Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 16, Sayı 1, 2011 YÜZEYALTI GÖRÜNTÜLEME SENARYOLARI İÇİN GELİŞTİRİLEN İKİ BOYUTLU (2B) FDTD TABANLI BİR SİMÜLASYON PROGRAMI * Esin KARPAT ** Levent SEVGİ Özet: Iki boyutlu (2B) FDTD-tabanlı yüzeyaltı görüntüleme simülasyon programı tanıtılmaktadır. Yere Nüfuz Eden Radar (YNER) ismi verilen bu paket çeşitli yüzeyaltı senaryoları için yapay veri oluşturmak amacı ile kullanılabilmektedir. Görsel ağırlıklı özelliklere sahip YNER simülasyon paketinden hem eğitim hem de araş- tırma amaçlı olarak yararlanılabilmektedir. Farklı verici/alıcı anten konfigürasyonları/konumları, işaret dalga şekilleri, tarama alternatifleri v.b. incelenebilmektedir. İşaret ve/veya görüntü işleme grupları farklı görüntüleme algoritmalarını YNER aracılığı ile oluşturulan saçılan veriler üzerinde test edebilir ve performans analizleri ya- pabilirler. Anahtar Kelimeler: Elektromanyetik saçılma, yüzeyaltı görüntüleme, yere nüfuz eden radar, tümör/mayın bul- ma mikrodalga görüntüleme, görüntü oluşturma, nesne belirleme, FDTD. A Two Dimensional FDTD-Based Subsurface Imaging Simulation Tool Abstract: A two-dimensional FDTD-based subsurface imaging virtual tool is introduced. The Ground Penetra- ting Radar (GPR) virtual tool can be used to generate synthetic scattering data for various subsurface scenarios. The virtual tool may be used for both educational and research purposes. Effects of different transmit/receive antenna configurations/locations, signal waveforms, scan alternatives, etc., may all be investigated. Signal and/or image processing groups can test different imaging algorithms on the scattering data generated via GrGPR and do performance analyses. Key words: Electromagnetic scattering, subsurface imaging, ground penetrating radar (GPR), tumor/mine detec- tion; microwave imaging; image reconstruction; object identification; FDTD. 1. GİRİŞ “Görüntüleme ve Bulma”, yüzey altında gömülü olan mayınların, enkaz altında kalan canlıların, deri altındaki tümörlerin v.b. arama/bulma çalışmalarında önemli bir yeri olan iki anahtar kelimedir. Literatürde, kanserli hücrelerin yerinin tespiti konusunda (Fear ve diğ. (2002a,2002b,2003)), yeraltı mayınlarının bulunmasında (Li ve diğ. (2001,2005)), yüzeyal- tında gömülü nesnelerin görüntülerinin oluşturulmasında (Karpat ve diğ. (2009)) farklı çalış- malar yer almaktadır. Bu çalışmalarda atılacak en önemli adım gerçeğe yakın yer altı görüntü- lerinin oluşturulmasıdır. Algılayıcı ve bilgisayar teknolojileri, yer altı görüntülemeyi destek- leyecek seviyelere ulaşmıştır. Ancak yüzeyaltında yer alan nesneyi tanımlamak, akıllı algıla- ma ve tanımlama algoritmaları ile uyarlamalı gürültü ve zemin karmaşası arıtma yaklaşımları gerektiren, zor ve karmaşık bir konudur. Yüzeyaltı görüntülemenin temelinde yer alan bu alt başlıkların tümü, üzerinde geniş araştırmalar sürdürülen önemli konulardır. Daha iyi algorit- malar oluşturabilmek ve bunların testlerini gerçekleştirebilmek için olabildiğince gerçekçi senaryoların simülasyonları sonucu kaydedilen ya da yapay olarak üretilen veriler ile testlerin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. * Uludağ Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü, 16059 Görükle, Bursa. ** Doğuş Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, Acıbadem, İstanbul. 95 Karpat, E., Sevgi, L.: Yüzeyaltı Görüntüleme Senaryoları İçin Geliştirilen İki Boyutlu Simülasyon Programı Gerçek senaryolar üzerinden veri toplanması, çok pahalı, zaman alan ve bazen tehlike- li olabildiğinden, sayısal modellerin oluşturulması ve bu modeller üzerinden veri toplanması oldukça ilgi çekicidir ve elektromanyetikte önemli bir yere sahiptir. Günümüzde, pahalı ve zaman alan deneysel çalışmalar yerine karmaşık elektromanyetik problemlerin sayısal olarak modellenmesi tercih edilmektedir. EM’te birçok güçlü zaman ve frekans düzlemi metotları yer almaktadır. Bunların içinde en tanınmış olanı zaman düzleminde sonlu farklar (Finite Dif- ference Time Domain) metodudur (Yee, 1966). FDTD, anlaması ve uygulaması kolay bir me- tottur ve yüzeyaltı görüntülemede yaygın olarak kullanılmaktadır (Bourgeois ve diğ., 1998; Gürel ve Oğuz., 2000; Teixeira ve diğ., 1998;). Görsel sonuçların da elde edilmesi ile FDTD yalnızca araştırma değil öğretim amacı ile de kullanılan güçlü bir araç haline gelmiştir. Kulla- nımı kolay tasarım adımlarının avantajları ve önemi göz önünde bulundurularak, FDTD ta- banlı simülasyon programları mühendislik toplumunun kullanımına sunulmuştur (Çakır ve diğ., 2006a, 2006b, 2008a, 2008b; Sevgi, 2006, Sevgi ve Uluışık, 2006). Bu çalışmada, yeni bir, iki boyutlu (2B), FDTD tabanlı yüzeyaltı görüntüleme simü- lasyon programı (YNER) tanıtılmaktadır. Program sayesinde ekran üzerinden rastgele fare hareketleri ile ortamlar (yüzey) ve nesneler modellenebilmektedir. Farklı anten konfigüras- yonları gerçekleştirilebilmekte ve paralel yada seri olarak aktif edilebilmelerine imkan sağla- maktadır. Kullanıcı kolay arayüzü sayesinde bu çalışmalara yeni başlayan öğrenci yada araş- tırmacılar tarafından rahatlıkla kullanılabilecek özellikte bir programdır. Ayrıca, yüzeyaltı problemlerinin yanı sıra, EM’te yer alan farklı düz saçılma problemleri için yapay veri oluştu- rulmasında da kullanılabilmektedir. 2. FDTD TABANLI YÜZEYALTI GÖRÜNTÜLEME SİMÜLASYON PROGRAMI Şekil 1’de YNER programının ön paneli (ana menüsü) görülmektedir. Panelde yatayda iki kısma ayrılmıştır: üst bloklar kullanıcı tarafından girilen veriler için ayrılmış, alt kısımda yer alan simülasyon penceresi ise EM senaryolarını oluşturmak için kullanılmaktadır. İlk ola- rak, 2B FDTD hesap uzayı LAYOUT bloğunda yükseklik ve uzaklık boyutları girilerek belir- lenir. Simülasyon penceresinin varsayılan boyutları sırasıyla 1000m  500m olarak belirlen- miştir, 600  300 ayrık hücreden oluşmaktadır (FDTD simülasyon penceresinin varsayılan elektriksel özellikleri serbest uzay olarak yani εr=1, σ=0 şeklinde seçilmiştir). er=1 er=5 MEİ er=9 er=2 MEİ er=3 MEİ Şekil 1: YNER simülasyon programının ön yüzü ve tipik bir senaryo. 96 Simülasyon pen- Kullanıcı ceresi parametreleri Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 16, Sayı 1, 2011 Uzayın boyutları ve ayrık hücrelerin sayısı Advanced menüsünden değiştirilebilmekte- dir. İşaret bant genişliği Caurant kararlılık kriterinden otomatik olarak hesaplanmaktadır (Şe- kil 2). Antenlerin polarizasyonu (yani. kaynak) da belirlenebilmektedir. Kaynak olarak üç tip tanımlanmıştır: sürekli dalga (continuous wave-CW), Gauss darbesi veya Doğrusal FM. Kul- lanıcı, doğrusal FM seçimi için frekans değişimini ve darbe süresini belirlemelidir. FDTD uzayının üst, alt, sağ ve soldan sonlandırılması için MUR bloğu kullanılmakta- dır. Sonlandırma serbest uzay ya da tam yansıtıcı olarak seçilebilmektedir. OBSTACLE bloğu 2B FDTD uzayına yerleştirilebilecek nesneleri belirlemek için kullanılır. Farklı EM paramet- relerine ve geometrik şekillere sahip nesneler düzgün ya da engebeli yüzeylerin altına yada serbest uzaya yerleştirilebilir. Farklı malzemeler için farklı renkler kullanılmaktadır: mükem- mel elektriksel iletken (MEİ) için siyah, farklı dielektrikler için sarının açıktan koyuya deği- şen tonlarından yararlanılmaktadır. Şekil 2: Boyutların seçimi ve kaynak bant genişliği. FDTD simülasyon penceresi üzerinde bilgisayarın faresi yardımı ile birkaç nokta belir- lenerek bir yüzey şekli otomatik olarak oluşturulabilir. YNER kübik spline algoritması kulla- narak FDTD uzayında işaretlenen noktaları birleştirecek en uygun eğriyi oluşturur. Eğri ve alt (üst) sınır arasındaki alan farenin sol (sağ) tuşuna tıklayarak doldurulabilir. Çok sayıda verici ve alıcı antenler (yani kaynak ve gözlem noktaları) Advanced Source penceresi kullanılarak çift olarak yerleştirilebilir (Şekil 3). Verici antenler gruplar halinde aktif edilebilir; her grubun elemanları Yapay Açıklıklı Radar (YAR) prensibinde olduğu gibi ardı ardına aktif olabilirler (Şekil 4). Ayrıca, farklı tarama şekilleri dikdörtgen, üçgen ve elips seçenekleri kullanılarak uygulanabilir (Karpat, 2009). Bu penceredeki diğer parametreler ve- riciler arasındaki uzaklık (Spacing) veya verici alıcı arasındaki uzaklık (Offset) ve her çiftin aktivasyonları arasındaki zaman farkı (Delta_T)’dir. Kullanıcı simülasyonun süresini zaman adımlarının sayısı olarak belirler. Kontrol düğmeleri (Start, Pause ve Stop ) simülasyonları başlatır, dondurur ve durdurur. Senaryo oluşturulduktan sonra simülasyon belirli bir zaman adımı sayısı kadar çalıştırılır. Zaman adı- mı sayısı saçılan alanların tamamı kaybolduğunu gözleyebilecek kadar yeterli olmalıdır. Za- man düzlemi videoları YNER ile kaydedilebilmektedir. Kaydedilen veriler ileride kullanılabi- lecek görüntü işleme algoritmalarında kullanmak üzere saklanabilmektedir. Son olarak, kulla- 97 Karpat, E., Sevgi, L.: Yüzeyaltı Görüntüleme Senaryoları İçin Geliştirilen İki Boyutlu Simülasyon Programı nıcı tarafından tanımlanan herhangi bir senaryo ileriki zamanlarda yapılacak analizler için saklanabilmekte ve yeniden yüklenebilmektedir. Şekil 3: Advanced Source girişi ve farklı verici/alıcı çift konumları. Şekil 4: Sıralı ve yapay açıklık tipi tarama. 98 Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 16, Sayı 1, 2011 YNER’ın yapısı ve yürütülen işlemlerin aşamaları Şekil 5’de verilmektedir. Akış şe- masından da görüldüğü gibi, ilk kısım parametre seçimi, senaryo oluşturma ve verici/alıcı özellikleri için ayrılmıştır. Daha sonra tarama şekli paralel (P) ya da seri (S) olarak seçilir. Seri tarama şekli YAR uygulaması için tercih edilmektedir. Tarama şeklinin seçiminden sonra simülasyon çalıştırılır. YNER, zaman düzlemi saçılma simülasyonları ve saçılan verinin kay- dedilmesi için 2B-FDTD programına bağlanır. Eğer seçili ise, zaman düzlemi simülasyonları için bir video dosyası da oluşturulur. YNER Kullanıcı Para- Yer altı Senaryo- Kaynak Tipini metrelerini Gir sunu Oluştur Belirle S Tarama? YAR P Paralel 2B-FDTD Simülatörü Kayıt? Paketi Çağır Çalıştır E ZD Verileri Kaydet Video Klip Kaydedici Son Şekil 5: YNER’ın temel blokları ve simülasyonun akış şeması. Şekil 6. ve 7’de iki tipik senaryo ve zaman düzlemi simülasyonlarından alınan anlık görüntüleri yer almaktadır. Şekil 6, serbest uzayda bulunan iki nesneden oluşmaktadır. Nesne- lerden biri dikdörtgen metal diğeri ise dielektrik elipstir. Bir çizgisel darbe kaynağı ortada bir noktaya yerleştirilmiştir. Silindirik dalga düzlemleri ve nesnelerden yansımalar açıkça görül- mektedir. Şekil 7’de tipik bir yüzeyaltı senaryosu yer almaktadır. Düzgün olmayan bir yüzey şekli ve altında gömülü eliptik bir metal nesne görülmektedir. Çizgisel darbe kaynağı kulla- nılmaktadır. Alınan bu anlık görüntü, dalga düzlemlerinin yüzey ve nesne ile olan kesişimle- rinde meydana gelen dalga bileşenlerini ve ardarada yansımalarını göstermektedir. YNER’ın en etkili özelliklerinden biri zemin karmaşasını modelleyebilmesidir. Bu özelliğini gösteren örnek Şekil 8’de yer almaktadır. Kayıpsız bir yer düz bir sınır ile havadan ayrılmaktadır. Çizgisel darbe kaynaktan yayılan dalgalar ve dalgaların yer ile kesişimleri gös- terilmektedir. Üst sol ve sağda, sırası ile homojen ve inhomojen yerler bulunmaktadır. Yerin inhomojenliği, her hücreye kullanıcı tarafından belirlenen sınırlar arasında değişen rastgele ve keyfi dielektrik geçirgenlik (r) değeri atanarak sağlanır. Altta yer alan 2B şekilde, yerin üs- 99 Karpat, E., Sevgi, L.: Yüzeyaltı Görüntüleme Senaryoları İçin Geliştirilen İki Boyutlu Simülasyon Programı tünde bir gözlem noktasında kaydedilen işaretin zamanla değişimi görülmektedir. Yer sınırın- dan gelen güçlü darbe yansıması ve yer karmaşasından kaynaklanan yansımalar şekilde açık olarak gözlenmektedir. Şekil 6: Serbest uzayda iki nesnenin bulunduğu senaryo için YNER simülasyonu sırasında alınan bir görüntü Şekil 7: YNER simülasyonu sırasında alınan bir görüntü : Homojen yer altında gömülü MEİ nesne 100 Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 16, Sayı 1, 2011 Yer yüzeyinden gelen yansımalar o Inhomojen (1.9