Radar ve Sonar Sistemler

2

Denizaltının aktif ve pasif alıcılarıDenizaltının aktif alıcılarıKlasik denizaltılar, nükleer denizaltılar gibi hızlı hareket edemediğinden bunlar için aktif alıcılar son derece önemlidir. Denizaltılar için önemli aktif alıcılar şunlardır;a. Radarlarb. Aktif SonarlarDenizaltının Pasif Alıcıları Kendisi herhangi bir işlemde bulunmadan sadece dinleme/gözlem halindeki alıcılardır.a. Periskopb. Pasif Sonar

3

Radar nedir, nasıl çalışır?(Radio Detecting And Ranging) Radar, bir vericinin atmalar (pulse) halinde yaydığı radyo

dalgalarının yolları üzerindeki isimlerden yansıyarak geri dönmesi ve bir alıcı tarafından yakalanması ilkesine göre çalışır.

Alıcı geri dönen yankıdan hedefin yönünü ve mesafesini, iki yankı arasında geçen zamandan da hızını belirleyebilir. Hedef doğrudan radara geliyorsa veya uzaklaşıyorsa Doppler etkisi sayesinde gene hız belirlenebilir.

4

Radarda Menzil Tayini (1)

Mesafe yüksek frekanslı sinyalin yayılma süresi ve c0 yayılma hızından faydalanılarak hesaplanır. Hedefin gerçek mesafesine eğik menzil denir. Eğik menzil radarla sinyalin yollandığı hedef arasındaki kuş uçuşu mesafedir.

Yatay mesafe hedefin yeryüzündeki izdüşüm noktası ile radar arasındaki yatay mesafe olup tek başına gerçek mesafeyi vermez, ayrıca hedefin yüksekliğinin de bilinmesi gerekir. Süre hesabında dalganın hem gidişini ve hem de dönüşünü dikkate almak gerekir. Eğik menzil formülü:

5

Radarda Menzil Tayini (2)

R = eğik menzil (m)

t = geçen süre (s)

C0 = ışık hızı = 3.10 8 m/s

Şimdi bu formülü nasıl elde ettiğimizi detaylı olarak görelim. Yalnız burada hatırlatmamız gereken önemli bir husus vardır. Mesafe birimi olarak hava trafiğinde tarihsel nedenlerden ötürü olarak deniz mili kullanılmaktadır. Hava savunma kapsamında ise kilometre kullanılmaktadır.

6

Radarda Menzil Tayini (3)v = hız (m/s)

s = menzil (m)

t = zaman (s)

Paydaki 2 rakamı radar sinyalinin gidiş ve geliş süresince iki defa gidip gelmesinden ötürüdür. Sonuç m/s’dir.

C0 = 3.10 8 m/s elektromanyetik dalgaların yayılma hızıdır.

Eğer t süresi bilinirse yukarıdaki formülden radarla hedef arasındaki R menzili hesaplanabilir.

7

Radar Denklemi (1)

Radar denklemi radardan gönderilen enerjinin, dalganın yayılmasından başlayarak yansıyan sinyallerin alınmasına kadar geçen evredeki fiziksel ilişkilerini ifade etmek için kullanılır. Bir radar setinin performansının değerlendirmesi de radar denklemi kullanılarak yapılır.

Eğer yüksek frekanslı enerji izotropik bir vericiden yayın yapıyorsa enerji her yöne eşit dağılır. Eşdeğer güç yoğunluğuna sahip alanlar vericinin etrafında R yarıçapı uzaklığında alanı A= 4π·R² olan bir küreler oluşturur. Küre yarıçapı artıkça enerji daha geniş bir yüzeye dağılacağından birim alana düşen güç yoğunluğu azalmış olacaktır. Dağıtık Güç Yoğunluğu

8

Radar Denklemi (2)

PS : gönderilen güç [W]Su : dağıtık güç yoğunluğuR1 : anten-hedef menzili [m]

Yönlendirilmiş enerji yoğunluğu formülü ise şöyle hesaplanır.Sg = Su · GSg : yönlendirilmiş enerji yoğunluğuG : anten kazancı

9

Radar Denklemi (3)Su güç yoğunluğunda bir enerjiden hedeften geriye yansıyan güç Pr, anten kazancı G ve çok değişken radar kesiti σ ise

Yansıyan sinyallerin dönüş yönünde koşullar geliş yönündeki koşullarla aynı olduğu alınma noktasında ki güç yoğunluğu Se:

Se = alınma noktasında ki güç yoğunluğuPr = yansıyan güç [W]R2 = hedef-anten menzili [m]

Pr = geriye yansıyan güçσ = radar kesitiR1 = anten-hedef menzili [m]

10

Radar Denklemi (4)

Radar anteninde alınan güç alınma noktasındaki güç yoğunluğu SE ve anten etken alan yüzeyi AW ye bağlıdır

PE = alınma noktasında ki güç [W]AW = etken anten alanı [m²]

Etken anten alanı bir antenin mutlaka kayıpları olmasından hareketle söz konusu olmaktadır, yani antenin tüm geometrik yüzeyi bir alma yüzeyi olarak çalışmaz. Etken anten alanının, anten yüzeyinin 0.6 ila 0.7 katı (Ka katsayısı) olduğu söylenebilir. Etken anten alanı:

AW = etken anten alanı [m²]A = geometrik anten alanı [m²]Ka = katsayı

11

Radar Denklemi (5)Alınma noktasında ki güç PE:

12

Radar Denklemi (6) Şimdiye kadar hesaplamaları gidiş ve geliş yönünde ayrı ayrı yaptık.

Şimdi bir adım daha atacak ve bunları birleştireceğiz: Gidiş menzili (anten-hedef) R1 ve dönüş menzili (hedef-anten) R2 aynı olduğunda yerlerine R kullanacağız ve

13

Radar Denklemi (7)

Anten kazancı G’nin dalga boyu λ cinsinden ifade edildiği bir eşitlik daha vardır (bu eşitliğin nasıl çıkarıldığını burada anlatmayacağız).

Eğer bu formülde anten alanı A yı çözüp daha yukarda ki PE eşitliğine yerleştirir ve kısaltmaları yaparsak aşağıdaki eşitliği buluruz:

14

Radar Denklemi (8) Bu eşitlikleri radar menzili R için düzenlersek klasik formülü ortaya

çıkar:

Yukarıdaki kuramsal açıklamalar bizi radar denklemini pratikte de pekala kullanma yolunu açtı. Örneğin bir radarın verimliliği bu formülü kullanarak sorgulanabilir. Daha ileri kapsamlarda bu klasik radar denkleminin kullanılması uygun değildir. Başka hususların da dikkate alınması gerekir.

15

Radarda Yön Tayini (1)

Hedefin açısal konumu anten yönlülüğü (directivity) ile belirlenir.

Yönlülük, bir antenin gönderdiği enerjinin belli bir yönde yoğunlaşma kabiliyetidir. Yönlülük kazanç olarak ta bilinir.

Yüksek yönlülüğe sahip bir anten, yönlü anten olarak adlandırılır. Anten, yansıma sinyalinin alındığı hedefe hassas olarak yönelmiş iken azimut ve yükseklik açıları tespit edilebilir.

Açısal değer ölçümlerinin hassasiyeti antenin yönlülüğüne bağlıdır. Anten yönlülüğünün kalitesini antenin boyutları belirler.

16

Radarda Yön Tayini (2)

Radar ünitesi sıkça çok yüksek Frekans-larda çalışır. Bunun nedenleri şöylesıralanabilir:

elektromanyetik dalga yayılımın optiksel özellikler taşıması,

yüksek çözünürlük (dalga boyu küçüldükçe daha küçük boyutta ki nesnelerin algılanması kolaylaşır).

aynı anten kazancı, daha yüksek frekanslarda daha küçük boyutlu antenlerle sağlanabilir.

17

Radarda Yön Tayini (3) Enerji bir çok radar anteninden, anten mekanizması ile

birlikte dönen tek yönlü bir demet veya ışın ile yayılır. Şekilden görüldüğü üzere; ışının şekli öyledir ki, ışın hedefi tararken yankı sinyalinin genliği değişir.

Pratik uygulama da radar antenleri durmadan dönerler ve ışın hedefi tararken en fazla yankının alındığı nokta algılama devreleri yada operatörün gözlemi sayesinde tespit edilir.

18

Açının aktarılmasıDönen antenlerde aktarım servo ve azimuth değişim darbeleri

yöntemi ile gerçekleştirilir.a) Servo sistemler: eski radar antenleri ve füze fırlatma

rampalarında kullanılmakta olup dönüş bildirim vericileri ve dönüş bildirim alıcılarının yardımı ile çalışırlar.

b) Azimuth: Yeni radar sistemleri artık azimut değişim darbeleri (Azimuth-Change-Pulses) adı verilen yöntemi kullanıyorlar. Antenin her bir dönüş turunda, kodlayıcı darbeler gönderilir ve bu darbeler ekranda sayılır.

Yeni radar ünitelerde ise mekanik dönüş hareketi kısmen veya tamamen terk edildi. Bu radarlar azimut ve yükseklik açısını tespit etmek üzere elektronik faz taraması yöntemini kullanmaktadır. (Faz Dizi antenler)

19

Azami Menzil Belirsizliği Bir radarın ünitesinin Rmaks azami ölçme mesafesi, sadece radar

denklemiyle belirlenen değerine göre değil, aynı zamanda sinyal alış süresi dikkate alınarak hesaplanır.

Radardaki süre ölçme sistemi her yeni darbe gönderildiğinde sıfırlanır. Bu, algılanan menzilin her defasında sıfırdan başlayarak ölçülmesini sağlamak için yapılır.

Alım zamanından sonra varan yansıma sinyalleri gönderim zamanı içinde yer alır ve dikkate alınmaz. Çünkü bu süre boyunca radar donanımı sinyal almaya hazır değildir, veya bir sonraki alma zamanı içinde yer alır ve ölçüm hatalarına veya menzil belirsizlik hatalarına yol açarlar.

Bir önceki gönderilen darbeye ait, çok uzaklardan yansıyan bu sinyaller, yeni gönderilen darbeye ait alınan yansımalarla karışıklıklara sebep olur ve Menzil Aşımı denilen bir hataya yol açar. Modern sayısal alıcılarda, yansımalarda oluşan bu menzil aşım hataları giderilmeye çalışılmaktadır.

20

Azami Menzil Formülü

PW (darbe genişliği): bir hedef işareti üretmek için gerekli yankı darbelerinin tamamının dönmesi için gerekli süre olarak alınmalıdır.

Radarın Darbe Tekrarlama Zamanı (Pulse Repetition Time, PRT) azami menzil tayininde önem kazanmaktadır, çünkü darbe tekrarlama zamanını aşan, hedeften dönüş süreleri radar ekranında (PPI-scope) yanlış noktaların görüntülenmesine yol açarlar. Bunlar yanlış menzil dönüşleri, şüpheli dönüşler veya ikinci-süpürme yansımaları olarak adlandırılır.

µs (mikro saniye) =10-6 sn

Rmaks azami ölçme mesafesi

21

Azami Menzil Ölçüm Uyarıları Gönderilen darbelerin tekrarlama frekansı ekranda

görüntülenebilecek azami menzili etkiler. Ekranda görüntülenen mesafenin, radar denklemiyle

belirlenen azami ölçme uzaklığını aşmaması gerekir. Görüntüleme eyleminin, bir sonra ki darbe gönderilmeden

önce bitmiş olması gerekir.

Yukarıdaki resimde 400 km mesafedeki ikinci-süpürme yansıması görülmektedir. Menzil aşımı mesafeden gelen bu yansıma hatalı bir menzilin görüntülenmesine sebep oluyor.

22

Azami Menzil Ölçüm Uyarıları Sürekli değişen (yalpalayan) bir darbe tekrarlama frekansı ile,

menzil ötesi mesafelerden yansıyan hedef işaretleri ekranda küçük bir yay parçasından başka bir şekilde görünmez.

Bu yansıma, sinyal alım süresinin bir darbeden diğer bir darbeye değiştiği bir ortamda, kullanılan radar cihazının cinsine özgü bir noktalar kümesi olarak ekranda görüntülenir. Bu ayrım özelliği sayesinde bilgisayar kontrollü sinyal işlemcisi doğru menzili hesaplayabilir. Bu olay katlanmanın giderilmesi olarak adlandırılır.

23

Modern Radarlarla Sorunun Çözümü Faz Dizi Anten kullanılan, daha

modern 3D (üç boyutlu) radarlarda (örneğin RRP-117 gibi), artık bu menzil aşımından kaynaklanan hedefin belirlenmesindeki sorunları yaşamıyoruz. Bu sistemdeki bilgisayar, belirlenen bir şemaya uygun olarak, her gönderim darbesini ayrı ayrı yönlere yollar. Takip eden alım zamanı içinde bir yansıma geldiğinde, anten diyagramı çoktan tümüyle farklı bir yükseklik açısına yönelmiş olur.

AN/TPS-59

24

Modern Radarlarla Sorunun ÇözümüResimde IFF yanıtı bulunan normal bir hedef işaretini ve bunun yanında sürekli değişen Darbe Tekrarlama Frekansı kullanılarak elde edilen IFF in menzil ötesinden alınan işaretini göstermektedir. Burada şuna dikkat edilmelidir: IFF birincil radarın her senkron darbesini kullanmamaktadır. (Böyle çok sayıda IFF-menzil aşımlarının yarattığı rahatsızlık Sorgulama Vericisinin çıkış gücünün kısılması ile azaltılabilir.)

Bir şüpheli yansıma (ince daha uzun yay- IFF-yanıtlı olan için; kalın daha kısa yay bir birincil radara ait yansıma) ve yalpalayan Darbe Tekrarlama Frekansı kullanılan şüpheli IFF - yanıtı (nokta kümesi biçiminde)

25

Asgari Ölçme Menzili

Bir monostatik darbe radarı, sinyal gönderilirken ve alınırken aynı anteni kullanır. Sinyal gönderme sırasında, yansıma sinyalleri alınamaz, yani radar alıcısı devre dışıdır. Asgari ölçme menzili Rmin (kör menzil), antenle hedef arasında, hedefin algılanabilmesi için gerekli asgari mesafedir. Hedefin algılanabilmesi için, gönderim darbesi bütünüyle radarı terk etmiş ve radar sinyal alma moduna geçmiş olmalıdır. Yakındaki hedeflerin algılanabilmesi için gönderim süresi olabildiğince kısa tutulmalıdır.

26

Aktif Sonar nedir, nasıl çalışır?(Sound Navigation And Ranging) Radarla aynı esasa göre çalışan sonarlar,

elektromanyetik dalga yerine ses dalgası gönderir. Gönderilen "Ping"'in frekansı arttıkça hedefe çarpıp dönme mesafesi kısalır. Bu frekansın "Kesinliği" fazladır ve cihazları az yer kaplar.

Marmara denizi gibi kesafet çeşitliliği nedeniyle tabakası fazla denizlerde yüksek frekansın etkinliği iyice azalır. Alçak frekans uzak mesafelere gidebilir fakat bu frekansın seçiciliği azdır ve cihazları çok yer kaplar. Klasik denizaltı için dikkatle kullanılması gereken cihazdır.

27

Sonar 1918 yılında Fransız Pierre LANGEVIN ve ekibi ilk kez

SONAR sistemini icat ettiler. Sonarlar denizlerde denizaltıların ve balık sürülerinin yerini tespit etmek, su derinliğini ölçmek vb. işlerde, tıpta hastalıkların teşhisinde ultrasonografi adıyla kullanılan araçtır.

Günümüze kadar da teknolojiye paralel bir gelişim gösterdi.

28

Sonar Sistemler

29

Sonar Sistemi Oluşturan Parçalar

Göndermeç, Transducer, Almaç, Sinyal işleyici, Görüntüleme Ünitesi Kayıt ünitelerinden oluşur.

30

Göndermeç, Transducer, Almaç Göndermeç; yüksek genlikli, kısa süreli vurumları üretir

ve uygun vurum tekrarlama hızı ile (pulse repetition frequency PRF) gönderir.

Transducer; ultrason dalgalarının gönderilmesi ve algılanmasını sağlar.

Almaç ise gönderilen dalgaların gönderildiği ortamdaki çeşitli objelerden yansıyarak gelen kısmını algılama ve yükseltme işlemlerini yapar.

Göndermeç, Transducer ve Almaç tek bir birimde toplanmıştır. Örneğin teknelerde bu birim yandaki şekillerde görüldüğü gibidir.

31

Sinyal işleyici, Görüntüleme ve Kayıt üniteleri Sinyal işleyici görüntülemeye hazır hale gelen bilgilerin

genel bir CRT (Cathode Ray Tube) ekran yardımıyla görüntülendiği birimdir.

Görüntüler ekranda gösterileceği gibi polaroid kamera, multiformat kamera, video-tape (VTR) recorder veya strip chart (termal) recorder yardımıyla kaydedilip saklanabilir.

32

Sonar ÖrneklerAşağıdaki resimlerde 6 kanal sonar sistemine sahip robot bir süpürge görülmektedir.

33

İleriyi Gösteren Sonarlar(Forward Looking Sonar -FLS) FLS’ler devamlı resim çizmeyip denizin altındaki tüm

görüntüyü tarayıp birkaç saniye içinde ekrandaki bilgiyi devamlı yenilemektedir.

Eğer ileride herhangi bir tehlikeli nesne var ise bu bilgi ekranda hemen gösterilecek ve tekne farklı bir yöne dönerse ekrandaki bilgi hemen değişecektir.

FLS cihazı her bilgi yenileyişinde 100.000 hesap yapabilmektedir. FLS’de bulunan mikroişlemci saniyede 10 milyon hesabı yapacak kapasitedir.

Genelde aracın kendi gövdesi üzerine ileri ve biraz da aşağı bakacak şekilde monte edilirler. Genel gezi sistemlerinde, mayın tespitinde ve su altı araçlarının birbirini takibinde kullanılırlar.

34

İleriyi Gösteren Sonarlar

35

Denizaltının pasif alıcıları Kendisi herhangi bir işlemde bulunmadan

sadece dinleme/gözlem halindeki alıcılardır.a. Periskopb. Pasif Sonar

Yandaki resimde bir periskop görülmektedir.

36

Periskop (1) 1854 yılında Fransız Marie Dawey, aynalarla ilk periskobu yapmış

1872’de prizmaları kullanmıştır. Prizmadan ve merceklerden oluşan ABD SSN denizaltılarında kullanılan Kollmorgen T18 gibi periskoplara; - radar, - lazer mesafe ölçer, - tv kamerası, - fotoğraf makinası, - ESM anteni, - UHF anteni, - Gece görüş sistemi, - Kızılötesi alıcı - Işıkla haberleşme (Mors) ilave edilmektedir.

37

Periskop (2)

Virginia sınıfı denizaltılarda köklü bir değişiklik ile periskop konmayıp yerine;

- “Photonics mast” denilen ve mukavim tekne dışında sürülebilen iki direkte yüksek çözünürlüklü kameralar, - Kızılötesi, - Düşük seviye ışık görüntüleyici, - lazer mesafe ölçer, - Elektromanyetik dalga tespit -ESM- sensörü ile donatılmış bir “Şapka” mevcuttur. Veriler, fiberoptik kablolarla iletilmektedir.

ESM: Hava, kara veya denizden yapılan her türlü elektromanyetik intişarı (Radar veya telsiz yayınını) tespit eder ve ekranında yönünü görüntüler. Eğer gelen elektromanyetik dalgayı analiz edebilme imkanı varsa; hafızasına kaydedilmiş bilgilerle karşılaştırarak, gemi ismine kadar tanımlayabilir.

38

Pasif Sonar nedir, nasıl çalışır? Su altındaki her türlü sesi dinlemeye imkan veren

cihazdır. Tekne dışındaki Hydrophone denilen algıçlarına gelen

ses titreşimlerinin, düşük voltajlarda elektrik enerjisine dönüşmesi esasına göre çalışır.

Yakın tarihe kadar operatörlerin kulak hassasiyeti ve tecrübesi ile etkili bir şekilde kullanılabilen bu cihaz; frekans bandının genişletilmesi ve kütüphanesine, su altında duyulabilecek sesleri tanıma için karşılaştırma yapabileceği örnekler kaydedilmesi sayesinde, operatöre net analiz sonuçları vermekte ve tespitinde yardımcı olmaktadır.

39

Kaynaklar Vikipedi – Özgür Ansiklopedi http://tr.wikipedia.org Radar bilgi sitesi

http://www.radartutorial.eu http://www.denizaltici.com Sonar Sistemler Ders Notları, Yrd.Doç.Dr. Hasan

Hüseyin Balık, Beykent Üniversitesi http://www.hasanbalik.com

Ed Tucholski, United States Naval Academy, Assistant Professorhttp://www.nadn.navy.mil/Users/physics/ejtuchol/