Εφαρμογή των Μεθόδων Φυσικής Οπτικής και Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης σε Προβλήματα Ραδιοκάλυψης και Υπολογισμού RCS

Abstract

Η διπλωματική αυτή ασχολείται με την εφαρμογή των μεθόδων της Φυσικής Οπτικής (PO) και της Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης (PTD) σε προβλήματα ραδιοκάλυψης και υπολογισμού του RCS. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται βασικές έννοιες που διέπουν τις θεωρίες της περίθλασης και συγκεκριμένα γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στις θεωρίες αυτές καθώς και στους μηχανισμούς και τα μοντέλα διάδοσης. Ασχολούμαστε επίσης με βασικές έννοιες που σχετίζονται με το ραντάρ, τους τύπους ραντάρ καθώς και τα μεγέθη που σχετίζονται με το RCS. Στο δεύτερο κεφάλαιο με τη ραδιοκάλυψη σε αστική περιοχή, χρησιμοποιούμε τη Φυσική Θεωρία της Περίθλασης και αναλύουμε τόσο τη δισδιάστατη προσέγγιση με χρήση της Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης του Ufimtsev, όσο και την τρισδιάστατη με χρήση των Incremental Length Diffraction Coefficients του Mitzner (PTD-ILDC). Με τη χρήση της PTD-ILDC γίνεται υπολογισμός αρχικά στη μακρινή περιοχή και κατόπιν στην κοντινή μέσω μετασχηματισμού ‘Μακρινό σε Κοντινό πεδίο’. Εν συνεχεία γίνεται σύγκριση της Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης με άλλες μεθόδους αλλά δίνεται έμφαση στη σύγκριση των τεχνικών του Mitzner και του Michaeli για σκέδαση τόσο από ορθογώνια πλάκα όσο και από κυκλικό δίσκο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται συνδυασμός των Θεωριών Φυσικής Οπτικής και Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης για τον υπολογισμό του συνολικού λαμβανόμενου πεδίου σε ένα πρόβλημα ραδιοκάλυψης σε αστική περιοχή. Ειδικότερα αναλύονται τα φαινόμενα διάδοσης σε μία αστική περιοχή και ο συνδυασμός των παραπάνω μεθόδων για την ορθό υπολογισμό του λαμβανόμενου πεδίου. Οι μέθοδοι αυτές που συνδυάζονται με τις παραπάνω θεωρίες για την διευκόλυνση των υπολογισμών και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων στην κοντινή περιοχή είναι η Θεωρία των Ειδώλων και η μέθοδος Μετασχηματισμού Κοντινού Πεδίου σε Μακρινό, αντίστοιχα. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια βιβλιογραφική έρευνα στην εφαρμογή των τεχνικών PO/PTD για τον υπολογισμό της ραδιοτομής στόχου ραντάρ (Radar Cross Section, RCS) με ιχνηλάτηση ακτίνας (ray-tracing). Στην περίπτωση αυτή δεν χρησιμοποιούνται οι κλασσικές μέθοδοι υπολογισμού, επειδή οι περισσότερες από αυτές δεν είναι κατάλληλες για αυθαίρετους τρισδιάστατους στόχους αλλά η εφαρμογή τους περιορίζεται σε δισδιάστατα και απλά τρισδιάστατα σχήματα. Συγκεκριμένα οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη αυτή είναι η Φυσική Οπτική (Physical Optics), η Ιχνηλάτηση Ακτίνας (Ray Tracing), η Μέθοδος των Ροπών (Method of Moments), η Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Elements Method) και οι μέθοδοι Πεπερασμένων Διαφορών (Finite Differences Methods). Ασχολούμαστε με ειδικές βελτιώσεις της PO για εφαρμογή στην ανίχνευση ακτίνας με PO/PTD τόσο σε διηλεκτρικά όσο και σε μεταλλικά αντικείμενα. Εξετάζουμε επίσης σύντομα τον κώδικα ιχνηλάτησης ακτίνας FARAD που χρησιμοποιείται σε RCS προσομοιώσεις για διηλεκτρικά αντικείμενα.

In this diploma thesis, we deal with the Physical Optics and the Physical Theory of diffraction and their implementation in radiocoverage problems and in the calculation of RCS. In the first chapter, we will present the basic concepts which rule the theories of diffraction and especially we will make a small introduction into these theories as well as the mechanisms and the propagation models. We will also speak about the basic concepts which are concerned with the radar, the radar types and the magnitudes which are related to RCS. In the second chapter we will deal with the radiocoverage in an urban area , we will use the Physical Theory of Diffraction and we will analyse the two- dimensional approach with the use of Ufimtsev’s Physical Theory of Diffraction , as well as the three – dimensional approach with the use of Mitzner’s Incremental Length Diffraction Coefficients (PTD- ILDC). At first, with the use of the PTD-ILDC we calculate the field in the far field and afterwards in the near field with the use of the ‘Near to Far Field Transformation Method’. After that we compare the Physical Theory of Diffraction with other methods but we emphasize in comparing the techniques of Mitzner and Michaeli in scattering from a rectangular plate and a circular disk as well. In the third chapter we will present the combination of the theory of Physical Optics and the Physical Theory of Diffraction for the calculation of the Total Received Field in a radiocoverage problem in an urban area. In particular, phenomena of propagation will be presented and the combination of the above methods for the correct calculation of the received field. The methods which are going to be combined with the above theories in order to make easier the calculations and more accurate the results in the Near Field is the Image Theory and the Near to Far Field Transformation Method, respectively. The fourth chapter is a bibliographic research of the application of the PO/PTD techniques for the calculation of RCS (Radar Cross Section) with ray tracing. The classical methods of calculation are not used because most of them are not suitable for arbitrary three dimensional targets but their application is constricted in two dimensional and simple three dimensional shapes. The methods used for this study are the Physical Optics, the Ray Tracing technique, the Method of Moments, the Finite Element Method and the Finite Difference Methods. We deal with special enhancements of the Physical Optics for the application in ray tracing with PO/PTD in dielectric as well as in metallic objects. We also take a quick look in the ray tracing code FARAD (FAst Ray tracing Algorithm with ray Density normalisation) which is used in RCS simulations for dielectric objects.