مقایسه رادارهایRAR و SAR

Transcript

1 مقایسه رادارهایRAR و SAR نویسنده :آمنه رجب پور بوشهری دانشگاه آزاد اسالمی واحد بوشهر کارشناسی ارشد گروه علمی مهندسی برق در این مقاله نام ارائهدهنده: آمنه رجب پور بوشهری کد مقاله :0977 خالصه رادار های SAR و RAR که به عنوان رادار های دهانه واقعی و رادارهای مجازی شناخته می شوند با هم مقایسه شده و برتری های رادار دهانه مجازی بر رادار دهانه واقعی بیان می شود. کلمات کليدی : رادار SAR رادارRAR. مقدمه اساس کار رادار ارسال و دریافت پالس های راداری است.پالس هایی کوتاه با انرژی زیاد ساطع می شوند و سپس اکو های برگشتی توسط رادار جمع آوری می شوند.با استفاده از اکوهای برگشتی می توان اطالعاتی مانند را استخراج کرد.دو نوع سیسستم تصویر برداری راداری وجود دارد : ١ -رادار با دهانه دسته سیستم هایی با دید جانبی جهت روشن کردن هدف عمود بر خط پرواز می باشند. دامنه فاز زمان رفت و برگشت پالس پوالریزاسیون و اطالعات داپلر واقعی( RAR١ ) و ٢ -رادار با دهانه مجازی.(SAR٢) هر دو 2. رادار با دهانه واقعی (RAR) این نوع سیستم های راداری بر روی هواپیما نصب می شوند ویک سیستم کامال استاندارد راداری می باشند.به این معنی که یک آنتن با طول مشخص به همراه مشخصات سیگنال ارسالی بیشتر خصوصیات و قدرت تفکیک سیستم را تعیین می کنند و به پردازشی به جز آنچه برای تولید تصاویر قابل استفاده انجام می شود نیاز نیست. برخالف سیستم های SAR که به پردازش های اضافه نیاز دارند. آنتن در این نوع سیستم ها در یک یا هر دو طرف هواپیما عمود بر جهت پرواز شروع به ارسال سیگنال کرده و بالفاصله شروع به جمع آوری انرژی های بازگشتی می کند.از این رو گاه به این سیستم ها رادار های هوابرد با دید جانبی نیز می گویند. در این سیستم ها پالس انرژی از آنتن رادار ارسال شده و شدت نسبی برگشتی به منظور تشکیل تصویر استفاده می شود. پالس بعدی زمانی ارسال می شود که برگشت پالس قبلی از دورترین فاصله )فاصله گمراهی( دریافت شود.این 3 در تصویر شناخته جهت بعنوان جهت بردی می شود. در واقع انرژی های بازگشتی به سنجنده توسط آنتن دریافت و قدرت و همچنین تاخیر زمانی آنها محاسبه می گردد. تاخیر زمانی تبدیل به فاصله شده و محل ثبت مقدار انرژی رسیده را در یک خط و به صورت یک نوار باریک مشخص می کند Real Aperture Radar 2 Synthetic Aperture Radar 3 Range Direction

2 . سپس رادار اندکی به جلو حرکت می کند و نوار باریک دیگری از سطح زمین را به پهلو یکدیگر ضبط می شوند و جهت سمتی ١ را تشکیل می دهند.بنابراین می توان گفت تصاویر شامل داده های دو در شکل )١( تعاریف رادار با دهانه واقعی نشان داده شده است. در این شکل فاصله بین دو نقطه A و شکل تصویر در می آورد.این نوارهای باریک متوالی پهلو به بعدی هستند. تعریف می شود. B بعنوان پهنای نوار ٢ بعنوان فاصله زمینی 5 نامیده می شود.عالوه بر این فاصله بین هر نقطه درون نوار تا نقطه پای عمود 4 فاصله هر نقطه درون نوار و رادار فاصله اریب 3 شناخته می شود[ ]... تفکيک بردی در رادار دهانه واقعی از 2 / c τ تفکیک بردی 6 ماهواره های باشد دو هدف یکی دیده می شکل تعاریف رادار با دهانه واقعی RAR برابر با 2/ τ ΔR c= است که τپهنای پالس ارسالی است. بعبارتی اگر فاصله دو هدف در مسیر برد کمتر شوند. به منظورکاهش ΔR که معادل با بهبود تفکیک است می توان پهنای پالس را کاهش د دا بطوریکه انرژی پالس عوض نشود یعنی به همان نسبت دامنه پالس افزایش یابد.مشکل این روش این است که تجهیزات تولید پالس های کوتاه با انرژی باال مشکل است.عالوه براین کاهش پهنای پالس سبب افزایش پهنای باند می شود.راه دیگر باالبردن کیفیت تصاویر و قدرت تفکیک استفاده از روش های فشرده سازی پالس)پالسchirp ) است. Azimuth Direction 2 Swath Width 3 Slant Range 4 Nadir Noint 5 Ground Range 6 Range Resolution 2

3 .. تفکيک جهتی در رادار دهانه واقعی شکل :طيف فرکانسی پالسchirp [2] توانایی تصویر برداری راداری به منظور جدا کردن دو اسکاتر نزدیک به هم در جهت موازی با جهت حرکت بعنوان تفکیک جهتی ١ شناخته می شود.زمانی که دو هدف به ازای اکثر پالس ها در یک بیم رادار قرار دارند هر دو هدف برگشت هایی سبب می شوند که در یک زمان به رادار می رسند.اکوی برگشتی از هدف سوم زمانی به رادار می رسد که هدف مقداری به جلو حرکت کند. زمانی که هدف سوم روشن شد دو هدف اول روشن نمی شوند بنابراین اکوی هدف سوم جداگانه ذخیره می شود. در رادار دهانه واقعی دو هدف از هم مجزا می شوند اگر فاصله بین دو هدف بیشتر از پهنای بیم رادار باشد. بنابراین تفکیک جهتی به پهنای بیم وابسته است.هرچه پهنای بیم کمتر باشد تفکبک بهتری نتیجه می دهد. با فرض اینکه طول موج ارسالی λ باشد و دهانه آنتن L باشد آنگاه پهنای بیم در جهت سمت تقریبا برابرθ=λ/L. برای مثال برای داشتن پهنای بیم ١١ میلی رادیان با استفاده از طول موج 5١ میلی متری به یک آنتن 5 متری نیاز داریم.تفکیک جهتی برای رادار دهانه واقعی بصورت ΔA =θr محاسبه میشود که Rفاصله رادار تا هدف بر حسب مایل است..3 رادار با دهانه مجازی( SAR ) تاریخچه رادار با دهانه مصنوعی SAR( ) به سال ١55١ میالدی برمی گردد زمانی که وایلی ایده استفاده از آنتنی کوچک را به جای آنتنی بزرگ مطرح کرد.رادارهای SAR نقش نسبت مهمی در گردآوری اطالعات ایفا می کنند. دید رادارهایSAR در شب اغلب به خوبی دید آنها در روز است و به شرایط آب و هوایی مستقل هستند.این ویژگی ها به همراه تفکیک باال سبب می شود تا این رادارها در مشاهدات جهانی زیست محیطی نظامی و موارد امنیتی مورد توجه قرار گیرند. توانایی ایجاد تصویری با قابلیت تفکیک باال را با استفاده از داده های جمع آوری شده توسط دو بعدی است که بعدی را که در راستای تشعشع رادار با دهانه مصنوعی (SAR) یک سیستم تصویر برداری با استفاده از امواج مایکرویو می باشد که آنتنی کوچک داراست. در SAR هدف ایجاد تصویری می گویند و به خط سیر هواپیما و یا ماهواره و به بعد عمود بر آن, عمود بر برد 3 موج می باشد برد ٢ می گویند که اگر رادار دارای زاویه کجی آنتن 5 کمی باشد قطعا جهت سمت و عمود بر برد یکسان خواهند بود. از زمان های پیش حامل رادار سمت 4 از به وجود آمدن SAR می دانستند که برای دست یابی به قدرت تفکیک باال در جهت برد بایستی از سیگنالی با پهنای باند باال استفاده کرد و برای آن در جهت سمت باریک شده و قدرت تفکیک باالیی داشته باشد. بدون شک جهت سمت از آنتنی بزرگ استفاده نمایند تا اینکه پهنای پرتو 6 تصویری که SAR از یک منظره نشان می دهد از دید یک ناظر بی تجربه و مبتدی نامفهوم است.زیرا بر خالف تصاویر نوری تفسیر این تصاویر با یک دید معمولی متفاوت است. azimuth resolutio 2 Range 3 Cross range 4 Azimuth 5 Squint angle 6 Beam 3

4 دهد. با توجه به آنچه گفته شد در این نوع سیستم ها یک آنتن با طول بلند شبیه سازی می شود. شبیه سازی بر این اساس انجام می گیرد که یک عارضه می تواند در مدت زمان طوالنی تری مشاهده شده و اطالعات مربوط به آن جمع آوری گردد. شکل ٢-4 مفهوم بنیادین سیستم های SAR را نشان می برای شبیه سازی این آنتن تمامی بازگشت ها از یک شیء در تمام مدت زمانی که شی ء در دید سنجنده است ثبت می گردد و سپس تمامی آنها مورد پردازش قرار می گیرند. در این پردازش ها تنها بازگشت های یک شی ء مورد استفاده قرار می گیرد و بازگشت های مربوط به عوارض دیگر از پردازش حذف می گردند. این فرآیند برای تمامی پیکسل ها انجام می شود تا به دقت مورد نظر برای هر پیکسل رسید. در حقیقت با استفاده از اطالعات زیادی که در مورد یک شیء جمع آوری می گردد می توان به یک عرض موج باریکتر رسید وبنابراین قدرت تفکیک را بهبود بخشید)شکل 4(. پالس های متعددی در این سیستم به سمت اشیاء با سرعت زیاد ارسال می شوند و تمامی بازگشت ها ثبت می گردند. بسته به مقداری که از داده های جمع آوری شده استفاده شود می توان دقت برداشت را تغییر داد و بنابراین به وسیله پردازش می توان تصاویر مختلفی تولید نمود یا به سنجنده فرمان داد که حجم برداشت را برای سطح دقتی خاص تنظیم نمود. شکل : 3 اصول تصویر برداری سيستم های SAR. شکل : 4 مشاهده یک شیء در چند نوبت 4

5 .3. چگونگی تصویر برداری در سيستم های SAR گویند. جهت پرتو افشانی در یک سیستم پرتو افشانی رادار نسبت به جریان حرکت وسیله به سمت مقابل توجه دارد. امواج رادار بازتابی که از یک آنتن نصب شده بر روی فضاپیما گسیل شده است و توسط سطح زمین برگردانده شده در کسری از ثانیه توسط آنتن مشابه ای دریافت می شود سپس دارد که در شکل ٢-6 نشان داده شده اندازه گیری شده و ثبت می گردد تا تصویر ساخته شود. سیستم هوابرد یا فضابرد SAR یک سیستم جانب نگر ١ است. به دلیل شکل آنتن که در یک لحظه همانند یک نقطه عمل می کند بازتابش از زمین مربوط به منطقه ای است که به آن فوت پرینت آنتن گفته می شود. همچنان که سیستم SAR با سرعت v در راستای مسیر فرضی و در ارتفاع H از سطح زمین حرکت می کند. پهنه ای از زمین (swach) را ٢ یا به اختصار PRF از طریق ارسال و دریافت یک سری پالس های میکروویو تصویر برداری می کند که نرخ این پالس ها را فرکانس تکرار پالس در شکل 5 هندسه یک سیستم SAR نشان داده شده است و پارامتر های آن در ادامه توضیح داده می شوند. در این شکل فوت پرینت آنتن به اندازه بیم آنتن روی زمین اطالق می شود. عرض swath اندازه فوت پرینت آنتن روی زمین در جهت گستره است. دریافت کننده SAR به وضوح جریان بازگشتی از زمین را ثبت می کند و آنها را به اکو های مجزا تقسیم می کند به نحوی که هر اکو با یک پالس مطابقت داشته باشد. اکو یا امواج بازگشتی در اثر پراکنده ساز ها ایجاد می شوند. سطح زمین از پراکنده سازها که در واقع هسمان اشیاء و اجسام هستند تشکیل شده است مثل درختان زمین یخ که این اشیاء با امواج رادیویی گسیل شده از ماهواره واکنش نشان می دهند. ازآنجا که در سیستم SAR تابش و دریافت سیگنال در مکان تقریبا یکسانی از فضا صورت می گیرد واکنش هایی که در هندسه SAR اهمیت دارند انعکاس های امواج تابیده شده رادار است. این نوع نامیده می شود و پراکنده ساز های عمل کننده را پراکنده ساز برگشتی 4 گویند. اندرکنش پراکندگی برگشتی 3 شکل : 5 هندسه یک سيستم SAR در یک رادار که از سمت چپ می نگرد یک پراکنده ساز خوب میزان انرژی بیشتری را نسبت به انواع پراکنده ساز های ضعیف یا غیر موثرمنعکس می سازد. سیگنال ارسالی و اکوی دریافت شده از یک پراکنده ساز مشخص پیچیده است و از دو مولفه دامنه و فاز تشکیل شده است. دامنه اکو از بازده پراکنده ساز و عوامل هندسی سیستم تعیین می شود. در واکنش ساده پراکنده سازی فاز اکو از فاز سیگنال ارسالی خواص دی الکتریک محیط و مکان پراکنده ساز نسبت به SAR تعیین می شود. در سیستم SAR دو سازو کار متفاوت تصویر برداری بکار برده می شود. نخست هر پالس تابیده شده سطح زمین را به swath جاروب می کند 5. در این حالت در راستای عمود بر مسیر پرواز ماهواره زمین انرژی را به رادار منعکس می کند. چون زمین از گستره پیوسته ای از پراکنده ساز ها شکل یافته انرژی منعکس شده به صورت اکو پیوسته است. این اکو همزمان با فرکانس نمونه f s رقومی می شود. مقیاس زمانی دو سازوکار- along track و across-track تفاوت بسیاری داشته که تفکیک آنها را امکان پذیر می کند.داده های خام SAR و متعاقب آن داده های تصحیح شده SAR به صورت ماتریس دوبعدی هستند که مختصات آن شامل گستره R 6 فاصله از SAR آزیموت X نماینده مکان پراکنده ساز در مسیر سنجنده Side looking 2 Pulse repetition frequency 3 Backs cattering 4 Backs catterer 5 Across -track 6 Rang 5

6 ١ استفاده می شود. هجزای دوبعدی ماتریس یک پیکسل یا جزء ماتریس را است )شکل ٢-6(. برای مولفه گستره در راستای Y از نام گستره زمینی شکل می دهند. درباره داده های خام SAR به هر پیکسل مقادیر پیچیده ای نسبت داده می شود که از فازو دامنه و یا مولفه های واقعی و یا تصویری بر اساس نوع بیان تشکیل یافته است..3. دهانه مجازی :اساس رادار SAR وسعت زاویه یک روزنه)دهانه( با اندازه روزنه نسبت مستقیم و با طول موج نسبت معکوس دارد.در طول موج های مادون قرمز و مرئی می توان با روزنه ای در حدود ١١ سانتی متر به تفکیک فضایی در حدود ١١ متر رسید. وقتی طول موج افزایش می یابد )حرکت از مادون قرمز و نور مرئی به سمت ماکرویو( تفکیک فضایی کاهش می یابد مگر اینکه اندازه روزنه به همان نسبت افزایش می یابد. برای رسیدن به همان تفکیک ١١ متر در فرکانس های ماکرویو به یک آنتن با دهانه ١١ کیلومتر نیاز داریم.!!این اندازه در طراحی ماهواره ها به هیچ عنوان قابل پیاده سازی نیست. البته در تجهیزات ماکرویو اکتیو )یعنی رادارها( تکنیک هایی وجود دارد )همانند اطالعات داپلر( که می توان بر این محدودیت غلبه کرد.این عامل محدود کننده برای آنتن های ماکرویو که سبب می شود تفکیک فضایی ضعیفی از یک پهنای بیم بزرگ بدست آید می تواند در رادارهایی که قابلیت اندازه گیری فاز و داپلر دارند به یک مزیت تبدیل شود.در این رادارها چنانچه جهت بیم آنتن متعامد با جهت ارسال باشد با داشتن یک پهنای بیم بزرگ می توان ناحیه ای از زمین را در مدت زمانی معین توسط بیم آنتن روشن کرد) بنا به سرعت ماهواره که می تواند از یک دهم ثانیه تا چند ثانیه باشد. این مدت با استفاده از پردازش سیگنال اطالعات داپلر جمع آوری می شود و اندازه روزنه با فاصله حرکت آنتن فیزیکی در طول این مدت معادل می کند. این مطلب اساس کار ماهواره های SAR است. شکل 6 در صفحه بعد دو تصویر SAR و نوری از یک منطقه یکسان را نشان می دهد.اگرچه هر دو تصویر همزمان گرفته نشده اند ولی برخی از تفاوت ها و شباهت های این تکنولوژی های گوناگون را نشان می دهند. شکل : 6 تصویرسمت چپ تصویر نوری جنوب شرقی نواحی نانتاکت که با استفاده از ماهوارهSkylab گرفته شده است.این تصویر اثرات مرئی از مناطق کم عمق و موج های داخلی را نشان می دهد.تصویر سمت راست تصویر SAR جنوب و شرق جزیره ناتاکت می باشد.تصویر شامل تصویربرداری از عمق دریا ارتفاعات و اثرات موج های داخلی می باشد تفکيک فضایی در ماهوارهSAR با دید جانبی کیفیت تصاویر SAR بستگی به اندازه محدوده تفکیک دارد. محدوده تفکیک شامل قابلیت تفکیک بردی و قابلیت تفکیک در جهت سمتی می شود. دیگر عوامل موثر در قدرت تفکیک رادار جنس و اندازه اشیایی است که در آن محدوده باید از هم تفکیک شوند. مثال در تفکیک خط ساحلی و منطقه شهری نیاز به تفکیک باال نیست.وجود خانه ها وسایل نقلیه و درختان سبب می شود براحتی این دو منطقه را از هم جدا می Ground rang 6

7 کند.تفکیک در جهت برد می تواند با بکارگیری تکنیک های فشرده سازی پالس انجام شود.در مقابل همان طور که گفته شد تفکیک سمتی به سایز آنتن و طول موج رادار بستگی دارد.برای باال بردن تفکیک مناسب در جهت سمت می توان متوسط حرکت رادار را اندازه گرفت.در این حالت دهانه رادار بزرگتر می شوند. می شود. سیستم های SAR که بر روی بهبود تفکیک سمتی متمرکز هستند غالبا بعنوان رادارهای SAR DBS شناخته 4.3. تفکيک بردی در ماهوار های SAR برابر با یک سلول تفکیک به صورت نمایش داده شده در شکل ٢-8 تعریف می شود.تفکیک بردی برای ماهوار هایSAR و RAR یکسان است و cτ/2 ΔR = است. در این ماهواره ها نیز به منظور بهبود تفکیک از تکنیک های فشرده سازی پالس استفاده می شود. شکل 7: تعریف سلول تفکيک[ 3 ] 5.3. تفکيک جهتی در ماهواره هایSAR در بخش های قبل تفکیک جهتی در فاصله R برای یک آنتن واقعی که پهنای بیمdB 3 آن θ است بصورتR ΔA r = θ محاسبه می شود[ 3 ] که پهنای بیم آنتن با طول موج نسبت مستقیم و با اندازه دهانه آنتن نسبت معکوس دارد: L )١( و چون اندازه دهانه موثر آنتن ترکیبی دو برابر دهانه آنتن معمولی است تفکیک جهتی برای آنتن ترکیبی از رابطه زیر بدست R 2L real می آید: A )٢( دهانه مجازی یک آنتن را با استفاده از اطالعات داپلر می توان محاسبه کرد که این دهانه مجازی به مراتب بزرگتر از دهانه واقعی آنتن است. 4. تفاوت بین رادارRAR وSAR تفاوت اساسی بین رادارRAR و SAR در تفکیک جهتی می باشد.در رادار با دهانه واقعی تفکیک جهتی توسط بیم آنتن تعیین می شود عالوه بر این تفکیک متناسب با فاصله رادار تا هدف می باشد.در رادار با دهانه مجازی از تکنیک های پردازش سیگنال و اطالعات داپلر استفاده می کنند و با بکارگیری مجموعه ای از سیگنال های ضبط شده در حافظه سیستم دهانه مجازی تولید می کنند که صدها برابر اندازه واقعی آنتن می باشد.در این سیستم ها تفکیک جهتی نسبت به فاصله آنتن تا هدف مستقل می باشد. تفکیک اسمی رادار SAR نصف اندازه آنتن واقعی است 7

8 که البته با استفاده از اطالعات داپلر به مراتب تصاویر با کیفیت تری تولید می شود.در حالت کلی تفکیک بدست آمده برای رادارهای هوابرد بین ١ تا ٢ متر و برای رادارهای فضابرد بین 5 تا 5١ متر می باشد..5 مزایا و معایب رادار دهانه واقعی رادار های دهانه واقعی ار لحاظ ساخت و عملکرد به مراتب موفق تر هستند اما تفکیک جهتی خوبی ارائه نمی دهد.به منظور بهبود تفکیک جهتی تنها می توان طول آنتن را افزایش داد یا طول موج را کاهش داد.افزایش طول آنتن سبب باالرفتن وزن فضاپیما سوخت و هزینه بیشتر می شود.از طرفی استفاده از طول موج کوتاه تر سبب می شود امواج توسط ابرها و ذرات جو جذب شود که ا نی تمام شرایط آب و هوایی را کاهش می دهد..6 نتیجهگیری امر توانایی تصویر برداری رادار در در این مقاله روشی رادارهای RAR وSAR به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته و با هم مقایسه شده و از نتایج بحث مشخص شد کارایی SAR بهتر از RAR می باشد. 7. مراجع [] S.Walt.,(2004) Synthetic aperture radar marine user's manual.whashigtondc [2] G.Galati., (993) Advanced radar techniques and systems, Englewood Cliffs,NJ:Prentice-Hall. [3] Chapman.,(2000) Radar systems analysis and design using matlab, Englewood Cliffs, NJ: Prentic- Hall. 8