HISAR Projeleri Kapsaminda ASELSAN Tarafindan Yksek Performansli Kiziltesi Arayici Baslik Gelistirilmesi Serdar BAYAR(a), zgr YILDIRIM (b), Sleyman U. Eker(c) (a) ASELSAN, MGEO Grubu, Ankara, sbayar@aselsan.com.tr (b) ASELSAN, MGEO Grubu, Ankara, ozgury@aselsan.com.tr (c) ASELSAN, MGEO Grubu,Ankara, seker@aselsan.com.tr ZET Bu makalede, ASELSAN MGEO Grubu tarafindan Hisar projeleri kapsaminda hava savunma fzesi iin gelistirilen Kiziltesi Arayici Baslik tasariminda karsilasilan teknik zorluklar ve bu durumun arayici baslik tasariminda nasil gereksinimler ortaya ikardigi incelenmektedir. Anahtar Kelimeler: Hava Savunma, Kiziltesi Arayici Baslik, Kubbe, Dedektr ABSTRACT In this paper, technical difficulties which arise during the development of the infrared seeker head of air defense missile developed by ASELSAN MGEO Group for Hisar projects and the effect of these technical difficulties to seeker requirements are analyzed. Keywords: Air Defense, Infrared Seeker Head, Dome, Detector 1 Hava Savunma Fzesi Hava hedefleri, yer hedefleri ile karsilastirildiginda ok hizli ve manevra kabiliyeti yksek platformlardir. Bu dogrultuda hava savunma fzelerinin hedeflerinden ok daha hizli ve yksek manevra kabiliyetine sahip olmasi gerekmektedir. Bu durum hava savunma fze ve fze alt sistemlerinin, diger fze sistemlerine gre olduka zorlayici tasarim gereksinimlerine gre tasarlanmasi ihtiyacini dogurur. 2 Kiziltesi Arayici Baslik (KAB) Bir fze sisteminde hedeften ve arka planindan yayilan kiziltesi dalgalari algilayarak olusturdugu termal grnt zerinden tespitini ve hedef imha edilene kadar takibini yapan bir fze alt sistemidir. Karsi tedbirlere karsi stnlg, yksek aisal hassasiyetleri sebebiyle fzenin hedefe daha yksek dogrulukla ynlendirilebilmesi gibi avantajlari sebebiyle hava savunma fzelerinde kiziltesi arayici basliklar tercih edilmektedir. Diger yandan kiziltesi arayici baslik iin, fzenin burnunda yer almasi sebebiyle fzenin zorlu kosullarina en fazla maruz kalan alt sistem olmasinin getirdigi zorluklar bulunmaktadir. Kubbe Isinmasi AnaliziBir hava savunma fzesi, ses hizinin 3 katina ikabilen hizindan dolayi kiziltesi arayici baslik tasarimini olduka zorlayici hale getirir. Hava savunma fzesi kiziltesi arayici baslik tasarimini genel olarak zorlu hale getiren etmenlerden bazilari sunlardir: - Yksek hiz ve manevralara bagli olarak karsilastigi kubbe isinmasi, - Yksek hiz ve manevralara bagli olarak ivme ve titresim seviyelerinin ok yksek olmasi, - Hedeflerin yksek hizli hareketleri, - ok kisa zaman iinde atisa hazir hale gelmesi, - Uus sirasinda ykseklik degisimine bagli olarak i-dis basin dengesinin degisimi. Sz konusu zorlayici ortamlar ve gereksinimler, kiziltesi arayici baslik tasariminda ok zel teknik ve teknolojilerinin kullanilmasini zorunlu kilmaktadir. Bu sebeple hava savunma fzelerine ynelik kiziltesi grntleyici arayici baslik tasarlama kabiliyetine sahip ok az sayida lke bulunmaktadir. Stinger Fzesi Kiziltesi Arayici Basliginin retimiyle baslayan, OMTAS/UMTAS Tanksavar Fzeleri ile HISAR-A ve HISAR-O Hava Savunma Fzeleri Kiziltesi Arayici Basliklarinin gelistirilmesi ile devam eden projelerle, ASELSANda gelistirme, retim ve test altyapilari ile konusunda uzman bir tasarim ekibi olusturulmustur. 2.1 Kubbe Isinmasi ve Kubbe nnde Olusan Sicak Hava Duvari Hava savunma fzelerinin yksek hizi, uus sirasinda ok kisa srede arayici baslik kubbesini 350C - 450C arasinda sicakliklara ulastirabilmektedir. Fzenin yksek hizi sadece kubbeyi isitmakla kalmayip, fze nndeki havayi da sikistirarak isitir. Bu durum fze nnde bir sicak hava duvari olusturur. Isinan hava, hem bir isi duvari hem de bir mercek gibi davranmaktadir. Bu durum, isiya duyarli bir algilayici ile ok yksek sicakliga sahip bir isi duvarinin arkasindan kilometrelerce uzakta yer alan bir hedefi grmeye alismak olarak zetlenebilir. Sz konusu etkiler arayici baslik zerinde asagida ifade edilen olduka yksek bozucu etkilere yol aar. - Kiziltesi dedektr zerinde ok ciddi bir grlt ve isima olusmasi, - Sicakligi ok hizli bir sekilde artan kubbe ve lenslerin kirilma indislerinde meyadana gelen degisim sonucu grnt netliginin kaybolmasi, - Arayici baslik bilesenlerinin maruz kalacagi yksek sicakliklar. 1500_noBlur_noDome.bmp1500_withDome5.bmpSekil-3 Kubbe isinmasi analizi Sekil-4 Kubbenin isinmasinin grnt zerindeki etkileri ASELSAN, HISAR-A ve HISAR-O projeleri iin gelistirdigi kiziltesi arayici baslikta, kubbe isinmasi ve isima analizleri ile optik analizler gereklestirmis ve performansi dsrmeyecek sekilde arayici baslik elektro-optik tasarimini, zel bilesen, teknik ve teknolojiler kullanarak gereklestirmistir. Kubbe ve kubbe nndeki hava isinmasi, yksek yk kapasiteli zel dedektr gelistirilmesini ve sicaklik degisiminden etkilenmeyen optik tasarimi gerektirmistir. Bu sayede bu etkilerin sistem performansini etkilemesinin nne geilmistir. 2.2 Ataletsel Stabilizasyon Fze uusunun arayici baslik zerinde yarattigi bir diger etki de aisal titresimlerdir. Bu titresimlerin grntye etkisinin ortadan kaldirilmasi iin arayici baslik zerinde ataletsel stabilizasyon uygulanir. Ataletsel stabilizasyon iin dedektrn zerinde yer alacagi bir gimbal tasarlanmistir. Gimbal zerinde ataletsel hizlari lmek iin bir dnler yer almaktadir. Arayici baslik zerindeki yksek aisal titresimlerin yani sira; - Fzenin ve hedefin yksek hizlarindan kaynaklanan yksek gimbal hiz gereksinimleri, - Kiziltesi dedektr sogutmak iin kullanilan gazin gimbalin i eksenine aktarilmasi gerekliligi, - Yksek toplam bakis aisi gereksinimi, - Fzedeki hacimsel kisitlar, ok zel bir gimbal tasarimi yapilmasini gerekli kilmistir. 2.3 Grnt Sikligi ve Grnt Bulanikligi Fze ve hedeflerin ok hizli olmasi grnt alma sikliginin olduka yksek olmasi ve grnt olusturma sresinin olduka dsk olmasi ihtiyacini dogurur. Fzede grntnn bozulmamasi iin, yer uygulamalarinda kullanilan kiziltesi termal kameralardan ok daha yksek hizda bir grnt sikligina ulasilmasi ihtiyaci bulunmaktadir. Aksi takdirde grntde hareket kaynakli bulaniklasma (motion blur) olusur. 1500_noBlur_noDome.bmp1500_withBlur.bmp Sekil-5 Normal grnt ve hareket kaynakli bulaniklasmis grnt rnekleri Bu da grntde piksel alti boyuta sahip olabilecek hedeflerin tespit ve takibini neredeyse imknsiz kilacagindan fzenin kilitlenme menzillerini olduka dsrr. Bu amala ASELSAN sadece bu projeye zg tasarlanan zel bir kiziltesi dedektr kullanmaktadir. Grnt sikliginin yksek olmasi arayici baslikta alisacak tm algoritmalarin iki grnt erevesi arasinda milisaniyeler iinde tamamlanmasi ihtiyacini dogurur. Bu durum ok yksek bir islem gc ve paralel islem yetenekleri gerektirir. ASELSAN elektronik tasarimlarinda hem kk alanda yksek ve paralel islem gc reten hem de bu islem gcn retirken olusan isinin atilmasini saglayan zel tasarimlar gereklestirmistir. 2.4 Kisa Srede Atisa Hazir Hale Gelme Hava hedeflerinin olduka hizli olmasi ve nceden tespitinin her zaman kolay olmamasi sebepleriyle, tehdidin belirlenmesini takiben fzenin ok hizli bir sekilde atisa hazir olmasi gerekmektedir. Atis ncesi sre gerektiren en nemli islemlerden birisi kiziltesi dedektrn sogutulmasidir. Sogutmali kiziltesi dedektrlerin algilama yapabilmesi iin sicakliklarinin 90 K civarina kadar dsrlmesi gerekir. Bu ama iin Joule Thomson (JT) tipi sogutma teknolojisi kullanilmistir. Stirling tipi sogutucular ise sogutmanin daha uzun srmesi, daha byk olmalari ve yksek ivmeler altinda mekanik yapilarindan dolayi gvenilirlik aisindan tercih edilmemistir. JT tekniginde yksek basinli sogutucu gaz zel teknolojilerle dedektr algilayici tabanina pskrtlr. Bu sayede dedektr ok kisa srelerde sogur. zellikle grntleyici arayici basliklarda, dedektr algilayici alaninin, tek hcreli ya da kk algilayici alanli eski tip fzelere gre olduka byk olmasi, kisa srede sogutma iin ok yksek basinli gaz kullanilmasini ve isi iletimini ok hizli yapabilecek zel tasarimlarin yapilmasini gerektirmektedir. Bu amala zel sogutma btnleri tasarlanmaktadir. 2.5 Basin Farklarinin Ynetilmesi Kiziltesi dedektrn alisma sicakliginin stabil olmasi grnt performansini arttiran ok nemli bir etkendir. Dedektrn sicakligini ise yksek basinla pskrtlen gazin dedektrn arka tarafindan olusmasini sagladigi sivilasmis gazin kaynama noktasi belirlemektedir. Sivilarin kaynama sicakligini ise mesafe_4500.bmpmesafe_2500.bmpmesafe_1500.bmpmesafe_0500.bmportam basinci belirlemektedir. Dedektr sicakligini 90 K civarina dsrmek iin kullanilan yogun miktardaki gaz arayici baslik ierisinde i basincin artmasina sebep olur. Basincin artmasi dedektr sicakligini degistirir. Bu durum da kiziltesi dedektr basarimini dsrr. Bu amala arayici baslik iindeki gazin disari atilarak i basincin sabit tutulmasi gerekir. Uus sirasinda fzenin yksekliginin, buna bagli olarak dis basincin da degistigi dikkate alindiginda, arayici baslik i basincinin stabil tutulmasi tasarimda nemli bir gereksinim olarak karsimiza ikar. Bu amala i basinci sabit tutan ok zel tahliye valfi gelistirilmektedir. 2.6 Arayici Baslik Algoritmalari Kiziltesi arayici basligin sahip oldugu grnt isleme yetenekleri arasinda hedef tespiti, hedef takibi ve karsi tedbir tespiti vardir. Fze radarin belirttigi yne gdlmekteyken arayici baslik kiziltesi grnt ve ataletsel veriyi eszamanli olarak kaynastirarak uzak mesafelerdeki hedeflerin aranmasi ve tespitini saglar. Hedefin tespit edilmesinin ardindan takip algoritmasi devreye girer. Takip algoritmasi, ayni tespit algoritmasi gibi, hem grnt hem de ataletsel verileri kaynastirarak hedefin takibini gereklestirir. Takip hem oklu hedef pencereleri hem de bu pencerelere ait hareket modelleri kullanilarak yapildigi iin hem daha gvenilir hem de uusun farkli asamalarina uyarlanabilir olmaktadir. Takip esnasinda olusacak karsi tedbirler iin de bir karsi tedbir tespit algoritmasi da paralel olarak kosturulmaktadir. Bir karsi tedbir tespit edildiginde, takip algoritmasinda yeni stratejiler devreye sokulmaktadir. Sekil-6 Hedefe yaklasan bir hava savunma fzesinin kiziltesi arayici baslik grnts Bir hava savunma fzesi kiziltesi arayici basligi iin gelistirilecek hedef tespit ve takip algoritmalarindaki baslica zorluklar olarak; - Fzenin ve hedefin yksek hizi, - Hedefin egzozu ile gvdesi arasindaki isima farkliliklari, - Hedefe ok hizli yaklasma, - Hedef kiziltesi imzalarinin gizlilikten tr bilinmemesi, - Diger gelistirme projelerine oranla daha karmasik gelistirme ve test ortamlarinin gerekmesi sayilabilir. lke olarak ilk defa yksek hizli bir hava savunma fzesi gelistirdigimiz dikkate alindiginda karsilasilacak ortamlarin kiziltesi arayici basliga etkilerinin analizi, benzetimi ve modellenmesi byk nem kazanmaktadir. Bu amala kiziltesi arayici baslik gelistirilmesi kapsaminda grnt isleme algoritmalarinin gelistirilmesi, parametre optimizasyonu ve testleri iin ASELSAN MGEO bnyesinde daha nce gelistirilmis dngde yazilim (software-in-the-loop SWIL) sistemi kullanilmaktadir. Bu sistemde hedef, arka plan, atmosfer, donanim birimleri modellenmektedir. Bu sayede donanim tasariminin sonulanmasi beklenmeden tm algoritmalar paralel olarak gelistirilebilmekte ve ayrica ok pahali olan gerek testlerden nce yazilimlarin basarimini artirmaktadir. 2.7 Kiziltesi Dedektr Kiziltesi arayici baslik basarimini belirleyen en nemli alt bilesenlerden bir tanesi de kullanilan kiziltesi dedektrn zellikleridir. Kiziltesi dedektrler, grsn zayif oldugu gece, sis, toz, duman gibi kosullarda tehditlerin algilanmasi ve hareket kabiliyetinin artirilmasi amaciyla; platformlardaki FLIR, POD, Fze Arayici Baslik ve Tank Atis Kontrol gibi sistemlerde kullanilmaktadir. Kiziltesi dedektrler, Foton ve Termal dedektrler olarak ikiye ayrilirlar. Termal dedektrler kiziltesi isimayi bir isi kaynagi olarak kullanirlar. Bu tip dedektrlerde kullanilan algilayici malzemeler isimayi sogurmasi sonucu isinir ve bazi fiziksel zellikleri degisiklik gsterir. Bu degisiklikler elektrik sinyaline evrilerek bir okuma entegre devresi (Read-Out Integrated Circuit - ROIC) tarafindan algilanir. Foton Dedektrler ise kiziltesi fotonlari sogurur ve sogrulan fotonlar serbest elektron-bosluk iftleri olusturur. Olusan elektron-bosluk iftleri disaridan uygulanan veya kendiliginden olusmus bir elektrik alan yardimi ile terminallerde toplanmak sureti ile akima dnstrlr. Olusan bu akim bir ROIC tarafindan okunarak, kiziltesi grnt meydana getirilir. KABlarda kullanilan matris yapili FPA sayesinde radar arayici kullanan aktif arayici basliklardan farkli olarak, hedefin iki boyutlu grntsnn olusturabilmesi saglanmaktadir. Tepki zamani ve hassasiyetin ok nemli oldugu fze uygulamalarinda KAB basariminin yksek olmasi iin kullanilan kiziltesi dedektrn de basariminin yksek olmasi gerekmektedir. Dalga boyuna bagli algilama yaptiklari, ok dsk tepki zamanina sahip olduklari ve krayojenik sicakliklara sogutuldugunda ok yksek hassasiyete sahip olduklari iin hava savunma fze sistemlerinde Sogutmali Foton Dedektrler tercih edilmektedirler. Kiziltesi dedektr teknolojileri, kullanilan algilayici malzemenin yapi ve esitlerine gre isimlendirilirler. HISAR Projeleri kapsaminda gelistirilecek KABda kullanilmak zere halen dnyada en olgun, en yksek performansa sahip olan ve Orta ve Uzun dalga boylarinda algilama yapabilen MCT teknolojisi seilmistir. Kiziltesi dedektrler ve okuma devresi bir opto-mekanik tasiyici ve sogutucu iinde yer alirlar. Opto-mekanik tasiyici ve sogutucu da zel tasarim gerektirmektedir. Sahip oldugu kritik ve stratejik nemden dolayi, kiziltesi dedektr teknolojisi, bu teknolojiye sahip olan lkenin ulusal korumasi altindadir. Ayrica bu ir signature.bmpteknoloji, gelismislik ve stnlk gstergesi olarak kabul edilmektedir. Dnyada sadece 5 adet lke (ABD, Almanya, Fransa, Ingiltere, Israil) bu teknolojiye sahiptir. HISAR Projeleri ihtiyalarini karsilayacak kiziltesi dedektrler rafta hazir rn olarak satilmamaktadir. Temini tamamen yurt disindan saglanan ve ihra izinleri ile kisitlanan kiziltesi dedektrlerin yurtiinde retilmesi, tehdit tarafindan kiziltesi dedektr karakteristigi bilinmeyen fzelerin gelistirilmesi aisindan nemlidir. Bylece, karsi tedbir gelistirilmesine karsi da avantaj kazanilmis olacaktir. KABda kullanilacak olan dedektrn basarim ve fiziksel parametreleri st sistem gereksinimleri tarafindan belirlenmekte ve KABin basarimina dogrudan etki etmektedir. KAB basarimina etki eden kritik dedektr parametreleri asagida belirtilmistir. 2.7.1 Algilama Dalga Boyu Algilama dalga boyu seilirken, tespit edilecek hedeflerin imzalari, dedektr alisma sicakligi gibi st sistem tarafindan belirlenen gereksinimlere dikkat edilmesi gerekmektedir. Uzun dalga boyu (8-12 um LWIR) araliginda algilama yapan dedektrlerin 77 K sicakliga kadar sogutulmasi gerekirken, orta dalga boyu (3-5um MWIR) araliginda algilama yapan dedektrler 90 K sicaklikta alisabilirler. Bunun yaninda, sicak cisimlerden MWIR bandinda daha yksek foton yayilimi olmaktadir. rnek olarak, farkli ailardan bakilirken bir savas uagina ait kiziltesi imzalar Sekil 7de verilmektedir. Sekil 7: rnek bir savas uagina ait kiziltesi imza spektrumu [1] 2.7.2 Dedektr Dizin Formati: Dedektr dizin formati, KAB algilama mesafesini dogrudan etkileyen bir parametredir. Ayni piksel adimi ve bakis aisi iin dedektr dizin formatinin artmasi algilama mesafesini arttirmaktadir. Diger tarafta, artan dedektr dizin formati dedektr alanini da arttirmakta, dolayisiyla dedektrn ierisine yerlestirilecek opto-mekanik tasiyicinin hacmi, bunun sonucu olarak da termal ktlesi artmaktadir. Sistemin ihtiya duydugu kisa soguma sresini ve menzil ihtiyalarini saglayacak optimum dedektr dizinlerinin kullanilmasi gerekmektedir. 2.7.3 Dedektr Piksel Adimi: Dedektr piksel adimi bydke, pikselin Sinyal/Grlt orani artmaktadir. Ayni znrlk ve bakis aisina sahip iki sistemden, piksel adimi daha byk dedektre sahip olani daha uzak mesafelerdeki hedefleri tespit edebilecektir. Fakat piksel adimini bytmek dedektr alanini arttiracak, bu da opto-mekanik tasiyicinin hacmini ve termal ktlesini arttiracaktir. Bundan dolayi hem st sistem gereksinimleri tarafindan belirlenen soguma sresi ve hacim isterlerini hem de maksimum algilama mesafesini saglayacak dedektr dizinlerinin kullanilmasi gerekmektedir. 2.7.4 Dedektr Basarimi: Fze arayici basliklarinda kullanilacak kiziltesi dedektrler hem uygun algilama dalga boyu, znrlk ve piksel adimina sahip olmali, hem de ok yksek basarim ltlerini saglayabilmelidir. Kiziltesi dedektrler iin nemli basarim ltleri asagida tanimlanmistir. a. Kuantum Verimliligi: Algilayici malzemesi zerine dsen fotonlarin elektrona evrilme olasiligi olarak tanimlanabilir. Yksek kuantum verimliligi dedektrn hem yksek resim hizlarinda hem de dsk arka plan isimasi durumunda kullanilabilmesine olanak saglar. b. NETD (Grlt Esdeger Sicaklik Farki): NETD, kiziltesi dedektrn algilayabilecegi en kk sicaklik farki olarak tanimlanabilir. NETD degeri ne kadar dsk ise dedektr basarimi o kadar yksektir. 2.7.5 Okuma Devresi Kiziltesi sensrn tmlestirilecegi okuma devresi, st sistem gereksinimlerini karsilayacak standart disi zelliklere sahip olmalidir ve bu zelliklerden en nemlileri asagida belirtilmistir. a. Resim Hizi: Blm 2.3de belirtildigi zere yksek fze ve hedef hizlari sebebi ile okuma devresi ok yksek resim hizlarinda alisabilmeli, okuma devresi ile tmlestirilecek sensr dizini ise yksek resim hizlarini destekleyebilmelidir. b. Okuma Devresi Yk Kapasitesi: Kubbenin isinmasi nedeniyle kiziltesi dedektr hibir hedef bilgisi iermeyen ve tamamen kubbeden kaynakli bir isimaya maruz kalmaktadir. Okuma devresi, kubbeden gelen isimayi saklayacak yeterli yk kapasitesine sahip olmaz ve doyuma ulasirsa hedeften gelen isimalar tespit edilemeyecek ve bunun sonucu hedef tespit ve takibi imknsiz olacaktir. Bu sebeple, kullanilacak okuma devresinin ok yksek yk kapasitesine sahip olmasi gerekmekte ve bu hedefe erisebilmek iin tm devre tasariminda standart olmayan teknikler kullanilmalidir. 2.7.6 Dedektr Soguma Sresi Sistem gereksinimlerinin saglanabilmesi iin JT tipi bir sogutucu ile btnlesmis, dsk termal ktleye sahip bir opto-mekanik tasiyici tasarimi gerekmektedir. KAB ierisindeki sinirli hacme sigabilecek ve ok hizli soguyabilecek bir opto-mekanik tasiyici yapinin tasarimi ve retimi iin yogun bir teorik ve deneysel alisma btn gerekmektedir. 3 SONU Hisar projeleri kapsaminda gelistirilen KAB lkemizde ilk defa yapiyor olmasi ve tm teknik zorluklara karsin nceki projelerde olusturulan bilgi ve yetenek birikimi sayesinde ASELSAN MGEO Grubu tarafindan tasarlanmaktadir. 4 REFERANSLAR [1] Shripad P. Mahulikar, Hemant R. Sonawane, G. Arvind Rao, Infrared signature studies of aerospace vehicles, Progress in Aerospace Sciences, Volume 43, Issues 78, OctoberNovember 2007, Pages 218-245