İyonkürede elektromanyetik dalga yayılım modeli ve benzetimi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2017
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: ESRA ERDEM
Danışman: FEZA ARIKAN
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Kısa Dalga (KD) bandında (3 - 30 MHz) elektromanyetik dalga yayılımı uzak mesafe haberleşme için büyük önem taşımaktadır. KD bandında dalganın yayılım ortamı, atmosferin iyonküre katmanıdır. İyonküre, iyonlaşan gazlardan oluşan, zamana göre değişim gösteren, düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamdır. İyonküre ortamına elektromanyetik dalga yayılımı çözümlerinin yapılması zorlu bir problemdir. Dalga denkleminin düzgün dağılmayan ve yön bağımlı bir ortamda çözülmesi için hali hazırda uygulanan çeşitli analitik ve nümerik yöntemler yetersiz kalmaktadır. Bu yöntemler ancak iyonkürenin fiziksel özelliklerinin büyük ölçüde ihmal edilmesi ve dalga denkleminde çeşitli yaklaşımların yapılması ile uygulanabilmektedir. İşlem yükü ve çözüm süresi fazla olan bu yöntemler ile elde edilen çözümler, uygulanan yaklaşımlar nedeniyle iyonkürenin fiziksel yapısını yansıtmayan çıktılar vermektedir. Bazı durumlarda dalga yayılımı hesaplama iyonkürenin zamana göre değişim hızından daha yavaş olmakta ve elde edilen çözüm geçerliliğini yitirmektedir. Uzak mesafe haberleşme teknolojisinin başarımı iyonküre ve iyonkürede dalga yayılımı modellerinin gerçeğe yakın olması ile artmaktadır. Bu nedenle yeni bir yaklaşımla iyonkürede elektromanyetik dalga yayılımının modellenmesi ve iyonkürenin yapısının bu modele dahil edilmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu doktora tezi çalışmasında KD bandı için yeni ve özgün bir dalga yayılım modeli geliştirilmiştir. Bu model, dalganın ışın izleme ile gösterimi ve iyonkürenin 3 Boyutlu (3B) küresel hücre modeli bileşenlerinden oluşmaktadır. Işın izleme, bir geometrik optik yaklaşımı olarak uygulanmaktadır. Geliştirilen dalga yayılım modelinde ışın izleme yöntemlerinden Snell yasası uygulanmaktadır. Snell yasası ile ışın izlemede önemli bir parametre olan kırılma indisinin hesaplanmasında, Appleton-Hartree eşitliği kullanılmaktadır. Appleton-Hartree eşitliği iyonkürenin fiziksel parametrelerini içermekte olup, geliştirilen modelde tüm parametreleri ile hesaba dahil edilmektedir. İyonkürenin yön bağımlı olmasının bir sonucu olarak kaynaktan yayınlanan dalga iyonküreye girdiğinde sıradan ve sıradışı dalga olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen modelde sıradan ve sıradışı dalga için ayrı ayrı, 3B küresel hücre modeli üzerinden ışın izleme uygulanmaktadır. 3B küresel hücre modeli iyonkürenin düzgün dağılmayan yapısını yansıtmaktadır. Her bir hücreye karşılık gelen iyonküre parametreleri zamana bağımlı olarak hesaplandığından, iyonkürenin zamana göre değişimi de model tarafından karşılanmaktadır. İyonküre parametreleri IRI-Plas yazılım aracı ile hesaplanmaktadır. IRI-Plas, iyonkürenin ölçülebilen bazı parametrelerinin verilerini girdi olarak alarak mevcut iyonküreyi daha gerçekçi benzetebilmektedir. Bu tez kapsamında geliştirilen modelde IRI-Plas yazılımının bu özelliğinden yararlanılmakta ve verilen zamana kar¸sılık Toplam Elektron İçeriği (TEİ) verileri otomatik olarak sağlanarak IRI-Plas yazılımına beslenebilmektedir. Geliştirilen iyonkürede dalga yayılım modelinin mühendislik uygulamasını yapmak üzere IONOLAB-RAY algoritması tasarlanmıştır. IONOLAB-RAY ön işlem ve ana işlem olmak üzere iki parçadan oluşmaktadır. Kullanıcı tarafından tanımlanan ilgi alanı bölge ve zamanlar için koşum süresi görece olarak uzun süren hesaplamalar ön işlem aşamasında yapılarak kaydedilmektedir. Ana işlem aşamasında ise oluşturulan ilgi alanı bölge ve zamanlar için istenilen senaryolar koşturulabilmektedir. Dalga yayılımının modellenmesi için ihtiyaç duyulan tüm parametreler IONOLAB-RAY modülleri tarafından otomatik olarak hesaplanmaktadır. Girdi parametrelerinin çoklu de˘gerlerine kar¸sılık tüm senaryo kombinasyonları tek komutla ko¸sturulabilmektedir. Elde edilen çıktıların formatları mühendislik çalı¸smalarına ve analizlerine uygundur. IONOLAB-RAY algoritması modülleri ile dalganın ilerleme yolunun yanı sıra dalganın zayıflaması, zaman gecikmesi, faz hızı, grup hızı ve Faraday dönmesi parametrelerini hesaplayabilmektedir. Bu parametreler aynı zamanda uzak mesafe iletişiminde kullanılan kanal modellerine girdi sağlayabilmektedir. IRI-Plas yazılımına istatistiksel modele dayalı veri beslemesi yapılabilmektedir. Böylece dalganın izlediği yolun, yeryüzüne ulaştığı konumların ve dalga parametrelerinin istatistiksel dağılımlarının incelenmesine imkan sağlanmaktadır. Bu tez kapsamında geliştirilen IONOLAB-RAY algoritması ile dünyanın farklı konumları için mevsim ve günün saatindeki değişimlere göre dalganın yayılım yolları incelenmi¸stir. Dalganın kaynaktan yayınlanmasını tanımlayan girdi parametrelerinin değişimine karşılık elde çıktılar değerlendirilmiştir. İyonküre modelini veri ile beslemenin etkileri gözlenmi¸stir. IONOLAB-RAY algoritması literatürde bulunan benzer amaçlarla geliştirildiği bilinen çalışmalar ile karşılaştırılmış, kullanılan modellerden kaynaklı farklılıklar göz önünde bulundurularak çıktıların uyumlu olduğu değerlendirilmiştir. IONOLAB-RAY algoritması ile iyonogram türetilmiş ve ölçüm çıktısı olan iyonogram ile karşılaştırılmışır. Böylece IONOLAB-RAY literatürde bulunan benzer amaçlı yazılımlar ve iyonogram ölçümleri üzerinden geçerlenmiştir.