Radar Temelleri

Etken Yansıtırlık Kesiti

Bazı yayınlarda Radar Kesiti (Radar Cross Section, RCS) olarakta adlandırılan σ Etken Yansıtırlık Yüzeyi, bir uçan cisme özgün, etmene bağlı olan bir büyüklüktür. σ-değerinin matematiksel hesabı sadece basit yüzeyler için yapılabilir. Yansıtırlık yüzeyi, cismin biçimine ve dalga boyuna bağlıdır, daha doğru bir ifade ile cismin yapısal boyutlarının gönderim işaretinin dalga boyuna olan oranına bağlıdır.

Etken Yansıtırlık Yüzeyi pratikte şunlara bağlıdır:

• uçan cismin büyüklüğü;
• o an uçmakta olduğu nokta;
• radar aygıtının gönderim frekansı;
• uçağın yapımında kullanılan malzeme;
• ve uçan nesnenin yüzey malzemesinin elektriksel özellikleri.

Bir yolcu uçağının tasarımında etkenlik ve güvenlik öne çıkarken, askeri amaçlı bir uçakta yansıtırlık yüzeyinin olabildiğince küçük tutulmasına dikkat edilir. Hayalet-teknolojisi (stealth-technology) adını verdiğimiz bu teknoloji Körfez Savaşında başarıyla kullanıldı, fakat Kosova savaşında Sırp radarlarının (P–12 ve P-18) çok alçak frekansları kullanması nedeniyle Stealth bombardıman uçaklarının pilotları büyük sorunlarla karşılaştı.

Bir radar için Yansıtırlık Yüzeyinin anlamı nedir?

Herhangi bir yansıtıcının Etken Yansıtırlık Yüzeyi, bir ideal referans yansıtıcının yüzeyine oranı olarak düşünülebilir. Bir eşdeğer eşyönlü (isotropic) referans yansıtıcının Etken Yansıtırlık Yüzeyi tam 1 m² dir. Pratikte her yönde eş yansıtırlık, bir küre biçimli, yüzeyi bir ideal iletken olan yansıtıcı ile mümkündür. Küresel biçim uzak menzillerde kaybolur, onun yerini yalnızca bir daire biçimli yüzey alır: bu sözde izdüşümün, yani daire biçimli yüzeyin çapı, kürenin çapıyla aynıdır. Bu yüzeyin büyüklüğünün, referans yansıtıcının yüzeyi olan 1 m² ile aynı olabilmesi için küre çapının yaklaşık 1,128 m olması gerekir. Ancak böyle bir eşdeğer eşyönlü yansıtıcı, bakış açısından (aspect angle), yani radarın yönünden bağımsız olarak, katı açının (solid angle) her ölçüm birimi için aynı gücü yayınlar. Bir yansıtıcı yalnızca almış olduğu enerjiyi yayınlayabilir.

Bu eşitlik gerçekte yalnızca bir güç bütçesini (power budget) açıklayabilir: Bu yansıtıcı nesne yalnızca alınan gücü yansıtılabilir ve alınan bu güç her yöne yansıtılır. Radar yansıtılan bu güçten sadece küçük bir kısmını kapar. Alınan kısmın büyüklüğü antenin etken yüzeyine ve antenin açıklığına (antenna aperture) bağlıdır.

Yansıtıcı nesne tarafından baktığımızda radarın alım noktasında göreceğimiz güç yoğunluğu S_r olsun. Bu güç yoğunluğunun birimi W/m² dir. Radarın alıcı anteni sadece bir A_r etkili anten açıklığına sahiptir (bu açıklık bir yüzeydir ve bir kürenin dış yüzeyinin parçasıdır). Radar anteninin alım gücü, antendeki güç yoğunluğunun, antenin etken yüzeyi ile çarpıldığı S_r·A_r ifadesidir.

Bu anten, küre yüzeyinde sadece küçük bir yüzey parçası gibidir ve nesneden tüm yönlere yansıtılan gücün sadece küçük bir kısmını alabilir. Bu alan bir küresel yüzeyin tamamına yansıtılan gücün alındığı Ω Katı Açısı ile orantılıdır. Anten açıklığını sınırlayan bu Katı Açı, menzilin karesiyle ters orantılıdır, yani menzil arttıkça Katı Açı azalır:

Ω = A_r/r²(2)

Böylece alıcı antendeki güç yoğunluğu (Katı Açı başına güç) S_r·A_r/Ω olur. (2) nolu eşiklikteki Katı Açı eşitliği buraya yerleştirildiğinde:

S_r·A_r /Ω = S_r·A_r /(A_r /r²) = S_r·r²(3)

eşitliği elde edilir.

Böylece S_r·r² eşitliği Katı Açı birimi başına alım gücünü ifade eder (Watt/steradyan) ve yukarıdaki (1) nolu eşitliğe karşılık gelir. Bu, daha sonra aşağıda kullanılan (4) nolu eşitlikte dönüştürülebilir.

Etken Yansıtırlık Yüzeyinin hesaplanması

Aşağıdaki formülde yansıtırlık yüzeyi, gelen dalgayı alan ve onu uzayda her yöne yansıtan bir etken alanı belirtmektedir. Radar anteninin yüzeyine sadece yansıtılan gücün r menzilindeki güç yoğunluğu ulaşır. Radar kesiti σ şöyle tanımlanır:

Etken yansıtırlık yüzeyinin hesaplanmasında aşağıda kullanılan formüller, optik kuralların geçerli olduğu, yani frekansa bağımlı yansımaların, radar aygıtında kullanılan dalga boyundan çok çok daha fazla katı bir uzaklıkta olan ve radarın kullandığı dalga boyundan çok daha büyük gövdelerde meydana geldiği varsayımı ile geçerlidir:

Bir küreden yansıma	σmax = π r2 (5)
Bir silindirden yansıma	σmax = 2π r h2 (6) λ
Düz bir plakadan yansıma	σmax = 4π b2 h2 (7) λ2
Eğimli bir düz plakadan yansıma	... aslında, izdüşüm plakasının radar için bir yüzey olarak kullanıldığı önceki örnekte olduğu gibi. Yalnızca: yansıtılan enerji bir başka yöne yansıtılır. Gönderici (radar) bu enerjiyi alamaz. Bu nedenle, verici ve alıcı antenlerini birbirlerinden uzak ayrı yerlerde kurulduğu bistatik radarlar da vardır.

Çizelge 1: Bazı geometrik gövdelerden yansımalar

Nokta biçimli hedeflerin yansıtırlık yüzeyi

Radar teknolojisindeki nokta hedefler, boyutları çözünürlük hücresinin geometrik boyutlarından daha küçük olan hedeflerdir. Hacim hedeflerinin aksine (özellikle meteoroloji radarlarında meydana gelir) çözünürlük hücresini tamamen doldurmaz. Radar işaretlerinin işlenmesinde bunlar bir menzil hücresini doldururlar (eğer tam da sınırdaysa en fazla 2 tanesini).

Etken Yansıtırlık Yüzeyi, aslında yansıtıcı gövdenin farklı yerlerinde bulunan çok sayıda daha küçük güçlerin toplamından meydana gelmektedir. Nesnenin aydınlatıldığı açıya bağlı olarak bu yüzey parçalarının az veya çok etkisi vardır. Bunlar gizlenmiş olabilirler ya da radara gönderim işaretinin yarım dalga boyunun çok daha fazla katı bir uzaklıkta bulunabilirler ve böylece kısmen yapıcı ve kısmen yıkıcı örtüşürler (Bkz. Girişim). Etken Yansıtırlık Yüzeyi bu nedenle bakış açısına kuvvetle bağlıdır, öyle kolayca geometrik yolla hesaplanamaz. Bu, genellikle özgün ya da ölçümde kullanılan güncel dalga boyuna ölçeklenmiş bir model ile yapılan kapsamlı pratik ölçümlerin bir sonucudur.

Örnek olarak verebileceğimiz bazı hedefler geometrik boyutlarına göre çok yüksek değerlerde bir yansıtırlık yüzeyine sahiptirler ve gönderilen enerjinin hayli büyük bir miktarını yansıtırlar. Yandaki çizelgede X-bandındaki bazı yansıtırlık yüzeylerine ait örnekler yer almaktadır.

(Çizelge değerleri: M. Skolnik, „Introduction to radar systems“, 2nd Edition, McGraw-Hill, Inc 1980, Sayfa 44.
Köşe yansıtıcı, kenar uzunlukları 1,5 m olan bir üçgen yansıtıcının yansıtırlık yüzeyine bir örnektir.)