مقالات و مصاحبه ها
رادار سار
سه شنبه 22 مرداد 1392 رادار آرايه – تركيبي” SAR “

 

 مقدمه:                                                                                                                  

اولين رادارهاي تصويرگر كه در طول جنگ جهاني دوم ساخته شدند، از سامانه B-Scan استفاده مي‌كردند. كه با آنها تصويري با چارچوب مستطيلي ايجاد مي شد. در اين تصاوير، فاصله از هواپيما، يك محور ، و زاويه‌ي نسبي با جهت هواپيما محور ديگر را تشكيل مي داد. چنين نمايشي، به دليل رابطه غير خطي بين زاويه و فاصله، داراي اعوجاج زيادي در نواحي مربوط به اطراف هواپيما بود.اين اعوجاج با بكارگيري نمايشگر موقعيت (PPI) كه در آن پرتو آنتن براي تصوير برداري از زمين به ميزان 360  درجه حول آنتن چرخانده مي شد، تصحيح شد. با اينكه تصوير نمايشگر PPI هنوز تا حدي معوج بود، به نقشه دقيق زمين شباهت زيادي داشت. امروزه PPI همچنان مورد استفاده است، هرچند كه سامانه ‌هاي عادي كه داراي اين نمايشگر هستند آنتن را 360 درجه دوران نداده و تصوير قطاعي به ميزان 120 درجه حول مسير پرواز را نشان مي‌دهند.

رادارهاي تصويرگر اوليه تصوير را روي يك صفحه پرتو كاتوديك با فسفر ديرپا نمايش مي‌دادند. تصوير در جهت مربوط به موقعيت لحظه‌اي آنتن براق بود، و بتدريج با حركت آنتن در جهت ديگر تاريك تر مي شد. ويژگي هاي فسفر در لامپ هاي كاتوديك به جز جنبه استهلاك شدت نور آن به طوري كه تصاوير عملا نقشه هايي بودند كه نواحي مختلف زمين و اهدافي مانند كشتي‌ها را در زمينه‌اي تاريك مربوط به آب و سايه‌ها نشان مي‌دادند. در اين سامانه قابليت تفكيك كمي با مقياس تدريجي ( سايه روشن خاكستري ) وجود داشت كه امروزه با استفاده از مبدل‌هاي مناسب بهبود يافته است.

رادارهاي تصويرگر را مي توان به دو دسته بزرگ تقسيم كرد:

 

-رادارهاي آرايه – حقيقي (RAR)

 

-رادارهاي آرايه – تركيبي (SAR)

 

 

معرفي رادار SAR :

رادارهاي روزنه مصنوعي (SAR)  Synthetic Aperture Radar به نوعي از رادارها اطلاق مي‌شود كه براي امور نقشه‌برداري و تصويربرداري از سطح زمين به كار مي‌رود و معمولا اين فن‌آوري در هواپيماهاي شناسايي با اهداف نظامي و غيرنظامي كاربرد دارد.

امواج راديويي اين رادار در دفعات بالا با سرعتي زياد به سطح مورد نظر تابيده شده و پس از بازگشت تصويري دو بعدي از سطح مورد نظر را در اختيار كاربران قرار مي‌دهد. كاربرد اصلي اين فن‌آوري در امور نظامي و تهيه نقشه از مناطق مختلف است به گونه‌اي كه در جديدترين مدل‌هاي موجود SAR قابليت تهيه تصاويري با قدرت تفكيك 10 سانتي‌متر وجود دارد.

درباره  اين رادار ضرب‌المثلي وجود دارد كه مي‌گويد: " مي‌توان با اين فن آوري ردپاي انسان در كوير را شناسايي كرد".

 از اين فن آوري جهت تجهيز هواپيماهاي شناسايي، جنگنده و هواپيماهاي بدون سرنشين ساخت آمريكا ، رژيم صهيونيستي و برخي از كشورهاي پيشرفته  استفاده شده كه به عنوان نمونه هواپيماهاي يو-2 ، اف-15 و ... پهپادهاي RQ-170، RQ-1 (پريديتور ، RQ-3  دارك استار  ،RQ-4  گلوبال هاك آمريكا و پهپاد هاي هرمس، هرون -1 و هرون -2 (ايتان) و... ، رژيم صهيونيستي  به اين سامانه مجهز شده اند .

 ضمن اين كه برابر برخي گزارش ها ، نيروي هوايي تركيه نيز اين سامانه را بر روي هواپيماهاي  اف-4  بهينه سازي شده خود نصب و در عمليات جمع آوري اطلاعات جهت سركوب نيروهاي پ.ك.ك از آن ها استفاده مي نمايد .

شايان ذكر است كه از آنجايي كه نيروهاي مسلح ج.ا .ايران توانستند هواپيماي بدون سرنشين  RQ-170 آمريكا كه از اين فن‌آوري پيشرفته به منظور تهيه نقشه از مكان‌هاي مورد نظر استفاده مي كند را كنترل و كد رمزهاي آن را كشف نمايند ، بهره‌برداري از اين سامانه در نيروهاي نظامي كشورمان در آينده نزديك  دور از ذهن نخواهد بود.

 

عملكرد:

همانطور كه اشاره شد ،رادارهاي دهانه – تركيبي (SAR) كه به نام رادار آرايه – تركيبي (با همان علامت اختصاري) نيز خوانده مي شود، براي نقشه برداري از زمين بدون استفاده از آنتن هاي بزرگ ابداع شدند.

 آرايه- تركيبي يكي از روش هاي راداري است كه از يك هواپيما يا يك سكوي فضايي اعمال و در آن يك دهانه موثر آنتن به گونه تركيبي ايجاد مي شود.

در اين روش ، حركت رادار پيش نياز اصلي است و باعث مي شود كه اندازه موثر آنتن بسيار بزرگ تر از آنتن حقيقي باشد.Carl Wiley  در سال 1951 فريضه استفاده از اطلاعات طيفي و شيفت داپلر را براي تامين قدرت تفكيك در جهت پرواز ارائه كرد. وي در سال 1952 ، راداري به نام سامانه پرتوافكن داپلري ساخت كه در فركانس  75 مگاهرتز كار مي كرد و داراي يك آنتن كوچك قابل حمل با هواپيما بود. به دليل كوچكي نسبي آنتن كه باعث بزرگ بودن ميدان ديد آن مي شد، رادار به نوعي پرتو افكني نياز داشت تا به قدرت تفكيك لازم در زاويه دست يابد . اين اولين راداري است كه ما امروز بنام رادار دهانه – تركيبي مي شناسيم . سامانه اوليه پهلو نگر نبود ، بلكه راداري بود كه با زاويه 45 درجه نسبت به جهت پرواز به طرف جلو نشانه مي رفت . اما تصوير با همان روش SLAR(تصويربرداري پهلو نگر) تهيه مي شد. از طرف ديگر و به طور مستقل، ساخت راداري با پردازش داپلري در سال 1954 در آزمايشگاه سامانه هاي كنترل دانشگاه "ايلي نويز " آغاز شد. تقريبا از همان موقع  اين ايده، دهانه – تركيبي ناميده شد. تحقيقات جاري در دانشگاه ايلي نويز بعد از چند سال ، به دليل اينكه ديگر در بستر اصلي فعاليت هاي پژوهشي گروه فوق قرار نداشت، در حدود سال 1956 به دانشگاه ميشيگان انتقال يافت. اولين تصوير SAR  در سال 1958 به وسيله پژوهشگران  اين دانشگاه با استفاده از روش پردازش نوري توليد شد. در طول سال هاي آخر دهه 1950 و اوايل 1960، گسترش سامانه هاي رادار دهانه- تركيبي به طور محرمانه در دانشگاه ميشيگان و چندين شركت آمريكايي تعقيب شد. اولين مقالات غير محرمانه كه اين نوع جديد رادار تصويرگر را توضيح دادند، در سال 1961 منتشر شدند. فعاليت هاي مشابهي به طور همزمان در كشور هاي ديگر مانند شوروي سابق، فرانسه و انگلستان در جريان بود اما مقالات غير محرمانه كه حاوي گزارش اين فعاليت ها بودند، بعد از مقالات 1961 آمريكايي ها منتشر شدند.

 

كاربردهاي SAR

در سال 1969، مقارن با عرضه تجارتي رادارAN/APQ-9، رادار دهانه- تركيب GEMS بر پايه يك رادار نظامي ديگر كه مدتي از به  كار گيري آن مي‌گذشت، به طور تجاري عرضه شد.

سامانه ‌هاي پژوهشي دهاني- تركيبي در فركانس‌هاي   25/1 و9 گيگا هرتز توسط موسسه تحقيقات زيست محيطي ميشيگان (ERIM) و آزمايشگاه موتور جت (JPL) در سال هاي دهه 1970 به پرواز درآمدند. اين سامانه چند قطبي بوده و توليد تصاوير(چند قطبي وچند فركانسي) بوسيله آنها به قابليت‌هاي رادارهاي تصويرگر در سنجش از دور كمك شاياني نموده است.

پيشنهادات مختلف براي رادارهاي فضايي به‌منظور مشاهده زمين با استفاده از SAR  از همان سال هاي دهه 1960 مطرح شدند، اما اولين اين رادارها بر ماهواره Seasat نصب شد كه در سال 1978 به فضا پرتاب شد. اين سيستم چندين ميليون كيلومتر مربع از مناطق آبي و خشكي كره زمين را تصويربرداري نمود. تحليل اين اطلاعات در سال 1981 آغاز شد.

از تداخل سنجي SAR، مي توان براي توليد نقشه هاي توپوگرافي با تفكيك بالا استفاده كرد. براين اساس، ناسا با پرتاب ماهواره TOPOSAR به فضا، از اين روش براي تهيه نقشه توپوگرافي رقومي جهان با تفكيك افقي 30 متر و دقت ارتفاعي در حد چندين متر استفاده نموده كه تهيه اين نقشه چندي پيش پايان يافته است. امروزه تعيين تغييرات بسيار كوچك در سطح زمين و يخچال ها طي دوره هاي روزانه تا ساليانه در مقياس جهاني و با دقت در حد ميلي متر بدون تاثير پذيري از شرايط آب و هوايي و يا شب و روز امكان پذير است. البته هنوز تحقيقات براي بهبود بخشيدن اين فناوري ادامه دارد.

 

  چگونگي تصويربرداري درسامانه هاي  SAR

  در تصويربرداري توسط سنجنده هاي ماهواره اي دو روش كلي وجود دارد: روش فعال و  روش غيرفعال.

در  روش فعال سنجنده امواج را به سطح زمين مي تاباند، سپس بازيافت آن را دريافت مي كند. در روش غيرفعال سنجنده امواجي را ارسال نمي كند. بلكه تنها امواج موجود در محيط (معمولا امواج خورشيد) كه توسط زمين بازتاب مي شود را دريافت مي كنند.

 برخلاف سامانه هاي تصويربرداري نوري غيرفعال كه به امواج خورشيد وابسته اند، تصويرسازي رادار يك حالت پرتوافشاني فعال است. جهت پرتوافشاني نسبت به جريان حركت وسيله به سمت مقابل توجه دارد. درخشندگي (دامنه A) امواج رادار بازتابي كه از يك آنتن نصب شده بر روي هواپيما يا فضاپيما گسيل شده است و توسط سطح زمين برگردانده شده و در كسري از ثانيه توسط آنتن مشابه اي دريافت شده، اندازه گيري شده و ثبت مي شود تا تصوير ساخته شود.  سامانه فضابرد يا هوابرد SAR يك الگوي جانب نگر دارد. به دليل شكل آنتن كه در يك لحظه همانند يك نقطه عمل مي كند، بازتابش از زمين محدود به منطقه اي است كه به آن فوت پرينت آنتن گفته مي شود. همچنان كه SAR با سرعت V در راستاي مسير فرضي و در ارتفاع H از سطح زمين حركت مي كند، پهنه اي از زمين را از طريق ارسال و دريافت يك سري پالس هاي ميكروويو تصويربرداري مي كند كه نرخ اين پالس ها را فركانس تكرار پالس (PRF) گويند.

 

ويژگي‌هاي SAR

SAR هاي هوايي و فضايي علاوه بر دارا بودن ويژگي‌هاي عمومي رادارهاي تصويرگر، داراي چند ويژگي منحصر بفرد مي باشند :

 

1. توانايي تصويربرداري از يك سطح با دقت تفكيك از چند متر تا چند كيلومتر.

 

2. توانايي تهيه تصويري با دقت مطلوب و معين مستقل از ارتفاع تا حدي كه قدرت فرستنده اجازه مي‌دهد.

 

3. وجود پارامترهاي اساسي مختلف مثل قطبش، زاويه تابش، فركانس و غيره براي بهينه سازي سامانه در كاربردهاي مشخص.

سامانه رادار دهانه – تركيبي امتياز بزرگي نسبت به سامانه دهانه- حقيقي دارد و آن عدم وابستگي قدرت تفكيك در امتداد مسير پرواز از فاصله است. بنابراين، چنين سامانه اي مي‌تواند بدون وارد شدن خدشه به قدرت تفكيك در مسير پرواز، بجاي استفاده از پهناي پالس ارسالي، از شيفت داپلر استفاده ‌كند. مي‌توان نشان داد كه اندازه سلول تصويري در جهت مسير پرواز مي‌تواند به‌طور نظري به كوچكي ra=L/2  باشد كه در آن L اندازه طولي آنتن است. بنابراين، براي دستيابي به قدرت تفكيك بيشتر، SAR به يك آنتن كوتاه نياز دارد، در حالي كه RAR استفاده از يك آنتن خيلي بلند را ايجاب مي‌كند.

بايد توجه داشت كه كاهش اندازه آنتن ها در SAR به قيمت افزايش حجم پردازش سيگنال ناشي از شيفت داپلر تمام شده است.

توليد تصوير از سيگنال دريافتي يك سامانه SAR كار پيچيده‌اي است. به عبارت ديگر در اين سامانه ها، بكارگيري آنتن‌هاي بلند براي ايجاد پرتو باريك كه در RAR مورد نظر است جاي خود را به حجم زيادي از پردازش طيفي سيگنال داده است. با استفاده از روش‌هاي پردازش سيگنال، آرايه‌هاي دهانه- تركيبي هوايي يا فضايي مي‌توانند با استفاده از آنتن‌هاي نسبتاً ساده و استاندارد به دقت بسيار بالايي در نقشه‌برداري زمين دست يابند.

بطور مثال نحوه ي تشكيل پرتو در يك سامانه  آرايه- تركيبي با طول موج 4 سانتي متر و با حركت رادار و تغيير مكان آنتن، از نقطه نظر هدف روي زمين، آنتن آرايه اي بزرگي به طول 2 كيلومتر تشكيل خواهد شد و چنين آرايه تركيبي(SAR) قادر است در برد متوسط 400 كيلومتر، قدرت تفكيكي به دقت 4 متر در امتداد مسير پرواز ايجاد نمايد و اين در حالي است كه در اين فاصله قدرت تفكيك مربوطه براي يك آنتن حقيقي(RAR) در حدود 2 كيلومتر است.

در ضمن بايد توجه داشت كه در رادارهاي تصويرگر و بويژه در رادار SAR اين خود زمين به انضمام اشياء ثابت روي آن هستند كه هدف را تشكيل مي دهند. اشياء متحرك هم نوعي شيفت داپلري ايجاد مي كنند كه با شيفت داپلري ناشي از حركت رادار متفاوت است و با آن رقابت مي كند. بنابراين چون كليد كار SAR همين شيفت داپلر است، تفكيك و تشخيص اهداف متحرك با آن مشكل است.

بطور كلي رادار دهانه- تركيبي ايجاد تصويري را ميسر مي‌سازد كه اندازه سلول تصويري آن در جهت حركت آنتن، مستقل از فاصله رادار از هدف است. اين اندازه با دقت تفكيك رادار رابطه مستقيم دارد. بنابراين SAR مي‌تواند با استفاده از آنتني كوچكتر از RAR به دقت تفكيكي به مراتب بيشتر از آن دست يابد. دستيابي به اين ويژگي گام بزرگي در بهبود كيفيت و دقت تصاوير هوايي شد و ايده امكان ساخت رادارهاي تصويرگر فضايي را قوت ‌بخشيد.

 

طرز كار رادارهاي تصويرگر:

شكل ذيل عناصر اصلي يك سامانه رادار را نشان مي‌دهد. فرستنده سيگنالي را ايجاد نموده و از طريق آنتن فرستنده به فضاي آزاد مي‌فرستد. سيگنال به "هدف" برخورد نموده و به سمت آنتن گيرنده منعكس مي‌شود. آنتن گيرنده سيگنال ورودي را به مدار گيرنده مي‌رساند. گيرنده سيگنال دريافتي را تقويت و تا حدودي پردازش نموده و آن را به يك صفحه نمايشگر هدايت مي‌كند. نمايشگر نيز ممكن است به نوبه خود سيگنال را پردازش نموده و ويژگي‌هاي مختلف آن را استخراج نمايد.

 در همه رادارها نوعي هماهنگي بين فرستنده و نمايشگر براي مقايسه سيگنال‌هاي ارسالي و دريافتي وجود دارد.

در بسياري از رادارها آنتن گيرنده و فرستنده يكي است. در اين حالت وجود نوعي سوييچ ارسال/دريافت براي برقراري ارتباط بين آنتن و فرستنده/گيرنده لازم است، اگرچه گاهي اوقات در رادارهاي كم توان، جدايي بين فرستنده و گيرنده با استفاده از يك سير كولاتور ريزموجي تأمين مي‌گردد. رادارها انواع گوناگوني دارند كه متداول‌ترين آن ها رادارهاي پالسي، داپلر و FM مي باشند.

 

قدرت تفكيك رادار SAR

وضوح يك تصوير دو بعدي به قدرت تفكيك رادار در هر بعد بستگي دارد. در رادار SAR قدرت تفكيك در جهت عمود بر مسير پرواز با ارسال و دريافت يك پالس بنام FM بدست مي آيد. در اين رادار لزومي به استفاده از آنتن بلند نيست و دقت تفكيك در جهت پرواز از محاسبه شيفت داپلري ناشي از حركت نسبي هدف محاسبه مي گردد. شيفت داپلر ميزاني از تغيير فاز يك سيگنال FM است. سامانه دهانه- تركيبي از    روش هاي پردازش سيگنال براي دست يافتن به قدرت تفكيك در جهت مسير استفاده مي نمايد.

 

نوشته مهندس محمد رضا سهيلي فر

 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر

نسخه قابل چاپ
تعداد بازديد اين صفحه: 7221