بخشی از مقاله
چکیده- استفاده از امضای ریزداپلر راداری اهداف اخیرا برای کشف اهداف و طبقهبندی آنها بسیار مورد توجه واقع شده است. استفاده از این پدیده در کشف و شناسایی اهداف انسانی بسیار حائز اهمیت میباشد. در این مقاله امضای ریزداپلر برگشتی از بدن انسان در رادار دهانه مصنوعی تحلیل و با استفاده از روش شیبزدایی داپلرهای سوار شده بر روی سیگنال ناشی از حرکت سکو و نیز حرکت انتقالی بدن جبرانسازی شده است. در پایان برگشتیهای راداری تک تک اعضاء در محیط MATLAB شبیهسازی و امضای ریز داپلر آنها استخراج شده است.
-1 مقدمه
اهداف راداری همیشه یکپارچه نیستند و گاهی اوقات دارای اجزایی هستند که عالوه بر حرکت انتقالی بدنه اصلی، اجزا ممکن است حرکات لرزشی ، چرخشی و تناوبی داشته باشند. مثالی از این نوع حرکات، پره های هلیکوپتر، موتور هواپیما، توربین بادی، حرکت فرفرهای سرجنگی موشک و بدن انسان در حال فعالیت میباشد. لرزش یا چرخش مکانیکی اجزای یک هدف متحرک در برگشتیهای راداری یک مدوالسیون فرکانس القا می کند که حول داپلر مرکزی هدف - ناشی از حرکت انتقالی بدنهی اصلی - ، خود را به صورت گلبرگهای کناری1 نشان میدهند. این مدوالسیون فرکانس داپلر که به خاطر ریزحرکت2های اجزای هدف به وجود میآیند، ریز داپلر3 نام دارد و در ]2-1[ برای اولین بار معرفی شد.
نکتهای که در مورد ریزداپلر میتوان گفت منحصر به فرد بودن آن برای اهداف مختلف است. هر هدف، بسته به نوع حرکت خود، مدوالسیون ریز داپلر منحصر به فردی بر روی سیگنال برگشتی القاء میکند که تحت عنوان امضای ریز داپلر4 مشهور است. این ویژگی جالب باعث میشود بتوان از روی این امضاها اهداف را تشخیص داد و شناسایی و طبقهبندی کرد-3[ .]4 اطالع از تعداد و طول پره های هلیکوپتر، سرعت چرخش موتور جت هواپیماها و الستیک خودروهای نظامی و اطالعات اولیه از اهداف میتواند منجر به طبقهبندی این اهداف گردد.]5[ در شکل 1 میتوان تعدادی از اهداف نظامی را که دارای ریزحرکت هستند مشاهده کرد.
در مورد اهداف زنده - مانند انسان و حیوانات - کمی تفاوت وجود دارد. انسان یک هدف غیرصلب و پیچیده به حساب میآید که اجزای بدن او، هر کدام حرکت جداگانهای دارند که ریزداپلر جداگانهای القا میکند. تفکیک این ریزداپلرها از هم به حدی قدرت تشخیص را باال میبرد که میتوان با آن انسان را از حیوان تشخیص داد و حتی امکان تشخیص جنسیت او نیز وجود دارد.]6[ بسیاری از روشهای کشف انسان توسط رادار مبتنی بر روشهای طیفی میباشند.]10-7[ متأسفانه این روشها با اطمینان نمی توانند تمایز میان انسان و دیگرموجودات زنده قائل شوند.
همچنین در مکان هایی که ریزداپلرهای فرکانس پایین که در محیط وجود دارد - مانند پنکه سقفی - دچار مشکل میشوند.]11[ استفاده از طیفنگار5 از سال 2003 جهت نمایش زمان فرکانس سیگنال برگشتی از تک تک اعضای بدن به تفکیک استفاده شد.در تحلیل ریز داپلر شاید هدف بهبود حد تفکیک در راستای سمت نباشد، اما با توجه به اینکه هندسه دادهبرداری به شکل رادار دهانه مصنوعی میباشد، لذا میتوان از فرمولبندی الگوریتم RDA استفاده شود .
در سیگنال برگشتی رادار دهانه مصنوعی از اهداف دارای ریز داپلر ، وجود اجزای ریز داپلر باعث میشود فیلتر منطبق راستای سمت نتواند اهداف را متمرکز کند و در واقع به فیلتر نامنطبق تبدیل میشود. مراجع -16[ ]17 به حذف اثرات ریز داپلر جهت رسیدن به هدف متمرکز در رادار دهانه مصنوعی و رادار دهانه مصنوعی معکوس6 اختصاص پیدا کردهاند. در این مقاله ما بر خالف مقاالت باال قصد داریم سیگنالهای مربوط به داپلر ذاتی در برگشتیهای رادار دهانه مصنوعی ناشی از حرکت سکوی راداری را حذف کنیم - جبرانسازی کنیم - و با استفاده از روش طیفنگاری، داپلرهای اعضای مختلف بدن را استخراج و به طور جداگانه تحلیل کنیم. برای جبران و حذف حرکت سکو و حرکت انتقالی بدن انسان و استخراج امضای ریز داپلر آن از عملیات شیب زدایی7 استفاده می شود.
شبیهسازی های انجام شده که برای اولین بار انجام شده است، صحت عملکرد عملیات شیبزدایی و جبرانسازی حرکت ایدهآل سکو و نحوهی استخراج امضای ریزداپلر را نمایش میدهد. در بخش 2 مدل سیگنال برگشتی که بر اساس آن شبیهسازیها انجام شده است، توضیح داده میشود. بخش 3 به آنالیز و شبیهسازی برگشتیهای بدن انسان در رادار دهانه مصنوعی اختصاص یافته است. در پایان در بخش 4 نتیجهگیری بحث آمده است.
-2 مدل سازی سیگنال برگشتی برگشتیهای راداری شامل سه جزء میباشند: هدف، کالتر و نویز. در مسائل آشکارسازی به دنبال حذف و یا کاهش عوامل نویز و کالتر و ابقاء هدف میباشیم و کارهای زیادی در زمینه مدل سازی نویز و کالتر در زمینه رادار انجام شده است . در اینجا تمرکز ما بر مدل سازی سیگنال برگشتی از هدف خاص مورد عالقه یعنی بدن انسان است.
-1-2 مدلسازی بدن انسان
بدن انسان هدف بسیار پیچیدهای میباشد چرا که اعضای بدن او حرکات نوسانی در راستاهای مختلف و با سرعتهای متفاوت دارد. اما برای سادگی در محاسبه برگشتیها، از مدل 12 نقطهای تأییدشدهی موجود در منابع علمی استفاده میشود.]14[ ریشه ستون فقرات که در شکل 1 با نام OS نامیده شده است به عنوان قسمت اصلی بدن در نظر گرفته میشود و ما بقی اعضاء نسبت به آن سنجیده می شوند.
هر دو قدم یک دوره تناوب از حرکات سینوسی اعضاء را تشکیل میدهد. ویژگی های متعددی برای بدن انسان میتوان متصور شد که از آن جمله میتوان به طول باالتنه، ارتفاع سر، طول و ارتفاع ران و سایر موارد اشاره کرد. در مرجع ]14[ به 18 مورد اشاره شده است و مدل آماری آنها در دو حالت زن و مرد آمده است. چون قد انسان یک متغیر تصادفی گاوسی است، لذا تمامی این مقادیر را نیز متغیر تصادفی گاوسی در نظر می گیریم. که در آن m و s 2 به ترتیب میانگین و واریانس توزیع ابعاد یک dp dp عضو بدن و k ضریبی از تابع خطا - erf - میباشد.
در این رابطه η اندیس شماره پالس، τ زمان مطلق از ابتدای نمونه برداری، k اندیس شماره عضو بدن، τk زمان نسبت به ابتدای پالس، T دوره زمانی تکرار پالس - - PRI ، Tp عرض پالس ، td,k زمان تأخیربرگشتی از عضو kام ، fc فرکانس مرکزی، Kr نرخ چیرپ ارسالی و at,k دامنه برگشتی بر اساس معادله رادار میباشد. هر عضو دارای برگشتی مخصوص به خود است که از جمع همه این سیگنالهای برگشتی، سیگنال برگشتی رابطه - 2 - حاصل میشود.
-2-2 حرکت رادار دهانه مصنوعی
رادارهای دهانه مصنوعی جهت تشکیل تصویر نیاز به حرکت دارند. حرکت سکوی حامل رادار به ذات یک مدوالسیون فرکانس داپلر بر روی سیگنال برگشتی اعمال میکند که در پردازشهای ریزداپلر باید جبرانسازی گردد. در بخش 3 میتوان شبیهسازی سیگنال برگشتی رادار دهانه مصنوعی را دید. هندسه نمونه برداری در شکل - 3 - نمایان است.
-3 آنالیز و شبیهسازی
با توجه به ماهیت پیچیده بدن انسان، شبیهسازیها باید تا حد ممکن بتوانند ویژگیهای آن را نشان دهند. بدین منظور از مدل 12 نقطهای گفته شده استفاده میشود. مرجع ]15[ یک سری شبیهسازی ها را در محیط MATLAB پیشنهاد داده است که مبنای شبیهسازیهای این مقاله قرار گرفته است.
