مقاله رادار روزنه مصنوعی وارون ( ISAR )

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

رادار روزنه مصنوعی وارون (ISAR)

چکیده

جهت مقابله با تهاجم دشمن، اولین ابزار شناخت هدف است. اگر هدف هواپیمایی باشد که به قصد انجام عملیات در حال نزدیک شدن به مواضع کشور است، تنها دانستن موقعیت آن کافی نیست، بلکه اطلاع از سرعت، شتاب و دیگر مشخصات راداری آن دید بیشتری برای شناخت آن خواهد داد. اگر بتوان به طریقی نوع هواپیما را تشخیص داد و یا اینکه حتی تصویری مبهم از هواپیما داشت، میتوان مشخصات حمله جاری را تخمین زده و روش مناسبی برای دفاع در مقابل آن انتخاب کرد. یکی از ابزاری که امروزه در تصویربرداری راداری استفاده میشود، استفاده از روشهای روزنه مصنوعی است. رادارهای روزنه مصنوعی شامل دو دسته اصلی SAR و ISAR هستند. SAR عموما برای تصویربرداری از زمین و ISAR در تصویربرداری از اهداف هوایی و دریایی کاربرد دارد. در صورتیکه قابلیت تهیه تصویر راداری به رادارهای پدافندی اضافه شود، مدیریت پدافند انتخاب بهتر و دقیقتری برای مقابله خواهد داشت.

کلمات کلیدی: رادار، روزنه مصنوعی،SAR, ISAR ، حدتفکیک بالا

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:

که c سرعت نور و BW پهنای باند شکل موج میباشد.

شکل-8 پردازش سیگنال در راستای برد مایل (نقاط تفکیک شده در برد)

تفکیکپذیری بالا در جهت برد متقاطع

اساس تئوری رادار با روزنهی مصنوعی، همانگونه که قبلا بیان شد، بر پایهی حرکت نسبی هدف نسبت به رادار میباشد. حرکت نسبی موجود بین رادار و هدف و همین طور پردازش داپلر پژواکهای حاصل، درحقیقت نقش یک آنتن با روزنهی بسیار بزرگ را بازی کرده و قدرت تفکیک مناسبی به وسیلهی آنتن با ابعاد معقول در اختیار میگذارند.

شکل-9 تشکیل روزنه مصنوعی در ISAR با حرکت هدف

حرکت چرخشی نسبی نقاط منعکسکنندهی روی هدف، هر کدام شیفت داپلرهای مختلفی ایجاد میکند که با استفاده از آنها میتوان نقاط هدف را در جهت برد متقاطع تفکیک نمود. برای این منظور، بازتابهای سیگنال دارای شیفتهای داپلر، به طور همدوس در گیرنده انتگرالگیری میشود تا تصویر هدف بازسازی گردد. تفکیکپذیری در راستای برد متقاطع با رابطه زیر بیان میشود.

بنابراین میتوان گفت که مقدار تفکیکپذیری در جهت برد متقاطع به دو عامل وابسته است:
- زمان انتگرالگیری دادههای دریافتی((T
- سرعت حرکت چرخشی هدف((

عامل دوم به حرکت هدف بستگی دارد و در کنترل سامانهی تصویربرداری نیست، بنابراین جهت افزایش تفکیکپذیری برای برد متقاطع بایستی زمان انتگرالگیری افزایش یابد. افزایش زمان انتگرالگیری نیز منجر به ماتشدگی و ابهام در تصویر به ویژه در حالت اهداف مانوردار میشود. بنابراین در تعیین زمان انتگرالگیری بایستی به هر دو ویژگی تفکیکپذیری و ماتشدگی توجه داشت.

تشکیل تصویر در ISAR
در مقایسه با رادارهای معمول پالسی، در یک رادار ISAR با پالسهایی با پهنای بسیار کم، بجای آنکه کل هدف در یک سلول فاصله قرار گیرد، در تعداد زیادی سلول فاصله قرار خواهد گرفت. هریک از سلولهای فاصله شامل منعکسکنندههایی با برد تقریبا یکسان میباشد( Borden، .(1999
برای تشکیل تصویر n پالس به هدف ارسال میشود. با ارسال هر پالس به سمت هدف، دادههای مربوط به سلولهای فاصلهای که هدف را شامل میشوند، بعد از حذف تداخل، به بخش پردازش داده منتقل میشوند. سپس ماتریسی با n سطر تشکیل میشود. در هر سطر m سلول فاصله وجود دارد که با تفکیکپذیری در راستای برد تشکیل شدهاند. در هر سلول سیگنال پردازششده مختلطی متناسب با بزرگی هدف در آن سلول((12RCS وجود دارد. نکته بسیار مهم در این میان یکسان بودن سلولهای فاصله در یک ستون است؛ بطوریکه اگر سلولهای فاصله جابجا شوند، تصویر نهایی مات شده یا تشکیل نخواهد شد. سپس یکی از معمولترین روشها برای پردازش این دادههای خام استفاده از عکس تبدیل فوریه است. لازم به ذکر است که استفاده از این تبدیل برای حرکتهای ناخواسته هدف مناسب نبوده و معمولا از تبدیلات پیچیده زمان - فرکانس استفاده میشود.

شکل-10 تشکیل تصویر ISAR در دو بعد

موارد مهم در طراحی و ساخت سامانه ISAR
در سامانه SAR حرکت هواپیما (رادار) کاملا مشخص بوده و هرگونه حرکت رادار در جهت های مختلف با سنسورهای دقیق قابل اندازهگیری و جبرانسازی است. برای مثال با توجه به تغییرات ناخواسته حرکت هواپیما، مکان دقیق رادار مشخص بوده و در محاسبه زاویه تصویربرداری فعلی در نظر گرفته میشود. همچنین با توجه به اینکه تصویر از اهداف زمینی تهیه میشود، اهداف به نسبت رادار تقریبا ثابت هستند. همچنین با توجه به اینکه حرکت رادار توسط فرد طراحی میشود، بهترین و کوتاهترین مسیر جهت تهیه تصویر انتخاب میشود(S. Watts، .(2009
در مقایسه، سامانه ISAR بسیار پیچیده تر از SAR میباشد. زیرا مسیر حرکت هدف مشخص نبوده و تغییرات ناگهانی حرکتی هدف در تهیه تصویر مشکل ایجاد میکند؛ لذا با توجه به اینکه همواره مرکز زوایای تصویربرداری باید یکسان باشد و یا به عبارتی، هدف باید در وسط پنجره تصویربرداری قرارگیرد، یک رادار ردگیری با دقت بالا، لازمه اصلی ISAR به شمار میرود تا مکان دقیق هدف را در لحظه سیگنالگیری از هدف به رادار گزارش کند تا سلولهای تصویر ISAR در حین تشکیل تصویر جابجا نشوند. همچنین با توجه به اینکه هدف مسیر را مشخص میکند و این امر قابل کنترل نیست، ممکن است در موارد بسیاری زمان تهیه تصویر چندین برابر شود و یا تصویر مناسبی از هدف تهیه نگردد(S. Watts، .(2009
برای قرار دادن تصویر در مرکز تصویربرداری، از روشهای محاسباتی با نام خودتمرکز13 نیز استفاده میشود. این عمل با توجه به میزان خطای رادار پیچیدهتر بوده و موجب افزایش بار محاسباتی و کند شدن سامانه خواهد شد(A. Aprile و دیگران، .(2008

یکی دیگر از موارد مهم در طراحی و ساخت سامانه ISAR، گیرنده آن است که با توجه به تفکیکپذیری بالا در رادار باید توان پردازش سریع سیگنالهای برگشتی را دارا بوده و بتواند بطور لحظه ای روشهای جبران سازی، پردازش داده و تشکیل تصویر را انجام داده و تصویر را سریع تهیه کرده و نمایش دهد.
با توجه به موارد فوق، ISAR عموما به عنوان یک ابزار مفید در کنار رادارهای ردگیر استفاده می شود تا در شناسایی و کلاسهبندی اهداف مورد استفاده قرارگیرد.
طراحی اولیه یک رادار ISAR