بخشی از مقاله
منابع مورد استفاده:
Sullivan, Roger J. 2000. Microwave Radar Imaging and Advanced Concepts.
Soumekh, M. 1999. SYNTHETIC APERTURE RADAR SIGNAL Processing with MATLAB Algorithms.
ÖZDEMIR, C. 2012. Inverse Synthetic Aperture Radar With MATLAB.
Curlander, Mcdonough , 1991. SYNTHETIC APERTURE Systems and Signal Processing. Sang-Hong,p. 2013. An Efficient Classification Method for Inverse Synthetic Aperture Radar Images. World
Academy of Science, Engineering and Technology. vol74. P249,253.
Lazarov, A.D. 2011 . Generalized ISAR Imaging of Sea Target. IEEE . Vol978. P168,p173.
Wehner, D.R. 1995. high resolution radar.
Borden, B. 1999. Radar Imaging of Airborne Targets.
Watts, S . 2009. Synthetic Aperture Techniques.
مقدمه
جهت تهیه تصویر روشهای مختلفی وجود دارد، برای نمونه تصویربرداری با نور مرئی، مادون قرمز یا با استفاده از اشعه های مختلف مانند اشعه X، تصویربرداری لیزری، سونار، تصویربرداری با میدان مغناطیسی (مانند (MRI یا با استفاده از امواج الکترومغناطیس.
استفاده از امواج الکترومغناطیس در تصویربرداری کاربردهای متنوعی دارد؛ یکی از کاربردهای مهم آن در تهیه تصاویر راداری است. جهت تهیه این تصاویر، لازم است رادارهای با حدتفکیک بالا استفاده شوند. در این مقاله تصویربرداری راداری معرفی شده و سپس بطور خاص به معرفی تصویربرداری ISAR و خواص آن پرداخته خواهد شد.
تصویربرداری راداری
اگر بتوان علاوه بر کشف و ردگیری هدف (که عموما در رادارهای معمول انجام میشود) مشخصات بیشتری از هدف داشت مقابله با آن با موفقیت بیشتر و هزینه کمتری همراه خواهد بود. برای مثال با داشتن تصویر هدف و در نتیجه کلاسهبندی و شناسایی آن میتوان سلاح مناسبی برای مقابله با آن، انتخاب نمود. یکی از مهمترین مزایای این نوع تصویربرداری عدم وابستگی به شرایط جوی و نور خورشید است بعلاوه، تهیه این نوع تصویر با روشهای غیر راداری در فواصل دور، امکانپذیر نمیباشد.
تصویربرداری راداری با استفاده از ایدهی روزنه مصنوعی مطرح گردیده است. بدین صورت که با حرکت یک آنتن کوچک(دهانه کوچک) و ذخیره دادهها در حین حرکت یک آنتن بزرگ (دهانه مصنوعی بزرگ) تشکیل میشود. داشتن یک آنتن بزرگ از ملزومات تهیه تصاویر راداری است ( Roger J. Sullivan، .(2000
شکل-1 ایده تشکیل روزنه مصنوعی با حرکت رادار(هواپیما) در رادارهای معمول که جهت جستجو و یا ردگیری اهداف استفاده میشوند، حدتفکیک متوسطی مدنظر است(برای مثال 50 متر) تا بتوان از سیگنال دریافتی محل هدف را استخراج نمود؛ اما در تصویربرداری راداری به حدتفکیک بالایی2 (برای مثال کمتر از 1متر) نیاز میباشد تا بتوان نقاط مختلف یک هدف را استخراج کرد. در این نوع رادارها یک پالس باریک (پهن باند) به سمت هدف ارسال شده و گیرنده دارای این قابلیت است که سیگنالها(اکوها)ی بازگشتی را به سرعت ذخیره و پردازش کند. همچنین برای تشکیل تصویر، نیاز به جمعآوری سیگنال از زوایای مختلف هدف میباشد. پس از ذخیره، این سیگنالها پردازش شده و تصویر با عملیات ریاضی استخراج میشود. لذا همواره حرکت نسبی بین رادار و هدف مورد نیاز می باشد. از این منظر دو دسته اصلی رادارهای تصویربردار بوجود می آید:3SAR و .ISAR
رادار روزنه مصنوعی((SAR
در رادار SAR هدف مورد نظر ثابت بوده و حرکت رادار زاویه مورد نیاز تصویر برداری را فراهم میکند. در نتیجه SAR عموما روی هواپیما یا ماهواره نصب میشود و با دانستن موقعیت دقیق رادار، به جمعآوری دادهها میپردازد. طریقه تصویربرداری در SAR با توجه به نوع اسکن متفاوت است Soumekh)، : (1999
-1 مد جاروب نواری ( Strip Mapیا(4SLAR
همانطور که در شکل 2 دیده میشود، در این روش، حین حرکت رادار(هواپیما) آنتن سیگنال را بصورت مایل به محل مورد نظر میتاباند و داده را جمعآوری میکند.
شکل-2 مد جاروب نواری
-2 مد جاروب((Scan mode
در این روش، با حرکت رادار جاروب طولی و عرضی انجام میشود و در نتیجه ناحیه پوشش و تصویربرداری میتواند بزرگتر باشد.
شکل-3 مد جاروب
-3 مد نورافکن((Spotlight Mode
با تمرکز بیم آنتن روی یک منطقه، حین حرکت حدتفکیک بالا رفته و تصاویر با جزییات بیشتری قابل دریافت است.
شکل-4 مد نورافکن
رادار روزنه مصنوعی وارون (ISAR)
در ISAR تعریف مسئله برعکس است؛ بدین ترتیب که رادار ثابت بوده و حرکت هدف، منظر لازم را فراهم میکند. در نتیجه برای دستهبندی و استفاده از دادهها موقعیت هدف باید بطور دقیق مشخص گردد؛ این مطلب، مشکلترین بخش این سامانه بوده و برای همین محاسبات و بار پردازشی زیادی به مجموعه وارد میکند. همانطور که در شکل دیده میشود، هندسه ISAR همان هندسه Spotlight SAR است که در آن بخش متحرک جابجا شده است C. ÖZDEMIR)، .(2012
شکلSAR -5
البته نوع دیگری از ISAR وجود دارد که بسیاری از مشکلات ISAR در آن مرتفع شده است؛ با استفاده از چند گیرنده بجای فرستنده-گیرنده واحد نیز میتوان تصاویر ISAR را تشکیل داد. این روش میتواند دوپایگاهی5 یا چندپایگاهی6 باشد.
شکل-6 رادار ISAR دو پایگاهی
تاریخچه
ایده اولیه ساخت روزنه مصنوعی بزرگ با استفاده از ترکیب روزنههای کوچک اولین بار توسط کارل وایلی در دهه 1950 ارائه شد. بر اساس این ایده و توسعه روشهای پردازشی به کمک پردازندههای نوری اولین تصویر SAR به وسیلهی محققین دانشگاه میشیگان در سال 1958 تولید شد(Mcdonough، .(1991
در سال 1969، مقارن با عرضه تجارتی رادار AN/APQ-9، رادار روزنه مصنوعی GEMS بر پایه یک رادار نظامی دیگر که مدتی از به کار گیری آن میگذشت، به طور تجاری عرضه گردید. سامانههای پژوهشی روزنه مصنوعی در فرکانسهای 1 و 9 گیگاهرتز توسط موسسه تحقیقات زیست محیطی میشیگان (ERIM) و آزمایشگاه موتور جت (JPL) در سال های دهه 1970 ساخته شدند. این سامانه چند قطبی بوده و تولید تصاویر (چند قطبی و چند فرکانسی) بوسیله آنها به قابلیتهای رادارهای تصویرگر در سنجش از دور کمک شایانی نموده است.
پیشنهادات مختلف برای رادارهای فضایی بهمنظور مشاهده زمین با استفاده از SAR از همان سالهای دهه 1960 مطرح شدند، اما اولین بار این رادار روی ماهواره Seasat نصب شد که در سال 1978 به فضا پرتاب شد. این سیستم چندین میلیون کیلومتر مربع از مناطق آبی و خشکی کره زمین را تصویربرداری نمود.
از تداخل سنجی SAR، می توان برای تولید نقشه های توپوگرافی با تفکیک بالا استفاده کرد. براین اساس، ناسا با پرتاب ماهوارهTOPOSAR به فضا، از این روش برای تهیه نقشه توپوگرافی رقومی جهان با تفکیک افقی 30 متر و دقت ارتفاعی در حد چندین متر استفاده نموده که تهیه این نقشه چندی پیش پایان یافته است. امروزه تعیین تغییرات بسیار کوچک در سطح زمین و یخچال ها طی دوره های روزانه تا سالیانه در مقیاس جهانی و با دقت بسیار بالا بدون تاثیر پذیری از شرایط آب و هوایی و یا شب و روز امکان پذیر است. البته هنوز تحقیقات برای بهبود بخشیدن این فناوری ادامه دارد Sang-) Hong Park، .(2013
کاربردهای تصویربرداری راداری
محل نصب رادار SAR عموما روی ماهواره، هواپیما، پهپاد و گاهی موشک است. بطور کلی کاربردهای SAR عبارتند از:
- تهیه نقشه از تجهیزات و ادوات دشمن و نحوه آرایش جنگی
- مسیریابی پهپادها و موشکها
- تشخیص تحرکات منطقه
- تشخیص و کلاسهبندی اهداف دریایی
- هوانوردی و ناوبری و جلوگیری از تصادم کشتیها
- رصد کردن تغییرات محیطی مانند کشاورزی، حرکت یخچالها
- تهیه نقشه های توپوگرافی، بررسی تغییرات پوسته زمین
- دیدهبانی حرکتها برای سرعت غیر مجاز
- رادار های هواشناسی، رصد طوفانعملیات جستجو و نجات
- تشخیص تومورها در پزشکی
با توجه به تعریف ISAR، این سامانه عموما روی رادارهای زمینی و جهت شناسایی اهداف دریایی و هوایی نصب میشود. با نصب ISAR روی ماهوارهها نیز میتوان تصاویر اهداف هوایی و دریایی را تهیه نمود. با گسترش رادارهای چند پایه، ترکیب رادارهای زمینی و ماهوارهها هم امکانپذیر شده است. در نتیجه امروزه این سامانه روی هواپیماهای متعددی نیز نصب شده است. شاید بتوان مهمترین کاربرد این سامانه را در بخش پدافند تعریف نمود. با توجه به اینکه امروزه ISAR میتواند به عنوان یک قابلیت به رادارهای ردگیر اضافه شود، عموما این سامانه در راستای کلاسهبندی و شناسایی اهداف دریایی و هوایی بکار میرود. با شناخت بموقع هدف و مشخصات آن میتوان برای مقابله با آن روش مناسب را انتخاب کرده و علاوه بر اینکه احتمال موفقیت را افزایش داد، در هزینهها صرفه جویی نمود Andon D. Lazarov) ، .(2011
برای مثال اگر یک ناو در رادار مشاهده شود و انواع سلاحها و قابلیتهای آنها در نظر گفته شود، ممکن است بهتر باشد از یک موشک با قابلیت جمینگ که با ارتفاع کمی از دریا به هدف نزدیک میشود استفاده نمود؛ ویا اگر یک هواپیمای متخاصم از نوع EuroFighter در حال نزدیک شدن است، استفاده از چند عدد و یا چند نوع موشک پدافندی با قابلیت مانور بالا مناسب باشد. در مجموع میتوان استفاده از قابلیتهای ISAR را به عنوان بصیرت بیشتری برای اتخاذ تصمیمات پدافندی دانست.
تشکیل تصویر راداری
تصاویر دوبعدی راداری دارای دو راستا هستند، راستای برد مایل7 و برد متقاطع.8 راستای برد مایل در راستای دید هدف((9LOS در نظر گرفته میشود و راستای برد متقاطع در جهت عمود بر برد مایل و در راستای چرخش هدف نسبت به رادار؛ در نتیجه تشکیل تصویر هدف، نیازمند حدتفکیک بالا در راستای برد مایل و حرکت زاویهای هدف نسبت به رادار میباشد Wehner)، .(1995
با توجه به اینکه سیگنال برگشتی در راستای خط دید، نقاط روی این راستا را تشکیل میدهند، حرکت هدف در این راستا داده مفید دیگری تولید نمیکند و در نتیجه حرکت در محور عمود برآن مهم است. این قضیه بدین معنی است که برای تهیه تصویر نیاز به حرکت نسبی و در یک مسیر دایروی است و یا به عبارت دیگر بخش چرخشی حرکت برای تهیه تصویر و تأمین زاویه دید مورد نظر استفاده میشود. در نتیجه اگر یک حرکت مستقیم و در راستای LOS وجود داشته باشد، تصویر حاصل، فقط یک خط از هدف خواهد بود.
شکل-7راستاهای تصویر دو بعدی راداری
تفکیکپذیری در جهت برد مایل
برای دستیابی به حدتفکیک بالا زمان پالس ارسالی باید به قدری کوتاه باشد که بتوان در سیگنال بازگشتی از هدف نقاط مختلف را (با توجه به حدتفکیک مطرح شده) از هم تشخیص داد. به همین منظور تفکیکپذیری در جهت برد، متناظر با تفکیکپذیری در جهت زمان بوده و رابطه معکوس با پهنای باند دارد. لذا برای تفکیکپذیری بالا در جهت برد مایل یا باید عرض پالس را کاهش داد که در نتیجه آن توان ارسالی به هدف کاهش مییابد (برد و سیگنال به نویز هم کاهش خواهد یافت که این امر مطلوب نیست) و یا اینکه با استفاده از شکل موجهای راداری با پهنای باند زیاد مشکل را حل نمود. برای مثال، شکل موج فرکانس پلهای10 و شکل موج چیرپ11 جهت افزایش تفکیکپذیری استفاده میشوند. رابطهی تفکیکپذیری برد مایل (∆rs) با پهنای باند شکل موج رادار به این صورت است:
