i ÖZET Yüksek Lisans Tezi ÖZEL GEOMETR YE SAH PCS MLER N

ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
ÖZEL GEOMETRİYE SAHİP CİSİMLERİN KIZILALTI IŞIMALARININ
MODELLENMESİ
Senem GÜCÜYENER ZALOĞLU
Ankara Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. Hüseyin SARI
Hava araçları, motorlarının ve egzoz gazlarının sahip oldukları yüksek sıcaklıktan ötürü
kızılaltı güdümlü füzeler için önemli hedefler olmaktadır. Yayılan ışımanın değeri ise
kızılaltı imza olarak adlandırılmakta; hedefin kendi ısı kaynaklarıyla oluşturduğu ve
bulunduğu ortamdaki güneş, yer, gökyüzünden yayılıp hedef üzerinden yansıyan
ışımaların toplamından oluşmaktadır. Kızılaltı imzanın belirlenmesi güdümlü füzelerin
ve karşı tedbir sistemlerinin geliştirilmesi için önemlidir. NIRATAM (Nato Infrared Air
Target Model) yazılımı hava araçlarının 2-25 µm aralığındaki kızılaltı ışımalarını
modellemektedir. Bu çalışmada, kızıaltı ışımanın özellikleri, kızılaltı bögede çalışan
dedektörler, ışıma kaynakları hakkında bilgi verilmiş ve NIRATAM yazılımının çalışma
yöntemi açıklanmıştır. F-5 jet uçağı kızılaltı ışımasının, dalgaboyuna, görüş açısına,
uçuş ve ortam koşullarına göre değişimi NIRATAM yazılımından elde edilen sonuçların
literatür bilgileriyle karşılaştırılmasıyla analiz edilmiştir.
Mart 2010, 79 sayfa
Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik spektrum, kızılaltı bölge, Planck Yasası, siyah
cisim ışıması, NIRATAM, egzoz izi ışıması, arkaplan ışıması.
i
ABSTRACT
Master Thesis
MODELING OF INFRARED RADIATION FROM TARGETS WHICH HAVE A
SPECIAL GEOMETRY
Senem GÜCÜYENER ZALOĞLU
Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Physics Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Hüseyin SARI
Since air vehicles have very high motor and exhaust plume temperature, they are very
obvious targets for IR guided missiles. The total IR radiation of such a target which is
called infrared signature is sum of its own IR sources and IR radiation coming from sun,
ground, sky and reflected from the target. Calculation of the IR signature is important
for development of the guided missiles and the countermeasures systems. NIRATAM
(Nato Infrared Air Target Model) calculates the IR Radiation of air vehicle between 225 µm wavelengths. In this thesis, features of IR radiation, detectors operating at IR
region and IR sources are described. In addition, the application of NIRATAM is also
described. IR radiation calculations are made by using F-5 jet aircraft model. The IR
radiation results obtained from NIRATAM for different environmental conditions, flight
conditions, aspect angles and wavelength are analized by comparing with the literature.
March 2010, 79 pages
Key Words: Electromagnetic spectrum, infrared region, Planck Law, blackbody
radiation, NIRATAM, exhaust radiation, background radiation
ii
TEŞEKKÜR
Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi ve önerilerini
esirgemeyen, Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümünden danışman hocam
sayın Doç. Dr. Hüseyin SARI’ya teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarım süresince önemli katkılarda bulunan Roketsan A.Ş.’deki değerli çalışma
arkadaşlarıma teşekkür ederim.
İkinci ailem olan; Berrin ZALOĞLU’na, Veli ZALOĞLU’na ve Melike ZALOĞLU’na
manevi desteklerinden dolayı teşekkür ederim.
Beni bu günlere getiren değerli annem Gülşen GÜCÜYENER ve babam Mehmet
GÜCÜYENER’e bana olan güvenlerinden dolayı şükranlarımı sunarım. Sevgili
kardeşlerim Gizem GÜCÜYENER ve Serdar GÜCÜYENER’e benim için her zaman
mutluluk kaynağı olup, moral verdikleri için teşekkür ederim.
Tez çalışmamın tamamlanmasında en büyük katkıya sahip olan biricik eşim Emrah
ZALOĞLU’na, birçok fedekarlıklar göstererek, her konuda yardımlarını hiç
esirgemediği ve desteğiyle beni ayakta tuttuğu için teşekkür ederim.
Senem GÜCÜYENER ZALOĞLU
Ankara, Mart 2010
iii
İÇİNDEKİLER
ÖZET................................................................................................................................. i
ABSTRACT ..................................................................................................................... ii
TEŞEKKÜR ...................................................................................................................iii
SİMGELER DİZİNİ……………………………………………………………………v
ŞEKİLLER DİZİNİ…………………………………………………………………....vi
ÇİZELGELER DİZİNİ ...............................................................................................viii
1. GİRİŞ ........................................................................................................................... 1
2. KAYNAK ÖZETLERİ ............................................................................................... 3
2.1 Elektromanyetik Dalgalar ........................................................................................ 3
2.2 Elektromanyetik Spektrum ...................................................................................... 5
2.3 Radyometrik Terminoloji......................................................................................... 7
2.3.1 Radyometrik akı ..................................................................................................... 8
2.3.2 Radyometrik şiddet ................................................................................................ 8
2.3.3 Işınım girişi/yayılımı .............................................................................................. 9
2.3.4 Radyometrik ışınım.............................................................................................. 10
2.4 Kızılaltı Bölge .......................................................................................................... 10
2.4.1 Kızılaltı bölgenin özellikleri ................................................................................ 10
2.4.2 Kızılaltı bölgenin kullanım alanları.................................................................... 12
2.5 Siyah Cisim Teorisi ................................................................................................. 13
2.6 Atmosferik Sönümleme .......................................................................................... 16
2.7 Kızılaltı Dedektörler ............................................................................................... 20
2.7.1 Dedektör parametreleri ....................................................................................... 20
2.7.2 Foton dedektörler ................................................................................................. 23
2.8 Kızılaltı Işıma Kaynağı Olarak Arkaplan ............................................................ 25
2.8.1 Güneş ışıması ........................................................................................................ 26
2.8.2 Yeryüzü ışıması .................................................................................................... 28
2.8.3 Gökyüzü ışıması ................................................................................................... 29
2.8.4 Yıldızlar ve gezegenler ......................................................................................... 31
2.9 Kızılaltı Işıma Kaynağı Olarak Hava Araçları .................................................... 33
3. MATERYAL ve YÖNTEM...................................................................................... 38
3.1 NIRATAM Yazılımının Çalışma Yöntemi ........................................................... 38
3.1.1 NIRATAM yazılımın girdi parametreleri ......................................................... 39
3.1.2 NIRATAM yazılımın veri ve çıktı biçimi ........................................................... 43
3.2 NIRATAM Yazılımı ile Siyah cisim Işınım Eğrilerinin Oluşturulması ............. 44
4. BULGU ve YORUMLAR ......................................................................................... 46
4.1 Hedef Işımasının Hız, Görüş Açısı ve Motor Moduna Bağlı Değişiminin ......... 46
4.2 NIRATAM Yazılımı ile Modellenmesi .................................................................. 46
4.2.1 Hedef hızının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi ........................................ 46
4.2.2 Yönelim açısının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi ................................... 48
4.2.3 Yükseliş açısının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi ................................... 50
4.2.4 Motor modunun kızılaltı ışımaya olan etkisinin incelenmesi........................... 55
4.2.5 Dalga boyuna bağlı olarak yüzey ve egzoz izi ışımasının değişimi .................. 61
4.3 Yansıyan Arkaplan Işımasının NIRATAM ile Modellenmesi ............................ 65
4.3.1 Yansıyan güneş ışıması ........................................................................................ 65
4.3.2 Yansıyan yeryüzü ve gökyüzü ışıması ................................................................ 70
5. SONUÇ ve TARTIŞMA ........................................................................................... 74
iv
SİMGELER DİZİNİ
Q
Radyometrik enerji (Joule)
Ф
Radyometrik akı (Watt)
I
Radyometrik şiddet (Watt.sr-1)
E
Işınım girişi/yayılması (Watt.m-2)
Ef
Foton enerjisi (Joules)
L
Radyometrik ışınım (Watt.m-2.sr-1)
M
Spektral ışınım yayılımı (W.cm-2.µm-1)
h
Planck sabiti
f
Frekans
αλ
Spektral soğurma
ρλ
Spektral yansıma
τλ
Spektral iletim
IR
Kızılaltı (Infrared)
LOWTRAN Low Resolution Atmospheric Transmittance Code
MODTRAN Moderate Resolution Transmittance Code
NIRATAM
NATO Infrared Air Target Model
v
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 +z yönünde ilerleyen elektromanyetik dalga ..................................................... 5
Şekil 2.2 Elektromanyetik spektrum ................................................................................. 7
Şekil 2.3 6000 K, 5000 K, 4000 K ve 3000 K için siyah cisim eğrileri ......................... 15
Şekil 2.4 Atmosferik geçirgenlik katsayısının menzile bağlı değişimi ........................... 17
Şekil 2.5 Atmosfer bileşenlerinin dalgaboyuna bağlı geçirgenlikleri ............................. 19
Şekil 2.6 InSb dedektörünün 1-6 µm aralığındaki duyarlılık değişimi ........................... 21
Şekil 2.7 Kızılaltı bölgede çalışan dedektörler ............................................................... 25
Şekil 2.8 Arkaplan ışıması .............................................................................................. 25
Şekil 2.9 Güneş ışınımının yeryüzüne ulaşımı................................................................ 27
Şekil 2.10 Güneş ışınımının 0.1-3 µm aralığındaki spektral dağılımı ............................ 28
Şekil 2.11 Yeryüzü ışıması ............................................................................................. 29
Şekil 2.12 Gökyüzünün yükseliş açısına göre spektral ışıma eğrileri ............................. 30
Şekil 2.13 Çeşitli yıldızların spektral ışınım eğrileri ...................................................... 31
Şekil 2.14 Spektral radyasyon giriş değerlerine göre yıldız sayıları ............................... 32
Şekil 2.15 Gezegenlere ait spektral ışıma eğrileri........................................................... 32
Şekil 2.16 Bir hava aracının kızılaltı ışımasını oluşturan başlıca faktörler..................... 33
Şekil 2.17 Bir yolcu uçağının orta kızılaltı bölgedeki görüntüleri .................................. 34
Şekil 2.18 Artyakıcı moduna ait sıcaklık ve basınç değişimi ......................................... 34
Şekil 2.19 Yönelim açısına bağlı hedef spektral ışınımı değişimi .................................. 37
Şekil 3.1 NIRATAM yazılımın girdi ve çıktı parametreleri ........................................... 39
Şekil 3.2 F-5 Jet uçağına ait geometri, sıcaklık ve yayılım sabiti özellikleri ................. 40
Şekil 3.3 NIRATAM programına ait ana girdi tablosu ................................................... 41
Şekil 3.4 Yükseliş ve yönelim açıları .............................................................................. 41
Şekil 3.5 Güneşin hedefle yaptığı açının temsili gösterimi ............................................ 42
Şekil 3.6 NIRATAM yazılımına ait çıktı tablosu ........................................................... 44
Şekil 3.7 NIRATAM ve Planck Yasası ile elde edilen siyah cisim eğrilerininin
karşılaştırılması……………………………………………………………… 45
Şekil 4.1 Önden görünüş için radyometrik şiddet değerinin hızla değişimi ................... 47
Şekil 4.2 Yandan görünüş için radyometrik şiddet değerinin hızla değişimi ................. 48
Şekil 4.3 Radyometrik şiddet değerinin yönelim açısına bağlı değişimi ........................ 49
Şekil 4.4 Radyometrik şiddet değerinin yükseliş açısına bağlı değişimi ........................ 51
Şekil 4.5 Artyakıcı olmayan mod, önden görünüş, sıcaklık görüntüsü .......................... 52
Şekil 4.6 Artyakıcı olmayan mod, önden görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ........ 52
Şekil 4.7 Artyakıcı olmayan mod, yandan görünüş, sıcaklık görüntüsü ......................... 52
Şekil 4.8 Artyakıcı olmayan mod, yandan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü....... 53
Şekil 4.9 Artyakıcı olmayan mod, üsten görünüş, sıcaklık görüntüsü ............................ 53
Şekil 4.10 Artyakıcı olmayan mod, üssten görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ...... 54
Şekil 4.11 Artyakıcı olmayan mod, arkadan görünüş, sıcaklık görüntüsü...................... 54
Şekil 4.12 Artyakıcı olmayan mod, arkadan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ... 55
Şekil 4.13 Radyometrik şiddet değerinin artyakıcı modda yükseliş açısına bağlı
değişimi ......................................................................................................... 56
Şekil 4.14 Radyometrik şiddet değerinin artyakıcı modda yönelim açısına bağlı
değişimi ......................................................................................................... 56
Şekil 4.15 Artyakıcı mod, önden görünüş, sıcaklık görüntüsü ....................................... 57
Şekil 4.16 Artyakıcı mod, önden görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ..................... 58
vi
Şekil 4.17 Artyakıcı mod, yandan görünüş, sıcaklık görüntüsü ..................................... 58
Şekil 4.18 Artyakıcı mod, yandan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ................... 58
Şekil 4.19 Artyakıcı mod, üstten görünüş, sıcaklık görüntüsü ....................................... 59
Şekil 4.20 Artyakıcı mod, üstten görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü ..................... 59
Şekil 4.21 Artyakıcı mod, arkadan görünüş, sıcaklık görüntüsü .................................... 60
Şekil 4.22 Artyakıcı mod, arkadan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü .................. 60
Şekil 4.23 2-25 µm aralığındaki egzoz izi spektral radyometrik şiddet değişimi ........... 62
Şekil 4.24 2-5 µm aralığındaki atmosferik geçirgenlik katsayısı değişimi ..................... 63
Şekil 4.25 2-5µm aralığındaki egzoz izi spektral radyometrik şiddet değişimi .............. 63
Şekil 4.26 2-25 µm aralığındaki yüzey spektral radyometrik şiddet değişimi................ 64
Şekil 4.27 Önden görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi varken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti ..... 66
Şekil 4.28 Önden görüş için 2-2.5 µm aralığında atmosfer etkisi varken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti ..... 66
Şekil 4.29 Önden görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti ..... 67
Şekil 4.30 Yandan görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti.. ... 68
Şekil 4.31 Yandan görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti.. ... 69
Şekil 4.32 Önden bakış için 2-25 µm aralığındaki toplam hedef, yansıyan yer ve
gökyüzü spektral radyometrik şiddeti…………………………………… ... 71
Şekil 4.33 Yandan bakış için 2-25 µm aralığındaki toplam hedef, yansıyan yer ve
gökyüzü spektral radyometrik şiddeti…………………………………… ... 72
Şekil 4.34 Yandan bakış için 2-25 µm aralığındaki yansıyan yer ve gökyüzü spektral
radyometrik şiddeti……………………………………………………….... 72
vii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1 Radyometrik terimler ..................................................................................... 7
Çizelge 2.2 Atmosfer yapısında bulunan gazlar ............................................................. 18
Çizelge 2.3 Fotoiletken dedektör malzemeleri................................................................ 24
Çizelge 2.4 Fotoiletken dedektör malzemeleri................................................................ 24
Çizelge 2.5 Yanma sonucu oluşan moleküllerin yayılım dalgaboyları........................... 35
viii
1.
GİRİŞ
Mutlak sıfır sıcaklığının üzerindeki sıcaklıktaki her cisim elektromanyetik spektrumun
kızılaltı bandında ışıma yaymaktadır. Bu ışıma değeri özgün olup, kızılaltı imza olarak
kabul edilmektedir. Hava araçları, yüksek sıcaklıktaki motorlarının ve egzoz gazlarının
kızılaltı bölgede yaydığı yüksek ışımadan dolayı, kızılaltı güdümlü füzeler için önemli
hedeflerdir. Bu nedenle kızılaltı bölgede arayıcı ve dedektör tasarımıyla ilgili çalışmalar
büyük gelişme göstermektedir. Bununla birlikte hava araçları tarafından kızılaltı
güdümlü füzelere karşı çeşitli karşı tedbir yöntemleri geliştirilmektedir. Bunlar, aktif ve
pasif olmak üzere iki çeşittir. Pasif yöntemler, hedefin yaptığı ışımayı azaltmaya yönelik
alınan önlemlerdir. Örnek olarak, sıcak motor parçalarını kamufle etmek, dış akışla
karıştırarak egzoz izinin azami sıcaklığını düşürmek, uçak gövdesinin sıcaklığını,
kontrast seviyesini düşürecek şekilde azaltmak ve uçak gövdesinin yansıtıcılığını
düşürmek verilebilir. Isı fişekleri, kızılaltı karıştırıcılar ve kızılaltı aldatıcılar ise aktif
yöntemlere örnektir. Isı fişekleri ve kızılaltı aldatıcılar hedef ışımasından daha büyük bir
ışıma yaparak güdümlü füzeyi kendilerine yöneltip hedeften uzaklaştırırlar. Kızılaltı
karıştırıcılar ise; dedektör üzerine düşen ışıma sonucu oluşturulan sinyalinin
modülasyonunu bozarak güdümlü füzenin sinyal işleme algoritmasını karıştırmaktadır.
Kızılaltı arayıcı tasarımlarının iyileştirilebilmesi ve kızılaltı karşı tedbir sistemlerinin
geliştirilmesi için de hedefin kızılaltı ışımasını etkileyen faktörler ile bu faktörlerin
dalga boyuna bağlı olarak nasıl değiştiğine yönelik modelleme, analiz ve ölçüm
çalışmaları önem kazanmaktadır.
Örneğin bir jet uçağından yayılan kızılaltı ışımanın değeri kendi ısı kaynaklarıyla
oluşturduğu ve bulunduğu ortamdaki güneş, yer, gökyüzünden yayılıp üzerinden
yansıyan ışıma değerlerinin toplamından oluşmaktadır. Bu değer dalgaboyunun bir
fonksiyonu olarak gözlemcinin bakış açısına göre değişmekte ve gözlemciyle arasındaki
atmosferden kaynaklanan sönümleme etkisine bağlı olarak da azalmaktadır. Bu alanda
uygun dalgaboyu aralığında çalışan termal kameralar ve spektroradyometreler
yardımıyla ölçüm çalışmaları yapılmaktadır. Fakat bu çalışmalar oldukça yüksek
maliyette olmakta; test düzeneğinin kabiliyetinin ve test ortamının olanak tanıdığı
şartlar için ölçüm alınabilmektedir. Bu nedenle; kızılaltı ışımanın hesaplanmasına
1
yönelik yazılımların geliştirilmesi ve bu yazılımların kullanılmasıyla; kızılaltı ışımaya
ait çeşitli veri tabanlarının oluşturulması tercih edilmektedir.
Bu amaçla geliştirilen yazılımlardan biri olan NIRATAM (NATO Infrared Air Target
Model)
2-25 µm dalgaboyu aralığında hava hedeflerinin bulundukları ortamdaki
kızılaltı ışımalarının modellenmesi için kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında
NIRATAM yazılımı kullanılarak F-5 jet uçağının kızılaltı ışımasının uçuş ve ortam
parametrelerine göre dalgaboyuna bağlı değişiminin analiz edilmesi amaçlanmıştır.
Tezin ikinci bölümünde; elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik spektrum,
radyometrik terminoloji, kızılaltı bölgenin özellikleri ve siyah cisim teorisi hakkında
bilgi verilmiştir. Foton dedektörlerin parametreleri, çeşitleri ve dedektör malzemelerinin
çalıştıkları dalgaboyu aralıkları ele alınmıştır. Atmosferik sönümlemenin özellikleri,
arkaplan ışıması olarak da ifade edilen güneş, yeryüzü ve gökyüzü ışımalarının etkin
olduğu dalga boyu aralıkları sunulmuştur. Bir hava aracının kızılaltı imzasını etkileyen
başlıca faktörler hakkında bilgi verilmiştir.
Tezin üçüncü bölümünde; NIRATAM yazılımının çalışma yöntemi, yapısı, girdi ve
çıktı parametreleri hakkında bilgi verilmiştir. NIRATAM yazılımı ve Planck Yasası
kullanılarak elde edilen siyah cisim ışıma eğrileri karşılaştırılmıştır.
Tezin dördüncü bölümünde; F-5 jet uçağının kızılaltı imzasının hıza, gözlemcinin
konumuna ve motor moduna bağlı değişimi NIRATAM yazılımından elde edilen
sonuçlarla sunulmuştur. Yüzey ve egzoz izi ışımasının dalgaboyuna bağlı olarak
değişimi incelenmiştir. Güneş, yeryüzü, gökyüzü ışımalarının F-5 jet uçağının kızılaltı
imzasına olan etkileri ve dalgaboyuna bağlı değişimleri sunulmuştur.
Beşinci bölümde ise elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve literatür bilgileriyle
karşılaştırılmıştır.
2
2.
KAYNAK ÖZETLERİ
2.1 Elektromanyetik Dalgalar
Elektromanyetik dalgalar, ivmelendirilmiş elektrik yükleri tarafından oluşturulurlar. Bir
yerde elektrik alanın değişmesi manyetik alanı, manyetik alanın değişmesi de elektrik
alanı oluşturmaktadır. Elektrik ve manyetik alan değişimleri eş zamanlıdır. Elektrik ve
manyetik alan vektörleri hem yayılma doğrultusuna hem de birbirlerine diktir.
Elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır. Elektromanyetik dalganın boş uzaydaki
hızı 2.1 ifadesi ile verilir (Raymond 1990).
c=
1
µ0ε 0
Burada;
ε0
= 2 ,997925 × 10 8 m / s
ve
µ0
(2.1)
sırasıyla, boşluğun elektrik ve manyetik geçirgenliğidir. Bu hız,
ışığın boş uzaydaki hızı ile aynı olduğundan bu sonuç ışığın elektromanyetik dalga
olduğunu göstermektedir.
Maxwell Kuramı’nın 3. ve 4. denklemleri 2.2 ve 2.3 bağıntılarıyla gösterilmektedir
.
r r
∂H
∇× E = −
∂t
(2.2)
r r
∂E
∇ × H = µ0 J + µ0 ε 0
∂t
(2.3)
Burada,
r
∇ : Konum operatörü
r
E : Elektrik alan
r
H : Manyetik alan
J: Akım yoğunluğu
3
t: Zaman
2.2 ve 2.3’den yola çıkılarak elektrik ve manyetik alanların sağladıkları dalga
denklemleri
∇ 2 E = µ0ε 0
∇ 2 H = µ 0ε 0
∂2E
∂t
(2.4)
2
∂2H
∂t 2
(2.5)
olarak elde edilmektedir.
Dalga denkleminin en basit çözümü düzlem dalgadır. E ve H alan genlikleri sırasıyla
2.6 ve 2.7 ile ifade edilir.
Ε = Em cos( kx − ωt )
(2.6)
H = H m cos( kx − ωt )
(2.7)
Burada,
E m : Elektrik alanın maksimum değeri
H m : Manyetik alanın maksimum değeri
k:
2π
λ
ω : 2πf
Şekil 2.1’de + z yönünde ilerleyen bir elektromanyetik dalganın anlık fotoğrafı temsil
edilmektedir. Elektrik ve manyetik alanlar, sırasıyla x-z ve y-z düzlemlerinde yatan iki
sinüs dalgası şeklinde ilerlemektedir.
4
Şekil 2.1 +z yönünde ilerleyen elektromanyetik dalga
Elektromanyetik dalga, hem dalga hem de tanecik özelliği göstermektedir. Küçük
frekanstaki dalgalar dalga teorisine, büyük frekanstaki dalgalar da tanecik teorisine göre
davranmaktadır. Girişim ve kırınım davranışları dalga özelliğiyle açıklanır. Fotoelektrik
olayda olduğu gibi ışığın bir metal yüzeyinden elektronları koparması, enerjisinin bir
madde tarafından soğurulması ve yayılması elektromanyetik dalganın tanecik (foton)
özelliği ile açıklanmaktadır.
Bir elektromanyetik dalgadaki enerji akış hızı, Poynting vektörü ( S ) ile 2.8 bağıntısıyla
tanımlanmaktadır. Poynting vektörünün büyüklüğü, akış yönüne dik olan birim
yüzeyden enerjinin geçiş hızını ifade etmektedir. Vektörün yönü dalganın yayılma
doğrultusu boyuncadır.
S≡
1
µ0
E×H
(2.8)
2.2 Elektromanyetik Spektrum
Bütün elektromanyetik dalgalar, boşlukta ışık hızı (c) ile yayıldıkları için, frekans (f) ile
dalgaboyu (λ) arasında 2.9 bağıntısı bulunmaktadır.
λ=
c
f
(2.9)
Enerji, dalgaboyu ve frekans arasında da 2.10 bağıntısı bulunmaktadır;
5
Ef =
hc
λ
= hf
(2.10)
Burada,
Ef: Foton enerjisi (Joules)
h: Planck sabiti (6.626 x 10-34 J.s)
f : Işığın frekansı
olmak üzere; enerji frekansla doğru orantılı ve dalgaboyu ile ters orantılıdır.
Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalgaboyuna;
düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalga boyuna
sahiptirler.
Elektromanyetik dalgalar, geniş bir frekans veya dalgaboyu aralığını kapsar.
Elektromanyetik spektrum adı verilen bu sınıflandırma Şekil 2.2’de verilmiştir.
Elektromanyetik dalgalar, soldan sağa frekansı artacak, dalgaboyu kısalacak şekilde;
radyo dalgaları - mikrodalgalar - kızılaltı dalgalar - morötesi - x ışını - gamma ışınları
olarak sınıflandırılır.
6
Şekil 2.2 Elektromanyetik spektrum (http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektromanyetik_tayf)
2.3 Radyometrik Terminoloji
Radyometri; elektromanyetik radyasyonun ölçülmesi ile ilgili alanın adıdır. Çizelge
2.1’de radyometrik terimler yer almaktadır.
Çizelge 2.1 Radyometrik terimler (Ryer 1997)
Terim
Sembol
Birim
Radyometrik enerji
Q
Joule
Radyometrik akı
Ф
Watt
Radyometrik şiddet
I
Watt.sr-1
Işınım girişi/yayılması
E
Watt.m-2
Radyometrik ışınım
L
Watt.m-2.sr-1
7
2.3.1 Radyometrik akı
Radyometrik akı, birim zamanda yüzey üzerine düşen ya da yüzey üzerinden çıkan
radyometrik enerji miktarıdır. Radyometrik akı 2.11 bağıntısıyla tanımlanmaktadır.
φ=
dQ
dt
(2.11)
Burada,
ɸ: Radyometrik akı (Watt)
Q: Radyometrik enerji (Joule)
2.3.2 Radyometrik şiddet
Radyometrik şiddet, bir nokta kaynaktan çıkan ve belli bir katı açı yönüne yayımlanan
radyometrik akıdır. Bir kürenin yarıçapının karesi, bu küre üzerinde alınan alana eşit
olacak biçimde, kürenin merkezinden bu alanı karşılayan açıya katı açı denmektedir.
Radyometrik şiddet 2.12 bağıntısıyla tanımlanmaktadır.
I=
φ
Ω
(2.12)
Burada,
I: Radyometrik şiddet (Watt.sr-1)
ɸ: Radyometrik akı (Watt)
Ω: Katı açı (steradyan)
Eğer ışıma kaynağı bir izotropik nokta kaynaksa, her yönde eşit oranda yayılım
yapacaktır. Temiz bir ampul içindeki küçük bir filaman buna örnek verilebilir. Bir
8
kürenin alanı 4π ile yarıçapının karesinin çarpımı olduğundan, kürenin merkezinden
ölçülen toplam katı açı 4π steradyandır. Bu nedenle izotropik kaynak için radyometrik
şiddet değeri 2.13 bağıntısıyla tanımlanmaktadır.
I=
φ
4π
(2.13)
Eğer ışıma kaynağı lambert tipi bir kaynaksa, radyometrik şiddet değeri, radyometrik
akı ile yüzey arasındaki açıya bağlı olacaktır. Yani, radyometrik akı yüzeye ne kadar dik
gelirse yüzeyin radyometrik şiddeti o kadar yüksek olacaktır. Gözlemcinin normalle
yaptığı açı Θ olmak üzere; Lambert Yasası 2.14 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
I=
φ × cos Θ
π
(2.14)
2.3.3 Işınım girişi/yayılımı
Işınım girişi ya da yayılımı birim alana düşen ya da birim alandan yayılan radyometrik
akıdır. Işınım girişi ya da yayılımı 2.15 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
E=
dΦ
dA
(2.15)
Burada,
E: Işınım girişi/yayılımı (Watt.m-2)
Φ: Radyometrik akı (Watt)
A: Alan (m²)
9
2.3.4 Radyometrik ışınım
Radyometrik ışınım birim katı açı içinde birim yüzeyden yayımlanan radyometrik
akıdır. Radyometrik ışınım 2.16 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
L=
dI
d 2Φ
=
dA cos θ dAdΩCosθ
(2.16)
Burada,
L: Radyometrik ışınım (Watt.m-2.sr-1)
Φ: Radyometrik akı (Watt)
I: Radyometrik şiddet (Watt.sr-1)
A: Yüzey alanı (m²)
Ω: Katı açı (steradyan)
2.4 Kızılaltı Bölge
2.4.1 Kızılaltı bölgenin özellikleri
Kızılaltı bölge; elektromanyetik spektrumda görünür bölge ve mikrodalga bölge
arasında yer almaktadır. Kızılaltı dalgaboyu; görünür bölge dalgaboyundan uzun (400 700 nm), mikrodalga bölgeden (100 µm-1 mm) daha kısadır. Moleküllerin bir titreşim
veya dönme enerji seviyesinden ötekine geçişleriyle sağlanan enerjideki değişmelerden
kaynaklanmaktadır. Kızılaltı Bölge; elektromanyetik spektrumda 0.75 µm ile 1000 µm
aralığındaki dalga boyu ve 0.003-4 x 1014 Hz frekans aralığında yer almaktadır. 0.0012 1.65 eV enerji aralığına sahiptir. Kızılaltı ışımanın kaynağı termal enerjidir. Sıcaklık
artıkça atomların ve moleküllerin hareketi ve üretilen kızılaltı ışıma artar. Molekülleri
oluşturan atomlar sürekli bir hareket içinde olduklarından, molekülün öteleme
hareketleri, bir eksen etrafında dönme hareketleri ve bir kimyasal bağın uzunluğunun
periyodik olarak azalıp çoğalmasına veya moleküldeki açıların periyodik olarak
değişmesine neden olan titreşim hareketleri doğar. Moleküler maddeler için kızılaltı
10
soğurma, yayılım ve yansıma spektrumları; moleküllerin bir titreşim veya dönme enerji
seviyesinden
ötekine
geçişleriyle
sağlanan
enerjideki
çeşitli
değişmelerden
kaynaklanmaktadır. Bir molekülün kızılaltı ışımayı soğurması yani kızılaltı bakımından
aktif olması için aşağıda yer alan iki temel koşul bulunmaktadır:
-
Işımanın frekansı molekülün titreşim frekansına eşit olmalıdır. Işımanın frekansı
molekülün doğal titreşim frekansına uyarsa, moleküler titreşimin genliğinde bir
değişme meydana getiren net bir enerji alışverişi gerçekleşir; bu da ışımanın
soğurulması demektir.
-
Titreşim hareketi molekülün dipol momentini değiştirmelidir. Kızılaltı ışınımın
soğurulması için bir molekülün titreşim veya dönme hareketi sonucunda,
molekülün dipol momentinde net bir değişme meydana gelmelidir. Sadece bu
şartlar altında, ışının değişen elektrik alanı ile molekül etkileşebilir ve
moleküldeki hareketlerin birinin genliğinde bir değişmeye neden olur. Dipol
moment, yük merkezleri arasındaki uzaklık ve yük farkının büyüklüğündeki
farka bağlıdır. Örneğin, HCl molekülü titreşirken, dipol momentinde bir değişme
olur ve ışının elektrik alanı ile etkileşebilecek bir alan meydana gelir. Benzer
şekilde, asimetrik moleküllerin ağırlık merkezi etrafında dönmesi, ışınla
etkileşebilen periyodik bir dipol değişimi meydana getirir. Homo nükleer
moleküller (N2, O2 ve Cl2 gibi) hariç bütün moleküller kızılaltı ışınlarını
soğururlar.
Kızılaltı bölge kendi içinde dalgaboyuna göre 4 farklı bölgeye ayrılmaktadır:
-
Yakın Kızılaltı Bölge (Near IR): 0.75-3 µm
-
Orta Kızılaltı Bölge (Middle IR): 3-8 µm
-
Uzak Kızılaltı Bölge (Far IR): 8-15 µm
-
Uç Kızılaltı Bölge (Extreme IR): 15-1000 µm
Yakın kızılaltı bölge elektromanyetik spektrumda görünür bölgeye, uç kızılaltı bölge ise
mikrodalga bölgesine yakındır. Kızılaltı bölgenin endüstriyel ve askeri alanlarda çok
çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır.
11
2.4.2 Kızılaltı bölgenin kullanım alanları
Kızılaltı bölgenin günümüzde en çok görülen kullanım alanları aşağıda sıralanmaktadır.
Gece görüş sistemleri: Kızılaltı bölge, görünür ışığın yeterli olmadığı durumlarda gece
görüş sistemlerinde kullanılmaktadır. Gece görüş sistemleri ortamdaki az sayıda fotonu
elektronlara çevirilerek, kimyasal ve elektriksel bir süreçle yükseltilmesi esasıyla çalışır.
Termografi: Termografi kızılaltı görüntülemenin bir çeşididir. Kızılaltı ışınım her
sıcaklıktaki cisim tarafından yayınlandığından termografi sayesinde hiç ışık olmaksızın
bütün ortamı görmek mümkündür. Bir cismin yaydığı kızılaltı ışınım miktarı sıcaklıkla
birlikte arttığından, termografi sıcaklık farklarını da görmeyi sağlar. Termografik
kameralar elektromanyetik spektrumun kızılaltı bölümündeki yaklaşık olarak 0.9-14 µm
dalga boyu aralığındaki elektromanyetik ışınımı tespit ederler ve bu ışınımdan görüntü
oluştururlar. Termografi uzaktan sıcaklık ölçme prensibine dayanarak ısıl verimlilik
analizi, enerji tasarrufu, enerji yalıtımı, arama-kurtarma, yangın tespiti ve tahribatsız
muayene alanlarında kulanılmaktadır.
Takip sistemleri: Kızılaltı takip sistemleri diğer bir adıyla kızılaltı güdüm sistemleri
hedefin yaydığı kızılaltı ışınımı, hedefi takip etmek için kullanmaktadır. Kızılaltı takip
sistemi kullanan füzeler, sıcak cisimler kızılaltı ışıma yaptığından "ısı güdümlü füze"
olarak da bilinmektedir.
Meteoroloji: Meteoroloji uyduları termal ve kızılötesi fotoğraflar çekebilen
radyometrelerle donatılmıştır. Bu fotoğrafları kullanarak eğitimli analistler bulutların
yüksekliklerini ve tiplerini belirleyebilir, siyah ve deniz sıcaklıklarını ölçebilir ve
okyanus yüzey olaylarını görebilirler. Tarama genellikle 10.3-12.5 µm dalgaboylarında
yapılır.
Gökbilim: Dünyadaki kızılaltı teleskopların duyarlılığı atmosferdeki su buharının
kızılaltı tayfın önemli bir bölümü soğurmasından dolayı oldukça sınırlıdır. Bu
sınırlamadan teleskopu yüksek bir yere yerleştirerek veya teleskobu bir sıcak hava
balonu ve uçağın üzerine monte ederek kısmen kurtulmak mümkündür. Uzaydaki
12
teleskoplar bundan etkilenmez, bu yüzden de kızılaltı gökbilim en iyi uzayda yapılır.
Uzaydaki soğuk, karanlık gaz ve tozdan oluşan moleküler bulutlar yıldızlar tarafından
ısıtıldıklarından kızılaltı bölgede ışıma yaparlar. Spitzer Uzay Teleskobu güneş
yörüngesinde dönen bir kızılaltı uzay gözlemevidir. Bir resim oluşturabilmesi için
kızılaltı teleskobun parçalarının ısı kaynaklarından yalıtılmış olması gerektiğinden, sıvı
helyum kullanılarak soğutma yapılmaktadır.
2.5 Siyah Cisim Teorisi
Bir yüzeye enerji gönderildiğinde o yüzey üzerinde; soğurma (absorption), yansıma
(reflection) ve iletim (transmission) meydana gelmektedir.
Bu olaylar dalgaboyuna bağlı olmakta ve aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir.
-
Spektral soğurma (αλ): Bir cisim tarafından soğurulan enerjinin gelen enerjiye
oranıdır.
-
Spektral yansıma (ρλ): Bir cisim tarafından yansıtılan enerjinin gelen enerjiye
oranıdır.
-
Spektral iletim (τλ): Bir cisim tarafından iletilen enerjinin gelen enerjiye
oranıdır.
Gelen bir enerjinin ortamdan geçişi sırasında spektral soğurma, spektral yansıma ve
spektral iletim değerlerinin toplamı 1’e eşit olmalıdır.
α λ + ρ λ +τ λ = 1
(2.17)
Saydam, yani ışık geçirmeyen bir cismin iletimi sıfırdır.
α λ + ρλ = 1
(2.18)
Siyah cisim; üzerine düşen tüm ışınımı soğuran ve bütün dalga boylarında tekrar
yayınlayan cisimdir. Siyah cisim için; αλ = 1 , ρλ = 0 , τλ = 0 olarak tanımlanmaktadır.
13
Teoride bir siyah cisim her sıcaklıkta ve her dalga uzunluğunda 1,0’lik bir yayılım
sabitine (ε) sahiptir. Gri cismin ise yayılım değeri 1’en küçük ve dalgaboyu ile
değişmemektedir. Spektral yayılım, aynı dalgaboyu ve sıcaklıkta bir cisimden yayılan
spektral radyometrik enerjinin siyah cisimden yayılan radyometrik enerjiye oranıdır. Bir
cismin yayılım sabiti cismin yüzey özelliğine göre değişmekte; sıcaklığına ve
dalgaboyuna bağlı olmaktadır.
Bağıntı 2.19 ile gösterilen Kirchhoff Yasasına göre; belirli bir sıcaklık ve
dalgaboyundaki bir cisim için spektral yayılım ve spektral soğurma değerleri birbirine
eşittir. Buna göre iyi bir soğurucu olan bir malzeme aynı zamanda iyi bir ışıma
kaynağıdır.
ελ =αλ
(2.19)
Saydam bir cisim için 2.20 bağıntısı geçerli olmaktadır.
ε λ + ρλ = 1
(2.20)
Bir siyahcismin ışınım yayılımı, dalgaboyunun sürekli bir fonksiyonudur; yani bütün
renkler vardır ve bir renkten diğerine geçiş süreklidir, arada boşluklar, kesiklikler, inişçıkışlar yoktur. Buna, siyah cisim eğrisi ya da siyah cisim tayfı (spektrumu) denir.
Dalgaboyu arttıkça ışınım yayılımı önce çok çabuk artarak maksimuma ulaşır, sonra
yavaş yavaş sıfıra kadar düşer. Şekil 2.3’te siyah cisim ışıma eğrisi görülmektedir. Şekil
2.3’e göre görünür bölgede kırmızı renkten mavi renge doğru dalgaboyu kısalmakta,
enerji artmakta dolayısıyla maksimum dalgaboyunun karşılık geldiği sıcaklık değeri
artmaktadır. Isınan bir demiri önce kırmızı renkte daha sonra turuncu renkte
görmemizin nedeni bu şekilde açıklanabilir.
14
Şekil 2.3 6000 K, 5000 K, 4000 K ve 3000 K için siyah cisim eğrileri (Accetta 1993b)
Wien Yasasına göre; bir cisim tarafından yayılan ışınımın şiddeti bütün dalga
boylarında aynı değildir, tayfın belli bir noktasında maksimumdur, bu noktanın yeri
cismin sıcaklığına bağlıdır. 2.21 bağıntısıyla gösterilen Wien Yasasına göre; siyah cisim
sıcaklığı artarken kızılaltı ışımanın azami dalga boyu azalır.
λmax (µm) = 2892 / T (K)
(2.21)
Planck Yasası 2.22 bağıntısıyla siyah cisim spektral ışınım yayılımını tanımlamaktadır.
c
1
M = ε (λ ) 1
λ5 eC2 / λT − 1
(2.22)
Burada,
M: Spektral ışınım yayılımı (W.cm-2.µm-1)
ε(λ): Spektral salıcılık
15
T: Mutlak sıcaklık (K)
λ: Dalgaboyu (µm)
c1: Birinci sabit = 2πhc2= 3.7415x104 W.cm-2.µ4
c2: İkinci sabit = ch/k = (1.43879) x104 µ.K
k: Boltzmann sabiti = (1.38054) x10-23 W.sec.K-1
σ: Stefan-Boltzman sabiti= 5.66961 x 10-8 W.m-2.K4
E: Işınım yayılımı (W.m-2)
olarak tanımlanmaktadır.
Stefan-Boltzmann Yasasına göre bir siyah cisim tarafından bütün dalga boylarındaki
ışınım yayılımı ise 2.22 bağıntısının bütün dalga boylarında integralinin alınmasıyla
elde edilir. Işınım yayılımı sadece siyah cismin sıcaklığının 4. kuvvetine bağlıdır.
E = σΤ 4
(2.23)
2.6 Atmosferik Sönümleme
Bir hedeften ya da arkaplandan üretilen tüm ışınımlar atmosfer üzerinde iletilerek
dedektör sistemine ulaşmaktadır. Bu nedenle dedektörlerin performansını kısıtlayan en
önemli faktör atmosferik sönümlenmelerdir. Bu sebepten ötürü bu sistemler
tasarlanırken ya da test edilirken atmosferik sönümlenmelerin gerçeğe en uygun şekilde
hesaplanması gerekmektedir.
Kızılaltı bölgede atmosferik sönümlenmeleri oluşturan en önemli iki mekanizma
soğurma (absorption) ve saçılmadır (scattering). Bir cisimden yayılan ışınım gözlemciye
ulaşana kadar atmosferdeki moleküller (CO2, H2O, O2 vb.) ve aerosoller (sis, duman,
toz) tarafından sönümlenmekte ya da saçılmaya uğramaktadır (Zdunkowski 2007).
16
Atmosferik sönümleme temel olarak dalgaboyuna ve dedektör ile kaynak arasındaki
mesafeye yani menzile bağlıdır. Atmosferik sönümlemenin mesafeye bağlı değişimi
2.24 bağıntısıyla Bouguer’s Yasası ile ifade edilmektedir.
τ = e −βR
(2.24)
Burada,
τ: Atmosferik geçirgenlik katsayısı
β : Sönümleme katsayısı (m-1)
R : Kaynak-dedektör mesafesi (m)
Menzilin kısa olduğu durumlarda atmosferik geçirgenlik katsayısı ( τ), 1’e yakın
olmakta; menzil arttıkça 0’a yaklaşmaktadır. 2.24 bağıntısıyla tanımlanan atmosferik
geçirgenlik katsayısı şekil 2.4’te görüldüğü gibi üssel bir şekilde değişmektedir.
Şekil 2.4 Atmosferik geçirgenlik katsayısının menzile bağlı değişimi
Atmosferin yapısı temel olarak N2 ve O2 gazlarından meydana gelmektedir. Atmosferin
yapısında bulunan gazlar ve miktarları çizelge 2.2’de sunulmaktadır.
17
Çizelge 2.2 Atmosfer yapısında bulunan gazlar
İçerik
Hacim (%)
N2
78
O2
20.9
Ar
0.9
CO2
0.04 (Değişken)
H2 O
0-2 (Değişken)
Atmosfer bileşenlerinin soğurma yaptığı özel dalgaboyları bulunmaktadır. Şekil 2.5’de
atmosfer içindeki moleküllerin soğurma yaptıkları dalgaboyları ve atmosferik
geçirgenliğin değişimi görülmektedir. N2, O2 ve Ar atmosfer yapısında hacimce baskın
gazlar olmalarına rağmen simetrik moleküller olduklarından kızılaltı bölgede soğurma
yapmamaktadırlar. CO2; 2.7, 4.3 ve 15 µm dalgaboylarında yüksek soğurma
yapmaktadır. CH4 ve N2O molekülleri de kızılaltı bölgede soğurma yapan gazlardır
fakat atmosfer içinde çok az bulunduklarından etkileri yok sayılabilmektedir. Su buharı
ise 2.74, 2.66 ve 6.27 µm dalgaboylarında yüksek soğurma yapmaktadır. Su buharının
miktarı ise deniz seviyesinden yükseldikçe azalmaktadır. Yaklaşık 12000 m’den daha
sonra atmosferdeki su buharı miktarı yoksayılabilecek kadar azdır. Şekil 2.5’e göre 35µm ile 8–12 µm dalga boyu aralıkları atmosferin geçirgenliğin yüksek olduğu dalga
boyu aralıklarıdır. Bu dalga boyu aralıkları atmosferik pencereler olarak da ifade
edilmekte olup, askeri uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır.
18
Şekil 2.5 Atmosfer bileşenlerinin dalgaboyuna bağlı geçirgenlikleri (Accetta 1993c)
Atmosferdeki moleküler ve aerosollerin hangi oranlarda bulunduğu mevsime, ölçüm
yapılan yüksekliğe ve coğrafi koşula bağlı olarak değişmektedir. Bir dalgaboyu aralığı
için atmosfer içindeki molekül ve aerosollerin sönümleme profillerinin hesaplandığı
FORTRAN tabanlı ticari yazılımlar geliştirilmiştir. Atmosferik geçirgenlik hesaplarını
yapabilmek için Amerikan Hava Kuvvetleri araştırma laboratuvarı tarafından geliştirilen
ilk kod LOWTRAN (Low Resolution Atmospheric Transmittance Code)’dır. Daha
sonra yapılan birçok deneysel araştırmalar ve kullanılan farklı algortimalarla yazılımın
spektral çözünürlüğü arttırılarak günümüzde oldukça yaygın olarak kullanılan Modtran
(Moderate resolution transmittance code) kodu geliştirilmiştir. Bu yazılımlar
hesaplamalarını iki farklı yöntemle yapmaktadırlar:
-
Bant Modeli: Bu modelde seçilen dalgaboyu aralığındaki sönümlenmeye sebep
olan atmosferik bileşenlerin o dagaboyu aralığındaki ortalama değerleri
kullanılarak geçirgenlik hesaplanmaktadır.
-
Line By Line Model (LBL): Bu modelde de seçilen dalgaboyu aralığında
sönümlenmeye sebep olan atmosferik bileşenlerin her dalgaboyu için olan
değerleri ayrı ayrı hesaplanarak geçirgenlik bulunmaktadır. LBL modelini
kullanan yazılımların yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda (lazer gibi)
kullanılması daha uygundur. Bant modeli kullanan yazılımlara göre daha yavaş
çalışmaktadırlar.
19
2.7 Kızılaltı Dedektörler
Kızılaltı dedektörler; üzerlerine düşen kızıaltı ışımanın miktarını ölçmek için
kullanılmaktadırlar. Kızılaltı dedektörler termal dedektörler ve foton (kuantum)
dedektörler olmak üzere 2 farklı kategoride sınıflandırılmaktadır. Termal dedektörler
çalışma mekanizmalarında sıcaklık değişimi sözkonusu olduğu için, foton dedektörlere
gore düşük duyarlılıktadırlar ve tepkileri yavaştır. Foton dedektörlerin duyarlılıkları
dalga boyuna bağlı olduğundan dolayı ölçüm yapılacak olan dalga boyu aralığına göre
uygun dedektör malzemesi seçimi önemlidir.
2.7.1 Dedektör parametreleri
Kuantum verimliliği: Kuantum verimliliği, fotonların elektrik sinyallerine ne kadar
verimli dönüştürüldüğünün bir ölçüsüdür. Bir fotonun, dedektör akımına katkıda
bulunacak elektron ve desik çifti olusturma olasılığı olarak tanımlanmaktadır. Kuantum
verimliliği 2.25 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
η = ( 1 − R )( 1 − e (−αd ) )ξ
(2.25)
Burada,
d: Kalınlık
α: Soğurma katsayısı
η: Kuantum verimi
R: Yansıtma katsayısı
ξ : Akıma katkı sağlayan elektron-deşik çifti oranı
Duyarlılık (Rd): Duyarlılık; dedektör devresinde oluşan akım ile dedektör üzerine
düşen güç arasındaki katsayı olarak tanımlanır. İdeal durumda bu 1’e eşittir ve bu
durumda dedektör üzerine düşen her foton bir akım oluşmasına neden olmaktadır.
Duyarlılık 2.26 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
20
Rd =
I sig
(2.26)
P( λ ) Adet
Burada,
Rd: Dedektörün duyarlılığı (V/W)
Isig: Sinyal çıktısı (A)
P: Dedektör üzerine düşen güç (W/ m2)
Adet: Dedektör aktif alanı (m2)
Şekil 2.6’da InSb dedektörüne ait 1-6 µm dalga boyu aralığındaki duyarlılık değişimi
görülmektedir. Yaklaşık 5.3 µm’de duyarlılık 1’e ulaşırken dalga boyu 1 µm’ye
Duyarlılık (Rd)
yaklaştıkça sıfıra düşmektedir.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Dalgaboyu (µm)
Şekil 2.6 InSb dedektörünün 1-6 µm aralığındaki duyarlılık değişimi (Accetta 1993b)
Sinyal-gürültü
oranı
(SNR):
Dedektörlerde
çeşitli
gürültü
mekanizmaları
bulunmaktadır. Sinyal-gürültü oranı, girdi gücü ile duyarlılığın çarpımının gürültüye
bölümü olarak 2.27 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
SNR =
Vs ∫∫ Rd (λ , f )φ (λ , f )dλdf
=
1/ 2
2
Vn
∑ ∫ Vni df
(
)
(2.27)
21
Burada,
Rd: Dedektörün duyarlılığı (V/W)
Φ: Radyometrik akı (Watt)
Vni: Her mekanizma için tanımlanan gürültü gücü (Watt)
Vs: Sinyal gücü (Watt)
Vn: Toplam gürültü gücü (Watt)
Gürültü eşdeğeri güç (NEP): Sinyal-Gürültü oranını 1 yapan girdi sinyal gücüne
verilen addır. Dedektör boyutu ve dalga bant genişliğinin fonksiyonudur. GEG (NEP)
dedektörün algılama kapasitesini belirtiğinden düşük olması daha iyidir.
NEP =
I noise
Rd
(2.28)
Burada,
NEP: Gürültü eşdeğer güç (W)
Inoise: Gürültü çıktısı (A)
Rd :
Duyarlılık (V/W)
Algılayıcılık (D): Algılayıcılık, gürültü eşdeğeri güç değerinin çarpmaya göre tersidir.
D=
1
NEP
(2.29)
Burada;
D:
Algılayıcılık (W-1)
NEP: Gürültü eşdeğer güç (W)
22
Özgül Algılayıcılık (D*): Dedektörün birim alanının hassasiyetidir ki bu özellik farklı
dedektörlerin özelliklerini karşılaştırmayı kolaylaştırır. Çoğu dedektörde NEP değeri
dedektör aktif alanının karekökü ile orantılıdır. Bu sebeple D* 2.30 bağıntısıyla
tanımlanmaktadır.
D* =
Adet ∆f
(2.30)
NEP
Burada,
D*:
Özgül algılayıcılık (cm.Hz-1/2.W-1)
NEP: Gürültü eşdeğer güç (W)
∆f:
Gürültü bantgenişliği (Hz)
Adet: Dedektör aktif alanı (cm2)
2.7.2 Foton dedektörler
Bu tip dedektörler termal dedektörlere göre daha hızlıdır. Fakat bu dedektörler monte
edildikleri gövdenin termal enerjisiyle birlikte kendisinin ürettiği termal enerjiyi de
aldığı için ortamda arka plan gürültüsü oluşur. Bu gürültüyü azaltmak ve dedektörün
termal enerjiye en iyi tepkiyi verebilmesini sağlamak amacı ile sistemde soğutucular
kullanılır. Bu soğutucular sistemi sürekli olarak olması gereken soğuklukta tutmak
zorundadır. Bu amaçla sisteme sıcaklığı sabit tutmaya yarayan bir sistem eklenir. Bu
sayede soğutma sisteminin etkisi daha uzun sürer. Böylece sürekli ve düzenli olarak
çalışan sistemler üretilebilir hale gelir.
Fotoiletken Dedektörler: Kızılaltı ışınlarıyla etkileştiklerinde iletken hale gelen yarı
iletken maddelerden yapılmıştır. Gelen kızılaltı enerjinin düzeyi, yarıiletkenin enerji
aralığına eşit veya büyük ise ortamda yük taşıyıcıları oluşur. Bunun sonucunda
dedektörün iletkenliğinde bir değişme oluşur, bu değişimden yararlanılarak sıcaklık
hesaplanır. Bu tip dedektörlere fotoiletken dedektörler denir.
23
Çizelge 2.3’de fotoiletken dedektör malzemeleri, çalışma sıcaklıkları ve dalgaboyu
aralıkları verilmektedir.
Çizelge 2.3 Fotoiletken dedektör malzemeleri
Dedektör malzemesi
Çalışma sıcaklığı, K Çalıştığı dalgaboyu aralığı, µm
Ge
193
0.9-1.9
Si
300
0.2-1.1
GaAs
300
0.4-0.9
PbS
300
1.1-3.5
PbSe
300
1.0-5.0
InSb
77
2.0-5.5
HgCdTe
77
8.0-14.0
HgCdTe
195
3.0-5.0
Fotovoltaik Dedektörler: Bu tip dedektörlerde kullanılan malzemeler ışımaya maruz
kaldıklarında üzerlerinde bir yük ayrışımı olur ve dolayısıyla bir potansiyel fark oluşur,
bu potansiyel farkının oluşturduğu akımdan yola çıkılarak sıcaklık hesaplanır. Çizelge
2.4’de fotovoltaik dedektör malzemeleri, çalışma sıcaklıkları ve dalgaboyu aralıkları
verilmektedir.
Çizelge 2.4 Fotoiletken dedektör malzemeleri
Dedektör malzemesi Çalışma sıcaklığı, K Çalıştığı dalgaboyu aralığı, µm
Si
300
0.2-1.1
GaInAs
300
0.9-1.7
InGaAsP
300
1.0-1.6
Ge
300
0.9-1.9
InAs
77
1.8-3.8
HgCdTe
195
1.0-5.5
HgCdTe
77
8.0-11.5
PbSnTe
77
8.0-11.5
.
Şekil 2.7’de kızılaltı bölgede çalışan dedektörlerin duyarlı oldukları dalgaboyu
aralıkları ve özgül algılayıcılık (D*) değerleri toplu bir biçimde sunulmaktadır.
24
Şekil 2.7 Kızılaltı bölgede çalışan dedektörler (Accetta 1993b)
2.8 Kızılaltı Işıma Kaynağı Olarak Arkaplan
Arkaplan olarak tabir edilen; yeryüzü, gökyüzü ve güneş önemli kızılaltı ışıma
kaynaklarıdır. Şekil 2.8’de kızılaltı güdümlü füze ve kitlendiği hava aracından oluşan
bir ortamdaki arkaplandan etkileri gösterilmiştir.
Şekil 2.8 Arkaplan ışıması
25
Bir dedektör tarafından bir cisimden yayılan kızılaltı ışımanın ayırt edilebilmesi için bu
ışımanın cismin bulunduğu çevreden yayılan kızılaltı ışımadan daha büyük olması
gerekmektedir.
2.8.1 Güneş ışıması
Dünya güneşten yaklaşık 150 milyon km uzaklıkta bulunmaktadır. Hava kürenin dışına
güneş ışınlarına dik metrekare alana gelen güneş enerjisi, Güneş Değişmezi (S) olarak
adlandırılır ve bunun değeri 1373 W/m² dir. Ancak dünyanın güneş çevresindeki
yörüngesi bir çember olmayıp bir elips olduğundan, yıl boyunca bu değerde % 3.3‘lük
bir değişim söz konusudur. Bu enerji yeryüzüne ulaşana kadar hava küreyi oluşturan
gazların, toz parçacıklarının sönümleme etkisinden ve yansımadan kaynaklanan
kayıplardan dolayı yaklaşık üçte biri kadar azalmaktadır. Yeryüzüne ulaşan radyasyon
girişi değeri yaklaşık 832 W/m²’dir. Hava küre dışına gelen güneş ışınlarının dalga
boyları, içinde görünür bölgeyi de içerecek şekilde, morötesinden kızılaltına dek
uzanmakta olup güneş ışınımı 0.1-3 µm dalga boyu arasındadır. Bu ışınımların % 9’u
morötesi bölgede, % 45’i görünür bölgede ve geri kalan % 46’sı da kızılaltı bölgede
bulunmaktadır. Yer yüzeyinden yaklaşık 25 km yüksekte güneş ışınımlarının mor ötesi
kısmını kesen bir bölge bulunmaktadır. Bu bölgeye ozon katmanı denir. Bu katmanda
dalga boyları 0.32 µm’den küçük olan mor ötesi ışınları soğururlar. Bunun dışında,
görünür bölge ve kızılaltı bölgelerindeki ışınımlar, havadaki gaz molekülleri ve toz
parçacıklarıyla etkileşme sonucu saçılırlar. Bu saçılma, her yöndedir ve gelen güneş
enerjisinin bir kısmı yeryüzüne ulaşmadan uzaya geri gider. Mavi renge karşılık gelen
dalga boyları, kırmızı renge karşılık gelenlere kıyasla daha çok saçılırlar. Yeryüzünden
bakıldığında göğün mavi renkte görünmesinin nedeni budur. Su damlacıkları da
ışınımları saçılmaya uğratmada etkilidir. Yoğun bulutlar, gelen ışınımların % 80’ini geri
saçarak bu ışınımların yeryüzüne ulaşmalarını önlerler. Dünyanın ortalama bulut
örtüsünün % 50 dolayında olduğu düşünülürse güneş enerjisinde önemli bir kaybın bu
şekilde ortaya çıktığı görülür. Gelen güneş ışınımlarının görünür bölgeye düşen kesimi
için hava küre hemen hemen saydam özellik gösterir. Yani bu ışınımlar için hava küre
açık bir penceredir. Ancak, bazı toz ve kirleticilerin bu bölgedeki ışınımları
soğurdukları göz ardı edilmemelidir. Yakın kızılaltı bölgeye düşen ışınımların yaklaşık
26
% 20’si havadaki su buharı ve karbondioksitle soğurulurlar. Bu soğurmalar sonucu hava
kürenin ısınması ortaya çıkar. Güneş ışınımlarının hava küre ile etkileşmeleri sonucu,
yeryüzüne gelen toplam güneş ışınım şiddeti, hava küre dışına gelen şiddetin yarısından
biraz fazla kalacak düzeyde azalmaktadır. Aynı zamanda, belli dalga boyları artık
süzülmüş, böylece enerji dağılımı da bundan etkilenmiştir. Doğal olarak hava küre
etkileri güneş ışınımlarının havada aldıkları yola bağlıdır. Eğik gelen güneş ışınımları,
dik gelmeye kıyasla daha uzun yol alacakları için, bu etkiler de artacaktır. Tüm bu
etkiler sonucu yeryüzüne ulaşan güneş ışınımları, doğrudan ve saçılmış olarak
yeryüzüne çarparlar. Güneş ışınımının tamamı yeryüzeyine ulaşmaz, % 30 kadarı dünya
atmosferi tarafından geriye yansıtılır. Yaklaşık % 20’si hava kürede soğurulur. Geri
kalan % 50 yeryüzünde soğurulur. Şekil 2.9’da yeryüzüne ulaşan güneş ışınımının ne
kadarının yeryüzüne ulaştığı görülmektedir.
Şekil 2.9 Güneş ışınımının yeryüzüne ulaşımı (http://www.eoearth.org)
Genel olarak güneş ışınımı 5900 K sıcaklığındaki bir siyah cisim kaynağının ışıma
özelliğine sahiptir. Şekil 2.10’da Güneş ışınımının 0.1-3 µm aralığındaki spektral
dağılımını görülmektedir.
Taralı alanlar deniz seviyesindeki su buharı ve CO2
tarafından yapılan soğurulmayı göstermektedir.
27
Şekil 2.10 Güneş ışınımının 0.1-3 µm aralığındaki spektral dağılımı (Accetta 1993)
2.8.2 Yeryüzü ışıması
Yeryüzündeki çim, toprak, kum ve kar gibi birçok kaynaktan kızılaltı ışımalar
yayılabilir. Yeryüzünden yayılan maksimum spektral ışınım 10 µm’de görülmektedir.
Şekil 2.11’de 35 ºC’lik bir siyah cisim referans verilerek bu kaynaklara ait spektral
ışıma eğrileri verilmektedir.
28
Şekil 2.11 Yeryüzü ışıması (Hudson 1969)
2.8.3 Gökyüzü ışıması
Gökyüzünün spektral ışıma eğrileri yeryüzünün spektral ışıma eğrileriyle benzerlik
göstermektedir. Su buharı, CO2 ve O3 miktarına göre atmosferin yayılım sabiti değeri
değişmektedir. Gökyüzünün radyometrik ışınım değerinin belirlenmesi için atmosfer
sıcaklığı ve görüş hattının yükseliş açısının bilinmesi gerekmektedir. Şekil 2.12’de açık
bir gecede gökyüzünün yükseliş açısına göre spektral ışıma eğrileri görülmektedir.
29
Şekil 2.12 Gökyüzünün yükseliş açısına göre spektral ışıma eğrileri (Hudson 1969)
Küçük yükseliş açılarında atmosfere uzanan yol uzun ve spektral radyometrik ışınım
değeri 8 ºC sıcaklığındaki bir siyah cisim kaynağıyla benzerlik göstermektedir. Yüksek
yükseliş açılarında atmosfere uzanan yol kısalmakta ve soğurma azalıp; yayılım
sabitinin değeri düşmektedir. 6.3 µm’deki su buharı bandında, 15 µm’deki CO2
bandında ve 9.6 µm’deki O3 bandından dolayı soğurma yüksektir. Açık bir gündüzde
gökyüzünün spektral ışıma eğrisi de 3 µm dolaylarındaki yansıyan güneş ışınmalarını da
kattığımız zaman Şekil 2.11 ile benzerlik gösterecektir. Yapılan hesaplama ve
araştırmalar gökyüzü ışımalarının 4-15 µm dalga boyu aralığında etkin olduğunu
göstermektedir. (Modest 1993)
30
2.8.4 Yıldızlar ve gezegenler
Birçok parlak yıldız görünür ve yakın kızılaltı bölgede çalışan dedektörler tarafından
algılabilmektedir. Şekil 2.13’te birçok parlak yıldızın spektral ışınım eğrileri
görülmektedir. 10-12 W.cm-2.µm-1 değerinde spektral radyasyon girişi olan yaklaşık 19
tane yıldız vardır.
Şekil 2.13 Çeşitli yıldızların spektral ışınım eğrileri (Hudson 1969)
Şekil 2.14’te yıldızlara ait spektral radyasyon giriş değerlerine karşılık gelen yıldız
sayıları gösterilmektedir. 10-14 W.cm-2.µm-1 değerindeki spektral radyasyon girişini
algılayabilen bir dedektör 2 µm’de 1000 tane fakat 5 µm’de 50 tane yıldızı
görebilecektir.
31
Şekil 2.14 Spektral radyasyon giriş değerlerine göre yıldız sayıları (Hudson 1969)
Şekil 2.15’de ay ve gezegenlere ait spektral ışınım eğrileri görülmektedir. Işınım
değerleri
sadece
kendi
ısılarından
kaynaklanmakta
güneşten
kapsamamaktadır.
Şekil 2.15 Gezegenlere ait spektral ışıma eğrileri (Hudson 1969)
32
yansımaları
2.9 Kızılaltı Işıma Kaynağı Olarak Hava Araçları
Bir kızılaltı güdümlü füze görüş alanı içinde arkaplandan yayılan kızılaltı ışımadan ayırt
edilebilen ışınım değerine sahip olan askeri hedefi tespit edebilir. Kızılaltı güdümlü
füzeler için hava araçları olarak tabir edilen; jet uçakları, kargo uçakları, helikopterler,
insansız hava araçları ve seyir füzelerinin motor kısımları ile egzoz gazları sahip
oldukları yüksek sıcaklıktan dolayı önemli kızılaltı ışıma kaynaklarıdır.
Bir hava aracından yayılan ışımayı oluşturan başlıca faktörler:
-
Motorun sıcak parçaları ve motor alığı
-
Egzoz izi
-
Aerodinamik ısınma
-
Yansıyan güneş, yeryüzü ve gökyüzü ışımaları
Bu faktörler bir jet uçağı üzerinde Şekil 2.16’da gösterilmektedir.
Şekil 2.16 Bir hava aracının kızılaltı ışımasını oluşturan başlıca faktörler
Şekil 2.17’de bir yolcu uçağının 2 farklı bakış açısındaki orta kızılaltı bölgededeki
kızılaltı görüntüleri bulunmaktadır. Yolcu uçağının motor önyüzü ve egzoz izinin
33
belirgin kızılaltı kaynaklar olduğu görülmektedir. Egzoz izi geçtiği doğrultuda kuyruğu
ve kanatları önemli ölçüde ısıtmaktadır.
Şekil 2.17 Bir yolcu uçağının orta kızılaltı bölgedeki görüntüleri (Harshavardhan, 2005)
Hava aracının modeline göre sahip olduğu motor tipinin, sayısının değişmesi motor
sıcaklığını etkilemektedir. Özellikle artyakıcı motor moduyla uçabilen turbojet
motoruna sahip F-5, F-16 savaş uçakları yüksek sıcaklıklarından ötürü önemli askeri
hava hedefleridir. Artyakıcı çalışma prensibinde lüle çıkışındaki yakıt yönünden zengin
sıcak gazlar, nozulun etrafındaki hava ile karışıp, sıcaklık ve basınç yardımıyla
tutuşturularak yeniden reaksiyona girip yanmaya başlamaktadır. Bu mod hava aracının
kalkışta ya da muharebe sırasında ani hızlanma gerçekleştirebilmesi için kısa süreli
uçtuğu bir motor modudur. Şekil 2.18’de bir turbojet motorunun artyakıcı moduna
geçtiğinde sıcaklık ve basınç değerlerindeki değişim görülmektedir.
Şekil 2.18 Artyakıcı moduna ait sıcaklık ve basınç değişimi (Hudson 1969)
34
Şekil 2.18’e göre artyakıcı motor moduna geçtiğinde motor sıcaklığında yaklaşık 2 kat
artış olmaktadır. Bu nedenle artyakıcı motor moduna sahip turbojet motoruyla uçan bir
hava aracının ışıma değeri uçtuğu motor moduna göre ele alınmalıdır.
Egzoz izi ise motorun yanma sonrasında lüleden dışarı attığı yüksek sıcaklıktaki artık
gazlardan meydana gelmektedir. Egzoz izi düşük dış ortam sıcaklığından dolayı
zamanla soğumakta ve motor çıkışından sıcaklığının dış ortam sıcaklığına eşitlendiği
noktaya kadar olan mesafe egzoz izinin boyu olarak kabul edilmektedir. Egzoz izi
sıcaklığı dolayısıyla ışıma değeri motor tipine göre değişiklik göstermektedir. Aynı itki
seviyesine sahip olduklarında, bir turbojet motoru turbofan ve turboshaft motora göre
daha fazla ışıma yapmaktadır. (Mahulikar 2007) Egzoz izi ışımasının değeri sıcaklığının
yanında yanma sonucu dışarı atılan artık gazları meydana getiren moleküllere göre de
değişiklik göstermektedir. CO2, H2O, ve CO baskın olarak bulunan moleküller olup;
yayılım yaptıkları belli dalgaboyları bulunmaktadır. Çizelge 2.5’de yanma sonucu
ortaya çıkan çeşitli moleküllerin yayılım yaptıkları dalga boyları görülmektedir.
Çizelge 2.5 Yanma sonucu oluşan moleküllerin yayılım dalgaboyları (Seyrafi 1971)
Birleşen Yayılım yaptığı dalgaboyu (µm)
H2 O
1.14, 1.38, 1.88, 2.66, 2.74, 3.17, 6.27
CO2
2.01, 2.69, 2.77, 4.26, 4.82, 15.0
HF
1.29, 2.52, 2.64, 2.77, 3.44
HCL
1.20, 1.76, 3.47
CO
1.57, 2.35, 4.66
NO
2.67, 5.30
OH
1.43, 2.80
NO2
4.50, 6.17, 15.4
N2 O
2.87, 4.54, 7.78, 17.0
Bir turbojet motorunda; artyakıcı motor modunda motor; artyakıcı olmayan motor
modunda ise egzoz izi baskın kızılaltı kaynaklar olmaktadır.
35
Aerodinamik ısınma ise yüksek hızlara ulaşan hava aracının burnunun dış akışla
gerçekleştirdiği sürtünme etkisinden dolayı meydana gelmektedir. Aerodinamik ısınma
mach sayısının karesi ile doğru orantılı olup 2.31 bağıntısıyla ifade edilmektedir.
δT = Ta ⋅
γ −1
2
⋅M 2
(2.31)
Burada,
δT : Sıcaklık artışı (K)
Ta: Ortam hava sıcaklığı (K)
M: Mach sayısı
γ: Gaz sabiti (hava için 1.4)
Mach (Mah) sayısı, hareket halindeki bir kütlenin hızının, kütlenin bulunduğu
şartlardaki ses hizine oranıdır. Örneğin, deniz seviyesinde, 1 atm basınçta ve 15 ºC hava
sıcaklığında 1 Mach 1226,5 km/saat olarak belirtilmektedir. Yerden yükseldikçe
stratosfer sınırına kadar hava sıcaklığı düşmektedir. Ses hizinin karesi hava sıcaklığı ile
doğru orantılı olarak değiştiğinden, yerden yükseldikçe ses hızı azalır. Buna bağlı olarak
da o yükseklikteki mach sayısı deniz seviyesine göre daha az olur.
Sübsonik, aerodinamikte ses hızının hemen altındaki hızları; yaklaşık olarak 0-0.8 Mach
aralığını belirtmek amacıyla kullanılan terimdir. Kargo uçakları gibi sesten yavaş uçan
uçaklara sübsonik uçaklar denmektedir. 0.8-1.2 Mach aralığı transonik olarak ifade
edilmekte olup; yolcu uçakları transonik uçaklara örnek verilmektedir. 1.2-5 Mach
aralığı süpersonik olarak ifade edilmektedir. Jet uçakları gibi ses üstü uçan savaş
uçakları süpersonik uçaklara örnek verilmektedir.
Şekil 2.19’da bir jet uçağının bakış açısına gore 2.5-5 µm dalgaboyu aralığındaki
spektral radyometrik şiddet değişimi görülmektedir. Spektral radyometrik şiddet
değerleri yönelim açısının 0º olduğu yani gözlemcinin uçağı burundan gördüğü
durumda en düşük olmaktadır. Yönelim açısının 180º olduğu yani gözlemcinin sıcak
36
motor tarafını gördüğü durumda uçağı en yüksek olmaktadır. Yaklaşık olarak 4.2-4.5
µm dalgaboyu aralığındaki düşüş atmosferdeki CO2 molekülünün soğurma etkisinden
kaynaklanmaktadır.
Şekil 2.19 Yönelim açısına bağlı hedef spektral ışınımı değişimi (Accetta 1993a)
37
3.
MATERYAL ve YÖNTEM
Bu bölümde NIRATAM (NATO Infrared Air Target Model) yazılımının özellikleri ve
çalışma yöntemi hakkında bilgi verilmiştir. Yazılımın girdi, çıktı parametreleri ve
çalıştırdığı alt modüller tanıtılarak, bir hava aracının 2-25 µm dalga boyu aralığındaki
kızılaltı ışımasını hesaplama yöntemi açıklanmıştır.
3.1 NIRATAM Yazılımının Çalışma Yöntemi
NIRATAM; NATO RTO, RSG18 çalışma grubu tarafından hava araçlarının farklı uçuş
ve ortam koşullarındaki kızılaltı imzalarının modellenmesi amacıyla geliştirilen bir
yazılımdır. Yazılım Fortran koduyla yazılmış olup MS-DOS, Unix, Windows işletim
sistemlerinde çalışmakta ve kullanıcı arayüzü bulunmamaktadır. 2-25 µm dalga boyu
yani 5000-400 cm-1 dalga sayısı aralığında ve 5 cm-1 çözünürlükte hesaplama
yapabilmektedir. (Noah 1991) Yazılım sonuçları için yapılan doğrulama çalışmalarına
gizli bilgi olduklarından dolayı ulaşılamamaktadır.
Kullanıcının değerlerini belirlediği girdi parametrelerine göre NIRATAM yazılımı
tarafından aşağıdaki maddeler için hesaplama yapılmaktadır.
-
Hava aracındaki ısı kaynaklarından kaynaklanan ışımalar.
-
Hava aracının yüzeyinden yansıyan güneş, yeryüzü ve gökyüzü ışımaları.
-
Hava aracından yayılan egzoz gazları.
-
Gözlemci ve hava aracı arasındaki mesafedeki atmosfer sönümlemesi.
-
Hava aracının görünen sıcaklığı.
NIRATAM, NPLUME ve LOWTRAN alt modülleriyle beraber çalışmaktadır.
NPLUME modülü BOAT modelinden türetilen tek boyutlu akış modülüdür. Egzoz izine
ait ışıma değerinin NIRATAM tarafından hesaplanabilmesi için egzoz izi ve dış akışın
çözümlemesini yapmaktadır (Bakker 1999). Gözlemci ve model arasındaki atmosferden
kaynaklanan sönümleme ve ışımanın hesaplanabilmesi için de LOWTRAN yazılımını
kullanmaktadır. Şekil 3.1’de NIRATAM yazılımının çalıştığı alt modülleri olan
NPLUME ve LOWTRAN kodlarıyla beraber çalışma yöntemi açıkça gösterilmektedir.
38
LOWTRAN
Atmosfer etkileri
Kullanıcı Girdileri
Dalga boyu aralığı
Gözlemci konumu
Hedefin denizden yüksekliği
Hedef hızı
Hedef-gözlemci arası mesafe
NIRATAM
NPLUME
Kullanıcı Girdileri
Yakıt karışımı
Kimyasal tepkimeler
Egzoz izi çıkış sıcaklığı
Motor sıcaklığı
Spektral radyometrik şiddet
Görünen sıcaklığı
Kızılaltı görüntü
NPLUME çıktıları
Motor iç akış ve
Kullanıcı Girdileri
Egzoz gazı akış
Hedef geometrisi
hesaplaması
Malzeme yayılım sabiti
Sıcaklık bilgisi
Yeryüzü sıcaklığı ve yayılım sabiti
Güneşin hedefe göre konumu
Şekil 3.1 NIRATAM yazılımın girdi ve çıktı parametreleri
3.1.1 NIRATAM yazılımın girdi parametreleri
Kullanıcının ışıma kaynağı olarak seçilen modele ait geometri, sıcaklık ve malzeme
bilgisini tanımlaması gerekmektedir. Bu amaçla “.ply” uzantısındaki geometri dosyası
kullanılmaktadır. Bu dosya üzerinden belirlenen her bir yüzey için sıcaklık (K) ve
yayılım sabiti değerleri tanımlanmaktadır. Bu nedenle ne kadar çok farklı yüzey
belirlenirse hesaplama o kadar ayrıntılı olacaktır. Şekil 3.2’de Bölüm 4’de kullanılan F5 jet uçağına ait geometri örneği ile üzerinde tanımlanan sıcaklık ve yayılım sabiti (ε)
değerleri görülmektedir. Bu değerler NATO RTO, RSG18 çalışma grubu tarafından
belirlenen değerlerdir. Her bir yüzeye atanan bu sıcaklıklar, motorların çalışmadığı,
hızın “0” olduğu, boşlukta ve hiçbir çevresel etkinin olmadığı durumdaki sıcaklık
değerleridir. Girdi parametreleriyle oluşturulan uçuş ve ortam özelliklerinden dolayı
oluşan toplam sıcaklık değeri NIRATAM tarafından hesaplanmaktadır. Bu değer şekil
3.2’de yer alan her yüzey için verilen sıcaklık değerinin üzerine eklenerek kızılaltı
ışımasnın hesaplamasında kulanılacak sıcaklıklar elde edilmektedir. Bölüm 4’de her bir
koşul için NIRATAM tarafından hesaplanan bu sıcaklık değeri toplam sıcaklık
(stagnation temperature) olarak ifade edilerek verilmiştir.
39
Şekil 3.2 F-5 Jet uçağına ait geometri, sıcaklık ve yayılım sabiti özellikleri
Kullanıcının nira.par ismindeki girdi dosyasına modelin konum, uçuş ve ortam
parametreleriyle ilgili bilgileri, ölçüm yapılması istenen dalga boyu veya dalga sayısı
aralığını tanımlaması gerekmektedir. Şekil 3.3’de bu parametrelerin tanımlandığı
nira.par girdi tablosu görülmektedir.
40
Şekil 3.3 NIRATAM programına ait ana girdi tablosu (Fair 1998a)
Nira.par dosyası içinde yer alan ana girdi parametreleri Bölüm 4 altında kullanıldığı
şekliyle aşağıda açıklanmaktadır.
Görüş açıları: Bu açılar gözlemcinin hedefe bağlı konumunu gösteren yönelim ve
yükseliş açılarıdır. F5 jet uçağı üzerinde temsili gösterimi Şekil 3.4’de yer almaktadır.
Yönelim açısı 0º-360º arasında, yükseliş açısı ise (-90º)-90º arasında değişmektedir.
Şekil 3.4 Yükseliş ve yönelim açıları
41
Menzil: Gözlemci ve hedef arasındaki mesafedir. Birimi metre (m)’dir.
Yükseklik: Hedefin denizden yüksekliğidir. Birimi metre (m)’dir.
Hız: Hedefin gözlemciye göre bağıl hızıdır. Birimi m/sn’dir.
Yeryüzü sıcaklığı ve yayılım sabiti: Modelin bulunduğu ortamdaki yeryüzünün
sıcaklığı (K) ve yayılım sabitidir. Bu bilgiler yeryüzünün homojen özellik gösterdiği
varsayımıyla tanımlanmaktadır. Kullanıcı bu parametreyi kullanmayarak yeryüzü
etkisini hesaplamaya katmayabilir.
Güneşin hedefe olan açısı: Bu açı 0º-180º arasında değişmekte ve güneşin gözlemciye
göre konumunu tanımlamaktadır.
Kullanıcı bu parametreyi kullanmayarak güneş
etkisini hesaplamaya katmayabilir. Şekil 3.5’te güneşin hedefle yaptığı açının temsili bir
gösterimi yer almaktadır.
Şekil 3.5 Güneşin hedefle yaptığı açının temsili gösterimi
Dalga boyu aralığı: Hesaplama yapılacak dalga boyu (µm) aralığını tanımlamaktadır.
Hesaplama yapılacak aralık dalga sayısı (cm-1) aralığı da tanımlanabilir.
42
Atmosfer modeli: Atmosfer etkisinin LOWTRAN alt modülüyle hesaplanabilmesi için
6 farklı atmosfer modelinden biri seçilmelidir. Bu modeller dünya üzerindeki farklı
iklimsel koşullara göre hazırlanmış atmosferik veri tabanlarıdır. Her birinde yüksekliğe
bağlı olarak atmosferin sıcaklık, basınç, nem ve molekül yoğunluğu değerleri yer
almaktadır. Bu modeller; tropikal atmosfer, orta enlem yaz, orta enlem kış, alt arktik kış,
alt arktik yaz ve 1976 US standart olarak ifade edilmektedir. Ayrıca kullanıcının da
kendi atmosfer özelliklerini yaratabilmesi için de bir seçenek bulunmaktadır. Kullanıcı
bu parametreyi kullanmayarak atmosfer etkisini hesaplamaya katmayabilir.
Modelin egzoz izine ait akışın modellenebilmesi için NPLUME alt modülüne ait
plume.in girdi dosyasındaki parametrelerin tanımlanması gerekmektedir. Plume.in
dosyası içinde yer alan ana girdi parametreleri Bölüm 4 altında kullanıldığı şekliyle
aşağıda açıklanmaktadır.
Motor modu: Modelin motor modunun artyakıcı, veya artyakıcı olmayan mod olup
olmadığını tanımlanmaktadır.
Egzoz izi sıcaklığı: Egzoz izinin motor çıkışıdaki sıcaklığıdır. Birimi Kelvin’dir.
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: NPLUME alt modülü egzoz izi karışımının
içeriğinde bulunabilecek H2, CO, CO2, H2O, H, N2, O2, O ve OH bileşenlerinin etkisini
modelleyebilmektedir. Bu bileşenler dâhilinde kullanıcı modelinde kullanılan yakıtın
yanması sonucu oluşan molekülleri tanımlamaktadır. (Fair 1998b)
3.1.2 NIRATAM yazılımın veri ve çıktı biçimi
Programa girilen parametreler doğrultusunda, belirlenen dalga boyu aralığındaki
spektral radyometrik şiddet (W.sr-1.µm-1) ve integral radyometrik şiddet (W.sr-1)
değerleri elde edilmektedir. Bu değerler Bölüm 4 altında kullanıldığı şekliyle aşağıda
açıklanmaktadır.
Toplam hedef: Hedeften yayılan toplam radyometrik şiddet değeridir.
43
Egzoz izi: Hedeften çıkan egzoz izinden yayılan radyometrik şiddet değeridir.
Motor: Hedefteki sıcak motor parçalarından yayılan radyometrik şiddet değeridir.
Yüzey: Hedefin yüzeyinden yayılan radyometrik şiddet değeridir.
Yansıyan yer ve gökyüzü: Hedefin yüzeyinden yansıyan yeryüzü ve gökyüzü
radyometrik şiddet değeridir.
Toplam yüzey: Yüzey ile yansıyan yer ve gökyüzü değerlerinin toplamıdır.
Şekil 3.6’da çıktı tablosunun bir parçası görülmektedir.
Şekil 3.6 NIRATAM yazılımına ait çıktı tablosu (Fair 1998a)
Ayrıca modelin belirlenen dalga boyu aralığındaki radyometrik ışınım (W.m-2.sr-1)
görüntüsünü ve görünür sıcaklık (K) görüntüsü de elde edilmektedir. Görünür sıcaklık;
model sıcaklığının model ve gözlemci arasındaki atmosfer etkilerine maruz kaldıktan
sonraki değeridir.
3.2 NIRATAM Yazılımı ile Siyah cisim Işınım Eğrilerinin Oluşturulması
Bu bölümde NIRATAM programı kullanılarak siyah cisim ışınım eğrilerinin
oluşturulması amaçlanmıştır. NIRATAM programına gometri olarak bir küp
tanımlanmıştır. Küpün sıcaklığının 1000 K ve 1200 K değerlerini alması ve bu
sıcaklığın küpün her yerinde aynı olması sağlanmıştır. Yayılım sabiti değeri 1 verilerek
bir siyah cisim kaynağından yayılan ışımanın benzetiminin yapılması ve 2-10 µm
44
aralığındaki ışınım eğrisinin oluşturulması amaçlanmıştır. Dalga boyu çözünürlüğü 0.05
µm’dir.
NIRATAM programı ile her sıcaklık için oluşturulan ışınım eğrisi 2.22 bağıntısında yer
alan Planck Yasası kullanılarak elde edilen sonuçlarla şekil 3.7’de karşılaştırılmıştır.
Elde edilen spektral ışınım yayılımı değerleriyle oluşturulan iki eğri çakışmıştır. 1200 K
eğrisinin maksimum değerinin karşılık geldiği dalgaboyunun 1000 K eğrisinin
maksimum değerinin karşılık geldiği dalgaboyuna göre daha küçük olduğu
görülmektedir.
11000
Spektral ışınım yayılımı (W.m¯².µm¯¹) )
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Dalgaboyu (µm)
1000 K (Niratam)
1200 K (Niratam)
1200 K (Planck Yasası)
1000 K (Planck Yasası)
Şekil 3.7 NIRATAM ve Planck Yasası ile elde edilen siyah cisim eğrilerininin
karşılaştırılması
45
4.
BULGU ve YORUMLAR
Bu bölümde, Bölüm 3.2’de kullanılan küp geometrisinden çok daha karmaşık bir
geometri kullanılarak sıcaklığın homojen olarak dağılmadığı bir model yaratılması
amaçlanmıştır. Bu nedenle Bölüm 2.9’da verilen ve bir hava aracının kızılaltı bölgede
yaptığı ışımanın bağlı olduğu savunulan uçuş parametrelerinin etkisinin analiz
edilebilmesi için model olarak F5 jet uçağı kullanılmıştır. Gözlemcinin ısı güdümlü bir
füze olduğu varsayılarak F-5 jet uçağı hedef olarak adlandırılmıştır. Uçuş parametreleri
olarak hız, görüş açısı ve motor modunun diğer parametreler sabit tutularak hedefin
kızılaltı ışımasını nasıl etkilediği NIRATAM yazılımından elde edilen sonuçlarla Bölüm
4.1 altında ortaya konmuştur. Bölüm 4.2’de ise ortam parametreleri olarak hedeften
yansıyan güneş, yeryüzü ve gökyüzü kızılaltı ışımaları NIRATAM yazılımı ile
hesaplanarak elde edilen spektral dağılımlar Bölüm 2.8’de verilen bilgilerle
karşılaştırılmıştır.
4.1 Hedef Işımasının Hız, Görüş Açısı ve Motor Moduna Bağlı Değişiminin
4.2 NIRATAM Yazılımı ile Modellenmesi
Hedef hızı, görüş açısı ve motor modu parametrelerinin her biri için NIRATAM
yazılımıyla çoklu koşumlar gerçekleştirilmiş ve sonuçlar grafiklerle sunulmuştur.
4.2.1 Hedef hızının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi
Bu çalışmada NIRATAM yazılımında kullanılan girdi parametreleri aşağıdaki gibidir:
-
Hız: 100 m/sn-400 m/sn arasında 50 m/sn arayla arttırılmıştır.
-
Menzil: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Dalga boyu aralığı: 2–5 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Yükseklik: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Egzoz izi sıcaklığı: 1223 K.
46
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Görüş açıları: Gözlemcinin hedefe tam önden baktığı (Yönelim açısı: 0º,
yükseliş açısı: 0º) ve yandan baktığı (Yönelim açısı: 90º, yükseliş açısı: 0º) iki
durum ele alınmıştır.
-
Atmosfer modeli: 1976 US Standart.
NIRATAM yazılımı tarafından toplam sıcaklık değeri hızla beraber artmış ve 100 m/sn
için 286 K, 400 m/sn için 360 K olarak hesaplanmıştır.
Hedef, egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değerlerinin gözlemcinin hedefe önden
Radyometrik Şiddet (W/sr)
baktığı durumda hıza bağlı değişimi Şekil 4.1’deki gibidir.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
Hız (m/sn)
Toplam Hedef
Yüzey
Egzoz İzi
Yansıyan Yer ve Gökyüzü
Şekil 4.1 Önden görünüş için radyometrik şiddet değerinin hızla değişimi
Hızın artmasıyla egzoz izinin boyu artmakta fakat çapı küçülmektedir. Bu nedenle, hız
arttıkça, hedefe önden bakan gözlemciye göre görünen egzoz izi azalmaktadır. Bundan
dolayı Şekil 4.1’de olduğu gibi egzoz izi radyometrik şiddet değeri hedefin önden
görüldüğü durumda hız ile azalmaktadır. Yüzey radyometrik şiddeti hız ile artış
göstermektedir. Bunun nedeni aerodinamik ısınmadır; yüzey ısınması hızın etkisiyle
artmaktadır. Toplam hedef radyometrik şiddet değeri ise yüzey, egzoz izi, yansıyan yer
ve gökyüzü radyometrik şiddet değerlerini toplamı olduğundan 250 m/sn hız değerine
kadar azalırken sonrasında artış göstermektedir.
47
Hedef, egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değerlerinin gözlemcinin hedefe yandan
baktığı durumda hıza bağlı değişimi Şekil 4.2’deki gibidir.
Radyometrik Şiddet (W/sr)
2500
2000
1500
1000
500
0
100
125
150
Toplam Hedef
175
200
225
Yüzey
250
275
Hız (m/sn)
Egzoz İzi
300
325
350
375
400
Yansıyan Yer ve Gökyüzü
Şekil 4.2 Yandan görünüş için radyometrik şiddet değerinin hızla değişimi
Hızın artmasıyla egzoz izinin boyu arttığından ışıma yapan yüzey de artmaktadır. Şekil
4.2’de görüldüğü gibi egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değeri hız ile artmaktadır.
Hızın artması için uçağın itki seviyesinin artması gerekmektedir. Bunun için daha çok
yakıt yakılacağından egzoz izinin sıcaklığı artmaktadır. Bu da egzoz izinin ışımasını
arttıran diğer bir faktördür. Ses hızı ve komşuluğunda (v≈340 m/sn) oluşan
süreksizlikten dolayı egzoz izi radyometrik şiddet değerinde ani bir değişim
görülmektedir. Yüzey ışımasının da aerodinamik ısınmadan dolayı arttığı, fakat egzoz
izi ışımasına kıyasla toplam hedef ışımasına olan etkisinin oldukça az olduğu
görülmektedir.
4.2.2 Yönelim açısının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi
Bu çalışmada NIRATAM programında kullanılan girdi parametreleri aşağıdaki gibidir:
-
Görüş açıları: Yönelim açısı 0º-360º arasında 15’er derecelik arayla arttırılmıştır.
Yükseliş açısı, 0º olarak sabit kabul edilmiştir.
48
-
Hız: 200 m/sn olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Menzil: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Dalgaboyu aralığı: 2–5 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Egzoz izi sıcaklığı: 1223 K.
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Yükseklik: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Atmosfer modeli: 1976 US Standart.
NIRATAM yazılımı tarafından toplam sıcaklık değeri 301 K olarak hesaplanmış ve her
koşum için aynı kalmış; yönelim açısına bağlı değişmemiştir.
Toplam hedef, egzoz, yüzey, motor sıcak parçaları ve motor önyüzü için radyometrik
şiddet değerlerinin yönelim açısına bağlı değişimi Şekil 4.3‘deki gibidir.
400
Radyometrik Şiddet (W/sr)
350
300
250
200
150
100
50
0
0
15
30
45
60
75
90
105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
Yönelim Açısı(º)
Toplam Hedef
Yüzey
Egzoz İzi
Motor
Şekil 4.3 Radyometrik şiddet değerinin yönelim açısına bağlı değişimi
0º-180º ve 180º-360º arasındaki değişimin aynı olması uçağın simetrik bir yapıda
olmasından kaynaklanmaktadır. Yönelim açısı 0º ve 360º olduğunda gözlemci hedefi
burnundan görmektedir, açı 0º’den 180º’ye doğru değiştikçe gözlemcinin gördüğü bölge
hedefin burnundan motorların olduğu yere doğru değişmektedir. Şekil 4.20’de
görüldüğü gibi toplam hedef radyometrik şiddet değerinin en düşük olduğu yer
gözlemcinin hedefi tam burundan gördüğü yönelim açısının 0º ve 360º olduğu noktadır.
49
Çünkü oldukça sıcak olan motorları ve egzoz izini en az bu açıdan görmektedir. En
yüksek toplam radyometrik şiddet değeri yönelim açısının 105º-120º ve 240º-255º
olduğu aralıktadır. Çünkü bu açı aralığında motor radyometrik şiddeti maksimum
değerine ulaşmaktadır.
Motordan yayılan radyometrik şiddet değeri ise uçağın
geometrisinin bakış açısına göre gölgelediği yerlerden ötürü değişim göstermektedir.
Yüzey radyometrik şiddet ve egzoz izi radyometrik şiddet değerlerlerinin değişimleri
0º-180º ve 180º-360º arasında benzer özellik göstermektedir. Yönelim açısının 90º ve
270º olduğu durumlarda gözlemci egzoz izine ve yüzeye ait en büyük alanı görmektedir.
Yönelim açısı 0º olduğunda minimum; yaklaşık 90º ve 270º olduğunda maksimum
değerlerini almaktadır.
4.2.3 Yükseliş açısının kızılaltı ışımaya etkisinin incelenmesi
Bu çalışmada NIRATAM programında kullanılan girdi parametreleri aşağıdaki gibidir.
-
Görüş açıları: Yükseliş açısı (-90º)-90º arasında 15’er derecelik arayla
arttırılmıştır. Yönelim açısı 0º olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Hız: 200 m/sn olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Menzil: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Dalgaboyu aralığı: 2–5 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Yükseklik: 1000 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Egzoz izi sıcaklığı: 1223 K.
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Atmosfer modeli: 1976 US Standart.
NIRATAM yazılımı tarafından toplam sıcaklık değeri 301 K olarak heaplanmış ve her
koşum için aynı kalmıştır.
Toplam hedef, egzoz ve yüzey toplam radyometrik şiddet değerlerinin platform
artyakıcı olmayan moddayken yükseliş açısına bağlı değişimi Şekil 4.4’deki gibidir.
50
Radyometrik Şiddet (W/sr)
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-90
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
Yükseliş Açısı (º)
Toplam Hedef
Yüzey
Egzoz İzi
Şekil 4.4 Radyometrik şiddet değerinin yükseliş açısına bağlı değişimi
Şekil 4.4’e göre en düşük radyometrik şiddet değeri gözlemcinin hedefe burundan
baktığı yükseliş açısının 0° olduğu durumdur. Yükseliş açısı 0º’dan 90°’ye arttıkça
radyometrik şiddet değeri artmaktadır, çünkü gözlemcinin gördüğü alan hedefin
burnundan motorlara ve egzoz izine doğru değişmektedir. 0º’den 90º’ye ve 0°’den 90°’ye doğru değişim benzer olmakla beraber hedefin üst yüzeyinin görüldüğü 0’dan
90º’a elde edilen yüzey ve egzoz izi radyometrik şiddet değerleri alt yüzeyinin
görüldüğü 0°’dan -90°’a elde edilen radyometrik şiddet değerlerinden daha yüksektir.
Bunun nedeni uçağın geometrisinden dolayı üst tarafında aerodinamik ısınmanın
etkisinin daha fazla olmasıdır.
F-5 uçağının artyakıcı olmayan modu, 1000 m menzil, 200 m/sn hız için gözlemcinin jet
uçağını önden, arkadan, yandan ve üstten gördüğü durumlarda, 2-25 µm dalga boyu
aralığında NIRATAM yazılımıyla elde edilen radyometrik ışınım (W.sr-1.m-2) ve
görünür sıcaklık görüntüleri (K) Şekil 4.5 ve Şekil 4.12 arasında gösterilmektedir.
Şekillerdeki her pikselin alanı 0,01 m2’dir.
51
Şekil 4.5 Artyakıcı olmayan mod, önden görünüş, sıcaklık görüntüsü
Şekil 4.6 Artyakıcı olmayan mod, önden görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.7 Artyakıcı olmayan mod, yandan görünüş, sıcaklık görüntüsü
52
Şekil 4.8 Artyakıcı olmayan mod, yandan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.9 Artyakıcı olmayan mod, üsten görünüş, sıcaklık görüntüsü
53
Şekil 4.10 Artyakıcı olmayan mod, üssten görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.11 Artyakıcı olmayan mod, arkadan görünüş, sıcaklık görüntüsü
54
Şekil 4.12 Artyakıcı olmayan mod, arkadan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.5 ve Şekil 4.12 arasındaki görünür sıcaklık görüntülerine göre hedefin gövde
sıcaklığı yaklaşık olarak 280 ile 500 K arasında değişmektedir. Atmosfer sıcaklığı 280
K, hedefin gövde sıcaklığı 300 K, motor ve egzoz izi sıcaklığı 500 K değerine
ulaşmaktadır.
4.2.4 Motor modunun kızılaltı ışımaya olan etkisinin incelenmesi
Bölüm 4.1.2 ve Bölüm 4.1.3’de artyakıcı olmayan motor modunda modellenen F-5 jet
uçağı yönelim ve yükseliş açılarının toplam hedef, egzoz izi ve yüzey radyometrik
şiddet değerlerine olan etkisinin görülmesi için aynı parametreler kullanılarak artyakıcı
motor modunda modellenmiştir. Artyakıcı motor modunda olduğundan daha yüksek bir
hız ve motor çıkış sıcaklığı değeri kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle hedef hızı
400 m/sn olarak kabul edilmiştir. Hedefin egzoz izinin motor çıkışındaki sıcaklığı 1473
K olarak kabul edilmiştir. Diğer parametreler yönelim açısının değişimi için Bölüm
4.1.2 ve yükseliş açısının değişimi için Bölüm 4.1.3’de kullanılan parametreler ile
aynıdır. NIRATAM tarafından hesaplanan toplam sıcaklık değeri 360 K’dir. Hedef,
egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değerlerinin hedef artyakıcı modundayken
yükseliş açısına bağlı değişimi Şekil 4.13’deki gibidir.
55
Radyometrik Şiddet (W/sr)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-90
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
Yükseliş Açısı (º)
Toplam Hedef
Yüzey
Egzoz İzi
Şekil 4.13 Radyometrik şiddet değerinin artyakıcı modda yükseliş açısına bağlı değişimi
Şekil 4.13’de elde edilen değişim Şekil 4.4’de elde edilen değişimle benzerlik
göstermektedir fakat radyometrik şiddet değerleri oldukça artmıştır. Bunun nedeni
artyakıcı modundayken motor ve egoz izi sıcaklığının artmasıdır. Yükseliş açılarının 0º90º arasında değiştiği durumda daha yüksek radyometrik şiddet elde edilmesinin nedeni
Şekil 4.4’de de görüldüğü gibi uçağın geometrisinden dolayı üst tarafında aerodinamik
ısınmanın etkisinin daha fazla olmasıdır.
Toplam hedef, egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değerlerinin hedef artyakıcı motor
Radyom etrk Şiddet (W /sr)
modundayken yönelim açısına bağlı değişimi Şekil 4.14’deki gibidir.
12500
10000
7500
5000
2500
0
0
15
30 45 60 75
90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
Yönelim Açısı (º)
Toplam Hedef
Yüzey
Egzoz İzi
Motor
Şekil 4.14 Radyometrik şiddet değerinin artyakıcı modda yönelim açısına bağlı değişimi
56
Şekil 4.14’te Şekil 4.3’de olduğu gibi 0º-180º ve 180º-360º arasındaki değişimin aynı
olması uçağın simetrik bir yapıda olmasından kaynaklanmaktadır. Motor modunun
artyakıcı olduğu durumda, en büyük radyometrik şiddet değeri yönelim açısının 180°
olduğu yani gözlemcinin motoru gördüğü durumda elde edilmiştir. Artyakıcı motor
modundayken motor oldukça ısınmakta ve motor radyometrik şidet değeri baskın hale
gelmektedir. Egzoz izi radyometrik şiddet değeri ise yönelim açısının 120º ve 240º
olduğu durumlarda maksimum değerini almıştır. Yüzey radyometrik şiddet değerinin
egzoz izi radyometrik şiddet değerinin değişimiyle benzer bir değişim gösterdiği fakat
toplam hedef radyometrik şiddet değerine katkısına bakıldığında etkisiz olduğu
gözlenmektedir. Artyakıcı modda toplam hedef radyometrik şiddet değerini motor sıcak
parçaları baskın olarak etkilemektedir. Artyakıcı olmayan motor modundayken en
büyük radyometrik şiddet değeri gözlemcinin egzoz izini yandan gördüğü durumda elde
edilirken artyakıcı motor modunda motoru gördüğü durumda elde edilmektedir.
F-5 Jet uçağının artyakıcı modu, 1000 m menzil, 400 m/sn hız için gözlemcinin jet
uçağını önden, arkadan, yandan ve üstten gördüğü durumlarda, 2-25 µm dalga boyu
aralığında NIRATAM yazılımıyla elde edilen radyometrik ışınım (W.sr-1.m-2) ve
görünür sıcaklık görüntüleri (K) şekil 4.15 ve şekil 4.22 arasında gösterilmektedir.
Şekillerdeki her pikselin alanı 0,01 m2’dir.
Şekil 4.15 Artyakıcı mod, önden görünüş, sıcaklık görüntüsü
57
Şekil 4.16 Artyakıcı mod, önden görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.17 Artyakıcı mod, yandan görünüş, sıcaklık görüntüsü
Şekil 4.18 Artyakıcı mod, yandan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
58
Şekil 4.19 Artyakıcı mod, üstten görünüş, sıcaklık görüntüsü
Şekil 4.20 Artyakıcı mod, üstten görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
59
Şekil 4.21 Artyakıcı mod, arkadan görünüş, sıcaklık görüntüsü
Şekil 4.22 Artyakıcı mod, arkadan görünüş, radyometrik ışınım görüntüsü
Şekil 4.15 ve şekil 4.22 arasındaki görünen sıcaklık görüntülerine göre arkaplan
sıcaklığı 275 K, hedefin gövde sıcaklığı 300 K değerine, motor ve egzoz izi sıcaklığı
1400 K değerine ulaşmaktadır.
60
4.2.5 Dalga boyuna bağlı olarak yüzey ve egzoz izi ışımasının değişimi
Bu çalışmada egzoz izi ve yüzey radyometrik şiddet değerlerinin dalgaboyuna bağlı
değişimleri gözlenmiştir. Hedef yüzeyinin ve egzoz izinin beraber görülebilmesi için
hedefe yandan bakılmıştır. Hedef ve gözlemci arasındaki mesafe (menzil) 1000 m’den
10 m’ye indirilerek atmosferin sönümleme etkisini azaltıp yüzey radyometrik şiddeti
değeri üzerindeki gökyüzü, yeryüzü ve güneş yansıma etkilerinin daha iyi şekilde
gözlenebilmesi sağlanmıştır. Bu çalışmada NIRATAM programında kullanılan girdi
parametreleri aşağıdaki gibidir:
-
Görüş açıları: Yükseliş açısı: 0º, yönelim açısı: 90º olarak hedefe yandan
bakıldığı durum seçilmiştir.
-
Hız: 200 m/sn.
-
Menzil: 10 m.
-
Dalgaboyu aralığı: 2–25 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Yükseklik: 1000 m.
-
Egzoz izi sıcaklığı: 1223 K.
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Atmosfer modeli: : 1976 US Standart.
-
Yeryüzü sıcaklığı ve yayılım sabiti: Şekil 2.11’deki 32 ºC’deki toprak ışıma
eğrisi ile karşılaştırma yapabilme amacıyla yeryüzü sıcaklığı 32 ºC ve yayılım
sabiti değeri 0.8 seçilmiştir.
-
Güneşin hedefe olan açısı: 180º.
NIRATAM yazılımı tarafından toplam sıcaklık değeri 301 K olarak hesaplanmıştır.
Şekil 4.23’te egzoz izinin spektral radyometrik şiddet değerinin atmosferin sönümleme
etkisine maruz kaldığı durumdaki 2-25 µm dalga boyu aralığındaki değişimi
görülmektedir.
61
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
2000
1800
1600
1400
1200
1000
Egzoz izi
800
600
400
200
0
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.23 2-25 µm aralığındaki egzoz izi spektral radyometrik şiddet değişimi
Şekil 4.23’e göre 2-5 µm dalga boyu aralığında egzoz gazının spektral radyometrik
şiddetinin yüksek değerlere ulaştığı ve değişiminin belirgin olduğu görülmektedir.
Değerlerin dalga boyuna bağlı dağılımını, egzoz izi içinde bulunan CO2, H2O, CO
moleküllerinin çizelge 2.6’da sunulan kızılaltı bölgede yayılım yaptıkları dalgaboyları
ve şekil 4.24’te sunulan, atmosferin soğurma yaptığı dalga boyları etkilemektedir. 2-5
µm dalga boyu aralığındaki değişimin ayrıntılı gözlenebilmesi için şekil 4.25’te sadece
2-5 µm dalga boyu bandındaki değişim ele alınmıştır. Burada B eğrisi, egzoz izinin
spektral radyometrik şiddet değerinin, atmosferin sönümleme etkisinin yok sayıldığı
durumdaki dağılımını göstermektedir. A eğrisi ise egzoz izinin spektral radyometrik
şiddet değerinin atmosferin sönümle etkisine maruz kaldığı durumdaki dağılımını
göstermektedir. Atmosferik sönümleme etkisinin 2-5 µm dalga boyu aralığındaki
değişimi şekil 4.24’te yer almaktadır. Bu değerler denizden 1000 m yükseklikte US
Standart atmosfer modeline göre LOWTRAN yazılımıyla elde edilmiştir.
62
1
0,9
0,8
Geçirgenlik
0,7
0,6
Atmosferik
Geçirgenlik
Katsayısı
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.24 2-5 µm aralığındaki atmosferik geçirgenlik katsayısı değişimi
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
5000
4000
3000
A
B
2000
1000
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.25 2-5µm aralığındaki egzoz izi spektral radyometrik şiddet değişimi
Şekil 4.24’te 2.5-2.7 µm ve 4.2-4.3 µm dalga boyu aralıklarında atmosferik geçirgenliği
sıfırdır. Bu nedenle şekil 4.25’te A eğrisinin bu dalgaboyu aralıklarında değeri sıfır
olmaktadır. Atmosferik sönümleme etkisine maruz kalmayan egzoz izi spektral
radyometrik şiddetini temsil eden B eğrisinin ise bu dalga boyu aralıklarında oldukça
yüksek değerlere sahip olduğu görülmektedir. B eğrisinin 3.4-4.2 µm ve 2.0-2.4 µm
63
dalga boyu aralığında sıfır değerini almasının nedeni ise egzoz izi içindeki CO2, H2O ve
CO moleküllerinin bu dalga boylarında yayılım yapmamasıdır. B eğrisi maksimum
değerini yaklaşık 4.4 µm’de, A eğrisi ise 4.5 µm’de almaktadır.
Yüzey radyometrik şiddetinin dalga boyuna bağlı değişimi şekil 4.26’da sunulmuştur.
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
160
140
120
100
80
Toplam Yüzey
60
40
20
0
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.26 2-25 µm aralığındaki yüzey spektral radyometrik şiddet değişimi
Toplam yüzey radyometrik şiddet değerine yeryüzü, gökyüzü ve güneş yansımaları da
dahil olduğundan bu eğri güneş, yeryüzü ve gökyüzü ışıma eğrilerinin yer aldığı şekil
2.10, şekil 2.11, şekil 2.12 ile uyumlu olmalıdır. Güneş yansımasının değeri 10-1
mertebesinde olduğundan şekil 4.26’da gözlenememektedir. Güneş yansımasının etkisi
Bölüm 4.2.1 altında ayrıntılı olarak gösterilmektedir. Şekil 2.11’de yer alan 32 ºC
sıcaklığındaki toprak ışıma eğrisinin pik yaptığı dalgaboyu yaklaşık 10 µm’dir. Şekil
4.26’da oluşan eğride pik gözlenen dalgaboyu yaklaşık 10 µm’dir ve yüzey radyometrik
şiddet değeri yaklaşık 3 µm’den itibaren artış göstermektedir. Bu nedenle şekil 2.11 ve
şekil 2.12’deki 4-15 µm dalgaboyu aralığındaki eğriyle uyum göstermektedir.
64
4.3 Yansıyan Arkaplan Işımasının NIRATAM ile Modellenmesi
4.3.1 Yansıyan güneş ışıması
Yansıyan güneş ışımasının güneşin hedefe olan konumuna ve dalga boyuna göre
değişimi incelenmiştir. Yansıyan güneş ışıması atmosfer tarafından sönümlendiği için
değişime uğradığından bu değişimin gözlenmesi için atmosfer etkisinin katıldığı ve
katılmadığı 2 durum için de grafikler sunulmuştur. Bu çalışmada NIRATAM
yazılımında kullanılan girdi parametreleri aşağıdaki gibidir.
-
Görüş açıları: Yükseliş açısı: 0º, yönelim açısı: 90º olarak hedefe yandan
bakıldığı ve yükseliş açısı: 0º, yönelim açısı: 0º olarak hedefe önden bakıldığı iki
durum seçilmiştir. Böylece hedefin en geniş alanının ve en küçün alanının
görüldüğü iki durumun da değerlendirilmesi sağlanmıştır.
-
Hız: 200 m/sn.
-
Menzil: 10 m
-
Dagaboyu aralığı: 2–25 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Yükseklik: 1000 m.
-
Egzoz izi sıcaklığı: 1223 K.
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Atmosfer modeli: 1976 US Standart.
-
Yeryüzü sıcaklığı ve yayılım sabiti: Şekil 2.9’daki 32ºC’deki toprak ışıma eğrisi
ile karşılaştırma yapabilme amacıyla yeryüzü sıcaklığı 32 ºC ve yayılım sabiti
değeri 0.8 seçilmiştir.
-
Güneşin hedefe olan açısı: 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olarak
değiştirilmiştir.
NIRATAM yazılımı tarafından toplam sıcaklık değeri 301 K olarak hesaplanmıştır.
Şekil 4.27’de gözlemcinin hedefi burundan gördüğü durumda atmosfer etkisinin
katılarak, güneşin hedefe olan açısının 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olduğu her
65
bir durum için 2-25 µm dalga boyu aralığında elde edilen güneş yansımasının spektal
radyometrik şiddeti sunulmaktadır.
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
0,06
0,05
0º
30º
0,04
60º
0,03
90º
120º
0,02
150º
180º
0,01
0,00
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.27 Önden görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi varken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti
Şekil 4.27’deki 2-2.5 µm aralığındaki değişim detaylı olarak şekil 4.28’de yer
almaktadır.
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
0,060
0,050
0º
30º
0,040
60º
0,030
90º
120º
0,020
150º
180º
0,010
0,000
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.28 Önden görüş için 2-2.5 µm aralığında atmosfer etkisi varken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti
66
Şekil 2.10’a göre güneş ışıması 0.1-3µm aralığında gözlenmektedir. NIRATAM
yazılımı 2-25 µm’de çözüm yapabildiği için 0.1-3 µm aralığındaki tüm değişimi şekil
4.28’de gözlemlemek mümkün değildir. Fakat şekil 4.28 ve şekil 4.29’da görüldüğü
gibi 2-2,5 µm aralığındaki değişimin belirgin olması ve bu aralıkta atmosferin içindeki
H2O, CO2 moleküllerin soğurma etkisine maruz kalması NIRATAM ile elde edilen
güneş yansıması eğrisinin şekil 2.10 ile uyumlu olduğunu göstermektedir. En yüksek
güneş yansıması değeri ise güneşin hedefle 180º’lik açı yaptığı durumda elde edilmiştir.
Çünkü bu koşulda güneş ve gözlemci aynı hizada olduklarından güneşten yansıyan
ışıma gözlemciye ulaşabilmektedir. Açı 0º olduğunda güneş hedefin arkasında
kaldığından yansıyan ışıma gözlemciye ulaşamamaktadır; bu nedenle bu açı için
yansıyan güneş ışıması değeri sıfırdır.
Şekil 4.29’da gözlemcinin hedefi burundan gördüğünde atmosfer etkisinin katılmadan
güneşin hedefe olan açısının 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olduğu her durum için
2-25 µm dalga boyu aralığında elde edilen güneş yansımasının spektal radyometrik
Spektral Radyometrik Şiddeti (W.sr¯¹.µm¯¹)
şiddeti sunulmaktadır.
0,12
0,10
0º
0,08
30º
60º
0,06
90º
0,04
120º
150º
180º
0,02
0,00
2
3
4
5
6
7
8
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.29 Önden görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti
67
Şekil 4.29’da atmosfer etkisi dahil olmadığı için elde edilen güneş yansıması eğrisinin
H2O ve CO2 moleküleri tarafından soğurulmadığı görülmektedir. Bunun yanında
atmosferin sönümleme etkisine uğramadığından elde edilen güneş yansıması değerleri
daha yüksektir.
Şekil 4.30’da gözlemcinin hedefi yandan gördüğünde, atmosfer etkisinin katılarak
güneşin hedefe olan açısının 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olduğu her bir durum
için 2-25 µm dalga boyu aralığında elde edilen güneş yansımasının spektal radyometrik
şiddeti sunulmaktadır.
Spektral Radyometrik Şiddeti (W.sr¯¹.µm¯¹)
3,00
2,75
2,50
2,25
0º
30º
2,00
1,75
60º
90º
120º
150º
1,50
1,25
1,00
180º
0,75
0,50
0,25
0,00
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.30 Yandan görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti
Şekil 4.30’da elde edilen eğri şekil 4.27 ile benzerdir. Dolayısıyla gözlemcinin hedefe
olan konumu yansıyan güneş ışımasının eğri yapısını değiştirmemektedir. Fakat şekil
4.27’de ulaşılan maksimum değer 0.055 W.sr-1.µm-1 iken hedefin yandan görüldüğü
şekil 4.28’deki eğride 2,75 W.sr-1.µm-1 değerine ulaşılmıştır. Bunun nedeni görülen
yüzeyin artmasından dolayı gözlemcinin algıladığı yansıyan güneş ışıması değerinin
artmasıdır. En büyük güneş yansıması değeri 90º için elde edilmiştir. Bunun nedeni
güneşle hedefin yaptığı açının 90º ve hedefle güneş arasındaki açının 90º olduğu
durumda gözlemci ve güneş aynı hizada olmakta; böylece güneşten yansıyan tüm
68
ışımayı gözlemci algılayabilmektedir. Diğer açılardaki güneş yansıması değerleri 10-4
mertebesindedir.
Şekil 4.31’de gözlemcinin hedefi burundan gördüğünde, atmosfer etkisinin katılmadan
güneşin hedefe olan açısının 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olduğu her bir durum
için 2-25 µm dalga boyu aralığında elde edilen güneş yansımasının spektal radyometrik
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr¯¹.µm¯¹)
şiddeti sunulmaktadır. Diğer açılardaki güneş yansıması değerleri 10-4 mertebesindedir.
6,00
5,50
5,00
4,50
4,00
3,50
0º
30º
60º
90º
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
120º
150º
180º
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.31 Yandan görüş için 2-25 µm aralığında atmosfer etkisi yokken güneşin
konumuna bağlı olarak güneş yansımasının spektal radyometrik şiddeti
Şekil 4.31’de şekil 4.29’da olduğu gibi atmosfer etkisi dahil olmadığı için elde edilen
güneş yansıması eğrisinin H2O ve CO2 moleküleri tarafından soğurulmadığı
görülmektedir. Bunun yanında atmosferin sönümleme etkisine uğramadığından elde
edilen güneş yansıması değerleri daha yüksektir. Şekil 4.27 ile şekil 4.31 arasındaki
grafikler incelendiğinde güneş yansıması için en büyük spektral radyometrik şiddet
değerinin hedef-gözlemci ve hedef-güneş arasındaki açının 90º olduğu ve atmosfer
etkisinin katılmadığı durumda yaklaşık 2.2 µm dalgaboyu için elde edildiği sonucuna
varılmıştır.
69
4.3.2 Yansıyan yeryüzü ve gökyüzü ışıması
Yansıyan yeryüzü ve gökyüzü ışımasının gözlemcinin hedefe olan konumuna ve dalga
boyuna göre değişimi incelenmiştir. Yansıyan yeryüzü ve gökyüzü ışıması atmosfer
tarafından sönümlendiği için değişime uğradığından bu değişimin gözlenmesi için
atmosfer etkisinin katıldığı ve katılmadığı iki durum için de grafikler sunulmuştur. Bu
çalışmada NIRATAM yazılımda kullanılan girdi parametreleri aşağıdaki gibidir.
-
Görüş açıları: Yükseliş açısı: 0º, yönelim açısı: 90º olarak hedefe yandan
bakıldığı ve yükseliş açısı: 0º, yönelim açısı: 0º olarak hedefe önden bakıldığı 2
durum seçilmiştir. Böylece hedefin en geniş alanının ve en küçün alanının
görüldüğü iki durumun da değerlendirilmesi sağlanmıştır.
-
Hız: 200 m/sn.
-
Menzil: 10 m olarak sabit kabul edilmiştir.
-
Dalgaboyu aralığı: 2–25 µm.
-
Motor modu: Artyakıcı olmayan.
-
Yükseklik: 1000 m.
-
Egzoz izi karışımında bulunan bileşenler: H2O, CO2, CO ve C.
-
Atmosfer modeli: 1976 US Standart.
-
Yeryüzü sıcaklığı ve yayılım sabiti: Şekil 2.9’daki 32 ºC’deki toprak ışıma eğrisi
ile karşılaştırma yapabilme amacıyla yeryüzü sıcaklığı 32 ºC ve yayılım sabiti
değeri 0.8 seçilmiştir.
-
Güneşin hedefe olan açısı: 0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º ve 180º olarak
değiştirilmiştir.
Şekil 4.32’de hedefe önden bakıldığı durum için 2-25 µm aralığındaki atmosferin
etkisine bağlı olarak yansıyan yer ve gökyüzü spektral radyometrik şiddetleri yer
almaktadır. Yansıyan yer ve gökyüzü radyometrik şiddetlerinin toplam hedef
radyometrik şiddetine katkısının görülmesi için toplam hedef radyometrik şiddeti de
grafikte yer almaktadır. Buna göre grafikte yer alan A, B eğrileri sırasıyla atmosfer
etkisi katıldığı durumda yansıyan arkaplan radyometrik şiddet değerlerini ve toplam
hedef radyometrik şiddet değerini ifade etmektedir. C, D eğrileri ise sırasıyla atmosfer
70
etkisi katılmadığı durumda yansıyan arkaplan radyometrik şiddet değerlerini ve toplam
hedef radyometrik şiddet değerini ifade etmektedir.
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr.¯¹.µm¯¹)
40
35
30
A
25
B
20
C
D
15
10
5
0
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.32 Önden bakış için 2-25 µm aralığındaki toplam hedef, yansıyan yer ve
gökyüzü spektral radyometrik şiddeti
Şekil 4.32’de B eğrisindeki değerler D eğrisine gore daha düşük olduğundan, atmosfer
etkisinin katılmadığı durumda yansıyan arkaplan ve toplam hedef radyometrik güç
değerlerinde azalma olduğu gözlenmiştir. D eğrisindeki 15 µm’de gözlenen maksimum
değeri 15 µm’de yer alan egzoz izi içineki CO2 molekülünün yayılım bandından
kaynaklanmaktadır. A eğrisindeki radyometrik şiddet değerlerinin yüksek olmasının
nedeni ise LOWTRAN yazılımı tarafından hesaplanarak eklenen atmosferin hedef
üzerinden yansıyan radyometrik şiddet değeridir. Dolayısıyla toplam hedef radyometrik
şiddet değeri, hedefe önden bakıldığı durum için, atmosfer etkisi katıldığı zaman, daha
yüksek olmaktadır.
Şekil 4.33’de ise hedefe yandan bakıldığı durumda 2-25 µm aralığındaki atmosferin
etkisine bağlı olarak yansıyan yer ve gökyüzü spektral radyometrik şiddetleri yer
almaktadır. Yansıyan yer ve gökyüzü radyometrik şiddetlerinin toplam hedef
radyometrik şiddetine katkısının görülmesi için toplam hedef radyometrik şiddeti de
grafikte yer almaktadır. Buna göre grafikte yer alan A, B eğrileri sırasıyla atmosfer
etkisi katıldığı durumda yansıyan arkaplan radyometrik şiddet değerlerini ve toplam
hedef radyometrik şiddet değerini ifade etmektedir. C, D eğrileri ise sırasıyla atmosfer
71
etkisi katılmadığı durumda yansıyan arkaplan radyometrik şiddet değerlerini ve toplam
hedef radyometrik şiddet değerini ifade etmektedir.
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr.¯¹.µm¯¹)
4500
4000
3500
3000
A
2500
B
2000
C
1500
D
1000
500
0
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.33 Yandan bakış için 2-25 µm aralığındaki toplam hedef, yansıyan yer ve
gökyüzü spektral radyometrik şiddeti
Spektral Radyometrik Şiddet
(W.sr.¯¹.µm¯¹)
20
18
16
14
12
A
10
C
8
6
4
2
0
2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Dalgaboyu (µm)
Şekil 4.34 Yandan bakış için 2-25 µm aralığındaki yansıyan yer ve gökyüzü spektral
radyometrik şiddeti
Şekil 4.33’de hedefe yandan bakıldığı ve egzoz izi radyomerik şiddet değeri baskın
olarak öne çıktığı için A ve C eğrilerinde yer alan arkaplan radyometrik şiddet değerleri
Şekil 4.34’te ayrıca ele alınmıştır. A eğrisindeki radyometrik şiddet değerlerinin C
eğrisinden yüksek olmasının nedeni ise LOWTRAN yazılımı tarafından hesaplanarak
72
eklenen atmosferin yansıyan radyometrik şiddet değeridir. Şekil 4.33’te görüldüğü gibi
atmosfer etkisinin dahil olmadığı hedef radyometrik şiddeti (D eğrisi), atmosfer
etkisinin dahil olduğu hedef radyometrik şiddetinden (B eğrisi) daha yüksektir. Bunun
nedeni Şekil 4.23’te de görüldüğü gibi artyakıcı olmayan modda ve hedefin yandan
görüldüğü durumda baskın olan egzoz izi radyometrik şiddetinin atmosferin sönümleme
etkisine uğramadığı durumda artmasıdır. Şekil 4.32-4.33’te olduğu gibi D eğrisinde 15
µm’de egzoz izi içineki CO2 molekülünün yayılım yapmasından kaynaklanan bir pik
noktası görülmektedir. 2-5 µm’deki değişim ise Şekil 4.25’teki B eğrisinin davranışıyla
benzerlik göstermektedir.
73
5.
SONUÇ ve TARTIŞMA
Bu tez çalışmasında hava araçlarının kızılaltı bölgede yaydıkları ışımayı oluşturan
faktörler ve bu faktörlerin dalga boyuna bağlı değişimi araştırılmıştır. Bu amaçla yüksek
sıcaklığa sahip turbojet motoruyla çalışan F-5 jet uçağının NIRATAM yazılımıyla 2-25
µm dalga boyu bandındaki kızılaltı ışıması modellenmiştir. Bu modelleme sonucunda
ışımanın hıza, motor moduna, gözlemciye, dalgaboyuna ve arkaplan etkilerine bağlı
değişimi ortaya konmuştur.
Hız değişiminin F-5 jet uçağının kızılaltı ışıması üzerine etkisinin gözlemcinin
konumuna göre değiştiği gözlenmiştir. Yüzey ışıması hızın yükselmesinden
kaynaklanan aerodinamik ısınmadan dolayı artmaktadır. Egzoz izi ışıması da hızın
artmasıyla artmakta ve artan hız ile egzoz izinin uzunluğu artarken çapı azalmaktadır.
Ancak çapının azalmasından dolayı gözlemcinin uçağı önden gördüğü durumda hız
arttıkça gözlemcinin algıladığı egzoz izi ışıması azalmaktadır. Gözlemcinin hedefe
önden baktığı durumda baskın olarak yüzeyden gelen ışıma algılanmaktadır. Buna
karşın, yandan baktığı durumda ise baskın olarak egzoz izi ışımasını algılamaktadır. Bu
nedenle özellikle hedefe önden bakıldığı durumdaki baskın olan yüzey ışımasının
azaltılması için yüzey yansıtıcılık değerinin azaltmaya yönelik önlemler alınarak
yansıyan arkaplan ışımasının azaltılabilceği düşünülmektedir.
NIRATAM yazılımıyla oluşurulan F-5 jet uçağının 2-25 µm dalga boyu aralığındaki
görünen sıcaklık ve ışıma görüntüleri ile gözlemcinin bakış açılarına göre ışımanın
yüksek olduğu bölgeler elde edilmiştir. Motor modunun artyakıcı olmasının ışımanın
değerini oldukça büyük oranda arttırdığı görülmüştür. Bu artış egzoz izi ve motor
ışımasında yüzey ışımasında olduğundan çok daha fazladır. Bu nedenle kızılaltı ışımayı
azaltmaya yönelik hazırlanan pasif koruma yöntemlerinin özellikle artyakıcı moddaki
motordaki sıcaklık artışı için geliştirilmelerinin etkinliklerini arttırıcı bir yol olacağı
düşünülmektedir.
Gözlemcinin hedefe olan konumunun ışımanın büyüklüğünü değiştiren en büyük faktör
olduğu sonucuna varılmıştır. Artyakıcı olmayan modda egzoz izinden yayılan ışımanın
74
baskın olduğu görülürken, artyakıcı modda motor ışıması baskındır. Hedefin
yüzeyinden yayılan ışıma değeri, egzoz izine ve motora oranla çok düşük olduğundan
gözlemcin hedefi önden gördüğü durumda artyakıcı veya artyakıcı olmayan motor
modunda F-5 jet uçağı yüksek bir kızılaltı imza değerine sahip olamamaktadır.
Egzoz izi ışımasının 2-25 µm dalga boyu aralığındaki spektral özelliği incelendiğinde 25 µm dalga boyu aralığındaki dağılımının değişken olduğu ve yüksek değerlere ulaştığı
sonucuna varılmıştır. Egzoz izi ışımasının spektral dağılımını yakıtın yanması
sonucunda oluşan moleküller ve atmosferik sönümleme faktörü etkilemektedir. Egzoz
izi içindeki moleküllerin yayılım yaptığı dalga boyları süreklilik göstermediğinden 2-5
µm dalga boyu aralığında sürekli bir ışıma oluşmamaktadır. Atmosfer sönümleme etkisi
göz önüne alınmadığında egzoz izi ışımasının 4.4 µm’de maksimum değerine
ulaşmaktadır. 4.2-4.4 µm dalga boyu aralığında egzoz gazı ışımasının artmasına rağmen
atmosferin bu dalga boyu aralığındaki sönümleme etkisinden dolayı ışıma değeri
oldukça düşmektedir. Bu analizler H2O, CO2, CO ve C bileşenlerinden meydana gelen
egzoz izi için yapıldığından içinde HF, HCL, OH, NO2, N2O gibi farklı moleküller
içeren
bir
egzoz
izi
ışımasının
spektral
dağıımının
farklılıklar
göstereceği
düşünülmektedir.
Yüzey ışımasının spektral dağılımının ise gökyüzü, yeryüzü, güneş ışımaları ve
atmosferik sönümleme faktörü tarafından belirlendiği görülmüştür. Yüzey ışımasının 415 µm dalga boyu aralığında etkili olduğu ve atmosfer içindeki H2O ve CO2
moleküllerinin soğurma etkisinden dolayı süreklilik göstermediği sonucuna varılmıştır.
Güneş ışıması ise 2-3 µm dalga boyu aralığında etkilidir fakat yüzey ışımasına olan
katkısı oldukça azdır. Literatürden elde edilen bilgilere göre güneş ışımasının 0.1-3 µm
dalga boyu aralığında etkili olduğu görülmüştür fakat NIRATAM yazılımının 2-25 µm
dalga boyu aralığında çalışmasından dolayı 0.1-2 µm dalga boyu aralığındaki değişim
hesaplanamamıştır.
Kızılaltı bölgede kullanımı yaygın olan foton dedektörlerin malzemelerinin çalıştıkları
dalga boyu aralıkları sunulmuştur. NIRATAM yazılımı ile elde edilen bulgulara
dayanılarak ölçüm yapılmak istenen bölgeye uygun bir dedektör seçiminin ölçüm
75
sonuçlarının doğruluğunun arttırılması için önemli olduğu sonucuna varılmışır. Örneğin
egzoz izinin kızılaltı ışımasının ölçümü için 2-5 µm aralığı kapsayan bir dedektör
kullanımı önem taşımaktadır. Elde edilen sonuçlara göre egzoz izi ışımasının spektral
dağılımı sürekli olmadığından etkin olduğu dalga boyu aralıklarında duyarlılığı yüksek
bir dedektör seçilmesi de gerekmektedir.
Bu tez çalışmasının devamında farklı geometriye, yüzey malzemesine, motor tipine ve
motor sayısına sahip bir hava aracının kızılaltı imzasının NIRATAM yazılımıyla analiz
çalışmalarıın yapılabileceği düşünülmektedir. Bu şekilde F-5 jet uçağı için oluşturulan
bu kızılaltı imza veri tabanı farklı hava araçlarının kızılaltı imzalarını da kapsayacak
şekilde geliştirilebilir. Bu veri tabanı dedektör ve arayıcı tasarımı çalışmalarında
kullanılabilir. Karşı tedbir sistemlerinin etkinliği arttırmaya yönelik çalışmalarına ışık
tutabilir.
76
KAYNAKLAR
Accetta, J.S. 1993a. Countermeasure Systems, The IR & EO Systems Handbook,
Volume 7. SPIE Optical Engineering Press, 159-247, Washington.
Accetta, J.S. 1993b. Sources of Radiation, The IR & EO Systems Handbook,
Volume 1. SPIE Optical Engineering Press, 3-32, 139-285, Washington.
Accetta, J.S. 1993c. Atmospheric Propagation of Radiation, The IR & EO Systems
Handbook, Volume 2. SPIE Optical Engineering Press, 3-92, Washington.
Bakker, E.J. 1999. Modelling Multi-Spectral Imagery Data with NIRATAM V3.1 and
NPLUME v1.6. SPIE, Vol.3599; 80-91.
Fair, L.M. 1998a. NIRATAM Software User Guide, DERA.
Fair, L.M. 1998b. NPLUME Software User Guide, DERA.
Harshavardhan, M. 2005. Stealth Technology-Infared Signature Studies. AE 397
B.Tech. Seminar. Department of Aerospace Engineering Indian Institute of
Technology, Bombay.
Anonim. 2009. http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektromanyetik_tayf, 20/12/2009
Anonymous. 2009. http://www.eoearth.org, 10/12/2009
Hudson, R.D. 1969. Infrared System Engineering. Jr. John Wiley and Sons, Inc, 20-109,
New York.
Mahulikar, P.S., Sonawave, R.H. and Rao, A.G. 2007. Infrared Signature Studies of
Aerospace Vehicles. Science Direct, 43(2007); 219-245.
77
Modest, F. M. 1993. Radiative Heat Transfer, Acedemic Press, 1-28, United States of
America.
Noah, M. 1991. NIRATAM-Nato Infrared Air Target Model. SPIE, Vol.1479
Surveillance Technologies; 275-282.
Raymond, A. S. 1990. PHYSICS for Scientists&Engineers with Modern Physics,
Volume 2. Saunders Collage Publishing, 957-975, San Fransisco.
Ryer, Alex. 1997. The Light Measurement Handbook, Technical Publications Dept
International Light, Inc, 25-38, Newburyport.
Seyrafi, K. 1971. Infrared Military Systems, Part One, US Army Material
Command, 2.1-2.12, 2.68-2.121, Washington, D.C.
Zdunkowski, W. 2007. Radiation in the Atmosphere, Cambridge University Press, 1-26,
United States of America.
78
ÖZGEÇMiŞ
Adı Soyadı
: Senem GÜCÜYENER ZALOĞLU
Doğum Yeri
: Diyarbakır
Doğum Tarihi : 23 Eylül 1983
Medeni Hali
: Evli
Yabancı Dili
: İngilizce, Almanca
Egitim Durumu (Kurum ve Yıl)
Lise
: Sırrı Yırcalı Anadolu Lisesi (2001)
Lisans
: Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü
(2005)
Yüksek Lisans: Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği
Anabilim Dalı ( Eylül 2005-Mart 2010)
Çalıstıgı Kurum/Kurumlar ve Yıl
ROKETSAN, Sistem Mühendisliği Müdürlüğü Eylül 2005-
79