رادارهای دهانه ترکیبی یا رادار SAR

مقدمه‌ای بر رادار SAR

سیستم‌های SAR برای تهیه عکس های دو بعدی و سه بعدی با کیفیت بالا از عوارض زمین در هر شرایط آب و هوایی بکار می‌روند. تصویر شکل 1 نمونه ای از عکس تهیه شده توسط رادار SAR است. همانطور که ملاحظه می‌کنید تصویر تهیه شده توسط رادار SAR متفاوت از تصاویر اپتیکی است.

به دست آوردن اطلاعات از این تصاویر نیاز به مهارت است در حقیقت تصویر تشکیل شده توسط رادار SAR استخراج پروفایل سطح زمین است. در تصویر تهیه شده توسط  SAR ، هرجا که RCS  سطح زمین بیشتر بوده تصویر روشن تر و برعکس برای نقاطی با RCS کمتر ، تصویر تاریک تر است. در این سیستم‌ها رادار بر روی یک هواپیما یا یک ماهواره که سکو نامیده خواهد شد، سوار می‌شود.به خاطر حجم بسیار بالای یپردازش سیگنال مورد نیاز برای سیستم SAR معمولا پس از جمع‌آوری سیگنال‌های لازم توسط رادار پردازش و استخراج تصویر در ایستگاه زمینی صورت می‌گیرد.

حد تفکیک‌پذیری

تشکیل تصویر از سطح زمین نیازمند داشتن حد تفکیک‌پذیری مناسب در دو بعد عمود بر هم (برد و متقاطع برد) است. تفکیک‌پذیری در راستای برد با بکارگیری سیگنال با پهنای باند بالا  قابل دست‌یابی است. در بعد متقاطع حد تفکیک‌پذیری به طول آنتن وابسته است. برای داشتن تفکیک‌پذیری بالا در این بعد آنتن با طول فیزیکی بزرگ نیاز است تا انرژی دریافتی را در یک پرتو باریک متمرکز کند.

 

 

پهنای پرتو آنتن در یک راستای سمت یا به عبارتی بعد متقاطع بر برد حد تفکیک‌پذیری را تعیین می‌کند. در شکل2 رابطه بین حد تفکیک‌پذیری در سمت با پهنای پرتو آنتن نشان داده شده است. حد تفکیک‌پذیری در سمت به کمترین فاصله بین دو هدف در سمت اطلاق می‌شود که آن دو هدف توسط رادار از هم قابل تمایز باشند .

پهنای پرتو در آنتن با توزیع جریان یکنواخت از رابطه زیر به دست می‌آید

در این رابطه λ برابر با طول موج کاری آنتن و L طول روزنه آنتن است. به عنوان مثال برای داشتن یک تفکیک‌پذیری  1mدر فاصله 10 Km برای رادار در باند  x به آنتن باطول 300m نیاز خواهیم داشت! که با توجه به محدودیت‌های فیزیکی امکان پذیر نیست. پس نیازمند به روشی هستیم که در طی طول مورد نیاز داده‌های لازم را جمع آوری کرده و سپس با پردازش این داده‌ها دهانه ترکیبی را پیاده سازی نماید. این روش اساس کار رادار های دهانه ترکیبی است.

کیفیت عکس

کیفیت عکس های تهیه شده توسط SAR با تفکیک‌پذیری سلولی در سطح زمین تعیین می‌شود. تفکیک‌پذیری سلولی با تفکیک‌پذیری سمت و تفکیک‌پذیری فاصله مشخص می‌شود. هر سلول در سطح زمین بیانگر یک پیکسل از تصویر SAR است. عوامل دیگری که به غیر از محدودیت‌های سیستمی و فیزیکی برای تفکیک‌پذیری سلولی تاثیر دارد عبارت است از:

1. اندازه نقشه ای که قرار است تهیه گردد
2. عوارضی که قرار است در تصویر به دست آمده معلوم باشند (به عنوان مثال در نقشه آیا قرار است تنها جاده و کوه‌ها و عوارض بزرگ زمین معلوم باشند و یا جزییات بیش‌تری مانند ساختمان‌ها و وسایل نقلیه  و ….مد نظر است)
3. هزینه در نظر گرفته شده برای طرح

در رادار SAR برای داشتن پالس باریک در برد از مدولاسیون فرکانسی استفاده می‌شود. بنابراین فرکانس سیگنال در طی زمان تغییر می‌یابد. در سنسور های نوری وقتی سنسور به هدف نزدیک باشد در بعد متقاطع اطلاعات بیشتری را از هدف می‌توان استخراج نمود.اما در سیستم‌های SAR اینگونه نیست چرا که پهنای باند در بعد متقاطع مستقل از فاصله و متناسب با پرتو افکنی است.

 

 

تاریخچه

سامانه‌های راداری در طی جنگ جهانی دوم برای رد یابی هواپیماها و کشتی ها در شب و بویژه در شرایط آب و هوایی بد بکار برده شدند. این رادارها با استفاده از تاخیر سیگنال برگشتی مکان هدف را تعیین می‌کردند. بعدها به کمک پدیده داپلر امکان اندازه‌گیری سرعت اهداف فراهم گردید ودر سال 1951 کارل وایلی دریافت که از پدیده داپلر برای بهبود تفکیک‌پذیری رادار می‌توان  استفاده نمود و از این حقیقت برای تهیه عکس دو بعدی استفاده کرد.

این روش تحت عنوان رادارهای دهانه ترکیبی نام گرفت چرا که در این رادار ها با استفاده از پردازش سیگنال حالتی شبیه به استفاده از آنتنی با ابعاد بزرگ مهیا گردیده است.

سازوکار

برای استخراج عکس از داده‌های دریافتی رادار SAR باید در دو بعد پردازش‌هایی روی داده‌ها صورت گیرد. یک بعد موازی با جهت پرتو رادار و بعد دیگر در راستای حرکت رادار است در سال 1970 هارگر روشی برای بکار بردن پردازش‌های اپتیکی بر روی داده‌های SAR ارائه کرد که در این روش از پرتو لیزر لنز و اصل فوریه در پردازش‌های اپتیکی استفاده می‌شد. ابتدا داده‌های رادار بر روی نوارهای تک فام ذخیره می‌شد.

 

 

بعد توسط دو لنز و عبور پرتو لیزر از نوار، یک تبدیل فوریه دو بعدی از داده‌های دو بعدی ذخیره شده در نوار تک فام گرفته می‌شد که باعث استخراج تصویر از نوار می‌گردید.

در سال 1978 پردازش های دیجیتال وارد حوزه پردازشی رادار SAR گردید و همچنین الگریتم‌های برد داپلر  توسط MDA و JPL رشد یافتند و برای کاربردهایی بهینه شدند. رادار دهانه ترکیبی با تمرکز بر همدوسی سیگنال‌ها در سال  1995 توسط شروین پیشنهاد شده است.

انواع SAR

سه حالت پرکاربرد برای جمع آوری داده ‌های SAR وجود دارد ک که به اختصار در این بخش معرفی می شوند.

 STRIP -MAP SAR

این نوع از SAR  که قادر به تهیه تصاویر نواری از عوارض زمین است( شکل 3)  تحت عنوان STRIP -MAP SAR شناخته می‌شود. در این حالت رادار در ارتفاع و سرعت ثابتی از سطح زمین حرکت می‌کند. پرتو آنتن رادار با یک زاویه‌ای زیر سطح افق قرار دارد. این پرتو ثابت بوده است. و هیچ نوع چرخش  الکتریکی یا مکانیکی را دارا نیست. با این شرایط زمین روشن شده توسط  پرتو رادار در طول مسیر پرواز نواری خواهد بود که پهنای آن تابعی از ارتفاع هواپیما زاویه پرتو نسبت به افق  و پهنای پرتو خواهد بود.

 

SPOT SAR

این توانایی در SSAR وجود دارد که  پرتو آنتن را به صورت مکانیکی  یا به صورت الکتریکی بر روی  ناحیه خاص یا هدف خاصی  بیشتر از حد معمول رادار  SAR متمرکز کند. از این رو زمان پرتوافکنی (زمان مشاهده) بر روی منطقه برای SSAR افزایش می‌یابد و بالطبع  با افزایش این زمان  رادار اطلاعات بیشتری را از ناحیه می‌تواند جمع کند.

این کار باعث افزایش تفکیک‌پذیری تصویر می‌شود. بیشترین زمان ممکن برای پرتو افکنی بر روی هدف در رادار STRIP -MAP SAR مناسب با پهنای پرتو  آنتن رادار است.

 

SCAN SAR

از این رادار SAR می‌توان برای عملکرد در ارتفاع بالا به عبارت دیگر  برای سوار کردن سامانه بر روی ماهواره استفاده نمود نمونه هدف از استفاده این رادارها افزایش پهنای عکس نواری تهیه شده توسط SAR در زمان کاهش تفکیک‌پذیری است. در این مدکاری منطقه مورد نظر برای عکس برداری در راستای برد به زیر نوار هایی تقسیم می‌شود.

واضح است که با افزایش T تعداد زیر نوار ها مدت زمان مشاهده کم می‌شود که باعث کاهش قدرت تفکیک‌پذیری رادار در راستای سمت می‌گردد.

 

مدل و روابط طراحی

کیفیت نقشه‍های تهیه شده توسط SAR به شدت به حد تفکیک‌پذیری  SAR بستگی دارد. تفکیک‌پذیری SAR در شکل 6 نشان داده شده است برای داشتن تصویر خوب بدیهی است که حد تفکیک‌پذیری بالایی  را باید داشته باشیم برای این منظور باید حد تفکیک‌پذیری در راستای برد ΔR و سمت ΔL افزایش یابد یا به عبارت دیگر اندازه سلول‌ها در سطح زمین کوچکتر گردد.

تفکیک‌‍پذیری در راستای برد

تفکیک‌پذیری در عرض بعد توسط پالس و LOS پرتو با رابطه(2) محاسبه می‌شود در این رابطه τ برابر با پهنای پالس سیگنال ارسالی است. اگر چندین هدف در دید را دارا باشد سیگنال دریافتی شامل چندین بازتاب با دامنه‌های متفاوت از رادار خواهد بود.

 

 

مکان قرارگیری این پالس‌های انعکاسی متناسب با فاصله اهداف از رادار است. اگر این اهداف تاز هم به اندازه  فاصله داشته باشند به صورت سیگنال‌های بازگشتی جدا از هم خواهند بود. با هندسه نشان داده شده در شکل 4 تصویر تفکیک‌پذیری برد بر روی زمین با  نشان داده شده و به صورت رابطه (4) قابل محاسبه است.

 

مقابله با نویز

طبق رابطه (2) برای داشتن حد تفکیک بالا در برد پهنای پالس ارسالی باید کوچکتر انتخاب شود. با کم کردن پهنای پالس پهنای باند سیگنال ارسالی افزایش می‌یابد. چرا که پهنای باند با پهنای پالس تناسب عکس دارد و می‌توان برای رابطه این دو نوشت:

پس رابطه (4) را می‌توان به صورت زیر نوشت:

از طرفی با باریک کردن پهنای پالس و افزایش پهنای باند سطح نویز در گیرنده افزایش می‌یابد. برای مقابله با نویز باید نسبت سیگنال به نویز در گیرنده افزایش یابد. می‌توان با افزایش توان پیک ارسالی توان دریافتی را نیز افزایش داد. اما باید به این نکته تو جه داشت که افزایش پیک توان سیگنال ارسالی تا  هر حدی منطقی و عملی نیست و در هر سیستمی تلاش برای حد اقل کردن پیک توان ارسالی است.

راهکار ارائه شده

راهکار ارائه شده برای این موضوع استفاده از تکنیک فشرده‌سازی پالس است که اساس کارکرد آن در شکل  8 نشان داده شده است. در این تکنیک به جای ارسال پالسی با توان پیکو عرض  P1 از پالسی r1 با P2 توان پیک و عرض r2 استفاده می‌شود.

 

 

هر دوی این شکل پالس‌ها دارای انرژی یکسانی هستند. در گیرنده هدف استفاده از فیلتری است که پهنای پالس در یافتی  را کاهش دهد. پس با این وجود در حالت فرستندگی پالسی با توان مناسب و بدور از نگرانی از عرض آن ارسال و در گیرندگی با پردازش انجام شده پهنای پالس تا اندازه ای بسته به تکنیک مورد استفاده  کم شود.

 

 

تکنیک مورد استفاده در رادار SAR

تکنیک مورد استفاده در رادار SAR از سیگنال LFM و فیلتر منطبق با LFM در گیرنده است. فیلتر تطبیقی در مخابرات دیجیتال به صورت گسترده برای بازیابی سیگنال آغشته به نویز بکار گرفته می‌شود. در کاربردهای راداری برای تشخیص سیگنال برگشتی از هدف پالس فشرده شده با عبور دادن سیگنال دریافتی از فیلتر تطبیقی تولید می‌شود و هرکجا که خروجی هدف از سطح آستانه  بیشتر باشد هدف آشکار می‌شود.

 

 

تفکیک‌پذیری در راستای زاویه سمت

هندسه رادار دهانه ترکیبی در شکل 9 نمایش داده شده است. رادار در ارتفاع ثابت h با سرعت ثابت v  در صفحه ی yz در حرکت است. هدف نقطه ای در روی  محور x با فاصله قرار دارد. پهنای نوار وابسته به پهنای پرتو در راستای ارتفاع و برد رادار است مقدار ماکزیمم طول آرایه با پهنای پرتو در راستای سمت تعیین می‌شود.

معادله رادار در SAR

معادله مشهور سیگنال به نویز رادار به‌صورت زیر است:

که در آن:

1.  N : تعداد پالس
2. PG :گین پردازشی حاصل از فشرده سازی پالس
3.  Pt: پیک توان
4. G  :گین آنتن
5. λ : طول موج کاری آنتن
6. 𝛿 : سطح مقطع راداری
7. R  : فاصله رادار تا هدف
8.  k ثابت بولنزمن
9. T0: دمای نویز گیرنده
10.  β پهنای باند گیرنده

  L loss اتلاف های موجود در رادار است

سطح مقطع راداری تابعی از تفکیک‌پذیری سمت و فاصله است   یعنی:

σ0 برابر با ضریب کلاتر پراکنده سازی است.

گین پردازشی برای فشرده‌سازی پالس در LFM  مطابق با رابطه معادله رادار برابر با βTp است .برای تعداد پالس‌های دریافت شده در زمان پرتو افکنی می‌توان به صورت زیر عمل کرد:

و گین آنتن از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

با تلفیق روابط  می توان رابطهSNR  رابرای SAR  به فرم زیر استخراج کرد:

باتوجه به رابطه ی SNR  برای SAR  می توان موارد زیر را نتیجه گیری کرد:

1. معدله SNR  با توان سوم R رابطه عکس دارد.
2. تابعی از زاویه میل است .
3. با سرعت حرکت رادار رابطه عکس دارد.
4. با توان سوم طول موج متناسب است.  

کاربرد های SAR

• بررسی فرونشست شهری با استفاده از تصاویر SAR 
•  بررسی کاهش آب زیر زمینی با پیشگیری فرونشست دشتها با استفاده از تصاویر SAR
• تطبیق مطالعات زمینی و مشاهدات GPS با داده‌های تصاویر SAR
• بررسی جابه جایی پوسته زمین با استفاده از تصاویر SAR
• بررسی نرخ فرسایش و رسوب با استفاده از تصاویر SAR
• بررسی شرایط یخبندان با استفاده از تصاویر SAR
•  مطالعه زمین لغزش با استفاده از تصاویر SAR
•  مطالعه رطوبت خاک با استفاده از تصاویر SAR