3 - Radar Sinyallerinin Yayılımı: Atmosfer ile Mücadele

Radar Sinyallerinin Yayılımı: Atmosfer ile Mücadele

Bu yazı, MIT Lincoln Laboratuvarı "Introduction to Radar Systems" ders serisinin üçüncü bölümünü (Lecture 3 - Propagation Effects) temel almaktadır. Radar sinyalleri antenden hedefe ve geri dönerken atmosferden geçer. Bu "çorba" içinde neler olduğunu anlamak, radar performansını doğru tahmin etmek için kritik öneme sahiptir.

1. Yayılım Etkileri: Genel Bakış

Radar sinyali antenden çıkıp hedefe ulaşana ve geri dönene kadar atmosferden geçer. Bu "çorba" olarak adlandırılan ortam, sinyali dört farklı şekilde etkiler:

Zayıflama (Attenuation): Atmosfer, sinyalin bir kısmını emer veya saçar.

Yansıma (Reflection): Sinyal yer yüzeyinden yansıyarak doğrudan sinyalle karışır.

Kırınım (Diffraction): Sinyal, engellerin arkasına "bükülür".

Kırılma (Refraction): Atmosferin değişen yoğunluğu sinyali eğer.

2. Atmosferik Parametreler

Atmosferin özellikleri yükseklikle dramatik şekilde değişir:

• Sıcaklık: Deniz seviyesinde 20°C iken, 10 km yükseklikte -50°C olabilir.

• Basınç: Yükseldikçe azalır (Everest zirvesinde deniz seviyesinin ~1/3'ü).

• Su buharı: Yükseldikçe azalır.

• Kırılma indisi: Tüm bu faktörlere bağlıdır ve sinyalin nasıl büküldüğünü belirler.

3. Atmosferik Zayıflama

Elektromanyetik dalgalar atmosferden geçerken enerji kaybeder. Bu kayıp, frekansa güçlü şekilde bağlıdır.

3.1 Su Buharı ve Oksijen Emilimi

Atmosferdeki su buharı ve oksijen molekülleri, belirli frekanslarda güçlü emilim gösterir:

Su buharı rezonansı: ~22 GHz civarında güçlü emilim

Oksijen rezonansı: ~60 GHz civarında çok güçlü emilim

Pratik sonuç: Bu frekansların yakınında radar inşa etmekten kaçınılır.

3.2 Frekansa Göre Zayıflama

Kritik gözlem: 50 km menzil için 0.1 dB/km zayıflama = 10 dB iki yönlü kayıp. Bu, alınan gücün 1/10'una düşmesi demektir!

3.3 Yağmur ve Sisin Etkisi

Yağış varsa, zayıflama dramatik şekilde artar:

• Yağmur damlacıkları sinyali saçar ve emer.

• Etki, frekansla güçlü şekilde artar.

• X-band ve üzeri frekanslarda orta yağmurda bile ciddi kayıplar oluşur.

• Düşük frekanslar (L, S-band) yağmura karşı daha dayanıklıdır.

Tasarım sonucu: Yüksek frekanslı radarlar genellikle kısa menzillidir veya atmosferin üzerinde (uçak, uzay) çalışır. Uzun menzilli gözetleme radarları düşük frekanslarda çalışır.

4. Çoklu Yol (Multipath) ve Girişim

Yer yakınında çalışan radarlar için kritik bir etki: sinyal hedefe iki yoldan ulaşır.

4.1 Doğrudan ve Yansıyan Yol

Doğrudan yol: Radar → Hedef → Radar (düz çizgi)

Yansıyan yol (Multipath): Radar → Yer → Hedef → Yer → Radar

Bu iki sinyal hedefe farklı fazlarla ulaşır ve birbirleriyle girişim yapar.

4.2 Girişimin Sonuçları

Faz farkına bağlı olarak:

Yapıcı girişim: Gerilim 2 kat → Güç 4 kat → İki yönde 16 kat artış!

Yıkıcı girişim: Gerilim 0 → Güç 0 → Tamamen kör nokta!

Sonuç: Yapıcı girişimle menzil 2 katına çıkabilir, yıkıcı girişimle sıfıra düşebilir.

4.3 Lob Yapısı

Girişim, yükseklik açısına göre değişir. Bu, "loblaşma" adı verilen bir yapı oluşturur:

• Belirli yükseklik açılarında maksimum tespit (yapıcı girişim)

• Aralarında minimum tespit veya kör noktalar (yıkıcı girişim)

• Lob sayısı frekansla artar (yüksek frekans = daha fazla lob)

• Düşük frekans = daha az ama daha geniş loblar

4.4 Yüzey Yansıtıcılığı

Yansıma katsayısı (Γ) yüzeye bağlıdır:

5. Kırınım (Diffraction)

Elektromanyetik dalgalar, engellerin arkasına "bükülür". Bu, geometrik optiğin öngörmediği bir davranıştır.

5.1 Günlük Hayattan Örnekler

• Tsunami dalgalarının yarımadayı dolanması

• Konferans salonunda kapının arkasından konuşmacıyı duyabilme

• Dalgakıranın arkasında deniz dalgalarının oluşması

5.2 Radar İçin Anlamı

Kırınım bölgesi: Radardan ufuk noktasına çizilen teğet çizgisinin altındaki alan. Bu bölgede sinyal var ama şiddetli zayıflama yaşanır.

Frekans etkisi:

• Düşük frekanslar daha iyi kırınım yapar (ufuk ötesi tespit kolaylaşır).

• Yüksek frekanslar neredeyse geometrik optik gibi davranır.

• Örnek: L-band'de 60 km'de 60 dB kayıp, X-band'de 80 dB kayıp.

5.3 Multipath vs Kırınım Trade-off'u

6. Atmosferik Kırılma (Refraction)

Işığın bardaktaki kaşığı "kırık" göstermesi gibi, radar sinyali de atmosferde bükülür.

6.1 Kırılma İndisi

Kırılma indisi (n): Işık hızının vakumdaki hızına oranı.

Deniz seviyesinde n ≈ 1.000350 (vakumdan sadece 350 ppm farklı). Ancak bu küçük fark, uzun mesafelerde önemli bükülmelere yol açar.

Kırılma indisi şunlara bağlıdır:

• Sıcaklık

• Basınç

• Su buharı kısmi basıncı

6.2 Refraktivite ve Atmosfer Tipleri

Refraktivite (N): (n - 1) × 10⁶ ile tanımlanır. Yükseklikle azalır.

6.3 4/3 Dünya Modeli

Hesaplamaları basitleştirmek için, normal atmosferde radar ışınının eğriliği, Dünya'nın yarıçapını 4/3 ile çarparak "düzleştirilmiş" bir modelle temsil edilir.

Eşdeğer Dünya yarıçapı = k × a,  k = 4/3 (normal atmosfer)

6.4 Kanallama (Ducting)

Aşırı süper-kırılma koşullarında, radar sinyali Dünya'nın eğriliğini takip eder ve bir "kanal" içinde ilerler.

• Alçak irtifa tespiti dramatik şekilde uzar.

• Ancak beklenmedik "delikler" (kör noktalar) oluşabilir.

• Normalde görülmeyecek mesafelerde yer karmaşası görülebilir.

Gerçek örnek: Boston yakınlarındaki bir radar, kanallama koşullarında Cape Cod'dan (100+ km uzaklık, deniz seviyesinden sadece 30 m yükseklikte) yer karmaşası tespit etmiştir — normalde imkansız.

Bu Bölümde Ne Öğrendik?

✓ Atmosferik zayıflamanın frekansa bağlılığı

✓ Su buharı ve oksijen emilim bantları

✓ Yağmur ve sisin radar performansına etkisi

✓ Multipath yansıma ve loblaşma mekanizması

✓ Yapıcı/yıkıcı girişimin menzile etkisi

✓ Kırınım ve ufuk ötesi tespit

✓ Kırılma indisi ve atmosfer tipleri

✓ 4/3 Dünya modeli

✓ Kanallama (ducting) fenomeni

Tasarım kuralı: Uzun menzil ve tüm hava koşulları için düşük frekans; yüksek çözünürlük ve kompakt boyut için yüksek frekans. Yayılım etkileri bu trade-off'u belirler.

Kaynak: MIT Lincoln Laboratory, "Introduction to Radar Systems Online" - Lecture 3: Propagation Effects, 2018.