Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Efficient Monte Carlo Simulation of Scattering from Rough Sea Surfaces with Objects via Transformation Electromagnetics

Yıl 2013, Cilt: 3 Sayı: 5, 41 - 48, 25.02.2013

Öz

Statistical properties of scattered fields (or radar cross section values) in electromagnetic scattering from objects (such as ship- and decoy-like objects) on or above random rough sea surfaces are predicted by using transformation electromagnetics, finite element method (FEM) and Monte Carlo technique. The rough sea surface is modeled as a random process and is randomly generated by using the Pierson-Moskowitz spectrum. For each realization of the sea surface, scattered fields and the radar cross section values are computed by combining the FEM and the transformation electromagnetics. The results of a number of realizations are aggregated to model the problem as a random process, and their mean and variance values are determined accordingly. The main purpose of the transformation electromagnetics approach used in this paper is to create a single mesh without repeating mesh generation at each step, and hence, to achieve a great reduction in computation time. A metamaterial medium is introduced above the rough surface, and the region between the surface and the medium is discarded from the computational domain. At each realization, only the material parameters are modified with respect to the geometry of surface without changing the mesh.

Kaynakça

  • G. S. Brown, “Special Issue on Low-Grazing-Angle Backscattering from Rough Surfaces,” IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 46, no. 1, pp. 1-2, 1998.
  • R.E. Collin, “Electromagnetic scattering from perfectly conducting rough surfaces (a new full wave method),” IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 40, no. 12, pp. 1466-1477, 1992.
  • Y. Kuga, C.T.C. Le, A. Ishimaru, L.A. Sengers, “Analytical, experimental, and numerical studies of angular memory signatures of waves scattered from one-dimensional rough surfaces,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 34, no. 6, pp. 1300-1307, 1996.
  • R. L. Wagner, J. M. Song, W. C. Chew, “Monte Carlo simulation of electromagnetic scattering from two-dimensional random rough surfaces,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 45, no. 2, pp. 235-245, 1997.
  • A. Ishimaru, “Backscattering enhancement: from radar cross sections to electron and light localizations to rough-surface scattering,” IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 33, no. 5, pp. 7-11, 1991.
  • W. J. Pierson, L. Moskowitz, “A proposed spectral form of fully developed seas based on the similarity theory of S. A. Kitaigorodskii,” J. Geophys. Res., vol. 69, pp. 5181–5203, 1964.
  • H. Bateman, “The transformation of the electrodynamical equations,” Proc. London Math. Soc., vol. 8, pp. 223-264, 1910.
  • J.P. Berenger, “A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves,” J. Comput. Physics, vol. 114, pp. 185-200, 1994.
  • Z. S. Sacks, D. M. Kingsland, R. Lee, and J.-F. Lee, “A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing boundary condition,” IEEE Trans. Antennas Propagat, vol. 43, pp.1460-1463, 1995.
  • W. C. Chew, J. M. Jin, and E. Michielssen, “Complex coordinate stretching as a generalized absorbing boundary condition,” Microwave Opt. Tech. Lett., vol. 15, pp. 363-369, 1997.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, “Non-Maxwellian locally-conformal PML absorbers for finite element mesh truncation,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 55, no. 3, pp. 931-937, 2007.
  • J. B. Pendry, D. Schurig and D. R. Smith, “Controlling electromagnetic fields,” Science, vol. 312, pp.1780-1782, 2006.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, “Electromagnetic metamorphosis: Reshaping scatterers via conformal anisotropic metamaterial coatings,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 49, no. 10, pp. 2386-2392, 2007.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Utilization of anisotropic metamaterial layers in waveguide miniaturization and transitions," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, pp. 754-756, 2007.
  • B. Donderici, and F.L. Teixeria, "Metamaterial blueprints for reflectionless waveguide bends," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, pp. 233-235, 2008.
  • G.X. Yu, W.X. Jiang, X.Y. Zhou, and T.J. Cui, "Non-rotationally invariant invisibility cloaks and concentrators of EM Waves," Eur. Phys. J. Appl. Phys, vol. 44, pp. 181-185, 2008.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Domain Compression via Anisotropic Metamaterials designed by Coordinate Transformations," Journal of Computational Physics, vol. 229, no. 3, pp. 921-932, Feb. 2010.
  • H. Odabasi, F. L. Teixeira, and W. C. Chew, "Impedance-matched absorbers and optical pseudo black holes," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 28, no. 5, pp. 1317-1323, 2011.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Transformation-Based Metamaterials to Eliminate the Staircasing Error in the Finite Difference Time Domain Method," Int. Journal of RF and Microwave Computer-Aided Eng., vol. 22, no. 4, pp. 530–540, July 2012.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Software Metamaterials: Transformation Media Based Multiscale Techniques for Computational Electromagnetics," Journal of Computational Physics, vol. 236, pp. 203-219, March 2013.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Transformation Electromagnetics Based Analysis of Waveguides with Random Rough or Periodic Grooved Surfaces," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 2, pp. 709-719, Feb. 2013.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "A Transformation Media Based Approach for Efficient Monte Carlo Analysis of Scattering from Rough Surfaces with Objects," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 3, March 2013.
  • I.V. Lindell, Methods for Electromagnetic Field Analysis, Oxford Univ. Press, 1992.

Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu

Yıl 2013, Cilt: 3 Sayı: 5, 41 - 48, 25.02.2013

Öz

Dalgalı deniz yüzeyi üzerinde bulunan gemi ve aldatıcı gibi cisimlerden saçılan elektromanyetik alana (veya bu alandan türetilen radar kesit alanı parametresine) ait olan istatistiksel özellikler; dönüşümsel elektromanyetik, sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ve Monte Carlo yaklaşımları kullanılarak elde edilmiştir. Deniz yüzeyi profili, bir rasgele süreç olarak modellenmiş ve bu sürece ait spektral güç yoğunluğu fonksiyonu kullanılarak deniz yüzeyi profili için örnek fonksiyonlar elde edilmiştir. Her örnek deniz yüzeyi profili için oluşturulan sınır değer problemi, dönüşümsel elektromanyetik yaklaşımına dayanan SEY ile çözülmüş ve bunun sonucunda hesaplanan elektromanyetik alandan radar kesit alanı için örnek fonksiyonları elde edilmiştir. Koordinat dönüşümüne dayanan dönüşümsel elektromanyetik yaklaşımı sayesinde, standart yaklaşımın aksine SEY ağı sadece bir kez yaratılmakta ve bu sayede simülasyon süresi büyük ölçüde azaltılabilmektedir. Bu amaçla, yüzeyin etrafında/üzerinde bir metamateryal katman tasarlanmakta ve katmanla yüzey arasındaki bölge hesaplama bölgesinden çıkarılmaktadır. Monte Carlo ile her bir yüzey için tek bir ağ kullanılmakta ve sadece metamateryal içindeki parametreler değiştirilmektedir.

Kaynakça

  • G. S. Brown, “Special Issue on Low-Grazing-Angle Backscattering from Rough Surfaces,” IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 46, no. 1, pp. 1-2, 1998.
  • R.E. Collin, “Electromagnetic scattering from perfectly conducting rough surfaces (a new full wave method),” IEEE Trans. Antennas and Propagat., vol. 40, no. 12, pp. 1466-1477, 1992.
  • Y. Kuga, C.T.C. Le, A. Ishimaru, L.A. Sengers, “Analytical, experimental, and numerical studies of angular memory signatures of waves scattered from one-dimensional rough surfaces,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 34, no. 6, pp. 1300-1307, 1996.
  • R. L. Wagner, J. M. Song, W. C. Chew, “Monte Carlo simulation of electromagnetic scattering from two-dimensional random rough surfaces,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 45, no. 2, pp. 235-245, 1997.
  • A. Ishimaru, “Backscattering enhancement: from radar cross sections to electron and light localizations to rough-surface scattering,” IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 33, no. 5, pp. 7-11, 1991.
  • W. J. Pierson, L. Moskowitz, “A proposed spectral form of fully developed seas based on the similarity theory of S. A. Kitaigorodskii,” J. Geophys. Res., vol. 69, pp. 5181–5203, 1964.
  • H. Bateman, “The transformation of the electrodynamical equations,” Proc. London Math. Soc., vol. 8, pp. 223-264, 1910.
  • J.P. Berenger, “A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves,” J. Comput. Physics, vol. 114, pp. 185-200, 1994.
  • Z. S. Sacks, D. M. Kingsland, R. Lee, and J.-F. Lee, “A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing boundary condition,” IEEE Trans. Antennas Propagat, vol. 43, pp.1460-1463, 1995.
  • W. C. Chew, J. M. Jin, and E. Michielssen, “Complex coordinate stretching as a generalized absorbing boundary condition,” Microwave Opt. Tech. Lett., vol. 15, pp. 363-369, 1997.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, “Non-Maxwellian locally-conformal PML absorbers for finite element mesh truncation,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 55, no. 3, pp. 931-937, 2007.
  • J. B. Pendry, D. Schurig and D. R. Smith, “Controlling electromagnetic fields,” Science, vol. 312, pp.1780-1782, 2006.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, “Electromagnetic metamorphosis: Reshaping scatterers via conformal anisotropic metamaterial coatings,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 49, no. 10, pp. 2386-2392, 2007.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Utilization of anisotropic metamaterial layers in waveguide miniaturization and transitions," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, pp. 754-756, 2007.
  • B. Donderici, and F.L. Teixeria, "Metamaterial blueprints for reflectionless waveguide bends," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, pp. 233-235, 2008.
  • G.X. Yu, W.X. Jiang, X.Y. Zhou, and T.J. Cui, "Non-rotationally invariant invisibility cloaks and concentrators of EM Waves," Eur. Phys. J. Appl. Phys, vol. 44, pp. 181-185, 2008.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Domain Compression via Anisotropic Metamaterials designed by Coordinate Transformations," Journal of Computational Physics, vol. 229, no. 3, pp. 921-932, Feb. 2010.
  • H. Odabasi, F. L. Teixeira, and W. C. Chew, "Impedance-matched absorbers and optical pseudo black holes," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 28, no. 5, pp. 1317-1323, 2011.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Transformation-Based Metamaterials to Eliminate the Staircasing Error in the Finite Difference Time Domain Method," Int. Journal of RF and Microwave Computer-Aided Eng., vol. 22, no. 4, pp. 530–540, July 2012.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Software Metamaterials: Transformation Media Based Multiscale Techniques for Computational Electromagnetics," Journal of Computational Physics, vol. 236, pp. 203-219, March 2013.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "Transformation Electromagnetics Based Analysis of Waveguides with Random Rough or Periodic Grooved Surfaces," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 2, pp. 709-719, Feb. 2013.
  • O. Ozgun, and M. Kuzuoglu, "A Transformation Media Based Approach for Efficient Monte Carlo Analysis of Scattering from Rough Surfaces with Objects," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 3, March 2013.
  • I.V. Lindell, Methods for Electromagnetic Field Analysis, Oxford Univ. Press, 1992.
Toplam 23 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mühendislik
Bölüm Özel Sayı Makaleleri (SAVTEK)
Yazarlar

Mustafa Kuzuoğlu

Özlem Özgün

Yayımlanma Tarihi 25 Şubat 2013
Gönderilme Tarihi 25 Şubat 2013
Yayımlandığı Sayı Yıl 2013 Cilt: 3 Sayı: 5

Kaynak Göster

APA Kuzuoğlu, M., & Özgün, Ö. (2013). Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu. EMO Bilimsel Dergi, 3(5), 41-48.
AMA Kuzuoğlu M, Özgün Ö. Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu. EMO Bilimsel Dergi. Temmuz 2013;3(5):41-48.
Chicago Kuzuoğlu, Mustafa, ve Özlem Özgün. “Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı Ile Dalgalı Deniz Yüzeyi Ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu”. EMO Bilimsel Dergi 3, sy. 5 (Temmuz 2013): 41-48.
EndNote Kuzuoğlu M, Özgün Ö (01 Temmuz 2013) Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu. EMO Bilimsel Dergi 3 5 41–48.
IEEE M. Kuzuoğlu ve Ö. Özgün, “Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu”, EMO Bilimsel Dergi, c. 3, sy. 5, ss. 41–48, 2013.
ISNAD Kuzuoğlu, Mustafa - Özgün, Özlem. “Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı Ile Dalgalı Deniz Yüzeyi Ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu”. EMO Bilimsel Dergi 3/5 (Temmuz 2013), 41-48.
JAMA Kuzuoğlu M, Özgün Ö. Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu. EMO Bilimsel Dergi. 2013;3:41–48.
MLA Kuzuoğlu, Mustafa ve Özlem Özgün. “Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı Ile Dalgalı Deniz Yüzeyi Ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu”. EMO Bilimsel Dergi, c. 3, sy. 5, 2013, ss. 41-48.
Vancouver Kuzuoğlu M, Özgün Ö. Dönüşümsel Elektromanyetik Yaklaşımı ile Dalgalı Deniz Yüzeyi ve Üzerindeki Cisimlerden Saçılma Probleminin Etkin Monte Carlo Simülasyonu. EMO Bilimsel Dergi. 2013;3(5):41-8.

EMO BİLİMSEL DERGİ
Elektrik, Elektronik, Bilgisayar, Biyomedikal, Kontrol Mühendisliği Bilimsel Hakemli Dergisi
TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI 
IHLAMUR SOKAK NO:10 KIZILAY/ANKARA
TEL: +90 (312) 425 32 72 (PBX) - FAKS: +90 (312) 417 38 18
bilimseldergi@emo.org.tr