سه شنبه 28 دی 1395 | به روز شده: 1 ساعت و 6 دقیقه قبل

HAMSHAHRIONLINE

The online version of the Iranian daily Hamshahri
ISSN 1735-6393
پنجشنبه 24 مرداد 1392 - 19:15:11 | کد مطلب: 227134 چاپ

آشنایی با رادار آرایه - ترکیبی SAR

دفاع > امنیت - هشهری آنلاین:
نخستین رادارهای تصویرگر که در طول جنگ جهانی دوم ساخته شدند، از سامانه B-Scan استفاده می‌کردند. که با آنها تصویری با چارچوب مستطیلی ایجاد می شد. در این تصاویر، فاصله از هواپیما، یک محور ، و زاویه‌ی نسبی با جهت هواپیما محور دیگر را تشکیل می داد.

چنین نمایشی، به دلیل رابطه غیر خطی بین زاویه و فاصله، دارای اعوجاج زیادی در نواحی مربوط به اطراف هواپیما بود.این اعوجاج با بکارگیری نمایشگر موقعیت (PPI) که در آن پرتو آنتن برای تصویر برداری از زمین به میزان 360 درجه حول آنتن چرخانده می شد، تصحیح شد. با اینکه تصویر نمایشگر PPI هنوز تا حدی معوج بود، به نقشه دقیق زمین شباهت زیادی داشت. امروزه PPI همچنان مورد استفاده است، هرچند که سامانه ‌های عادی که دارای این نمایشگر هستند آنتن را 360 درجه دوران نداده و تصویر قطاعی به میزان 120 درجه حول مسیر پرواز را نشان می‌دهند.

رادارهای تصویرگر اولیه تصویر را روی یک صفحه پرتو کاتودیک با فسفر دیرپا نمایش می‌دادند. تصویر در جهت مربوط به موقعیت لحظه‌ای آنتن براق بود، و بتدریج با حرکت آنتن در جهت دیگر تاریک تر می شد. ویژگی های فسفر در لامپ های کاتودیک به جز جنبه استهلاک شدت نور آن به طوری که تصاویر عملا نقشه هایی بودند که نواحی مختلف زمین و اهدافی مانند کشتی‌ها را در زمینه‌ای تاریک مربوط به آب و سایه‌ها نشان می‌دادند. در این سامانه قابلیت تفکیک کمی با مقیاس تدریجی ( سایه روشن خاکستری ) وجود داشت که امروزه با استفاده از مبدل‌های مناسب بهبود یافته است.

رادارهای تصویرگر را می توان به دو دسته بزرگ تقسیم کرد:

  • رادارهای آرایه - حقیقی (RAR)
  • -رادارهای آرایه - ترکیبی (SAR)

رادار SAR :

رادارهای روزنه مصنوعی (SAR) Synthetic Aperture Radar به نوعی از رادارها اطلاق می‌شود که برای امور نقشه‌برداری و تصویربرداری از سطح زمین به کار می‌رود و معمولا این فن‌آوری در هواپیماهای شناسایی با اهداف نظامی و غیرنظامی کاربرد دارد.

امواج رادیویی این رادار در دفعات بالا با سرعتی زیاد به سطح مورد نظر تابیده شده و پس از بازگشت تصویری دو بعدی از سطح مورد نظر را در اختیار کاربران قرار می‌دهد. کاربرد اصلی این فن‌آوری در امور نظامی و تهیه نقشه از مناطق مختلف است به گونه‌ای که در جدیدترین مدل‌های موجود SAR قابلیت تهیه تصاویری با قدرت تفکیک 10 سانتی‌متر وجود دارد.

درباره این رادار ضرب‌المثلی وجود دارد که می‌گوید: " می‌توان با این فن آوری ردپای انسان در کویر را شناسایی کرد".
از این فن آوری جهت تجهیز هواپیماهای شناسایی، جنگنده و هواپیماهای بدون سرنشین ساخت آمریکا ، رژیم صهیونیستی و برخی از کشورهای پیشرفته استفاده شده که به عنوان نمونه هواپیماهای یو-2 ، اف-15 و ... پهپادهای RQ-170، RQ-1 (پریدیتور ، RQ-3 دارک استار ،RQ-4 گلوبال هاک آمریکا و پهپاد های هرمس، هرون -1 و هرون -2 (ایتان) و... ، رژیم صهیونیستی به این سامانه مجهز شده اند .

ضمن این که برابر برخی گزارش ها ، نیروی هوایی ترکیه نیز این سامانه را بر روی هواپیماهای اف-4 بهینه سازی شده خود نصب و در عملیات جمع آوری اطلاعات جهت سرکوب نیروهای پ.ک.ک از آن ها استفاده می نماید .

شایان ذکر است که از آنجایی که نیروهای مسلح ج.ا .ایران توانستند هواپیمای بدون سرنشین RQ-170 آمریکا که از این فن‌آوری پیشرفته به منظور تهیه نقشه از مکان‌های مورد نظر استفاده می کند را کنترل و کد رمزهای آن را کشف نمایند ، بهره‌برداری از این سامانه در نیروهای نظامی کشورمان در آینده نزدیک دور از ذهن نخواهد بود.

عملکرد:

همانطور که اشاره شد ،رادارهای دهانه - ترکیبی (SAR) که به نام رادار آرایه - ترکیبی (با همان علامت اختصاری) نیز خوانده می شود، برای نقشه برداری از زمین بدون استفاده از آنتن های بزرگ ابداع شدند.

آرایه- ترکیبی یکی از روش های راداری است که از یک هواپیما یا یک سکوی فضایی اعمال و در آن یک دهانه موثر آنتن به گونه ترکیبی ایجاد می شود.

در این روش ، حرکت رادار پیش نیاز اصلی است و باعث می شود که اندازه موثر آنتن بسیار بزرگ تر از آنتن حقیقی باشد.Carl Wiley در سال 1951 فریضه استفاده از اطلاعات طیفی و شیفت داپلر را برای تامین قدرت تفکیک در جهت پرواز ارائه کرد. وی در سال 1952 ، راداری به نام سامانه پرتوافکن داپلری ساخت که در فرکانس 75 مگاهرتز کار می کرد و دارای یک آنتن کوچک قابل حمل با هواپیما بود. به دلیل کوچکی نسبی آنتن که باعث بزرگ بودن میدان دید آن می شد، رادار به نوعی پرتو افکنی نیاز داشت تا به قدرت تفکیک لازم در زاویه دست یابد . این اولین راداری است که ما امروز بنام رادار دهانه - ترکیبی می شناسیم . سامانه اولیه پهلو نگر نبود ، بلکه راداری بود که با زاویه 45 درجه نسبت به جهت پرواز به طرف جلو نشانه می رفت . اما تصویر با همان روش SLAR(تصویربرداری پهلو نگر) تهیه می شد.

از طرف دیگر و به طور مستقل، ساخت راداری با پردازش داپلری در سال 1954 در آزمایشگاه سامانه های کنترل دانشگاه "ایلی نویز " آغاز شد. تقریبا از همان موقع این ایده، دهانه - ترکیبی نامیده شد. تحقیقات جاری در دانشگاه ایلی نویز بعد از چند سال ، به دلیل اینکه دیگر در بستر اصلی فعالیت های پژوهشی گروه فوق قرار نداشت، در حدود سال 1956 به دانشگاه میشیگان انتقال یافت. اولین تصویر SAR در سال 1958 به وسیله پژوهشگران این دانشگاه با استفاده از روش پردازش نوری تولید شد. در طول سال های آخر دهه 1950 و اوایل 1960، گسترش سامانه های رادار دهانه- ترکیبی به طور محرمانه در دانشگاه میشیگان و چندین شرکت آمریکایی تعقیب شد. اولین مقالات غیر محرمانه که این نوع جدید رادار تصویرگر را توضیح دادند، در سال 1961 منتشر شدند. فعالیت های مشابهی به طور همزمان در کشور های دیگر مانند شوروی سابق، فرانسه و انگلستان در جریان بود اما مقالات غیر محرمانه که حاوی گزارش این فعالیت ها بودند، بعد از مقالات 1961 آمریکایی ها منتشر شدند.

کاربردهای SAR

در سال 1969، مقارن با عرضه تجارتی رادارAN/APQ-9، رادار دهانه- ترکیب GEMS بر پایه یک رادار نظامی دیگر که مدتی از به کار گیری آن می‌گذشت، به طور تجاری عرضه شد.
سامانه ‌های پژوهشی دهانی- ترکیبی در فرکانس‌های 25/1 و9 گیگا هرتز توسط موسسه تحقیقات زیست محیطی میشیگان (ERIM) و آزمایشگاه موتور جت (JPL) در سال های دهه 1970 به پرواز درآمدند. این سامانه چند قطبی بوده و تولید تصاویر(چند قطبی وچند 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 سال های دهه 1960 مطرح شدند، اما اولین این رادارها بر 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. تحلیل این اطلاعات در سال 1981 آغاز شد.

از تداخل سنجی SAR، می توان برای تولید نقشه های توپوگرافی با تفکیک بالا استفاده کرد. براین اساس، ناسا با پرتاب ماهواره TOPOSAR 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 در حد میلی متر 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.

چگونگی تصویربرداری درسامانه های SAR

در تصویربرداری توسط سنجنده های ماهواره ای دو روش کلی وجود دارد: روش فعال و روش غیرفعال.

در روش فعال سنجنده امواج را به سطح زمین می تاباند، سپس بازیافت آن را دریافت می کند. در روش غیرفعال سنجنده امواجی را ارسال نمی کند. بلکه تنها امواج موجود در محیط (معمولا امواج خورشید) که توسط زمین بازتاب می شود را دریافت می کنند.

برخلاف سامانه های تصویربرداری نوری غیرفعال که به امواج خورشید وابسته اند، تصویرسازی رادار یک حالت پرتوافشانی فعال است. جهت پرتوافشانی نسبت به جریان حرکت وسیله به سمت مقابل توجه دارد. درخشندگی (دامنه A) امواج رادار بازتابی که از یک آنتن نصب شده بر روی هواپیما یا فضاپیما گسیل شده است و توسط سطح زمین برگردانده شده و در کسری از ثانیه توسط آنتن مشابه ای دریافت شده، اندازه گیری شده و ثبت می شود تا تصویر ساخته شود. سامانه فضابرد یا هوابرد SAR یک الگوی جانب نگر دارد. به دلیل شکل آنتن که در یک لحظه همانند یک نقطه عمل می کند، بازتابش از زمین محدود به منطقه ای است که به آن فوت پرینت آنتن گفته می شود. همچنان که SAR با سرعت V در راستای مسیر فرضی و در ارتفاع H از سطح زمین حرکت می کند، پهنه ای از زمین را از طریق ارسال و دریافت یک سری پالس های میکروویو تصویربرداری می کند که نرخ این پالس ها را فرکانس تکرار پالس (PRF) گویند.

ویژگی‌های SAR

SAR های هوایی و فضایی علاوه بر دارا بودن ویژگی‌های عمومی رادارهای تصویرگر، دارای چند ویژگی منحصر بفرد می باشند :

1. توانایی تصویربرداری از یک سطح با دقت تفکیک از چند متر تا چند کیلومتر.

2. توانایی تهیه تصویری با دقت مطلوب و معین مستقل از ارتفاع تا حدی که قدرت فرستنده اجازه می‌دهد.

3. وجود پارامترهای اساسی مختلف مثل قطبش، زاویه تابش، فرکانس و غیره برای بهینه سازی سامانه در کاربردهای مشخص.

سامانه رادار دهانه - ترکیبی امتیاز بزرگی نسبت به سامانه دهانه- حقیقی دارد و آن عدم وابستگی قدرت تفکیک در امتداد مسیر پرواز از فاصله است. بنابراین، چنین سامانه ای می‌تواند بدون وارد شدن خدشه به قدرت تفکیک در مسیر پرواز، بجای استفاده از پهنای پالس ارسالی، از شیفت داپلر استفاده ‌کند. می‌توان نشان داد که اندازه سلول تصویری در جهت مسیر پرواز می‌تواند به‌طور نظری به کوچکی ra=L/2 باشد که در آن L اندازه طولی آنتن است. بنابراین، برای دستیابی به قدرت تفکیک بیشتر، SAR به یک آنتن کوتاه نیاز دارد، در حالی که RAR استفاده از یک آنتن خیلی بلند را ایجاب می‌کند.

باید توجه داشت که کاهش اندازه آنتن ها در SAR به قیمت افزایش حجم پردازش سیگنال ناشی از شیفت داپلر تمام شده است.

تولید تصویر از سیگنال دریافتی یک سامانه SAR کار پیچیده‌ای است. به عبارت دیگر در این سامانه ها، بکارگیری آنتن‌های بلند برای ایجاد پرتو باریک که در RAR مورد نظر است جای خود را به حجم زیادی از پردازش طیفی سیگنال داده است. با استفاده از روش‌های پردازش سیگنال، آرایه‌های دهانه- ترکیبی هوایی یا فضایی می‌توانند با استفاده از آنتن‌های نسبتاً ساده و استاندارد به دقت بسیار بالایی در نقشه‌برداری زمین دست یابند.

بطور مثال نحوه ی تشکیل پرتو در یک سامانه آرایه- ترکیبی با طول موج 4 سانتی متر و با حرکت رادار و تغییر مکان آنتن، از نقطه نظر هدف روی زمین، آنتن آرایه ای بزرگی به طول 2 کیلومتر تشکیل خواهد شد و چنین آرایه ترکیبی(SAR) قادر است در برد متوسط 400 کیلومتر، قدرت تفکیکی به دقت 4 متر در امتداد مسیر پرواز ایجاد نماید و این در حالی است که در این فاصله قدرت تفکیک مربوطه برای یک آنتن حقیقی(RAR) در حدود 2 کیلومتر است.

در ضمن باید توجه داشت که در رادارهای تصویرگر و بویژه در رادار SAR این خود زمین به انضمام اشیاء ثابت روی آن هستند که هدف را تشکیل می دهند. اشیاء متحرک هم نوعی شیفت داپلری ایجاد می کنند که با شیفت داپلری ناشی از حرکت رادار متفاوت است و با آن رقابت می کند. بنابراین چون کلید کار SAR همین شیفت داپلر است، تفکیک و تشخیص اهداف متحرک با آن مشکل است.

بطور کلی رادار دهانه- ترکیبی ایجاد تصویری را میسر می‌سازد که اندازه سلول تصویری آن در جهت حرکت آنتن، مستقل از فاصله رادار از هدف است. این اندازه با دقت تفکیک رادار رابطه مستقیم دارد. بنابراین SAR می‌تواند با استفاده از آنتنی کوچکتر از RAR به دقت تفکیکی به مراتب بیشتر از آن دست یابد. دستیابی به این ویژگی گام بزرگی در بهبود کیفیت و دقت تصاویر هوایی شد و ایده امکان ساخت رادارهای تصویرگر فضایی را قوت ‌بخشید.

طرز کار رادارهای تصویرگر:

شکل ذیل عناصر اصلی یک سامانه رادار را نشان می‌دهد. فرستنده سیگنالی را ایجاد نموده و از طریق آنتن فرستنده به فضای آزاد می‌فرستد. سیگنال به "هدف" برخورد نموده و به سمت آنتن گیرنده منعکس می‌شود. آنتن گیرنده سیگنال ورودی را به مدار گیرنده می‌رساند. گیرنده سیگنال دریافتی را تقویت و تا حدودی پردازش نموده و آن را به یک صفحه نمایشگر هدایت می‌کند. نمایشگر نیز ممکن است به نوبه خود سیگنال را پردازش نموده و ویژگی‌های مختلف آن را استخراج نماید.

در همه رادارها نوعی هماهنگی بین فرستنده و نمایشگر برای مقایسه سیگنال‌های ارسالی و دریافتی وجود دارد.

در بسیاری از رادارها آنتن گیرنده و فرستنده یکی است. در این حالت وجود نوعی سوییچ ارسال/دریافت برای برقراری ارتباط بین آنتن و فرستنده/گیرنده لازم است، اگرچه گاهی اوقات در رادارهای کم توان، جدایی بین فرستنده و گیرنده با استفاده از یک سیر کولاتور ریزموجی تأمین می‌گردد. رادارها انواع گوناگونی دارند که متداول‌ترین آن ها رادارهای پالسی، داپلر و FM می باشند.

قدرت تفکیک رادار SAR

وضوح یک تصویر دو بعدی به قدرت تفکیک رادار در هر بعد بستگی دارد. در رادار SAR قدرت تفکیک در جهت عمود بر مسیر پرواز با ارسال و دریافت یک پالس بنام FM بدست می آید. در این رادار لزومی به استفاده از آنتن بلند نیست و دقت تفکیک در جهت پرواز از محاسبه شیفت داپلری ناشی از حرکت نسبی هدف محاسبه می گردد. شیفت داپلر میزانی از تغییر فاز یک سیگنال FM است. سامانه دهانه- ترکیبی از روش های پردازش سیگنال برای دست یافتن به قدرت تفکیک در جهت مسیر استفاده می نماید.

منبع: پایگاه اطلاع رسانی ارتش

در همین زمینه: