

hava-toprak ara yüzeyi ile üç farklı açı yapması durumunda incelemeler yapılmıştır.

Gömülü cisim 𝑥 ekseni (menzil) boyunca yaklaşık 1.4’üncü metrede yerleştirilmiştir.

Bu kapsamda, örneğin geniş bandlı Vivaldi anten için sayısal problem uzayı

parametreleri Tablo 1’de ve ZUSF parametreleri de Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 1. İB-YNR Problem Uzayı Parametreleri.

Problem uzayı fiziksel boyutları (𝐿𝑥 × 𝐿𝑦 × 𝐿𝑧) 2.5 × 0.4 × 0.75 m3

Gömülü cisim fiziksel boyutları (𝑙𝑥 × 𝑙𝑦 × 𝑙𝑧) 0.06 × 0.06 × 0.06 m3

Vivaldi antenin merkez koordinatları (𝑥𝑎 × 𝑦𝑎 × 𝑧𝑎) 0.2 m × 0.2 m × 0.55 m

Anten merkez koordinatı ile toprak mesafesi 30 cm

Gömülü cismin merkez koordinatları (𝑥𝑐 × 𝑦𝑐 × 𝑧𝑐) 1.4 m × 0.2 m × 0.09 m

Hava bağıl dielektrik sabiti, 𝜀𝑟ℎ𝑎𝑣𝑎 1

Toprak bağıl dielektrik sabiti, 𝜀𝑟𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘

2.5

Hava, toprak ve cismin bağıl manyetik sabiti, 𝜇𝑟 1

Hava ve toprağın elektriksel iletkenliği, 𝜎 0 S/m

Cisim elektriksel iletkenliği, 𝜎𝑐𝑖𝑠𝑖𝑚 5.8 × 107 S/m

Tablo 1’de verilen anten merkez koordinatları, anten beslemesinin dipol modeli olarak

uygulandığı anten adaptör koordinat merkezini göstermektedir. Yine gömülü iletken

cisim merkez koordinatı da kübik kesitli iletken cismin ağırlık merkezine karşılık gelen

koordinatlarına denk gelmektedir.

Tablo 2. İB-YNR için ZUSF Parametreleri.

Homojen birim hücre boyutları (∆𝑥 × ∆𝑦 × ∆𝑧) 2 × 2 × 2 mm3

Homojen olmayan birim hücre boyutları (∆𝑥 × ∆𝑦 × ∆𝑧) 0.5 × 0.5 × 0.5 mm3

Problem uzayı hücre sayısı (𝑁𝑥 × 𝑁𝑦 × 𝑁𝑧) 1639 × 446 × 794

Vivaldi antenin merkez hücre numaraları (𝑖𝑎 × 𝑗𝑎 × 𝑘𝑎) 300 × 223 × 450

Gömülü cismin merkez hücre numaraları (𝑖𝑐 × 𝑗𝑐 × 𝑘𝑐) 1120 × 223 × 60

Birim zaman adımı, ∆𝑡 9.62 × 10−13 sn

Toplam zaman iterasyonu sayısı, 𝑛 15000

Yaklaşık hafıza gereksinimi 20.2 GB

Yaklaşık toplam hesap süresi (Tek bir konum için) 30 saat

Kullanılan bilgisayar işlemci modeli ve hızı Z 800 HP İş İst.

162

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

Homojen ızgaralama durumunda hesap süresi, hafıza ihtiyacı vb. yaklaşık % 30

civarında azalmaktadır. Buna karşın geometrik model daha kaba ızgaralanmaktadır. Bu

durum özelikle anten iç yapısının detaylı olması nedeni ile tercih edilmemelidir.

Özel olarak yatayda düşük açı 25 derece, orta (Brewster) açı 32 derece ve yüksek açı 40

derece olarak alınmıştır. Bu kapsamda orta açı θB = tan−1(√ε2/ε1) formülü gereği

yüzey normali ile 58 dereceye tekabül eden Brewster (orta) açısı olarak seçilmiştir.

4.2 Antenlerin Sayısal Olarak Modellenmesi ve Uyarılmaları

Geniş bandlı Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör antenlerin sayısal problem

uzayındaki üç boyutlu ızgaralı görünümleri ve uyarılmaları (beslemesi) Şekil 3’de

gösterilmiştir. Yapılan tüm benzetimlerde antenler dipol modeli tekniği kullanılarak 0 −

15 GHz frekans spektrumuna sahip çok geniş bandlı (ultra wide-band) Gaussian türü

zaman bağımlılığa sahip dipol kaynak ile uyarılmıştır. Buradaki dipol modeli tekniğinde

dipol kaynağın eksi kutbunu antenin veya koaksiyel kablonun şasesine, artı kutbunun

ise koaksiyel kablonun canlı ucuna yerleştirilmesi ile uyarım gerçekleştirilmektedir.

Geniş bandlı Horn ve Horn beslemeli Reflektör anten bir adet beslemeye sahipken

Vivaldi anten iki adet beslemeye sahiptir. Vivaldi antendeki bu iki besleme yerinden

aynı kaynak türü ile eş zamanlı uyarım yapılmıştır.

Antenlerin geometrik modellerindeki ince detayların gerçeğe yakın olacak şekilde doğru

modellenebilmesi için homojen olmayan ızgaralama tekniği kullanıldığı Şekil 3’de yer

alan beslemelerin gösterildiği kesit görüntülerinden de anlaşılabilir. Bazı yerler daha sık

ızgaralanmışken bazı yerler daha seyrek ızgaralanmıştır. Bu homojen olmayan

ızgaralama tekniği ile hem cisimler doğruya yakın bir şekilde modellenmiş olur hem de

toplam hafıza ihtiyacı optimize edilir.

163

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

a) Geniş bandlı Horn anten ve beslemesi.

b) Vivaldi anten ve beslemesi.

c) Horn beslemeli Reflektör anten ve beslemesi.

Şekil 3. Geniş bandlı Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör antenlerin sayısal

problem uzayındaki ızgaralanmış görünümleri ve uyarılmaları (beslenmesi).

Eş zamanlı besleme

164

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

4.3 Toplam Elektrik Alanın İki Boyutta Konumsal Dağılımları

Üç boyutta ZUSF yöntemi ile çözülen İB-YNR problemindeki Geniş bandlı Horn,

Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör antenlerin orta (Brewster) açıdayken problem

uzayında anlık (6000’inci zaman adımında) bir kesit görüntüsü alınarak iki boyuttaki

alan dağılımları Şekil 4’de gösterilmiştir. Sonuçlara bakıldığında, toprağın etkisi ve

cisimden saçılmalar açıkça görülebilmektedir.

Gen

iş B

and

lı H

orn

Viv

ald

i

Ho

rn b

esle

mel

i R

efle

ktö

r

Şekil 4. Geniş bandlı Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör antenin orta (Brewster)

açıda gömülü iletken cisim ile toplam elektrik alanın konumsal dağılımı.

165

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

4.4 Saçılan Alanların Konumsal Dağılımları

Saçılan alanların hesabında çıkartma (substraction) tekniği kullanılmıştır. Yani saçılan

alanlar, toplam alandan gelen (incident) alanın çıkartılması ile elde edilmiştir. Bu durum

her bir konum için gelen alanın da bilinmesini (hesaplanmasını) gerektirmektedir. ZUSF

yönteminde prensip olarak aynı anda saçılan ve toplam alanın hesaplanma imkânı

Toplam Alan – Saçılan Alan (Total Field – Scattered Field) formülasyonu gereği

mümkün olmasına rağmen, bu tekniğin gömülü cisim içeren katmanlı ve kaynağı

düzlemsel dalga olmayan (anten türü) problemlerde uygulanması pratik değildir. Bu

nedenle gelen alanın bilinmesi için problem uzayında hiçbir saçıcı cisim (scatterer) yok

iken (yani sadece anten var iken) hesap yapılmasına ihtiyaç duyulmuştur [3]. Bu durum

hesap süresinin iki katına çıkmasına neden olmaktadır.

Gen

iş b

and

lı H

orn

Viv

ald

i H

orn

bes

lem

eli

Ref

lek

tör

Düşük Açı Orta (Brewster) Açı Yüksek Açı

Şekil 5. Geniş bandlı Horn, Vivaldi ve Horn beslemeli Reflektör antenlerin düşük, orta

(Brewster) ve yüksek açıda, gömülü iletken cisimden saçılan elektrik alanın toplam

bileşeni |Etoplam(f)|’in maksimum değeri üzerinden konumsal saçılan alan değişimi.

Şekil 5’ya göre veriler toplam elektrik alanın ilgili frekans bandında maksimum genlik

değerleri için hesaplanmıştır. Burada her bir anten 20 cm adım aralıklarla hareket

ettirilmiştir. İletken cisim 7’inci adımda gömülü olduğundan, İB-YNR sisteminin

iletken cismi 7’inci adımdan daha önce tespit etmesi sistemin erken tespit başarı

kriteridir (⨂ simgesi ile 7’inci adım öncesi muhtemel tespit konumları, ● simgesi ile

166

USMOS 2015 ODTÜ, ANKARA

7’inci adım konumu işaretlenmiştir). Antenlere çok yakın konumlarda (5’inci konum

öncesi) topraktan direkt yansımalar nedeni ile tespit yapılmayacağı varsayılmıştır. Bu

kapsamda her bir anten başarımı aşağıda açıklanmıştır:

- Geniş bandlı Horn anten: Düşük açıda bir, orta açıda bir ve iki, yüksek açıda iki adım

önce cismin tespiti mümkün olabilmektedir. Genel olarak iki adım önce tespit prensip

olarak mümkün olmakla beraber, daha başarılı tespit algoritmasına ihtiyaç duyulabilir.

Özel olarak 7’inci adıma yakın bölgedeki Brewster açısında yüksek genlik değerleri

elde edilmiş ve tespit açısından daha etkin (net rezonans karakteristiği) bir saçılan alan

dağılımı gözlenmiştir.

- Vivaldi anten: Düşük açıda iki, orta açıda bir ve üç, yüksek açıda iki ve üç adım öncesi

tespit mümkündür. İki ve daha fazla adım öncesinde tespit için klasik bir tespit

algoritması yeterli görünmektedir. Özel olarak 7’inci adıma yakın bölgedeki Brewster

açısında rezonans davranışı genişlemiştir.

- Horn Beslemeli Reflektör anten: Kabaca düşük açıda iki ve üç, orta açıda iki ve üç,

yüksek açıda dört adım öncesi tespit mümkündür. İki ve daha fazla adım öncesinde

tespit için klasik bir tespit algoritması yeterli görünmektedir. Özel olarak 7’inci adıma

yakın bölgedeki Brewster açısında rezonans davranışı genliği azalmıştır.

5 SONUÇ

Sonuçlar her bir antenin farklı durumlarda kendine has avantaj ve dezavantajları

olduğunu göstermektedir. Ama genel olarak alan dağılımının detayı bakımından en

etkin antenin Vivaldi türü anten ve açının da Brewster açısı olduğu söylenebilir. Bunun

yanında uygulanacak tespit algoritmasının anten performansı kapsamında tespit

başarımın önemli ölçüde etkileneceği açıktır. Tüm bunlar göz önüne alındığında, İB-

YNR konusunda çok daha fazla araştırmanın yapılması gerektiği sonucuna varılabilir.

Hâlihazırda İB-YNR sistemlerinin çok yaygın olmamasının sebebi söz bahsedilen

zorluklar olarak düşünülmektedir.

Bu çalışma, TÜBİTAK tarafından 110E220 numaralı 1001 projesi ile desteklenmiştir.

6 KAYNAKÇA

[1] Daniels D.J., (1996), Surface Penetrating Radars, The Institution of Electrical Engineers, London,

UK.

[2] Öztürk E., Başaran E., Aksoy S., (2011), Numerical Modeling of Ground Penetrating Radar,

SubChapter in Subsurface Sensing Book from J. Wiley & Sons Inc.

[3] Aksoy S., (2015), Zaman Uzayı Sonlu Farklar Yöntemi, Ders Notları, Elektronik Mühendisliği

Bölümü, Gebze Teknik Üniversitesi, Gebze, Kocaeli, Türkiye.

[4] XFdtd® EM Simulation Software, Remcom, http://www.remcom.com/xf7

167