Радар с синтезированной апертурой

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Радар с синтезированной апертурой»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( март 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья может содержать чрезмерное количество сложных деталей, которые могут заинтересовать только определенную аудиторию . Пожалуйста, помогите, выделив или переместив любую соответствующую информацию и удалив лишние детали, которые могут противоречить политике включения Википедии . ( Март 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

На этом радиолокационном изображении, полученном радаром SIR-C / X-SAR на борту космического челнока Endeavour, виден вулкан Тейде . Город Санта-Крус-де-Тенерифе виден как пурпурно-белая область на нижнем правом краю острова. Лавовые потоки в кратере вершины проявляются в оттенках зеленого и коричневого, в то время как зоны растительности выглядят как области пурпурного, зеленого и желтого цветов на склонах вулкана.

Радар с синтезированной апертурой ( SAR ) - это разновидность радаров, которые используются для создания двухмерных изображений или трехмерных реконструкций объектов, например ландшафтов. ^[1] SAR использует движение антенны радара над целевой областью, чтобы обеспечить более точное пространственное разрешение, чем у обычных радаров со сканированием луча. SAR обычно устанавливается на движущейся платформе, такой как самолет или космический корабль, и берет свое начало в усовершенствованной форме бортового радара бокового обзора (SLAR). Расстояние, на которое устройство SAR проходит над целью за время, необходимое для возврата радиолокационных импульсов к антенне, создает большую синтетическую апертуру антенны (размер антенны). Как правило, чем больше апертура, тем выше будет разрешение изображения, независимо от того, является ли апертура физической (большая антенна) или синтетической (движущаяся антенна) - это позволяет SAR создавать изображения с высоким разрешением с помощью сравнительно небольших физических антенн. Кроме того, SAR имеет свойство иметь большие апертуры для более удаленных объектов, что обеспечивает постоянное пространственное разрешение в диапазоне расстояний просмотра.

Чтобы создать изображение SAR, передаются последовательные импульсы радиоволн , чтобы «осветить» целевую сцену, и эхо каждого импульса принимается и записывается. Импульсы передаются, а эхо-сигналы принимаются с помощью одной формирующей луч антенны с длинами волн от метра до нескольких миллиметров. По мере того как устройство SAR на борту самолета или космического корабля перемещается, положение антенны относительно цели изменяется со временем. Обработка сигналов последовательных записанных эхосигналов радара позволяет комбинировать записи с этих нескольких положений антенн. Этот процесс формирует синтетическую апертуру антенны.и позволяет создавать изображения с более высоким разрешением, чем это было бы возможно при использовании данной физической антенны. ^[2]

По состоянию на 2010 год ^{[Обновить]}бортовые системы обеспечивают разрешение около 10 см, сверхширокополосные системы обеспечивают разрешение в несколько миллиметров, а экспериментальный терагерцовый РСА обеспечивает субмиллиметровое разрешение в лаборатории. ^{[ необходима цитата ]}

Мотивация и приложения [ править ]

SAR поддерживает дистанционное зондирование с высоким разрешением, независимо от высоты полета и погоды, поскольку SAR может выбирать частоты, чтобы избежать ослабления сигнала из-за погодных условий. SAR позволяет получать изображения днем ​​и ночью, поскольку освещение обеспечивается SAR. ^{[3] [4] [5]}

Изображения SAR находят широкое применение в дистанционном зондировании и картировании поверхностей Земли и других планет. SAR многочисленны. Примеры включают топографию, океанографию, гляциологию, геологию (например, распознавание местности и отображение недр). SAR также может использоваться в лесном хозяйстве для определения высоты леса, биомассы и обезлесения. Для мониторинга вулканов и землетрясений используется дифференциальная интерферометрия . SAR также может применяться для мониторинга устойчивости гражданской инфраструктуры, такой как мосты. ^[6] SAR полезен для мониторинга окружающей среды, такого как разливы нефти, наводнения, рост городов, ^[7] военное наблюдение: включая стратегическую политику и тактическую оценку. ^[5] SAR может быть реализован как обратный SAR. наблюдая движущуюся цель в течение значительного времени с помощью стационарной антенны.

Основной принцип [ править ]

Синтезированной апертурой РЛС является радиолокационных изображений , установленный на подвижной платформе. ^[8] Электромагнитные волны передаются последовательно, эхо-сигналы собираются, а электроника системы оцифровывает и сохраняет данные для последующей обработки. Поскольку передача и прием происходят в разное время, они отображаются в разных положениях. Хорошо упорядоченная комбинация принятых сигналов создает виртуальную апертуру, которая намного больше, чем физическая ширина антенны. Это источник термина «синтетическая апертура», придающий ему свойство формирователя изображений. ^[5] Направление дальности перпендикулярно траектории полета и перпендикулярно азимутальному направлению, которое также известно как продольное направление. направление, потому что оно соответствует положению объекта в поле зрения антенны.

3D-обработка выполняется в два этапа. Азимут и направление диапазона ориентированы для генерации 2D (азимут-диапазон) изображений с высокой разрешающей способностью , после чего цифровой модели рельефа (DEM) ^{[9] [10]} используется для измерения разности фаз между сложных изображений, который является определяется под разными углами обзора, чтобы восстановить информацию о высоте. Эта информация о высоте вместе с координатами азимутального диапазона, полученными с помощью двумерной фокусировки РСА, дает третье измерение, которым является высота. ^[3] На первом этапе требуются только стандартные алгоритмы обработки, ^[10] на втором этапе используется дополнительная предварительная обработка, такая как совместная регистрация изображения и калибровка фазы. ^{[3] [11]}

Кроме того, можно использовать несколько базовых линий для расширения трехмерного изображения до временного измерения . 4D и multi-D SAR позволяет получать изображения сложных сценариев, таких как городские районы, и имеет улучшенные характеристики по сравнению с классическими интерферометрическими методами, такими как интерферометрия постоянного рассеивателя (PSI). ^[12]

Алгоритм [ править ]

Приведенный здесь алгоритм SAR обычно применяется к фазированным решеткам.

Определен трехмерный массив (объем) элементов сцены, который будет представлять объем пространства, в котором существуют цели. Каждый элемент массива представляет собой кубический воксель, представляющий вероятность («плотность») отражающей поверхности, находящейся в этом месте в пространстве. (Обратите внимание, что также возможны двумерные SAR, показывающие только вид сверху на целевую область.)

Первоначально алгоритм SAR дает каждому вокселю нулевую плотность.

Затем для каждой захваченной формы волны повторяется весь том. Для данной формы волны и воксела вычисляется расстояние от позиции, представленной этим вокселем, до антенны (антенн), используемой для захвата этой формы волны. Это расстояние представляет собой временную задержку сигнала. Затем значение выборки в этой позиции в форме волны добавляется к значению плотности вокселя. Это представляет собой возможное эхо от цели в этой позиции. Обратите внимание, что здесь есть несколько дополнительных подходов, в зависимости от точности синхронизации формы сигнала, среди прочего. Например, если фаза не может быть точно определена, только величина огибающей (с помощью преобразования Гильберта) образца сигнала может быть добавлен в воксель. Если поляризация и фаза сигнала известны и достаточно точны, то эти значения могут быть добавлены к более сложному вокселю, который проводит такие измерения отдельно.

После того, как все формы сигналов были повторены по всем вокселям, основная обработка SAR завершена.

При простейшем подходе остается решить, какое значение плотности вокселей представляет твердый объект. Вокселы, плотность которых ниже этого порога, игнорируются. Обратите внимание, что выбранный пороговый уровень должен быть выше, чем пиковая энергия любой отдельной волны, иначе этот пик волны будет выглядеть как сфера (или эллипс в случае мультистатического режима) ложной «плотности» по всему объему. Таким образом, для обнаружения точки на цели должны быть по крайней мере два разных эхосигнала антенны от этой точки. Следовательно, существует потребность в большом количестве положений антенны, чтобы правильно характеризовать цель.

Воксели, прошедшие пороговые критерии, визуализируются в 2D или 3D. По желанию, дополнительное визуальное качество иногда может быть достигнуто за счет использования алгоритма обнаружения поверхности, такого как марширующие кубики . ^{[13] [14] [15] [16]}

Существующие подходы к спектральной оценке [ править ]

Радар с синтезированной апертурой определяет коэффициент отражения в трехмерном пространстве по данным измерений SAR. По сути, это оценка спектра, потому что для конкретной ячейки изображения комплексные измерения SAR для стека изображений SAR представляют собой дискретизированную версию преобразования Фурье отражательной способности в направлении возвышения, но преобразование Фурье является нерегулярным. ^[17] Таким образом, методы спектральной оценки используются для улучшения разрешения и уменьшения спеклов по сравнению с результатами традиционных методов визуализации SAR с преобразованием Фурье. ^[18]

Непараметрические методы [ править ]

БПФ [ править ]

БПФ (т.е. периодограмма или согласованный фильтр ) является одним из таких методов, который используется в большинстве алгоритмов спектральной оценки, и существует множество быстрых алгоритмов для вычисления многомерного дискретного преобразования Фурье. Вычислительная матричная алгебра ядра Кронекера ^[19] - популярный алгоритм, используемый в качестве нового варианта алгоритмов БПФ для обработки в многомерных радиолокационных системах с синтезированной апертурой (SAR). Этот алгоритм использует исследование теоретических свойств наборов индексирования входных / выходных данных и групп перестановок.

Ветвь конечной многомерной линейной алгебры используется для выявления сходств и различий между различными вариантами алгоритма БПФ и для создания новых вариантов. Каждое вычисление многомерного ДПФ выражается в матричной форме. Многомерная матрица ДПФ, в свою очередь, распадается на набор факторов, называемых функциональными примитивами, которые индивидуально идентифицируются с базовым программным / аппаратным вычислительным дизайном. ^[5]

Реализация БПФ по существу является реализацией отображения математической структуры посредством генерации вариантов и выполнения матричных операций. Производительность этой реализации может варьироваться от машины к машине, и цель состоит в том, чтобы определить, на какой машине она работает лучше всего. ^[20]

Преимущества [ править ]

• Аддитивные теоретико-групповые свойства многомерных наборов индексации ввода / вывода используются для математических формулировок, поэтому легче идентифицировать сопоставление между вычислительными структурами и математическими выражениями, таким образом, лучше, чем традиционные методы. ^[21]
• Язык алгебры CKA помогает разработчику приложения понять, какие варианты БПФ являются более эффективными с вычислительной точки зрения, что сокращает вычислительные затраты и сокращает время их реализации. ^{[21] [22]}

Недостатки [ править ]

• БПФ не может разделить близкие по частоте синусоиды. Если периодичность данных не соответствует БПФ, видны краевые эффекты. ^[20]

Метод Капона [ править ]

Спектральный метод Кейпона, также называемый методом минимальной дисперсии, представляет собой метод обработки многомерных массивов. ^[23] Это непараметрический метод, основанный на ковариации, который использует подход адаптивного набора согласованных фильтров и включает два основных шага:

1. Передача данных через двухмерный полосовой фильтр с различными центральными частотами ( ).${\ displaystyle \ omega _ {1}, \ omega _ {2}}$
2. Оценка мощности в ( ) для всех представляющих интерес по отфильтрованным данным.${\ displaystyle \ omega _ {1}, \ omega _ {2}}$${\ displaystyle \ omega _ {1} \ in [0,2 \ pi), \ omega _ {2} \ in [0,2 \ pi)}$

Адаптивный полосовой фильтр Кейпона разработан для минимизации выходной мощности фильтра, а также для пропускания частот ( ) без какого-либо затухания, т. Е. Для удовлетворения для каждого ( ),${\ displaystyle \ omega _ {1}, \ omega _ {2}}$${\ displaystyle \ omega _ {1}, \ omega _ {2}}$

${\displaystyle \min _{h}h_{\omega _{1},\omega _{2}}^{*}Rh_{\omega _{1},\omega _{2}}}$ при условии ${\displaystyle h_{\omega _{1},\omega _{2}}^{*}a_{\omega _{1},\omega _{2}}=1,}$

где R - ковариационная матрица , - комплексно сопряженное транспонирование импульсной характеристики КИХ-фильтра, - двумерный вектор Фурье, определенный как , обозначает произведение Кронекера. ^[23]${\displaystyle h_{\omega _{1},\omega _{2}}^{*}}$${\displaystyle a_{\omega _{1},\omega _{2}}}$${\displaystyle a_{\omega _{1},\omega _{2}}\triangleq a_{\omega _{1}}\otimes a_{\omega _{2}}}$${\displaystyle \otimes }$

Следовательно, он пропускает двумерную синусоиду на заданной частоте без искажения, минимизируя при этом дисперсию шума результирующего изображения. Цель состоит в том, чтобы эффективно вычислить спектральную оценку. ^[23]

Спектральная оценка дается как

${\displaystyle S_{\omega _{1},\omega _{2}}={\frac {1}{a_{\omega _{1},\omega _{2}}^{*}R^{-1}a_{\omega _{1},\omega _{2}}}},}$

где R - ковариационная матрица, а - двумерное комплексно-сопряженное транспонирование вектора Фурье. Вычисление этого уравнения по всем частотам занимает много времени. Видно, что прямая – обратная оценка Капона дает лучшие оценки, чем прямой классический подход Капона. Основная причина этого заключается в том, что в то время как прямой-обратный Каплон использует как прямые, так и обратные векторы данных для получения оценки ковариационной матрицы, прямой Каплон использует только прямые векторы данных для оценки ковариационной матрицы. ^[23]${\displaystyle a_{\omega _{1},\omega _{2}}^{*}}$

Преимущества [ править ]

• Капон может дать более точные спектральные оценки с гораздо меньшими боковыми лепестками и более узкими спектральными пиками, чем метод быстрого преобразования Фурье (БПФ). ^[24]
• Метод Капона может обеспечить гораздо лучшее разрешение.

Недостатки [ править ]

• Реализация требует вычисления двух интенсивных задач: обращения ковариационной матрицы R и умножения на матрицу, которое должно выполняться для каждой точки . ^[3]${\displaystyle a_{\omega _{1},\omega _{2}}}$${\displaystyle \left(\omega _{1},\omega _{2}\right)}$

Метод APES [ править ]

Метод APES (оценка амплитуды и фазы) также является методом банка согласованных фильтров, который предполагает, что данные предыстории фазы представляют собой сумму двумерных синусоид в шуме.

Спектральный оценщик APES имеет двухэтапную интерпретацию фильтрации:

1. Передача данных через группу полосовых КИХ-фильтров с переменной центральной частотой .${\displaystyle \omega }$
2. Получение оценки спектра для отфильтрованных данных. ^[25]${\displaystyle \omega \in [0,2\pi )}$

Эмпирически метод APES дает более широкие спектральные пики, чем метод Кейпона, но более точные спектральные оценки амплитуды SAR. ^[26] В методе Кейпона, хотя спектральные пики уже, чем у APES, боковые лепестки выше, чем у APES. В результате ожидается, что оценка амплитуды будет менее точной для метода Кейпона, чем для метода APES. Метод APES требует примерно в 1,5 раза больше вычислений, чем метод Кейпона. ^[27]

Преимущества [ править ]

• Фильтрация уменьшает количество доступных выборок, но, когда она разработана тактически, увеличение отношения сигнал / шум (SNR) в отфильтрованных данных будет компенсировать это уменьшение, и амплитуда синусоидальной составляющей с частотой может быть оценена более точно. от отфильтрованных данных, чем от исходного сигнала. ^[28]${\displaystyle \omega }$

Недостатки [ править ]

• Матрица автоковариации намного больше в 2D, чем в 1D, поэтому она ограничена доступной памятью. ^[5]

Метод САМВ [ править ]

Метод SAMV - это беспараметрический алгоритм восстановления разреженного сигнала. Он обеспечивает сверхразрешение и устойчивость к сильно коррелированным сигналам. Название подчеркивает его основу на критерии асимптотически минимальной дисперсии (AMV). Это мощный инструмент для восстановления как амплитудных, так и частотных характеристик множества высококоррелированных источников в сложных условиях (например, ограниченное количество снимков, низкое отношение сигнал / шум . Приложения включают радиолокационные изображения с синтезированной апертурой и определение местоположения различных источников. .

Преимущества [ править ]

Метод SAMV позволяет достичь более высокого разрешения, чем некоторые известные параметрические методы, например MUSIC , особенно с сильно коррелированными сигналами.

Недостатки [ править ]

Вычислительная сложность метода SAMV выше из-за его итерационной процедуры.

Методы разложения параметрических подпространств [ править ]

Метод собственного вектора [ править ]

Этот метод декомпозиции подпространства разделяет собственные векторы матрицы автоковариации на векторы, соответствующие сигналам и помехам. ^[5] Амплитуда изображения в точке ( ) определяется как:${\displaystyle \omega _{x},\omega _{y}}$

${\displaystyle {\hat {\phi }}_{EV}\left(\omega _{x},\omega _{y}\right)={\frac {1}{W^{\mathsf {H}}\left(\omega _{x},\omega _{y}\right)\left(\sum _{\text{clutter}}{\frac {1}{\lambda _{i}}}{\underline {v_{i}}}\,{\underline {v_{i}}}^{\mathsf {H}}\right)W\left(\omega _{x},\omega _{y}\right)}}}$

где амплитуда изображения в точке , является матрица когерентности и является эрмитовой матрицей когерентности, является обратной собственными значениями помех подпространства, которые определяются как векторы ^[5]${\displaystyle {\hat {\phi }}_{EV}}$${\displaystyle \left(\omega _{x},\omega _{y}\right)}$${\displaystyle {\underline {v_{i}}}}$${\displaystyle {\underline {v_{i}}}^{\mathsf {H}}}$${\displaystyle {\frac {1}{\lambda _{i}}}}$${\displaystyle W\left(\omega _{x},\omega _{y}\right)}$

${\displaystyle W\left(\omega _{x},\omega _{y}\right)=\left[1\exp \left(-j\omega _{x}\right)\ldots \exp \left(-j(M-1)\omega _{x}\right)\right]\otimes \left[1\exp \left(-j\omega _{y}\right)\ldots \exp \left(-j(M-1)\omega _{y}\right)\right]}$

где ⊗ обозначает произведение Кронекера двух векторов.

Преимущества [ править ]

• Более точно показывает особенности изображения. ^[5]

Недостатки [ править ]

• Высокая вычислительная сложность. ^[11]

MUSIC метод [ править ]

MUSIC обнаруживает частоты в сигнале, выполняя собственное разложение ковариационной матрицы вектора данных выборок, полученных из выборок принятого сигнала. Когда все собственные векторы включены в подпространство препятствий (порядок модели = 0), метод EV становится идентичным методу Кейпона. Таким образом, определение порядка модели имеет решающее значение для работы метода электромобилей. Собственное значение матрицы R определяет, соответствует ли соответствующий собственный вектор помехам или подпространству сигнала. ^[5]

Считается, что метод MUSIC плохо работает в приложениях SAR. В этом методе вместо подпространства беспорядка используется константа. ^[5]

В этом методе знаменатель приравнивается к нулю, когда синусоидальный сигнал, соответствующий точке в изображении SAR, совмещен с одним из собственных векторов подпространства сигнала, который является пиком в оценке изображения. Таким образом, этот метод не точно отображает интенсивность рассеяния в каждой точке, но показывает отдельные точки изображения. ^{[5] [29]}

Преимущества [ править ]

• МУЗЫКА отбеливает или выравнивает собственные значения беспорядка. ^[18]

Недостатки [ править ]

• Потеря разрешения из-за операции усреднения. ^[8]

Алгоритм обратной проекции [ править ]

Алгоритм обратного проецирования имеет два метода: во временной области обратного проецирования и частотной области обратного проецирования . Обратное проецирование во временной области имеет больше преимуществ по сравнению с частотной областью и поэтому является более предпочтительным. Обратная проекция во временной области формирует изображения или спектры путем сопоставления данных, полученных с радара, и того, что он ожидает получить. Его можно рассматривать как идеальный согласованный фильтр для радаров с синтезированной апертурой. Нет необходимости иметь другой шаг компенсации движения из-за его качества обработки неидеального движения / выборки. Его также можно использовать для получения изображений различной геометрии. ^[30]

Преимущества [ править ]

• Он инвариантен к режиму визуализации : это означает, что он использует один и тот же алгоритм независимо от присутствующего режима визуализации, тогда как методы частотной области требуют изменений в зависимости от режима и геометрии. ^[30]
• Неоднозначное наложение азимута обычно возникает, когда требования к пространственной дискретизации Найквиста превышаются по частотам. Однозначное наложение спектров возникает в геометриях со скошенным углом, где ширина полосы сигнала не превышает пределов дискретизации, но подвергается «спектральному наложению». Алгоритм обратного проецирования не подвержен никаким эффектам наложения спектров. ^[30]
• Он совпадает с пространственно-временным фильтром: использует информацию о геометрии изображения для создания попиксельного изменяющегося согласованного фильтра для аппроксимации ожидаемого обратного сигнала. Обычно это дает компенсацию усиления антенны. ^[30]
• Что касается предыдущего преимущества, алгоритм обратной проекции компенсирует движение. Это становится преимуществом на малых высотах. ^[30]

Недостатки [ править ]

• Вычислительные затраты больше для алгоритма обратного проецирования по сравнению с другими методами частотной области.
• Это требует очень точного знания геометрии изображения. ^[30]

Применение: геостационарный радар с синтезированной апертурой (GEO-SAR) [ править ]

В GEO-SAR алгоритм обратного проецирования работает очень хорошо, чтобы специально сфокусироваться на относительном движущемся треке. Он использует концепцию обработки азимута во временной области. Для геометрии спутник-земля важную роль играет GEO-SAR. ^[31]

Процедура этой концепции разработана следующим образом. ^[31]

1. Полученные необработанные данные сегментируются или рисуются в субапертурах для упрощения быстрого проведения процедуры.
2. Затем диапазон данных сжимается с использованием концепции «согласованной фильтрации» для каждого созданного сегмента / субапертуры. Он определяется как где τ - время дальности, t - азимутальное время, λ - длина волны, c - скорость света.${\textstyle s(t,\tau )=\exp \left(-j\cdot {\frac {4\pi }{\lambda }}\cdot R(t)\right)\cdot \operatorname {sinc} \left(\tau -{\frac {2}{c}}\cdot R(t)\right)}$
3. Точность «кривой миграции диапазона» достигается за счет интерполяции диапазона.
4. Расположение пикселей земли на изображении зависит от модели геометрии спутник-земля. Деление сетки теперь выполняется по азимутальному времени.
5. Расчеты для «наклонного диапазона» (диапазон между фазовым центром антенны и точкой на земле) выполняются для каждого азимутального времени с использованием преобразований координат.
6. Азимутальное сжатие выполняется после предыдущего шага.
7. Шаги 5 и 6 повторяются для каждого пикселя, чтобы охватить каждый пиксель, и проводят процедуру для каждой субапертуры.
8. Наконец, все субапертуры изображения, созданного повсюду, накладываются друг на друга, и создается окончательное изображение высокой четкости.

Сравнение алгоритмов [ править ]

Capon и APES могут дать более точные спектральные оценки с гораздо меньшими боковыми лепестками и более узкими спектральными пиками, чем метод быстрого преобразования Фурье (FFT), который также является частным случаем подходов FIR-фильтрации. Видно, что хотя алгоритм APES дает немного более широкие спектральные пики, чем метод Кейпона, первый дает более точные общие спектральные оценки, чем второй и метод БПФ. ^[26]

Метод БПФ быстр и прост, но имеет большие боковые лепестки. Capon имеет высокое разрешение, но высокую вычислительную сложность. EV также имеет высокое разрешение и высокую вычислительную сложность. APES имеет более высокое разрешение, быстрее, чем capon и EV, но высокую вычислительную сложность. ^[8]

МУЗЫКАЛЬНЫЙ метод обычно не подходит для получения изображений РСА, поскольку отбеливание собственных значений помех разрушает пространственные неоднородности, связанные с помехами местности или другим диффузным рассеянием в изображениях РСА. Но он предлагает более высокое разрешение по частоте в результирующей спектральной плотности мощности (PSD), чем методы, основанные на быстром преобразовании Фурье (БПФ). ^[32]

Алгоритм обратного проецирования требует больших вычислительных ресурсов. Это особенно привлекательно для датчиков, которые являются широкополосными, широкоугольными и / или имеют длинные когерентные апертуры со значительным отклонением от маршрута. ^[33]

Мультистатический режим [ править ]

SAR требует, чтобы захват эха производился с нескольких позиций антенны. Чем больше снимков будет сделано (при разных положениях антенны), тем надежнее будет характеристика цели.

Множественные захваты можно получить, переместив одну антенну в разные места, разместив несколько стационарных антенн в разных местах или их комбинации.

Преимущество одной движущейся антенны заключается в том, что ее можно легко разместить в любом количестве положений для получения любого количества моностатических сигналов. Например, антенна, установленная на самолете, делает много снимков в секунду во время полета.

Основные преимущества нескольких статических антенн заключаются в том, что движущуюся цель можно охарактеризовать (при условии, что электроника захвата достаточно быстро), что не требуется никаких транспортных средств или движущихся механизмов, и что положения антенн не нужно выводить из другой, иногда ненадежной, информации. (Одна из проблем с SAR на борту самолета - знание точного положения антенны во время полета).

Для нескольких статических антенн возможны все комбинации моностатического и мультистатического захвата формы сигнала радара . Однако обратите внимание, что захватывать форму сигнала для каждого из обоих направлений передачи для данной пары антенн нецелесообразно, потому что эти формы сигналов будут идентичными. При использовании нескольких статических антенн общее количество уникальных форм эхо-сигналов, которые могут быть захвачены, равно

${\displaystyle {\frac {N^{2}+N}{2}}}$

где N - количество уникальных позиций антенны.

Режимы сканирования [ править ]

SAR в воздухе в режиме полосовой карты [ править ]

Антенна остается в фиксированном положении и может быть перпендикулярна траектории полета или слегка наклонена вперед или назад. ^[5]

Когда апертура антенны перемещается по траектории полета, сигнал передается со скоростью, равной частоте повторения импульсов (PRF). Нижняя граница PRF определяется доплеровской полосой пропускания радара. Обратное рассеяние каждого из этих сигналов коммутативно добавляется попиксельно для достижения точного азимутального разрешения, требуемого для радиолокационных изображений. ^[34]

Режим прожектора SAR [ править ]

Синтетическая апертура прожектора равна

${\displaystyle Lsa=r_{0}\Delta \theta _{a}}$^[29]

где - угол, образованный между началом и концом изображения, как показано на схеме визуализации прожектором, и - дальность действия.${\displaystyle \Delta \theta _{a}}$${\displaystyle r_{0}}$

Режим прожектора дает лучшее разрешение, хотя и для меньшего участка земли. В этом режиме освещающий луч радара постоянно направляется по мере движения самолета, так что он освещает один и тот же участок в течение более длительного периода времени. Этот режим не является традиционным режимом визуализации с непрерывной полосой; однако он имеет высокое азимутальное разрешение. ^[29]

Режим сканирования SAR [ править ]

При работе в режиме сканирования SAR луч антенны периодически качается и, таким образом, покрывает гораздо большую площадь, чем в режимах прожектора и полосовой карты. Однако разрешение по азимуту становится намного ниже, чем в режиме полосковой карты из-за уменьшения ширины полосы по азимуту. Очевидно, что достигается баланс между разрешением по азимуту и ​​областью сканирования SAR. ^[35] Здесь синтетическая апертура разделяется между вспомогательными полосами, и она не находится в прямом контакте в пределах одной вспомогательной полосы. Мозаика требуется в направлениях азимута и дальности для объединения всплесков азимута и дополнительных полос дальности. ^[29]

• ScanSAR делает луч полосы обзора огромным.
• В азимутальном сигнале много всплесков.
• Разрешение по азимуту ограничено из-за длительности пакета.
• Каждая цель содержит различные частоты, которые полностью зависят от того, где присутствует азимут. ^[29]

Специальные техники [ править ]

Поляриметрия [ править ]

Радарные волны имеют поляризацию . Разные материалы отражают радиолокационные волны с разной интенсивностью, но анизотропные материалы, такие как трава, часто отражают разные поляризации с разной интенсивностью. Некоторые материалы также преобразуют одну поляризацию в другую. Посредством излучения смеси поляризаций и использования приемных антенн с определенной поляризацией можно получить несколько изображений из одной и той же серии импульсов. Часто три такие поляризации RX-TX (HH-pol, VV-pol, VH-pol) используются в качестве трех цветовых каналов в синтезированном изображении. Это сделано на картинке справа. Интерпретация полученных цветов требует серьезного тестирования известных материалов.

Новые разработки в поляриметрии включают использование изменений случайных поляризационных отражений некоторых поверхностей (например, травы или песка) и между двумя изображениями одного и того же места в разное время, чтобы определить, где произошли изменения, невидимые для оптических систем. Примеры включают подземные туннели или пути транспортных средств, проезжающих по изображаемой области. Усовершенствованное наблюдение за нефтяным пятном в море с помощью SAR было разработано путем соответствующего физического моделирования и использования полностью поляриметрических и двойных поляриметрических измерений.

РСА-поляриметрия - это метод, используемый для получения качественной и количественной физической информации для наземных, снежных и ледовых, океанских и городских приложений, основанный на измерении и исследовании поляриметрических свойств искусственных и естественных рассеивателей. Классификация местности и землепользования является одним из наиболее важных приложений поляриметрических радаров с синтезированной апертурой (POLSAR). ^[36]

В поляриметрии SAR используется матрица рассеяния (S) для определения характеристик рассеяния объектов после взаимодействия с электромагнитной волной. Матрица представляет собой комбинацию состояний горизонтальной и вертикальной поляризации переданных и принятых сигналов.

${\displaystyle S={\begin{bmatrix}S_{HH}&S_{HV}\\S_{VH}&S_{VV}\end{bmatrix}}}$

где HH - для передачи по горизонтали и приема по горизонтали, VV - для передачи по вертикали и приема по вертикали, HV - для передачи по горизонтали и приема по вертикали, а VH - для передачи по вертикали и приема по горизонтали.

Первые две из этих комбинаций поляризации называются одинаково поляризованными (или кополяризованными), потому что поляризации передачи и приема одинаковы. Последние две комбинации называются кроссполяризованными, поскольку поляризации передачи и приема ортогональны друг другу. ^[37]

Трехкомпонентная модель рассеивающей способности Фримена и Дердена ^[38] успешно используется для декомпозиции изображения POLSAR с применением условия симметрии отражения с использованием ковариационной матрицы. Метод основан на простых физических механизмах рассеяния (поверхностное рассеяние, рассеяние двойным отскоком и объемное рассеяние). Преимущество этой модели рассеяния состоит в том, что ее просто и легко реализовать для обработки изображений. Существует 2 основных подхода к разложению 3 3 поляриметрических матриц. Одним из них является метод лексикографической ковариационной матрицы, основанный на физически измеримых параметрах ^[38].${\displaystyle \times }$а другой - разложение Паули, которое представляет собой матрицу когерентного разложения. Он представляет всю поляриметрическую информацию в одном изображении РСА. Поляриметрическая информация [S] может быть представлена ​​комбинацией интенсивностей в одном изображении RGB, где все предыдущие интенсивности будут закодированы как цветовой канал. [1]${\displaystyle |S_{HH}|^{2},|S_{VV}|^{2},2|S_{HV}|^{2}}$

При анализе изображений PolSAR могут быть случаи, когда условие симметрии отражения не выполняется. В этих случаях четырехкомпонентная модель рассеяния ^{[36] [39]} может быть использована для разложения поляриметрических радиолокационных изображений с синтезированной апертурой (SAR). Этот подход касается случая симметричного рассеяния без отражения. Он включает и расширяет метод трехкомпонентного разложения, введенный Фриманом и Дерденом ^[38], до четвертого компонента, добавляя мощность спирального рассеяния. Этот термин мощности спирали обычно появляется в сложной городской местности, но исчезает для естественного распределенного рассеивателя. ^[36]

Существует также улучшенный метод, использующий алгоритм четырехкомпонентной декомпозиции, который был введен для общего анализа изображений данных POLSAR. Данные SAR сначала фильтруются, что называется уменьшением спеклов, затем каждый пиксель разлагается по четырехкомпонентной модели для определения мощности рассеяния поверхности ( ), мощности рассеяния двойным отскоком ( ), мощности объемного рассеяния ( ) и мощности спирального рассеяния. ( ). ^[36]${\displaystyle P_{s}}$${\displaystyle P_{d}}$${\displaystyle P_{v}}$${\displaystyle P_{c}}$Затем пиксели делятся на 5 классов (поверхность, двойной отскок, объем, спираль и смешанные пиксели), классифицируемых по максимальной мощности. Смешанная категория добавляется для пикселей, имеющих две или три равные доминирующие способности рассеяния после вычисления. Процесс продолжается, поскольку пиксели во всех этих категориях делятся на 20 небольших беспорядков примерно с одинаковым количеством пикселей и объединяются по желанию, это называется объединением кластеров. Они итеративно классифицируются, а затем каждому классу автоматически присваивается цвет. Обобщение этого алгоритма приводит к пониманию того, что коричневые цвета обозначают классы поверхностного рассеяния, красные цвета - классы рассеяния с двойным отскоком, зеленые цвета - классы объемного рассеяния и синие цвета - классы спирального рассеяния. ^[40]

Хотя этот метод предназначен для случая отсутствия отражения, он автоматически включает условие симметрии отражения, поэтому его можно использовать как общий случай. Он также сохраняет характеристики рассеяния, принимая во внимание категорию смешанного рассеяния, поэтому оказывается лучшим алгоритмом.

Интерферометрия [ править ]

Вместо того, чтобы отбрасывать фазовые данные, из них можно извлечь информацию. Если доступны два наблюдения одной и той же местности с очень похожих позиций, можно выполнить синтез апертуры, чтобы обеспечить разрешение, которое может дать радиолокационная система с размерами, равными разнесению двух измерений. Этот метод называется интерферометрическим SAR или InSAR.

Если две выборки получены одновременно (возможно, путем размещения двух антенн на одном и том же летательном аппарате, на некотором расстоянии друг от друга), то любая разность фаз будет содержать информацию об угле, под которым отражается эхо-сигнал радара. Комбинируя это с информацией о расстоянии, можно определить положение в трех измерениях пикселя изображения. Другими словами, можно извлечь высоту местности, а также коэффициент отражения радара, создав цифровую модель рельефа (ЦМР) за один проход самолета. Одно из приложений самолета в Канадском центре дистанционного зондирования позволило получить цифровые карты высот с разрешением 5 м и ошибками высот также около 5 м. Интерферометрия использовалась для картирования многих регионов земной поверхности с беспрецедентной точностью с использованием данных изМиссия Shuttle Radar Topography .

Если две выборки разделены во времени, возможно, из двух полетов над одной и той же местностью, тогда есть два возможных источника фазового сдвига. Первый - это высота местности, как обсуждалось выше. Второй - это движение местности: если местность сместилась между наблюдениями, она вернет другую фазу. Величина сдвига, необходимая для возникновения значительной разности фаз, порядка используемой длины волны. Это означает, что если местность сдвигается на сантиметры, это можно увидеть на результирующем изображении ( должна быть доступна цифровая карта высот для разделения двух типов разности фаз; для ее создания может потребоваться третий проход).

Этот второй метод предлагает мощный инструмент в геологии и географии . Ледниковый поток можно нанести на карту за два прохода. Были опубликованы карты, показывающие деформацию суши после небольшого землетрясения или после извержения вулкана (показывающие уменьшение всего вулкана на несколько сантиметров). ^{[41] [42] [43]}

Дифференциальная интерферометрия [ править ]

Дифференциальная интерферометрия (D-InSAR) требует получения как минимум двух изображений с добавлением ЦМР. ЦМР может быть получена либо с помощью измерений GPS, либо с помощью интерферометрии, если время между получением пар изображений короткое, что гарантирует минимальное искажение изображения целевой поверхности. В принципе, для D-InSar часто достаточно трех изображений земной поверхности с аналогичной геометрией получения изображений. Принцип обнаружения движения земли довольно прост. Одна интерферограмма создается из первых двух изображений; это также называется эталонной интерферограммой или топографической интерферограммой. Создается вторая интерферограмма, которая фиксирует топографию + искажение. Вычитание последнего из эталонной интерферограммы может выявить дифференциальные полосы, указывающие на движение.Описанный метод создания трех изображений D-InSAR называется трехпроходным методом или методом двойной разности.

Дифференциальные полосы, которые остаются полосами на дифференциальной интерферограмме, являются результатом изменения диапазона SAR любой смещенной точки на земле от одной интерферограммы к другой. На дифференциальной интерферограмме каждая полоса прямо пропорциональна длине волны SAR, которая составляет около 5,6 см для однофазного цикла ERS и RADARSAT. Смещение поверхности от направления взгляда на спутник вызывает увеличение разницы в траектории (переходящей в фазу). Поскольку сигнал проходит от антенны SAR к цели и обратно, измеренное смещение вдвое превышает единицу длины волны. Это означает, что в дифференциальной интерферометрии один полосовой цикл - от π до + πили одна длина волны соответствует смещению относительно антенны SAR только на половину длины волны (2,8 см). Существуют различные публикации по измерению проседания, анализу устойчивости склонов, оползням, движению ледников и т. Д. По инструментам D-InSAR. Дальнейшее развитие этого метода, в котором дифференциальная интерферометрия по восходящему и нисходящему проходам спутниковой РСА может использоваться для оценки трехмерного движения земли. Исследования в этой области показали, что могут быть достигнуты точные измерения трехмерного движения земли с точностью, сопоставимой с измерениями на основе GPS.

Томо-САР [ править ]

SAR томография - это подполе концепции, называемой интерферометрией с несколькими базовыми линиями. Он был разработан для получения трехмерного изображения изображения, в котором используется концепция формирования луча. Его можно использовать, когда требуется сосредоточить внимание на фазе между величиной и фазовыми компонентами данных SAR во время поиска информации. Одним из основных преимуществ Tomo-SAR является то, что он может разделять разбросанные параметры независимо от того, насколько различны их движения. ^[44] При использовании Tomo-SAR с дифференциальной интерферометрией разработана новая комбинация под названием «дифференциальная томография» (Diff-Tomo). ^[44]

Tomo-SAR имеет приложение, основанное на радиолокационном изображении, которое отображает объем льда и временную когерентность леса ( временная когерентность описывает корреляцию между волнами, наблюдаемыми в разные моменты времени). ^[44]

Сверхширокополосный SAR [ править ]

Обычные радиолокационные системы излучают всплески радиоэнергии с довольно узким диапазоном частот. Узкополосный канал по определению не допускает быстрых изменений модуляции. Поскольку именно изменение принятого сигнала показывает время прибытия сигнала (очевидно, что неизменный сигнал ничего не скажет о том, «когда» он отражался от цели), сигнал только с медленным изменением модуляции не может определить расстояние. к цели, а также сигнал с быстрой сменой модуляции.

Сверхширокополосный (UWB) относится к любой радиопередаче, которая использует очень большую полосу пропускания - то же самое, что сказать, что она использует очень быстрые изменения модуляции. Хотя не существует установленного значения полосы пропускания, которое квалифицирует сигнал как «СШП», системы, использующие полосы пропускания, превышающие значительную часть центральной частоты (обычно около десяти процентов или около того), чаще всего называют системами «СШП». Типичная система СШП может использовать полосу пропускания от одной трети до половины ее центральной частоты. Например, некоторые системы используют полосу пропускания около 1 ГГц с центром около 3 ГГц.

Существует столько же способов увеличить полосу пропускания сигнала, сколько существует форм модуляции - это просто вопрос увеличения скорости этой модуляции. Однако два наиболее распространенных метода, используемых в радарах СШП, включая SAR, - это очень короткие импульсы и широкополосное чирпирование. Общее описание щебетания можно найти в другом месте этой статьи. Пропускная способность чирпированной системы может быть как узкой, так и широкой по желанию проектировщиков. Здесь описываются СШП-системы на импульсной основе, являющиеся наиболее распространенным методом, связанным с термином «СШП-радар».

Импульсная радиолокационная система излучает очень короткие импульсы электромагнитной энергии, обычно всего несколько волн или меньше. Конечно, очень короткий импульс - это очень быстро меняющийся сигнал и, следовательно, занимает очень широкую полосу пропускания. Это позволяет гораздо более точно измерить расстояние и, следовательно, разрешение.

Основным недостатком СШП SAR на основе импульсов является то, что передающую и принимающую входную электронику сложно спроектировать для приложений с большой мощностью. В частности, рабочий цикл передачи настолько мал, а время импульса настолько короткое, что электроника должна обеспечивать чрезвычайно высокую мгновенную мощность, чтобы конкурировать со средней мощностью обычных радаров. (Хотя это правда, что UWB обеспечивает заметный выигрыш в пропускной способности канала по сравнению с узкополосным сигналом из-за соотношения ширины полосы в теореме Шеннона-Хартли и из-за того, что низкий рабочий цикл приема принимает меньше шума, увеличивая отношение сигнал / шум, по-прежнему существует заметное несоответствие в бюджете канала, потому что обычный радар может быть на несколько порядков мощнее типичного импульсного радара.) Таким образом, импульсный СШП SAR обычно используется в приложениях, требующих средних уровней мощности в микроваттах или милливаттах. диапазон, и, таким образом, используется для сканирования меньших, более близких областей цели (несколько десятков метров) или в случаях, когда возможно длительное интегрирование (в течение нескольких минут) принятого сигнала. Обратите внимание, однако, что это ограничение устранено в радиолокационных системах СШП с ЛЧМ-сигналами.

Основными преимуществами СШП радара являются лучшее разрешение (несколько миллиметров при использовании стандартной коммерческой электроники) и больше спектральной информации об отражательной способности цели.

Обострение доплеровского луча [ править ]

Доплеровское повышение резкости луча обычно относится к методу обработки истории фазы несфокусированного реального луча для достижения лучшего разрешения, чем могло бы быть достигнуто обработкой реального луча без него. Поскольку реальная апертура антенны радара настолько мала (по сравнению с используемой длиной волны), энергия радара распространяется на большую площадь (обычно много градусов в ширину в направлении, ортогональном (под прямым углом) к направлению платформы (самолета). )). Повышение резкости доплеровского луча использует преимущество движения платформы в том, что цели перед платформой возвращают сигнал с доплеровским повышением (немного выше по частоте), а цели за платформой возвращают сигнал с пониженным доплеровским сдвигом (немного ниже по частоте).

Величина смещения изменяется в зависимости от угла вперед или назад от ортогонального направления. Зная скорость платформы, возвращаемый сигнал цели помещается в определенный угловой «ящик», который изменяется со временем. Сигналы интегрируются с течением времени, и, таким образом, «луч» радара синтетически сокращается до гораздо меньшей апертуры - или, точнее (и на основе способности различать меньшие доплеровские сдвиги), система может одновременно иметь сотни очень «узких» лучей. Этот метод значительно улучшает угловое разрешение; однако использовать эту технику для разрешения по дальности гораздо сложнее. (См. Импульсный доплеровский радар ).

Чирпированные (сжатые импульсы) радары [ править ]

Обычным методом для многих радарных систем (обычно также используемых в системах SAR) является " щебетание " сигнала. В «чирпированном» радаре импульс может быть намного длиннее. Более длинный импульс позволяет излучать и, следовательно, принимать больше энергии, но обычно мешает разрешающей способности по дальности. Но в чирпированном радаре этот более длинный импульс также имеет сдвиг частоты во время импульса (отсюда и сдвиг частоты). Когда возвращается "чирпированный" сигнал, он должен быть коррелирован с отправленным импульсом. Классически в аналоговых системах он передается на дисперсионную линию задержки (часто поверхностную акустическую волну).устройство), который имеет свойство варьировать скорость распространения в зависимости от частоты. Этот метод «сжимает» импульс во времени, что дает эффект гораздо более короткого импульса (улучшенное разрешение по дальности), но имеет преимущество большей длины импульса (возвращается гораздо больше сигнала). В более новых системах используется цифровая корреляция импульсов для определения отражения импульса в сигнале.

Типовая операция [ править ]

Этот раздел слишком длинный для удобного чтения и требует подразделов . Пожалуйста, отформатируйте статью в соответствии с рекомендациями, изложенными в Руководстве по стилю . ( Апрель 2021 г. )

В типичном применении SAR одна антенна радара прикрепляется к летательному или космическому кораблю, так что значительная часть излучаемого луча антенны имеет направление распространения волны, перпендикулярное направлению траектории полета. Луч может быть широким в вертикальном направлении, чтобы он освещал местность почти из-под самолета к горизонту.

Разрешение по диапазону изображения достигается за счет создания импульсов, которые определяют очень короткие временные интервалы, либо путем излучения коротких импульсов, состоящих из несущей частоты и необходимых боковых полос, все в пределах определенной полосы пропускания, либо путем использования более длинных « импульсов щебета » в какая частота изменяется (часто линейно) со временем в пределах этой полосы пропускания. Различное время возврата эхо-сигналов позволяет различать точки на разных расстояниях.

Полный сигнал - это сигнал от участка земли размером с ширину луча. Чтобы получить узкий луч в поперечном направлении ^{[ требуется пояснение ]} , дифракцияэффекты требуют, чтобы антенна была широкой в ​​этом измерении. Следовательно, различение друг от друга точек совмещения просто по силе отраженных сигналов, которые сохраняются до тех пор, пока они находятся в пределах ширины луча, затруднительно для антенн, переносимых с самолета, поскольку их лучи могут иметь линейную ширину только около двух порядков. величины (в сотни раз) меньше диапазона. (Переносимые с космического корабля могут работать в 10 или более раз лучше.) Однако, если регистрируются и амплитуда, и фаза отраженных сигналов, то часть этого отраженного сигнала от нескольких целей, которая была радиально рассеяна от любого меньшего элемента сцены, может быть извлечена с помощью фазово-векторная корреляция общей доходности с формой доходности, ожидаемой от каждого такого элемента. Тщательный дизайн и эксплуатация могут обеспечить разрешение элементов менее одной миллионной диапазона,например, 30 см на 300 км или около одного фута на расстоянии почти 200 миль (320 км).

Процесс можно представить как объединение серии пространственно распределенных наблюдений, как если бы все они были сделаны одновременно с антенной, длина которой равна ширине луча, и сфокусирована на этой конкретной точке. «Синтетическая апертура», смоделированная этим процессом на максимальной дальности системы, не только длиннее реальной антенны, но и в практических приложениях намного длиннее, чем радарный самолет, и намного длиннее, чем радарный космический корабль.

Разрешение изображения SAR в координатах его диапазона (выраженное в пикселях изображения на единицу расстояния) в основном пропорционально ширине полосы радиосвязи любого используемого типа импульса. В координатах между диапазонами аналогичное разрешение в основном пропорционально ширине полосы доплеровского сдвига сигнала, возвращаемого в пределах ширины луча. Поскольку доплеровская частота зависит от угла направления точки рассеяния от поперечного направления, доплеровская полоса пропускания, доступная в пределах ширины луча, одинакова на всех диапазонах. Следовательно, теоретические пределы пространственного разрешения в обоих измерениях изображения остаются постоянными при изменении диапазона. Однако на практике как ошибки, которые накапливаются со временем сбора данных, так и конкретные методы, используемые при постобработке, дополнительно ограничивают разрешение между диапазонами на больших расстояниях.

Преобразование времени задержки возврата в геометрический диапазон может быть очень точным из-за естественного постоянства скорости и направления распространения электромагнитных волн. Однако для самолета, летящего в никогда не однородной и никогда не покоящейся атмосфере, привязка времени передачи и приема импульсов к последовательным геометрическим положениям антенны должна сопровождаться постоянной корректировкой фаз возврата для учета обнаруженных нарушений в полете. дорожка. SAR в космическом корабле позволяет избежать этой проблемы с атмосферой, но все же должен вносить поправки в известные движения антенны из-за вращения космического корабля, даже те, которые являются реакцией на движения бортового оборудования. Размещение SAR в пилотируемом космическом корабле может потребовать, чтобы люди осторожно оставались неподвижными относительно корабля во время периодов сбора данных.

Хотя некоторые ссылки на SAR характеризуют их как «радарные телескопы», их фактическая оптическая аналогия - микроскоп, детали на их изображениях меньше, чем длина синтетической апертуры. С точки зрения радиолокационной техники, в то время как целевая область находится в « дальнем поле » освещающей антенны, она находится в «ближнем поле» моделируемой.

Возвраты от рассеивателей в пределах диапазона любого изображения распространяются на соответствующий интервал времени. Период между импульсами должен быть достаточно длинным, чтобы позволить возвратным сигналам самого дальнего диапазона от любого импульса закончить прибытие до того, как начнут появляться отражения ближайшего диапазона от следующего импульса, чтобы они не перекрывали друг друга во времени. С другой стороны, частота импульсов должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить достаточное количество отсчетов для желаемого разрешения по всему диапазону (или по лучу). Когда радар должен переноситься на высокоскоростном транспортном средстве и должен отображать большую площадь с высоким разрешением, эти условия могут противоречить друг другу, что приводит к так называемой проблеме неоднозначности SAR. Те же соображения применимы и к "обычным" радарам, но эта проблема в значительной степени возникает только тогда, когда разрешение настолько хорошее, что может быть доступно только через процессы SAR.Поскольку в основе проблемы лежит информационная пропускная способность одного канала ввода сигнала, обеспечиваемого одной антенной, единственным решением является использование дополнительных каналов, питаемых дополнительными антеннами. Затем система становится гибридом SAR и фазированной антенной решетки, иногда называемой решеткой Вернье.

Объединение серий наблюдений требует значительных вычислительных ресурсов, обычно с использованием методов преобразования Фурье . Доступная в настоящее время высокая скорость цифровых вычислений позволяет производить такую ​​обработку практически в реальном времени на борту самолета SAR. (Необходима минимальная временная задержка до тех пор, пока все части сигнала не будут приняты.) Результатом является карта отражательной способности радара, включая как амплитуду, так и фазу. Информация об амплитуде, отображаемая на экране, похожем на карту, дает информацию о почвенном покрове почти так же, как и черно-белая фотография. Варианты обработки также могут быть выполнены либо на бортовых станциях, либо на наземных станциях для различных целей, чтобы подчеркнуть определенные особенности изображения для подробного анализа целевой области.

Хотя информация о фазе в изображении обычно не предоставляется человеку-наблюдателю устройства отображения изображений, она может быть сохранена в числовом виде и иногда позволяет распознавать определенные дополнительные характеристики целей. К сожалению, разность фаз между соседними элементами изображения изображения («пикселями») также вызывает эффекты случайной интерференции, называемые « спеклами когерентности».", который представляет собой своего рода зернистость с размерами порядка разрешения, в результате чего концепция разрешения приобретает несколько иное значение. Этот эффект тот же, что и визуально, и фотографически проявляется в оптических сценах с лазерной подсветкой. Масштаб этой случайной спекл-структуры определяется размером синтетической апертуры в длинах волн и не может быть меньше разрешения системы. Спекл-структуру можно подавить за счет разрешения.

До появления быстрых цифровых компьютеров обработка данных производилась с использованием техники оптической голографии . Данные аналогового радара были записаны в виде голографической интерференционной картины на фотопленке в масштабе, позволяющем пленке сохранять полосу пропускания сигнала (например, 1: 1 000 000 для радара, использующего длину волны 0,6 метра). Тогда свет, использующий, например, 0,6-микрометровые волны (как от гелий-неонового лазера ), проходящий через голограмму, может проецировать изображение местности в масштабе, доступном для записи на другую пленку, при разумных фокусных расстояниях процессора около метра. Это сработало, потому что и SAR, и фазированные решетки принципиально похожи на оптическую голографию, но используют микроволны вместо световых. "Оптические процессоры данных", разработанные для этой радиолокационной цели.^{[45] [46] [47]} были первыми эффективными аналоговыми оптическими компьютерными системами и были, по сути, разработаны до того, как голографическая техника была полностью адаптирована к оптическому изображению. Из-за различий в источниках дальности и структуре сигналов радара оптические процессоры данных для SAR включали в себя не только сферические и цилиндрические линзы, но иногда и конические.

Внешний вид изображения [ править ]

Следующие ниже соображения применимы также к радиолокаторам визуализации местности с реальной апертурой, но имеют большее значение, когда разрешение по дальности совпадает с разрешением поперечного луча, которое доступно только от SAR.

Двумя измерениями радиолокационного изображения являются дальность и поперечная дальность. Радиолокационные изображения ограниченных участков местности могут напоминать наклонные фотографии, но не снимки, сделанные с места нахождения радара. Это связано с тем, что координата дальности на радиолокационном изображении перпендикулярна вертикальной угловой координате наклонной фотографии. Таким образом, видимое положение входного зрачка (или центр камеры ) для просмотра такого изображения находится не так, как если бы на радаре, а как если бы в точке, из которой линия взгляда зрителя перпендикулярна направлению наклонной дальности, соединяющему радар и цель. , с увеличением диапазона наклона сверху вниз изображения.

Поскольку наклонные диапазоны для выравнивания местности различаются по вертикальному углу, каждое возвышение такой местности выглядит как криволинейная поверхность, в частности гиперболический косинус . Вертикали на разных диапазонах перпендикулярны этим кривым. Видимое направление взгляда зрителя параллельно оси "гипо" кривой. Объекты, расположенные непосредственно под радаром, выглядят так, как если бы они оптически рассматривались по горизонтали (т. Е. Сбоку), а объекты на дальних расстояниях - как если бы они были видны сверху. Эти искривления не очевидны, если не просматриваются большие участки местности ближнего действия, включая крутые наклонные участки.

При рассмотрении, как указано выше, радиолокационные изображения небольших участков с высоким разрешением могут выглядеть почти как знакомые оптические изображения по двум причинам. Первую причину легко понять, представив на сцене флагшток. Наклон к его верхнему концу меньше, чем к его основанию. Следовательно, веха может выглядеть правильно в верхней части только при просмотре в указанной выше ориентации. Во-вторых, если освещение радара направлено вниз, тени видны в их наиболее привычном направлении «верхнего освещения».

Обратите внимание, что изображение вершины вехи будет наложено на изображение некоторой точки местности, которая находится на той же дуге наклонной дальности, но на более коротком горизонтальном диапазоне ("наземная дальность"). Изображения поверхностей сцены, которые обращены как к освещению, так и к видимой точке зрения, будут иметь геометрию, напоминающую оптическую сцену, наблюдаемую с этой точки зрения. Однако склоны, обращенные к радару, будут укорочены, а уклоны, обращенные от него, будут удлинены по сравнению с их горизонтальными (карта) размерами. Таким образом, первый будет ярче, а второй - тусклым.

Возвраты со склонов круче, чем перпендикулярно к наклонному диапазону, будут наложены на возвраты с более низкого возвышения на более близком участке земли, и оба будут видимыми, но смешанными. Это особенно актуально для вертикальных поверхностей, таких как стены зданий. Еще одно неудобство просмотра, которое возникает, когда поверхность круче, чем перпендикулярно наклонному диапазону, заключается в том, что затем она освещается с одной стороны, но «просматривается» с обратной стороны. Затем «видит», например, обращенную к радару стену здания как бы изнутри, в то время как внутренняя часть здания и задняя стена (ближайшая к зрителю, следовательно, должна быть оптически видимой) исчезли, так как им не хватает освещения, так как они находятся в тени передней стены и крыши. Некоторая отдача с крыши может перекрывать возврат от передней стены,и оба они могут перекрывать возврат с местности перед зданием. Видимая тень здания будет включать тени всех освещенных объектов. У длинных теней могут быть размытые края из-за движения освещающей антенны во время "выдержки времени", необходимой для создания изображения.

Поверхности, которые мы обычно считаем шероховатыми, будут, если эта шероховатость состоит из рельефа, меньшего, чем длина волны радара, будут вести себя как гладкие зеркала, показывая за пределами такой поверхности дополнительные изображения предметов перед собой. Эти зеркальные изображения будут появляться в тени зеркальной поверхности, иногда заполняя всю тень, тем самым препятствуя распознаванию тени.

Важный факт, который относится к РЛС, но не к радарам с реальной апертурой, заключается в том, что направление наложения любой точки сцены не прямо к радару, а к той точке текущего направления пути РЛС, которая является ближайшей к целевой точке. Если SAR «прищуривается» вперед или назад в сторону от точно поперечного направления, то направление освещения и, следовательно, направление тени не будет противоположным направлению наложения, а будет наклонено вправо или влево от него. Изображение будет отображаться с правильной геометрией проекции при просмотре таким образом, чтобы направление наложения было вертикальным, траектория полета SAR находилась над изображением, а диапазон несколько увеличивался вниз.

Объекты, движущиеся в пределах сцены SAR, изменяют доплеровские частоты отраженных сигналов. Таким образом, такие объекты появляются на изображении в местах, смещенных в поперечном направлении на величину, пропорциональную компоненту их скорости в направлении дальности. Дорожные транспортные средства могут быть изображены вне проезжей части и, следовательно, не признаны объектами дорожного движения. Поезда, появляющиеся вдали от своих путей, легче правильно распознать по их длине, параллельной известным путям, а также по отсутствию такой же длины следа рельсового полотна и некоторой прилегающей местности, которые были затенены поездом. В то время как изображения движущихся судов могут быть смещены относительно линии более ранних частей их следа, более свежие части следа, которые все еще участвуют в некоторой части движения судна,выглядят как кривые, соединяющие изображение судна с относительно спокойным дальним следом за кормой. В таких идентифицируемых случаях скорость и направление движущихся предметов можно определить по величине их смещения. Попутный компонент движения цели вызывает некоторую расфокусировку. Случайные движения, такие как движение ветряной листвы деревьев, транспортных средств, движущихся по пересеченной местности, или людей или других животных, идущих или бегущих, обычно делают эти объекты не фокусируемыми, что приводит к размытию или даже фактической невидимости.или люди или другие животные, идущие или бегущие, обычно делают эти объекты не фокусируемыми, что приводит к размытию или даже фактической невидимости.или люди или другие животные, идущие или бегущие, обычно делают эти объекты не фокусируемыми, что приводит к размытию или даже фактической невидимости.

Эти соображения, наряду со спекл-структурой из-за когерентности, требуют некоторого привыкания, чтобы правильно интерпретировать изображения SAR. Чтобы помочь в этом, были накоплены большие коллекции значительных целевых сигнатур, выполняя множество испытательных полетов над известными местностями и культурными объектами.

История [ править ]

Было предложено разделить этот раздел на другую статью под названием « История радаров с синтезированной апертурой» . ( Обсудить ) (февраль 2021 г.)

Карл А. Вили, ^[48] математик из компании Goodyear Aircraft Company в Личфилд-Парке, штат Аризона , изобрел радар с синтезированной апертурой в июне 1951 года, работая над корреляционной системой наведения для программы межконтинентальных баллистических ракет Атлас . ^[49] В начале 1952 года Уайли вместе с Фредом Хейсли и Биллом Велти создали систему проверки концепции, известную как DOUSER (« Доплеровский поисковый радар без луча»). В течение 1950-х и 1960-х годов компания Goodyear Aircraft (позже Goodyear Aerospace) представила множество достижений в области SAR-технологий, многие из которых были достигнуты с помощью Дона Беккерлега . ^[50]

Независимо от работы Уайли, экспериментальные испытания в начале 1952 года, проведенные Шервином и другими в лаборатории систем управления Университета Иллинойса, показали результаты, которые, по их мнению, «могут стать основой для радарных систем с значительно улучшенным угловым разрешением» и могут даже привести к созданию систем, способных фокусировки на всех диапазонах одновременно. ^[51]

В обеих этих программах обработка сигналов радара выполнялась методами фильтрации электрических цепей. По сути, мощность сигнала в изолированных дискретных полосах доплеровской частоты определяла интенсивности изображения, которые отображались в совпадающих угловых положениях в пределах надлежащего диапазона. Когда использовалась только центральная (без доплеровской полосы) часть возвратных сигналов, эффект был таким, как если бы существовала только эта центральная часть луча. Это привело к появлению термина «усиление доплеровского луча». Отображение отраженных сигналов от нескольких соседних ненулевых доплеровских частотных диапазонов обеспечивает дальнейшее «деление луча» (иногда называемое «несфокусированным радаром», хотя его можно было бы считать «полуфокусированным»). Патент Wiley, поданный в 1954 году, по-прежнему предлагал аналогичную обработку.В то время доступная громоздкость схем ограничивала степень, в которой эти схемы могли бы еще больше улучшить разрешение.

Этот принцип был включен в меморандум ^[52], составленный Вальтером Хаусом из General Electric, который был частью тогдашнего секретного отчета летней исследовательской конференции Министерства обороны 1952 года под названием TEOTA («Глаза армии») ^{[53 ],} который стремился определить новые методы, полезные для военной разведки и технического сбора разведданных. Последующая летняя программа в Мичиганском университете 1953 года , названная Project Wolverine, определила несколько объектов TEOTA, включая разрешение субдиапазона с помощью Доплера, как исследовательские усилия, которые будут спонсироваться Министерством обороны (DoD) в различных странах. академические и производственные исследовательские лаборатории. В том же году штат ИллинойсГруппа произвела изображение "полосовой карты", демонстрирующее значительное разрешение суб-луча.

Более продвинутый проект сфокусированного радара был среди нескольких схем дистанционного зондирования, порученных в 1953 году проекту Мичиган, программе, спонсируемой тремя службами (армия, флот, военно-воздушные силы) в Исследовательском центре Уиллоу Ран (WRRC) при Мичиганском университете. находится в ведении армейского корпуса связи . Первоначально он назывался проектом радара бокового обзора, но был реализован группой, сначала известной как Лаборатория радаров, а затем Лаборатория радара и оптики. Он предлагал учитывать не только кратковременное существование нескольких конкретных доплеровских сдвигов, но и всю историю постоянно меняющихся сдвигов от каждой цели, когда последняя пересекала луч. Ранний анализ доктора Луи Дж. Катрона, Уэстона Э. Вивиан и Эмметта Н. Лейтаэтой группы показали, что такая полностью сфокусированная система должна обеспечивать на всех диапазонах разрешение, равное ширине (или, по некоторым критериям, полуширине) реальной антенны, установленной на радарном самолете и постоянно направленной в сторону путь самолета. ^[54]

Требуемая обработка данных заключалась в вычислении взаимной корреляции принятых сигналов с выборками форм сигналов, ожидаемых от источников единичной амплитуды в различных диапазонах. В то время даже большие цифровые компьютеры обладали возможностями, близкими к уровню сегодняшних карманных калькуляторов с четырьмя функциями, следовательно, они были далеко не в состоянии выполнять такой огромный объем вычислений. Вместо этого устройство для выполнения корреляционных вычислений должно было быть оптическим коррелятором .

Было предложено, чтобы сигналы, принятые бегущей антенной и когерентно детектированные, отображались в виде единой линии трассировки дальности по диаметру лицевой стороны электронно-лучевой трубки.при этом последовательные формы линии записываются как изображения, проецируемые на пленку, движущуюся перпендикулярно длине этой линии. Информация о проявленной пленке должна была впоследствии быть обработана в лаборатории на оборудовании, которое еще не было разработано в качестве основной задачи проекта. В первоначальном предложении процессора предполагалось, что расположение линз будет умножать записанные сигналы по точкам на известные формы сигналов, последовательно пропуская свет как через сигнальную пленку, так и через другую пленку, содержащую известный образец сигнала. Последующий этап суммирования или интегрирования корреляции должен был выполняться путем сведения соответствующих наборов произведений умножения посредством фокусирующего действия одной или нескольких сферических и цилиндрических линз. Фактически, процессор должен был быть оптическим аналоговым компьютером.выполнение крупномасштабных скалярных арифметических вычислений сразу во многих каналах (с множеством световых «лучей»). В конечном итоге потребуются два таких устройства, а их выходы должны быть объединены как квадратурные компоненты полного решения.

К счастью (как выяснилось позже), стремление к тому, чтобы оборудование было компактным, привело к записи эталонного изображения на 35-мм пленку . Испытания сразу же показали, что узоры на пленке настолько хороши, что демонстрируют ярко выраженные дифракционные эффекты, препятствующие резкой конечной фокусировке. ^[46]

Это привело Лейта, физика, который разрабатывал коррелятор, к пониманию того, что эти эффекты сами по себе могут за счет естественных процессов выполнять значительную часть необходимой обработки, поскольку полосы записи, расположенные вдоль дорожки, действуют как диаметральные срезы серии изображений. круглые оптические зонные пластины. Любая такая пластина работает как линза, каждая пластина имеет определенное фокусное расстояние для любой заданной длины волны. Запись, которая считалась скалярной, стала распознаваться как пары векторов противоположного знака из многих пространственных частот плюс величина «смещения» нулевой частоты. Необходимое корреляционное суммирование изменилось с пары скалярных на одно векторное.

Каждая полоса зонной пластины имеет два равных, но противоположно обозначенных фокусных расстояния: одно реальное, где луч, проходящий через него, сходится к фокусу, и одно виртуальное, где другой луч, кажется, расходится, за другую сторону зонной пластины. Компонент нулевой частоты ( смещение постоянного тока ) не имеет фокуса, но перекрывает как сходящиеся, так и расходящиеся лучи. Ключом к получению из сходящейся волновой составляющей сфокусированных изображений, которые не перекрываются нежелательной дымкой от двух других, является блокирование последней, позволяя только желаемому лучу проходить через правильно расположенную апертуру выбора полосы частот.

Каждый диапазон радара дает полосу зонной пластины с фокусным расстоянием, пропорциональным этому диапазону. Этот факт стал принципиальным затруднением при проектировании оптических процессоров . Следовательно, технические журналы того времени содержат большой объем материала, посвященного способам справиться с изменением фокуса в зависимости от диапазона.

Для этого серьезного изменения подхода использованный свет должен был быть как монохроматическим, так и когерентным - свойства, которые уже были обязательными для излучения радара. Лазеры также были в будущем, наилучшим тогда доступным приближением к когерентному источнику света был выход ртутной лампы , прошедший через цветной фильтр, который был согласован с зеленой полосой спектра лампы, а затем сконцентрирован настолько хорошо, насколько это возможно. на очень маленькую диафрагму, ограничивающую луч. Хотя полученное количество света было настолько слабым, что приходилось использовать очень большие времена экспозиции, работоспособный оптический коррелятор был собран вовремя, чтобы его можно было использовать, когда соответствующие данные стали доступны.

Хотя создание этого радара было более простой задачей, основанной на уже известных методах, эта работа действительно требовала достижения линейности сигнала и стабильности частоты, которые находились на высшем уровне техники. Соответствующий прибор был разработан и построен Радарной лабораторией и был установлен на C-46 ( Curtiss Commando) самолет. Поскольку самолет был доставлен в WRRC армией США и эксплуатировался и обслуживался собственными пилотами и наземным персоналом WRRC, он был доступен для многих полетов, время от времени совпадающих с потребностями радарной лаборатории, что важно для обеспечения возможности частых повторных испытаний и «отладки». »постоянно развивающегося сложного оборудования. Напротив, группа из Иллинойса использовала C-46, принадлежащий ВВС и пилотируемый пилотами ВВС только по предварительной договоренности, что привело, по мнению этих исследователей, к менее чем желательной частоте летных испытаний. их оборудования, следовательно, низкая пропускная способность обратной связи от тестов. (Позднее работа с более новыми самолетами Convair продолжила локальный контроль над расписанием полетов, осуществляемый группой в Мичигане.)

Выбранная Мичиганом 5-футовая (1,5 м) избыточная антенна времен Второй мировой войны теоретически была способна обеспечивать разрешение 5 футов (1,5 м), но сначала использовались данные только с 10% ширины луча, цель в то время заключалась в том, чтобы для демонстрации разрешения 50 футов (15 м). Было понятно, что более высокое разрешение потребует дополнительной разработки средств обнаружения отклонений самолета от идеального курса и траектории полета и использования этой информации для внесения необходимых поправок в наведение антенны и принятые сигналы перед обработкой. После многочисленных испытаний, в которых даже небольшая атмосферная турбулентность не позволяла самолету лететь по прямой и горизонтальной плоскости, достаточной для получения хороших данных на высоте 50 футов (15 м), был проведен один предрассветный полет в августе 1957 г. ^[55]дали похожее на карту изображение области аэропорта Уиллоу-Ран, которое действительно продемонстрировало разрешение 50 футов (15 м) в некоторых частях изображения, тогда как ширина освещенного луча там составляла 900 футов (270 м). Хотя Министерство обороны рассматривало возможность прекращения программы из-за того, что казалось отсутствием результатов, этот первый успех обеспечил дальнейшее финансирование для продолжения разработки, ведущей к решениям этих признанных потребностей.

Принцип SAR был впервые публично признан в пресс-релизе от апреля 1960 года об экспериментальной системе AN / UPD-1 армии США, которая состояла из бортового элемента, изготовленного Texas Instruments и установленного на самолете Beech L-23D, и мобильного наземного устройства передачи данных. станция обработки производства WRRC, установленная в военном фургоне. В то время природа процессора данных не была раскрыта. Техническая статья в журнале профессиональной группы IRE ( Института радиоинженеров ) по военной электронике за февраль 1961 г. ^[56]описал принцип SAR и версии C-46 и AN / UPD-1, но не сообщил, как обрабатывались данные, а также не указывало, что максимальное разрешение UPD-1 составляет около 50 футов (15 м). Однако июньский выпуск журнала IRE Professional Group по теории информации за 1960 г. содержал большую статью ^[57] «Оптические системы обработки и фильтрации данных», написанные членами группы из Мичигана. Хотя это не относилось к использованию этих методов для радара, читатели обоих журналов могли довольно легко понять существование связи между статьями некоторых авторов.

Операционная система, которая будет установлена ​​в разведывательной версии самолета F-4 «Фантом», была быстро разработана и недолгое время использовалась во Вьетнаме, где она не произвела благоприятного впечатления на пользователей из-за сочетания ее низкого разрешения (аналогично UPD-1), пестрый характер его когерентно-волновых изображений (аналогичный пестроте лазерных изображений) и плохо понимаемое отличие его изображений по дальности / кросс-диапазону от углов / угловых оптических изображений, знакомых военным фотоинтерпретаторам. Уроки, которые она принесла, были хорошо усвоены последующими исследователями, разработчиками операционных систем, инструкторами по интерпретации изображений, а также Министерством обороны, спонсорами дальнейшей разработки и приобретения.

В последующей работе в конечном итоге была достигнута скрытая способность техники. Эта работа, основанная на передовых схемах радаров и точном обнаружении отклонений от идеального прямого полета, наряду с более сложными оптическими процессорами, использующими лазерные источники света и специально разработанные очень большие линзы, сделанные из удивительно прозрачного стекла, позволила Michiganгруппы для повышения разрешения системы примерно с 5-летними интервалами, сначала до 15 футов (4,6 м), затем до 5 футов (1,5 м), а к середине 1970-х годов до 1 фута (последнее только на очень коротких интервалах пока обработка еще производилась оптически). Последние уровни и связанный с ними очень широкий динамический диапазон оказались подходящими для идентификации многих объектов, представляющих военное значение, а также особенностей почвы, воды, растительности и льда, изучаемых различными исследователями окружающей среды, имеющими допуски, позволяющие им получить доступ к тому, что затем было засекречено. образы. Аналогично улучшенные операционные системы вскоре следовали за каждым из этих шагов более точного разрешения.

Даже столик с разрешением 5 футов (1,5 м) переоценил способность электронно-лучевых трубок (ограниченная примерно 2000 различимыми элементами по диаметру экрана) передавать достаточно мелкие детали, чтобы сигнализировать о пленках, при этом покрывая широкий диапазон полос, и аналогичным образом облагали налогом системы оптической обработки. Однако примерно в то же время цифровые компьютеры наконец-то стали способны выполнять обработку без подобных ограничений, и последующее представление изображений на мониторах с электронно-лучевой трубкой вместо пленки позволило лучше контролировать тональное воспроизведение и более удобное измерение изображения.

Достижению высочайшего разрешения на больших расстояниях способствовало добавление возможности поворачивать большую бортовую антенну для более сильного непрерывного освещения ограниченной целевой области при сборе данных с несколькими градусами аспекта, устраняя предыдущее ограничение разрешения шириной антенны. . Это называлось режимом прожектора, который больше не производил изображения с непрерывной полосой обзора, а вместо этого создавал изображения отдельных участков местности.

На самом раннем этапе разработки SAR стало понятно, что чрезвычайно плавный орбитальный путь платформы вне атмосферы делает ее идеально подходящей для работы SAR. Ранний опыт с искусственными спутниками Земли также продемонстрировал, что доплеровские сдвиги частоты сигналов, проходящих через ионосферу и атмосферу, были достаточно стабильными, чтобы обеспечить очень высокое разрешение даже на дальностях в сотни километров. ^[58] Первые космические РСА-изображения Земли были продемонстрированы в рамках проекта, который теперь называется Quill (рассекреченный в 2012 году). ^[59]

После того, как начальная работа началась, некоторые возможности для создания полезных секретных систем не существовали еще два десятилетия. Эта, казалось бы, медленная скорость прогресса часто сопровождалась прогрессом других изобретений, таких как лазер, цифровой компьютер , миниатюризация схем и компактное хранение данных. С появлением лазера обработка оптических данных стала быстрым процессом, поскольку он обеспечивал множество параллельных аналоговых каналов, но разработка оптических цепей, подходящих для согласования фокусных расстояний сигналов с диапазонами, проходила в несколько этапов и, как выяснилось, потребовала некоторых новых оптических компонентов. Поскольку процесс зависел от дифракции световых волн, требовались антивибрационные крепления , чистые помещения., и высококвалифицированные операторы. Даже в лучшем случае использование ЭЛТ и пленки для хранения данных ограничивало диапазон глубины изображений.

На нескольких этапах оказалось, что достижение часто чрезмерно оптимистичных ожиданий в отношении цифрового вычислительного оборудования заняло гораздо больше времени, чем предполагалось. Например, система SEASAT была готова к выходу на орбиту до того, как стал доступен ее цифровой процессор, поэтому для своевременного подтверждения работы системы пришлось использовать быстро собранные схемы оптической записи и обработки. В 1978 году канадской аэрокосмической компанией MacDonald Dettwiler (MDA) был разработан первый цифровой процессор SAR . ^[60] Когда его цифровой процессор был наконец завершен и использован, цифровому оборудованию того времени требовалось много часов, чтобы создать одну полосу изображения из каждого прогона нескольких секунд данных. ^[61]Тем не менее, хотя это был шаг вниз по скорости, это был шаг вверх по качеству изображения. Современные методы теперь обеспечивают как высокую скорость, так и высокое качество.

Хотя выше указано, что вклад в разработку системы вносят лишь несколько организаций, многие другие группы также стали участниками, поскольку значение SAR становилось все более и более очевидным. Особенно важным для организации и финансирования первоначального длительного процесса разработки был технический опыт и дальновидность ряда менеджеров проектов, как гражданских, так и одетых в форму, в агентствах по закупке оборудования в федеральном правительстве, особенно, конечно, в вооруженных силах и в других странах. в спецслужбах, а также в некоторых гражданских космических агентствах.

Поскольку ряд публикаций и интернет-сайтов ссылается на молодого выпускника физики Массачусетского технологического института по имени Роберт Райнс как на изобретателя радара с высоким разрешением в 1940-х годах, люди, которые сталкивались с ними, могут задаться вопросом, почему об этом здесь не упоминается. Фактически, ни один из его нескольких патентов, связанных с радиолокационными изображениями ^[62]действительно имел эту цель. Вместо этого они предположили, что изображения полей радарных объектов с высоким разрешением могут быть получены с помощью уже известных «диэлектрических линз», причем изобретательские части этих патентов представляют собой способы преобразования этих изображений, сформированных с помощью микроволн, в видимые. Однако это предположение неверно подразумевало, что такие линзы и их изображения могут иметь размеры, сравнимые с их оптическими аналогами, тогда как чрезвычайно большие длины волн микроволн фактически потребовали бы, чтобы линзы имели апертуру в тысячи футов (или метров) шириной, как у линз. изображения, моделируемые SAR, и изображения будут сравнительно большими. Очевидно, не только этот изобретатель не смог признать этот факт, но и патентные эксперты, одобрившие его несколько заявок, а также те, кто так широко распространил ошибочную историю.Людей, стремящихся понять SAR, не следует вводить в заблуждение ссылками на эти патенты.

Связь с фазированными решетками [ править ]

Метод, тесно связанный с SAR, использует массив (называемый « фазированной решеткой»).") реальных антенных элементов, пространственно распределенных в одном или двух измерениях, перпендикулярных измерению дальности действия радара. Эти физические массивы являются поистине синтетическими, действительно создаваемыми путем синтеза набора дополнительных физических антенн. Их работа не обязательно связана с движением относительно к целям. Все элементы этих массивов принимают одновременно в реальном времени, и сигналы, проходящие через них, могут индивидуально подвергаться контролируемым сдвигам фаз этих сигналов. Одним из результатов может быть наиболее сильная реакция на излучение, полученное от конкретной небольшой сцены Область, фокусируясь на этой области, чтобы определить ее вклад в общий принятый сигнал.Когерентно обнаруженный набор сигналов, полученных по всей апертуре массива, может быть воспроизведен в нескольких каналах обработки данных и обработан по-разному в каждом.Набор откликов, прослеженных таким образом к различным небольшим областям сцены, может быть отображен вместе как изображение сцены.

Для сравнения, один (обычно) физический антенный элемент SAR собирает сигналы в разных положениях в разное время. Когда радар установлен на летательном аппарате или орбитальном транспортном средстве, эти положения являются функциями одной переменной - расстояния по траектории транспортного средства, которое является одним математическим измерением (не обязательно таким же, как линейный геометрический размер). Сигналы сохраняются, становясь, таким образом, функциями уже не времени, а местоположений записи в этом измерении. Когда сохраненные сигналы считываются позже и объединяются с определенными фазовыми сдвигами, результат такой же, как если бы записанные данные были собраны с помощью фазированной решетки такой же длины и формы.Таким образом синтезируется набор сигналов, эквивалентных тем, которые могли быть приняты одновременно такой реальной фазированной антенной решеткой с большой апертурой (в одном измерении). SAR моделирует (а не синтезирует) эту длинную одномерную фазированную решетку. Хотя термин в названии этой статьи, таким образом, был неправильно получен, теперь он прочно закрепился за полвека использования.

Хотя работу фазированной решетки легко понять как полностью геометрическую технику, тот факт, что система с синтетической апертурой собирает свои данные, когда она (или ее цель) движется с некоторой скоростью, означает, что фазы, которые менялись с пройденным расстоянием, изначально менялись со временем, следовательно, составляли временные частоты. Временные частоты являются переменными, обычно используемыми инженерами радаров, их анализ систем SAR обычно (и очень продуктивно) формулируется в таких терминах. В частности, изменение фазы во время полета по длине синтетической апертуры рассматривается как последовательность доплеровскихсдвиги принимаемой частоты от передаваемой частоты. Однако важно понимать, что после того, как полученные данные были записаны и, таким образом, стали вневременными, ситуация с обработкой данных SAR также может быть понятна как особый тип фазированной решетки, рассматриваемой как полностью геометрический процесс.

Суть как методов SAR, так и методов фазированной решетки состоит в том, что расстояния, на которые распространяются радиолокационные волны к каждому элементу сцены и обратно, состоят из некоторого целого числа длин волн плюс некоторая часть «конечной» длины волны. Эти фракции вызывают различия между фазами повторного излучения, полученного в различных положениях SAR или антенных решеток. Когерентное обнаружение необходимо для захвата информации о фазе сигнала в дополнение к информации об амплитуде сигнала. Этот тип обнаружения требует обнаружения разницы между фазами принимаемых сигналов и одновременной фазой хорошо сохранившегося образца передаваемого освещения.

Каждая волна, рассеянная из любой точки сцены, имеет круговую кривизну вокруг этой точки как центра. Таким образом, сигналы от точек сцены в разных диапазонах поступают в планарную решетку с разной кривизной, что приводит к изменениям фазы сигнала, которые следуют различным квадратичным вариациям в плоской фазированной решетке. Дополнительные линейные отклонения возникают из-за точек, расположенных в разных направлениях от центра массива. К счастью, любая комбинация этих вариаций уникальна для одной точки сцены и может быть вычислена. Для SAR двустороннее движение удваивает это изменение фазы.

Читая следующие два абзаца, будьте особенно внимательны, чтобы различать элементы массива и элементы сцены. Также помните, что каждый из последних, конечно же, имеет соответствующий элемент изображения.

Сравнение изменения фазы сигнала решетки по решетке с общей рассчитанной схемой изменения фазы может выявить относительную часть общего принятого сигнала, который пришел из единственной точки сцены, которая может быть ответственна за эту схему. Один из способов сделать сравнение - вычисление корреляции, умножение для каждого элемента сцены полученного и вычисленного элемента массива значений интенсивности поля на элемент массива с последующим суммированием произведений для каждого элемента сцены. В качестве альтернативы, можно для каждого элемента сцены вычесть вычисленный фазовый сдвиг каждого элемента массива из фактической принятой фазы, а затем векторно суммировать результирующие разности напряженности поля по массиву. Везде, где в сцене две фазы существенно сокращаются повсюду в массиве, добавляемые разностные векторы совпадают по фазе, что даетдля этой точки сцены максимальное значение суммы.

Эквивалентность этих двух методов можно увидеть, признав, что умножение синусоид может быть выполнено путем суммирования фаз, которые являются показателями комплексного числа е, основания натурального логарифма.

Как бы то ни было, процесс получения изображения сводится к «обратному отслеживанию» процесса, с помощью которого природа ранее распределяла информацию о сцене по массиву. В каждом направлении процесс можно рассматривать как преобразование Фурье , которое является разновидностью процесса корреляции. Затем используемый нами процесс извлечения изображений можно рассматривать как еще одно преобразование Фурье, которое является обращением исходного естественного преобразования.

Важно понимать, что только те субволновые различия последовательных диапазонов от передающей антенны до каждой целевой точки и обратно, которые определяют фазу сигнала, используются для улучшения разрешения в любом геометрическом измерении. Центральное направление и угловая ширина освещающего луча не влияют напрямую на достижение такого высокого разрешения. Вместо этого они служат только для выбора области телесного угла, из которой принимаются данные полезного диапазона. В то время как некоторое различение диапазонов различных элементов сцены может быть сделано по формам вариаций их субволнового диапазона на коротких расстояниях, очень большая глубина фокуса, которая возникает на больших расстояниях, обычно требует общих различий диапазона (больше, чем длина волны) может использоваться для определения разрешения по диапазону, сравнимого с достижимым разрешением по диапазону.

Сбор данных [ править ]

Высокоточные данные могут быть получены с самолетов, пролетающих над рассматриваемой местностью. В 1980-х годах в качестве прототипа инструментов, которые будут использоваться на космических шаттлах НАСА, НАСА использовало радар с синтезированной апертурой на НАСА Convair 990 . В 1986 году этот самолет загорелся при взлете. В 1988 году НАСА перестроило SAR в диапазонах C, L и P для полета на самолетах NASA DC-8 . Названный AIRSAR , он выполнял миссии по всему миру до 2004 года. Другой такой самолет, Convair 580 , летал Канадским центром дистанционного зондирования примерно до 1996 года, когда он был передан Министерству окружающей среды Канады по бюджетным причинам. Большинство геодезических приложений в настоящее время выполняется с помощью спутниковых наблюдений. Спутники, такие какERS-1 /2, JERS-1 , Envisat ASAR и RADARSAT-1 были запущены специально для проведения такого рода наблюдений. Их возможности различаются, особенно в том, что касается поддержки интерферометрии, но все они собрали огромное количество ценных данных. Шаттл также осуществляется с синтезированной апертурой радиолокационного оборудования во время SIR-A и SIR-B миссии в течение 1980-х годов Shuttle Radar Лаборатория (SRL) миссии в 1994 году и Shuttle Radar Топография миссии в 2000 году.

Аппараты « Венера-15» и « Венера-16», за которыми последовал космический зонд « Магеллан», нанесли на карту поверхность Венеры в течение нескольких лет с помощью радара с синтезированной апертурой.

Радар с синтезированной апертурой был впервые использован НАСА на океанографическом спутнике JPL Seasat в 1978 году (эта миссия также имела высотомер и рефлектометр ); Позже он был более широко разработан в миссиях космических радаров для получения изображений (SIR) на космических челноках в 1981, 1984 и 1994 годах. Миссия Кассини на Сатурн использовала SAR для составления карты поверхности главного спутника планеты Титана , поверхность которого частично скрыта от прямой оптический контроль по атмосферной дымке. SHARAD звучащего радара на Mars Reconnaissance Orbiter и MARSIS инструменте на Mars Expressнаблюдали коренную породу под поверхностью полярного льда Марса, а также указали на вероятность образования значительного водяного льда в средних широтах Марса. На орбитальном аппарате Lunar Reconnaissance Orbiter , запущенном в 2009 году, установлен прибор SAR под названием Mini-RF , который был разработан в основном для поиска отложений водяного льда на полюсах Луны .

Проект Mineseeker разрабатывает систему для определения наличия в регионах наземных мин на основе дирижабля, несущего сверхширокополосный радар с синтезированной апертурой. Первичные испытания многообещающи; радар способен обнаруживать даже закопанные пластиковые мины.

SAR в течение многих лет использовался в радиоастрономии для моделирования большого радиотелескопа путем объединения наблюдений, полученных из разных мест с помощью мобильной антенны.

Национальное разведывательное управление поддерживает флот (ныне рассекреченный) радиолокационные спутники с синтезированной апертурой , обычно обозначенным как лакрос или Onyx .

В феврале 2009 года самолет- разведчик Sentinel R1 поступил на вооружение Королевских ВВС, оснащенный бортовой радиолокационной станцией на базе SAR ( ASTOR ).

Военная спутниковая система разведки SAR-Lupe Вооруженных сил Германии ( Бундесвер ) полностью готова к работе с 22 июля 2008 года.

С января 2021 года несколько коммерческих компаний начали запускать группировки спутников для сбора РСА-изображений Земли. ^[63]

Распределение данных [ править ]

Alaska Satellite Facility обеспечивает производство, хранение и распространение в научном сообществе продуктов и инструментов , данных SAR от активных и прошлых миссий, включая выпуск новых обработанных, 35-летний образность Seasat SAR июня 2013 года .

CSTARS осуществляет нисходящую линию связи и обрабатывает данные SAR (а также другие данные) с различных спутников и поддерживает Школу морских и атмосферных наук им . Розенстила при Университете Майами . CSTARS также поддерживает операции по оказанию помощи при стихийных бедствиях, океанографические и метеорологические исследования, а также проекты исследований в области безопасности портов и мореплавания.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Первая и окончательная монография по SAR - это радар с синтезированной апертурой: системы и обработка сигналов (серия Wiley по дистанционному зондированию и обработке изображений) Джона К. Керлендера и Роберта Н. МакДоноу.
• Развитие радаров с синтезированной апертурой (SAR) рассматривается в Gart, Jason H. «Electronics and Aerospace Industry in Cold War Arizona, 1945–1968: Motorola, Hughes Aircraft, Goodyear Aircraft». Доктор философии, Университет штата Аризона, 2006.
• Текст, который включает введение в SAR, подходящее для начинающих, - это «Введение в микроволновое дистанционное зондирование» Иэна Х. Вудхауса, CRC Press, 2006.
• Морейра, А .; Prats-Iraola, P .; Юнис, М .; Krieger, G .; Hajnsek, I .; Папатанассиу, КП (2013). "Учебное пособие по радиолокаторам с синтезированной апертурой" (PDF) . Журнал IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine . 1 : 6–43. DOI : 10.1109 / MGRS.2013.2248301 . S2CID  7487291 .

Внешние ссылки [ править ]

• Измерения InSAR с космического корабля "Шаттл"
• Изображения с прибора SAR космического корабля "Шаттл"
• Спутниковый комплекс на Аляске содержит множество технических документов, в том числе вводный текст по теории SAR и научным приложениям.
• SAR Journal SAR Journal отслеживает индустрию радаров с синтезированной апертурой (SAR)
• Радар НАСА обнаружил спрятанные останки в древнем Ангкоре - лаборатория реактивного движения