Kızılötesi iz ölçümü ve analizi

Kızılötesi (KÖ) iz, ya da literatürde geçen diğer isimiyle kızılötesi imza, nesnelerin doğrudan ya da dolaylı olarak kızılötesi elektromanyetik spektrumda gerçekleştirdikleri ışıma değeri olarak tanımlanabilmektedir. Temel olarak fizik kuramları üzerinden teorik olarak formülize edilen ve belirli kabuller çerçevesinde hesaplanabilen bu değerler aynı zamanda çeşitli algılayıcı sistemler vasıtasıyla ölçülebilmektedir. Kızılötesi iz bilgileri yaygın bir kullanım alanına sahip olup, özellikle askeri alanlarda, fen bilimleri ve mühendislik alanlarında, endüstriyel kapsamda ve sağlık uygulamalarında çok kritik bilgilerin elde edilmesi, sistemlerin geliştirilmesi ve çözümlerin çıkartılmasında önemli bir rol oynamaktadır.

Makale planlaması olarak kızılötesi iz ölçümü ve analizi konusuna geçmeden önce sırasıyla kızılötesi tanımı, kızılötesi ışıma ve temel yasaları, atmosferden kaynaklı etkiler kapsamında genel bilgilendirmeler ilerleyen kısımlarda ele alınarak son bölümde iz ölçümü ve analizi ile ilgili özet bir değerlendirme yapılacaktır.

Kızılötesi dalgaboyu, Şekil 1’de gösterilen elektromanyetik spektrumda görünür dalgaboyu sonu ile mikrodalga dalgaboyu başlangıcı arasında kalan bölge (~0.7µm - 1000µm) olarak tanımlanabilmektedir. Bu tanımı biraz daha somutlaştırırsak, kızılötesi ışıma (ya da kızılötesi ışık), insan gözü için görünür olmayan fakat ısı olarak hissedilebilir bir ışıma enerjisi tipi şeklinde düşünülebilir. Bahse konu ışıma ilk olarak 1800’lerde İngiliz astronom Sir William Hershel tarafından keşfedilmiştir.

KÖ Işıma ve Işıma Yasaları

Bütün nesneler teorik olarak 0 Kelvin mutlak sıcaklığının üzerinde olduğu durumda elektromanyetik spektrumda ışıma yapabilmektedir. Bu ışıma miktarı dalgaboyuna ve sıcaklığa bağlı olarak Planck ışıma kanunu olarak bilinen fonksiyon kullanılarak hesaplanabilmektedir.

Fonksiyonda λ mikrometre cinsinden dalgaboyu, T Kelvin cinsinden sıcaklık, h Planck sabiti 6.626*10-34 J s, c ışık hızı 3*108 m/s, k Boltzmann’s sabiti 1.381*10-23 J/K olarak ifade edilmektedir. Bir cisim çevresiyle ısısal dengede iken ne kadar çok ışıma enerjisi soğurur ise o kadar çok ışımayla enerji yayınlar. Buna göre iyi bir soğurucu, aynı zamanda iyi bir yayıcıdır. Her nesne için, fiziksel ve kimyasal koşullarına (yapısal, geometrik, sıcaklık, basınç vb.) bağlı olarak değişebilen, enerji yayınım karakteristiğini belirten kritik bir parametre tanımlanmaktadır. Bu parametre yayınım katsayısı olarak ifade edilmektedir ve referans kaynak olarak bir siyah cismin ışıma miktarına oranlanarak hesaplanmaktadır.

ε(λ,T)=E_λ (λ,T)/E_(λ,BB) (λ,T)

Dalgaboyundan bağımsız olarak üzerine düşen ışınım enerjisinin tümünü soğuran mükemmel soğurucu ve üzerindeki enerjinin tümünü yayan mükemmel yayıcı, siyah cisim olarak adlandırılmaktadır. Siyah cisim ideal bir cisimdir ve yayınım katsayısı 1 olarak (azami değer) alınmaktadır. Yayınım katsayısı dalgaboyuna göre sabit ve 1’in altında olması durumunda gri cisim, dalgaboyuna göre değişkenlik göstermesi durumunda da seçici cisim olarak da litaretürde ifade edilmektedir. Buradan hareketle bir cismin ışıması Planck ışıma kanunu fonksiyonu ile yayınım katsayısının çarpımına eşittir. Siyah cisim için farklı sıcaklık ve dalgaboylarına göre ışıma miktarları değişimleri Şekil 2’de gösterildiği gibi elde edilmektedir.

Şekil 2’de de görüldüğü gibi sıcaklığın artmasıyla yayınımın tepe noktaları kısa dalgaboylarına doğru kaymaktadır. Bu durumu açıklayan Wien kanunu, Planck denkleminin dalgaboyuna göre türevinin sıfıra eşitlenmesiyle elde edilmektedir ve cismin sıcaklığa karşılık en yüksek yayınımın olacağı dalgaboyunu µm cinsinden

λ_tepe=2897,8⁄T

olarak elde edilmektedir. Bir diğer önemli kanun olarak, siyah ve gri cisimler için geçerli olan tüm spektumdaki toplam ışıma hesaplanmasına basit bir yaklaşım getiren, Stefan-Boltzmann Kanunu gösterilebilir. Planck denkleminin tüm dalgaboyları üzerinden integralinin alınması ile elde edilen Stefan-Boltzmann Kanunu

M(T)=εσT^4

olarak verilmektedir. Birim alana düşen gücü W/cm² cinsinden hesaplayan formüldeki 5.67x10 W/cm²/K değerine sahip olan Stefan-Boltzmann sabiti olarak tanımlanmaktadır. Enerjinin korunumu kanununa göre gelen ışıma, iletilen, yansıtılan ve emilen ışımanın toplamına eşittir. Bunun sonucu olarak ise bir cismin iletim (τ ), yansıtıcılık ( ρ ) ve emilim (α ) katsayılarının toplamı bire eşit olmaktadır ve bu durum

τ+ρ+α=1

olarak ifade edilmektedir. Cisimlerin yayınım katsayısı ile emilim katsayısı arasındaki bağlantıya dair önemli bir açıklama getiren Kirchhoff kanununa göre bir gri cismin termal denge şartları altında spektral yayınım katsayısı spektral emilim katsayısına eşittir. Buradan hareketle siyah cisim için τ = ρ = 0 ve & = ε = 1, iletim katsayısı sıfır olan opak cisimler için & = ε = 1 - ρ durumları geçerli olmaktadır.

KÖ Atmosferik Etkiler

Yakın zamana kadar atmosferin fiziksel yapısı ile ısı transferine ve iklimlere etkisi incelenmiştir. Son zamanlarda ise atmosferin optik ışınıma etkisi büyük önem kazanmıştır. Bunda lazerin kullanım alanının genişlemesi ve optik uzaktan algılama sistemlerinin gelişmesi önemli rol oynamaktadır.

Bir nesneden yayılan optik ışınım, alıcıya gelmeden önce atmosferden geçer. Bu ışınımı ölçmek için bir sistem tasarlanmak istenildiğinde optik ışınımın ortamdan nasıl geçtiğinin ve hangi değişikliklere uğradığının bilinmesi gerekmektedir. Atmosferin optik ışınıma etkisi genellikle ışınım şiddetini zayıflatma ve doğrultusunu değiştirme şeklindedir. Bu zayıflatma, atmosferdeki gazlardan ve parçacıklardan, atmosferin çalkantısından ve kırpışmasından kaynaklanır.

Elektromanyetik ışınımın atmosferdeki geçişinde dört temel atmosferik olayın etkisi vardır. Bunlar emilim, saçılma, yayınım ve türbülanstır.

Emilim: Yayılım yolundaki atmosferik gazlar ışınımın bir kısmını soğururlar.

Saçılma: Atmosferik gazlar ve atmosferdeki parçacıklar ışınımın bir kısmının saçılmasına neden olurlar.

Yayınım: Atmosferik gazlar ve atmosferdeki parçacıklar belli dalgaboylarında kendiliğinden bir miktar ışınım yaparlar. Türbülans: Atmosferin kırılma indisinin zamanla değişmesi ışınımı yolundan bir miktar saptırır.

Şekil 2’de atmosferde bulunan gazların hangi dalga boylarını soğurduğu gösterilmiştir. Her eğri, pencere olarak adlandırılan emilimin az olduğu, emilimin yüksek olduğu ve hemen hemen ışık geçirmeyen bölgelerden oluşur. Her gazın kendine has emilim eğrisi vardır. Şekil 3’te en alttaki kısımda atmosferdeki ilgili dalgaboylarındaki ana soğurucu moleküller gösterilmiştir.

Atmosferde iletimin yüksek olduğu dalgaboyu aralıkları literatürde atmosferik pencereler olarak da tanımlanmaktadır. Atmosferik pencerelerin başlıcaları 0,7-1µm aralığındaki yakın (NIR), 1-3µm aralığındaki kısa dalga (SWIR), 3-5µm aralığındaki orta dalga (MWIR) ve 8-12µm aralığındaki uzun dalga (LWIR) kızılötesi olarak ifade edilmektedir. Kızılötesi görüntüleme ve iz ölçüm sistemlerinin sezimcileri bu atmosferik pencerelerde çalışabilecek şekilde tasarlanarak üretilmektedir.

Algılayıcı Sistemler ve Çalışma Prensipleri

Bir ortamda bulunan nesnelerden gelen ışıma miktarını ölçebilmek için çeşitli imkân ve kabiliyetlere sahip algılayıcı sistemler kullanılmaktadır. Ana çalışma prensipleri nesnelerden doğrudan gelen, yansıma yoluyla gelen ve ortamdan gelen ışıma enerjilerinin sezimci olarak da bilinen algılayıcıları üzerinde toplanarak elektriksel sinyallere çevirip sonrasında işlenmesi ile anlamlandırma olarak ifade edilebilir.

Kızılötesi İz Ölçümü

Kızılötesi iz ölçümü, temelde ölçümün amacına ve hassasiyet durumuna bağlı olarak kızılötesi elektromanyetik spektrumda çalışan bilimsel çalışmaya uygun çeşitli algılayıcılar ve destek sistemleri kullanılarak yapılan planlı ölçüm faaliyetleri olarak açıklanabilir. Bahse konu sistemlerde amaç enerji miktarının belirlenmesi ya da iz karakteristiğine ait bir takım bilimsel verilerin elde edilmesi olduğu için kullanılacak algılayıcıların ve destek sistemlerinin, güvenlik amaçlı ya da sadece görüntüleme amaçlı sistemlerin aksine, toplanan enerji miktarına göre fiziksel olarak anlamlandırılabilecek verilerin alınabileceği sistemler olması gerekmektedir. Bu tipte algılayıcılar genel olarak bilimsel kızılötesi kameralar olarak ifade edilmekle birlikte ölçümü yapılan verilerin anlamlandırılması için farklı dalgaboyları ve enerji seviyeleri için farklı kalibrasyonlara ihtiyaç duymaktadırlar. Kızılötesi iz ölçüm sistemlerinde özellikle ölçüm öncesi ve ölçüm sonrası bir takım test ve analizlerin detaylı olarak yapılabilmesi amaçlı destek sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu destek sistemlerinden başlıcaları ve rolleri şu şekildedir:

‣ Siyah Cisimler: Kalibrasyon, ortam etkileri ve hizalama çalışmaları

‣ Meteorolojik Ölçüm Sistemleri: Atmosferik etkilerin kestirimi

‣ Mesafe/Konum Algılayıcı Sistemler: Mesafe kaynaklı geometrik/atmosferik düzeltmeler

‣Zaman Üreteçleri: Çoklu sistemlerin eşzamanlı olarak çeşitli analizleri

‣ Yönelim Sistemleri: Hareketli nesnelerin takibi ve yönelimin sağlanması

Kızılötesi İz Analizi

En az kızılötesi iz ölçümü kadar önemli ve aynı zamanda ölçümü tamamlayan bir diğer konu ise analiz yani verilerin kıymetlendirilmesi çalışmalarıdır. Bahse konu analiz çalışmaları ihtiyaca ve amaca yönelik olarak yüksek bilgi birikimi, tecrübe ve alanda uzmanlaşmış insan kaynağına gereksinim duyabilmektedir. Genel olarak kızılötesi iz ölçüm kameraları ile birlikte üretici firmalar tarafından sağlanan kayıt, konfigürasyon ve analize yönelik araçlar geniş ve özel alan uzmanlığından bağımsız bir kullanıcı grubuna hitap edebilmesi için çok temel bir takım hesaplamaların yapılmasına imkan sağlamaktadır. Bu sebepten ötürü özellikle Elektronik Harp (EH) alanındaki çalışmalarda kızılötesi iz analizleri kapsamında özel olarak hazırlanmış analiz araçlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Detay seviyesi yüksek ve özel amaçlar için hazırlanan iz analiz yazılımlarında ana hatlarıyla veri toplama ve işleme yapısı Şekil 4’te gösterilmektedir.

EH kapsamında gerçekleştirilen ulusal ve uluslararası kızılötesi iz ölçüm ve analiz faaliyetlerinde kritik görevler icra eden yüksek bilgi birikimi, tecrübe ve alanda uzmanlaşmış insan kaynağına sahip TÜBİTAK BİLGEM İLTAREN, bu konuda çok kritik bir rol üstlenmektedir. Kızılötesi ölçüm sistemi tasarımı ve geliştirilmesinin yanı sıra, özel olarak EH çalışmalarında ihtiyaç duyulan analizlerin gerçekleştirilmesi amaçlı yazılımların milli olarak gerçekleştirilmesi üstlenilen ana rollerden bazıları olarak değerlendirilebilir. Bu kapsamda TÜBİTAK BİLGEM İLTAREN tarafından geliştirilmiş Analiz Yazılımı (AY) ile gerçekleştirilen analizler ve kızılötesi iz ölçümü genel akışı Şekil 5’te yer almaktadır.

EH açısından çok kritik öneme sahip sistem ve yazılımların ana uygulama alanları aşağıda listelenmektedir.

‣ Platfromların tasarım öncesi ve sonrası kızılötesi iz yönetimleri,

‣ Platformlara entegre kızılötesi bantta çalışan elektronik destek (füze ikaz sistemleri, arama ve takip sistemleri, vb.) ve elektronik taarruz (ısı fişeği, yönlendirilmiş/sabit karıştırıcılar) sistemlerinin geliştirme ve performans parametrelerinin elde edilmesi,

 ‣ Çeşitli angajmanların ve EH teknik ve taktiklerin (TvT) simulasyon ve donanım çevrimde laboratuvar (DÇL) ortamında değerlendirilmesi amaçlı sadakat seviyesi yüksek kızılötesi iz modellerinin geliştirilmesi,

‣ Tehdit füzelerin arayıcı başlık sistemlerinin benzetimleri, jenerik arayıcı başlık geliştirilmesi ve tersine mühendislik faaliyetleri gerçekleştirilmesi amaçlı çalışmalar.

Kızılötesi iz ölçümü ve analizi kapsamında askeri uygulamaların yanı sıra sivil uygulamalar olarak da yaygın bir kullanım durumu mevcuttur. Isı verimliliği kapsamında izolasyon, tesisat kaçaklarının tespiti vb. inşaat sektörü uygulamaları; vücut ısısının belirlenmesi, doku metabolizması, kan dolaşımı ve sinir fonksiyonu üzerine birtakım analizler gibi sağlık sektörü uygulamaları; uydu ve hava platformları üzerinden yer yüzeyi gözlemleri gibi uzay ve havacılık uygulamaları; toprak ve bitki örtüsü incelemeleri gibi yer bilimleri ve tarım sektörü uygulamaları şeklinde geniş bir yelpazede örnekler yer almaktadır. Gelecekte daha detaylı ölçüm kabiliyetlerine sahip sistemlerin geliştirilmesi ile uygulama alanlarının artacağı ve hali hazırdaki uygulama alanlarında da imkan ve kabiliyetlerin katlanarak gelişmeye devam edeceği açık olarak görülmektedir.

Kaynak: TÜBİTAK BİLGEM Teknoloji Dergisi