رادار تصويري

فرستنده :صالح لشگري _برق_گروه آموزشي همکلاسي

E-mail:

چکيده

رادار يك سيستم الكترومغناطيسي است كه براي تشخيص و تعيين موقعيت هدف بكار مي رود . با رادار مي توان درون محيطي را كه براي چشم ،غير قابل نفوذ است ديد مانند تاريكي ،باران،مه.برف،غبار و غيره . اما مهمترين مزيت رادار توانايي آن درتعيين فاصله يا حدود هدف مي باشد .كاربرد رادارها در اهداف زميني ، هوايي،دريايي، فضايي و هواشناسي مي باشد. ايجاد سيستمي با توانايي بالا در رديابي پديده ها و ايجاد تصاوير با کيفيت بالا از آنها هدف عمده ساخت رادار تصويري مي باشد .

مقدمه

گاه امکان بررسي اجسام از نزديک وجود ندارد . براي مثال جهت بررسي سطح اقيانوس ها نقشه برداري از عراضي جغرافيايي لزوم ساخت وسايلي که بتوانند از راه دور اين کاررا انجام دهند به چشم مي خورد . با دستيابي به تکنولوژي سنجش از راه دور بسياري از اين مشکلات برطرف گشت . در واقع در اين روش امکان بررسي اجسام وسطوحي که نياز به بررسي از راه دور دارند را فراهم مي آورد . سنجش از راه دور رامي توان به دو بخش فعال و غير فعال تقسيم کرد . گستره طول موج امواج مايکرويو نسبت به طيف مادون قرمز ومرئي سبب گرديده تا از سنجش از راه دور به وسيله امواج از اين طيف استفاده گردد .

عملکردسيستم هاي سنجش غيرفعال همانند سيستم هاي سنجش دما عمل مي کنند .در اينگونه سيستم ها با اندازه گيري انرژي الکترومغناطيسي که هر جسم به طور طبيعي از خود ساتع مي کند نتايج لازم کسب مي گردد .هواشناسي واقيانوس نگاري از کاربردهاي اين نوع سنجش مي باشد .

در سيستم هاي سنجش فعال از طيف موج مايکرويو براي روشن کردن هدف استفاده مي شود . اين سنسورها را مي توان به دو بخش تقسيم کرد : سنسورهاي تصويري و غيرتصويري (فاقد قابليت تصويربرداري) .

از انواع سنسور هاي غير تصويري مي توان به ارتفاع سنج واسکترومتر ها(پراکنش سنج ) اشاره کرد .کاربرد ارتفاع سنج ها در عکس برداري جغرافيايي وتعيين ارتفاع ازسطح دريا مي باشد .اسکترومتر که اغلب بر روي زمين نصب ميگردند ميزان پراکنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گيري مي کنند . اين وسيله در مواردي همچون اندازه گيري سرعت باد در سطح دريا و کاليبراسيون تصوير رادار کابرد دارد .

معمول ترين سنسور فعال که عمل تصويربرداري را انجام مي دهد رادار مي باشد . رادار( radio detection and ranging ) مخفف وبه معناي آشکارسازي به کمک امواج مايکرويو است .به طور کلي مي توان عملکرد رادار را در چگونگي عملکرد سنسورهاي آن خلاصه کرد . سنسورها سيگنال هاي مايکرويو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال کرده وسپس سيگنال هاي بازتابيده شده از سطوح مختلف را شناسايي مي کند . قدرت (ميزان انرژي) سيگنالهاي پراکنده شده جهت تفکيک اهداف مورد استفاده قرارمي گيرد . با اندازه گيري فاصه زماني بين ارسال ودريافت سيگنال ها مي توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد . از مزاياي شاخص رادار مي توان به عملکرد رادار در شب يا روز وهمچنين قابليت تصويربرداري درشرايط آب و هوايي مختلف اشاره کرد . امواج مايکرويو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران مي باشند . از آنجاييکه عملکرد رادار با طرز کار سنسورهايي که با طيف هاي مرئي ومادون قرمز کار مي کنند متفاوت است لذا مي توان با تلفيق اطلاعات بدست آمده تصاوير دقيقي را بدست آورد .

تاريخچه

اولين تجربه در مورد بازتابش امواج راديويي توسط هرتز آلماني در سال 1886 بدست آمد . پس از گذشت مدت زمان کمي اولين رادار که از آن براي آشکارسازي کشتي ها استفاده مي شد مورد بهره برداري قرار گرفت . در سالهاي 1920 تا 1930 پيشرفت هايي در جهت ساخت رادار با قابليت تعيين فاصله اهداف صورت گرفت . اولين رادارهاي تصويري درطي جنگ جهاني دوم براي آشکارسازي وموقعيت يابي کشتي ها وهواپيماها استفاده شد . بعد از جنگ جهاني دوم راداربا ديد جانبي ( SLAR ) جهت جستجوي اهداف نظامي و کشف مناطق نظامي ساخته شد . اينگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسير پرواز قادر به تفکيک دقيقتر اهداف مورد نظر بودند . در سال 1950 با توسعه سيستم هاي SLAR تکنولوژي رادار دهانه ترکيبي ( رادار با آنتن ترکيبي) گامي در جهت ايجاد تصاوير با کيفيت بالا برداشته شد . در سال 1960 استفاده از رادارها ي هوايي و فضايي توسعه يافت وعلاوه برکاربرد نظامي جهت نقشه برداري هاي جغرافيايي و اکتشافات علمي و... نيز مورد استفاده قرار گرفتند .

اصول رادار

مهمترين نکته حائز اهميت در بخش قبل را ميتوان معرفي رادار به عنوان وسيله اندازه گيري معرفي کرد . اجزاء تشکيل دهنده سيستم رادار فرستنده , گيرنده آنتن وسيستم هاي الکتريکي جهت ثبت و پردازش اطلاعات مي باشد .

همانطور که در تصوير شماره 1 مشاهده مي شود فرستنده پالس هاي کوتاه مايکرويو (A) را که بوسيله آنتن راداربه صورت پرتو متمرکز مي شوند(B) با فاصله زماني معيين توليد مي کند . آنتن راداربخشي از سيگنال هاي بازتابيده شده (c) از سطوح مختلف را دريافت مي کند.

با اندازه گيري مدت زمان ارسال پالس و دريافت پژواک هاي پراکنده شده از اشياء مختلف مي توان فاصله آنها ودر نتيجه موقعيت آنها را تعيين نمود .با ثبت و پردازش سيگنال بازتابيده توسط سنسور تصوير دو بعدي از سطح مورد نظر تشکيل مي گردد .

پهناي باند

از آنجاييکه گستره طيف امواج مايکرويو نسبت به طيف هاي مرئي ومادون قرمزوسيع تر مي باشد لذا اکثر رادار ها از اين طيف استفاده مي کنند . در رادارهاي تصويري اغلب از طول موج هاي زير استفاده مي شود:

ka&k&ku band

X_band

C_band

S_band

L_band

P_band

(max)

تمامي طول موج هاي استفاده شده در رادارهاي تصويري در محدوده سانتيمتر است . طول موج رادار در نحوه تشکيل تصوير موثر مي باشد . با افزايش طول موج شاهد تصاوير با کيفيت بهتر مي باشيم .در دو تصوير زير(تصاوير شماره 2و3) از دو طول موج متفاوت استفاده شده است . شما مي توانيد تفاوت آشکاري را که دراين تصاوير وجود دارد مشاهده نماييد . علت اين تفاوت تغيير در نحوه فعل وانفعال سيگنال با سطح اشياء ميباشد که در ادامه درباره اين موضوع صحبت خواهد شد .

c-band l_band

قطبيدگي( polarization )

هنگامي که در مورد امواج الکترومغناطيسي همانند امواج مايکرويو صحبت مي گردد بحث درباره قطبيدگي حائز اهميت مي باشد . قطبيدگي عبارت است از جهت ميدان الکتريکي در امواج الکترومغناطيسي . به طور کلي مي توان قطبيدگي امواج را به سه دسته تقسيم بندي کرد : قطبيدگي خطي و دايره اي وبيضوي .

اغلب رادار هاي تصويري از قطبيدگي خطي استفاده کرده , که اين نوع قطبيدگي را مي توان به دو بخش عمودي( vertical ) وافقي ( horizontal ) تقسيم بندي کرد (تصوير شماره4). اغلب سنسورهاي رادار طوري طراحي شده اند که قابليت ارسال وهمچنين دريافت امواج را به يکي از دو صورت بالا دارا هستند . در بعضي از رادارها دريافت وارسال امواج با ترکيبي از دو نوع قطبيدگي انجام مي پذيرد .

به طور کلي مي توان چهارترکيب از قطبيدگي رادرا در نظر گرفت :

HH

VV

HV

VH

حرف H نشان دهنده قطبيدگي افقي وحرفV نمايانگر قطبيدگي عمودي ميباشد . درچهارترکيب بالا حرف سمت راست نحوه دريافت سيگنال را نشان مي دهد .

هندسه رادار ( radar geometry )

درسيستم تصويربرداري رادار هوايي با جابجانمودن سکو در يک مسير مستقيم که مسيرپرواز( flight direction ) (A) ناميده مي شودعمل تصويربرداري انجام ميگردد . پاي قائم در صفحه تصوير را ندير( nadir ) (B) مي ناميم .آنتن رادار امواج را براي روشن کردن نوارتصوير( swath ) (C) ارسال مي کند . با قرار گرفتن نوارهاي تصوير در کنار هم ناحيه تصوير( track ) (ناحيه خاکستري رنگ ) تشکيل مي گردد که اين ناحيه نسبت به خط ندير فاصله دارد . محور طولي ناحيه تصويرکه با مسير پروازموازي مي باشدرا سمت( azimuth ) (E) ومحورعرضي راکه برمسيرپروازعمود است را برد( range ) (D) مي ناميم .

واژّه شناسي

محدوده نزديک ( Near range ): بخشي از نوارتصوير که به خط ندير نزديک است .

محدوده دور( far range ) : بخشي از نوار تصوير که در فاصله دور نسبت به خط ندير قرار دارد .

برد مايل ( slant range ): خط شعاعي که از رادار به هريک از اهداف مي توان نظير کرد .

برد زميني ( ground range ) : تصوير برد مايل در سطح زمين .

زاويه تابش( incidence angle ) : زاويه بين پرتورادار و سطح زمين .

زاويه ديد( look angle ) : زاويه بين خط عمود وپرتو رادار.

اثرات سطح بر تصوير رادار

ميزان روشنايي ( درخشندگي ) تصوير به ميزان پراکندگي( scattering ) سيگنال هاي مايکرويودر برخورد باسطح بستگي دارد . پراکنش سيگنال به پارامترهايي از قبيل مشخصات رادار (فرکانس قطبيدگي هندسه ديد و...) وهمچنين خصوصيات سطح (پستي وبلندي نوع پوشش و...) وابسته است . به طور کلي مي توانيم عوامل بالا را در سه عامل اصلي زير خلاصه کنيم :

1) صيقلي بودن سطح

2) هنسه ديد و رابطه آن باسطح

3) درصد رطوبت وخصوصيات الکتريکي سطح

صيقلي بودن سطح مهمترين عامل تعيين کننده روشنايي تصويرمي باشد . سطوح صاف موجب بازتابش آيينه اي( A ) در فعل وانفعال سيگنال رادار با سطح مي گردند . درنتيجه اين نوع بازتابش مقدار اندکي ازسيگنال هاي بازتابيده شده به سمت رادار باز ميگردند . بنابراين سطوح صاف با درجه تيره گي بيشتر در تصوير ظاهر خواهند گشت . سطوح ناصاف سيگنال هاي رادار راتقريبا به صورت يکنواخت بازتاب مي دهند . و درنتيجه بخش عمده اي از اين سيگنال ها به سمت راداربازميگردند . بنابراين سطوح ناصاف با درجه روشنايي بيشتر در تصوير مشاهده مي شوند . به اين نوع انعکاس بازتابش پخشيده( B ) گفته مي شود . احتمال وقوع انعکاس زاويه اي ( C ) در نواحي که از سطوح عمود برهم تشکيل شده وجود دارد. به بيان ساده تر سيگنال هاي بازتابيده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده ميشود .اين نوع انعکاس به طور معمول در مناطق شهري (ساختمان ها خيابان ها پل ها و... ) اتفاق مي افتد . صخره ها کوه ها ونيزار رودخانه ها نيز سيگنال رادار را اينگونه بازتاب مي دهند .

زاويه تابش( incidence angle ) نيز در نحوه شکل گيري تصوير همچنين صيقلي بودن سطوح نقش ايفا مي کند . با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزايش زاويه تابش سيگنال هاي کمتري به سوي رادار بازميگردند ودر نتيجه درجه تيره گي افزايش مي يابد .به بيان ديگر با افزايش زاويه تابش سطوح صيقلي تر از مقدار واقعي خود در تصوير ظاهرمي شوند .

به طور کلي تغيير در هندسه ديد در بهبود نقشه هاي جغرافيايي وهمچنين برطرف کردن اختلال هايي از قبيل سايه دارشدن و کاهش عمق تصويرموثر مي باشد .

وجود رطوبت در خصوصيات الکتريکي وحجم اجسام موثر مي باشد . تغيير در خواص الکتريکي در جذب ارسال وهمچنين نحوه شکل گيري تصوير موثر مي باشد . بنابراين درصد رطوبت اجسام در فعل وانفعال سيگنال رادارومتعاقبا تصوير موثر مي باشد . معمولا با افزايش رطوبت جسم سيگنال هاي بيشتري توسط جسم بازتابيده مي شود . براي مثال علفزارهاي وسيع در هنگامي که مرطوب هستند در تصوير رادار روشنتر ظاهر مي شوند .

دقت تفکيک( spatial resolution )

به ميزان توانايي رادار جهت تفکيک اشياء مختلف از همديگر دقت تفکيک گفته مي شود . بر خلاف سيستم هاي نوري افزايش دقت تفکيک در رادار بر اساس خصوصيات امواج مايکرويو وهمچنين تاثيرات هندسي انجام مي پذيرد . دررادارهايي که از يک آنتن جهت ارسال امواج استفاده مي کنند يک پالس موج ارسال گشته و با دريافت پژواک آن توسط گيرنده تصوير تشکيل مي شود .

دقت تفکيک را مي توان در دو راستا بررسي کرد . در جهت سمت ناحيه تصوير که دقت سمت ( azimuth resolution ) ناميده مي شود ودر جهت برد که آن را دقت برد ( range resolution ) مي ناميم .

دقت برد به طول پالس رادار (P) بستگي دارد . در صورتي که عمل تفکيک با طول بيشتر از نصف پالس صورت گيرد اهداف از يکديگر قابل تشخيص اند . براي مثال در شکل شماره 8 اهداف 1و2 در تصوير به صورت يک جسم مشخص شده در حاليکه هدف هاي 3و4 به راحتي از هم تفکيک شده اند .

با افزايش زاويه تابش (افزايش برد )شاهد کاهش دقت برد مي باشيم .

دقت سمت به پهناي ستون امواج رادار يا پهناي زاويه اي ( beam width ) (A) و همچنين برد مايل( slant range ) وابسته است . با افزايش پهناي زاويه اي مي توانيم شاهد دقت سمت باشيم . در تصويرشماره 9 اهداف 1و2 که در محدوده نزديک قرار دارند توسط رادار به راحتي قابل تشخيص اند درحاليکه هدف هاي 3و4 که در محدوده دور قرار گرفته اند قابل تشخيص نمي باشند . همچنين با افزايش طول آنتن رادار مي توان دقت سمت را افزايش داد .

رادار دهانه ترکيبي ( synthetic aperture radar )

همانطور که در قسمت قبل گفته شد جهت بالابردن دقت سمت مي توانيم طول آنتن رادار را افزايش دهيم . اگرچه در اين افزايش طول ما با محدوديت هايي مواجه هستيم . در رادرهاي هوايي طول آنتن رادار بين 1 تا 2 متر در نظر گرفته مي شود . در ماهواره ها ما مي توانيم اين محدوده را بين 10 تا 15 متر در نظر بگيريم . با تغييراتي در چگونگي حرکت سکوي رادار و ثبت و پردازش سيگنال هاي بازتابيده شده مي توان بر محدوديت اندازه غلبه کرد . بدين طريق که ما با تغيير در نحوه رفتار رادار به صورت مجازي طول آنتن رادار را افزايش داده ايم .

1) ابتداشيءهدف (A)سيگنال هاي مايکرويو را به صورت پالس دريافت کرده . پژواک هاي هر پالس توسط رادار ثبت مي شوند . سکوي رادار در مسير مستقيم به طور پيوسته در حال حرکت است . در طول زماني که شيء هدف در معرض پالس هاي رادار قرار داردعمل ثبت سيگنال هاي بازتابيده شده از شيءتوسط رادار انجام مي پذيرد .2) زمان چنداني طول نمي کشد تا طول آنتن ترکيبي (B) مشخص گردد .

با افزايش پهناي زاويه اي وهمچنين کاهش سرعت سکو مي توانيم دقت سمت را در محدوده دور افزايش دهيم .در نتيجه شاهد ثابت ماندن دقت تفکيک درراستاي سمت مي باشيم .به تکنولوژي فوق که جهت افزايش دقت برد صورت مي پذيرد رادار دهانه ترکيبي يا SAR گفته مي شود .اين روش در اکثررادارهاي هوايي وفضايي استفاده مي شود .

خصوصيات تصوير رادار

در تصاوير رادار با نوعي اختلال مواجه هستيم که به نويز اسپيکل( speckle ) معروف است . اين اختلال که باعث ظاهرشدن دانه هاي ريزودرشت (بافت فلفل نمکي) در تصوير مي شود زاييده ساختار بهم ريخته سطح و همچنين تداخل سيگنال هاي بازتابيده مي باشد . به عنوان نمونه يک سطح هموار مانند علفزار(تصوير شماره 11) را در نظر مي گيريم . بدون در نظر گرفتن اثر اين اختلال پيکسلهاي تصوير با درجه روشنايي يکسان مشاهده مي شوند . حال آنکه در تصوير حقيقي به علت تداخل سيگنال هاي پراکنده شده پيکسل ها داراي درجات روشنايي متفاوت مي باشند .

در واقع نويز اسپيکل کيفيت تصاوير راکاهش داده ودر نتيجه درتحليل تصاويربا مشکل مواجه مي شويم .حال براي کاهش اين اثر ميتوان دو روش را بکار برد :

1) ديد چندگانه ( multi-looking processing )

در اين روش هر پرتو رادار به چندين زيرپرتو (اشعه) تقسيم شده و هر اشعه وظيفه پوشش دادن يک ناحيه را بر عهده دارد . با ثبت تصاوير تشکيل شده توسط هر اشعه ومعدل گيري از آنها جهت تشکيل تصوير نهايي مي توان نويز اسپيکل را کاهش داد .

2) فيلترينگ ( spatial filtering )

پس از پايان يافتن مرحله اول وتشکيل تصوير اوليه فيلترکردن تصوير آغاز مي شود . در اين روش با حرکت دادن يک پنجره متشکل از تعدادي پيکسل (معمولا 5*5 يا 3*3 ) در طي سطر وستون تصوير از پيکسل هايي که هر پنجره پوشش مي دهد معدل گيري (درجه روشنايي پيکسل هاي موجود در هر پنجره اندازهگيري شده وپيکسلي با درجه روشنايي واحد جايگزين پنجره مربوطه مي گردد) انجام مي شود .

بايستي توجه داشته باشيم که کاهش نويز اسپيکل باعث کاهش وضوح تصوير مي گردد . همانطور که درتصاوير شماره 14 و 15مشاهده مي شود تصوير شماره 15نسبت به تصوير ديگر داراي وضوح کمتري است . در نتيجه براي ايجاد تصاوير با جزئيات دقيق نمي توان از اين روش استفاده کرد . زماني که سطح هدف را وسيع در نظر بگيريم کاهش نويز اسپيکل مي تواند مثمر ثمرباشد .

گاه نياز به استفاده از اندازه گيريهاي دقيق جهت مقايسه مشاهدات وبدست آوردن نتايج لازم مي باشد . در نتيجه بايستي دقت دقت ابزار اندازه گيري افزايش پيدا کند . اين فعل توسط فرآيندي به نام کاليبراسيون ( calibrasion ) انجام پذير است . ازآنجاييکه عمل اندازه گيري از اعمال اصلي رادار مي باشد در نتيجه کاليبراسيون بسيار مهم مي باشد . کاليبراسيون تلاش مي کند تا اختلاف ميان مقدار انرژي سيگنال بازتابيده با مقدار اندازه گيري شده توسط رادار کاهش يابد . در نتيجه کاليبراسيون دقيق ما شاهد تصاويري با دقت اندازه گيري يکسان توسط رادار خواهيم بود .

در کاليبراسيون نسبي سعي بر افزايش دقت سيستم رادار است . در حاليکه در کاليبراسيون مطلق با نصب دستگاه هايي بر روي زمين انرژي سيگنال هاي بازتابيده شده از سطح اندازه گيري شده و پس از تقويت به سوي رادار فرستاده مي شوند. رادار مي تواند با استفاده از اين مقادير به مقدار حقيقي انرژي دست پيدا کند .ودر نتيجه استنباط دقيقتري ازسطح حاصل داشته باشد .

کاربردهاي پيشرفته

علا وه بر کسب واستفاده درست از اطلاعات کابرد هاي خاص رادار به شرح زير مي باشد :

نخست تکنولوژي تصوير سه بعدي ( stereo image ) مي باشد . در اين روش با پوشش دادن ناحيه تصوير با زواياي تابش متفاوت وهمچنين بهره گيري ازجهت هاي ديد متفاوت يا مخالف و انطباق تصاوير ايجادشده مي توان يک تصوير سه بعدي از ناحيه تصوير ايجاد کرد .در نتيجه اختلال هايي از قبيل سايه دارشدن بعضي نواحي برطرف گرديده وزمينه براي تحليل دقيقتر تصاوير فراهم مي گردد . اين تکنولوژي در تحليل تصاوير مناطق جنگلي و جغرافيايي وهمچنين نقشه برداري از عراضي کاربرد دارد .

از ديگر پيشرفت هاي حاصل شده مي توان به قطبش سنجي ( polqrimetry ) اشاره کرد . در اين روش امکان دريافت و ار سال سيگنال هاي مايکرويو به صورت ترکيبي از قطبيدگي افقي و عمودي وجود دارد . در نتيجه ما مي توانيم چهار ترکيب HH VV VH HV را براي دريافت يا ارسال امواج در نظر بگيريم . بدين طريق با ايجاد تصويري با ويژ گي هاي مختلف نتايج لازم جهت دستيابي به تصوير دقيقتر حاصل مي گردد .

نتيجه

با در نظر گرفتن شرايط فعلي که در دنياي امروز وجود دارد ، لزوم دستيابي به فناوري هايي از قبيل ساخت رادار ، وبه طور گسترده تر، سنجش از راه دور ، احساس مي شود . لذا ابتدا بايستي به اطلاعات ترکيبي از رشته هاي مختلف ، نظير زمين شناسي ، مخابرات ، هواشناسي و... ، دسترسي داشته باشيم ، تا بتوانيم به يک تکنولوژي کوچک اما پيچيده دست پيدا کنيم .

بنابراين با دسترسي به علوم جديد ، علاوه بر بالا بردن ديد خود نسبت به مسائل علمي مختلف ، مي توانيم در جهت پيشرفت علمي کشور عزيزمان گام برداريم .

محقق : صالح لشکري

منبع

مرکز سنجش از راه دور کانادا

www .ccrs.nrcan.gc.ca

پايان