Radar z odwróconą syntetyczną aperturą

Radar z odwróconą syntetyczną aperturą ( ISAR ) to technika radarowa wykorzystująca obrazowanie radarowe do generowania dwuwymiarowego obrazu celu o wysokiej rozdzielczości. Jest to analogiczne do konwencjonalnego SAR , z tą różnicą, że technologia ISAR wykorzystuje ruch celu, a nie emitera do tworzenia syntetycznej apertury . Radary ISAR odgrywają znaczącą rolę na pokładach morskich samolotów patrolowych, zapewniając im obraz radarowy o jakości wystarczającej do wykorzystania go do rozpoznawania celów cele. W sytuacjach, w których inne radary wyświetlają tylko jeden niezidentyfikowany jasny ruchomy piksel, obraz ISAR jest często wystarczający do rozróżnienia różnych pocisków rakietowych, samolotów wojskowych i samolotów cywilnych.

Obrazowanie przekroju radarowego

Obrazy regionu docelowego wytworzone przez ISAR mogą być użytecznym narzędziem w lokalizowaniu obszarów rozpraszania na celu. Obrazy ISAR są często tworzone przez obracanie celu i przetwarzanie wynikowych historii Dopplera centrów rozpraszania. Jeśli cel obraca się w azymucie ze stałą szybkością o „mały” kąt, rozpraszacze będą zbliżać się lub oddalać od radaru z szybkością zależną tylko od pozycji zasięgu poprzecznego — odległości normalnej do linii wzroku radaru z początkiem w docelowa oś obrotu. Rotacja spowoduje wygenerowanie zależnych od zakresu częstotliwości Dopplera które można uporządkować przestrzennie za pomocą transformaty Fouriera . Ta operacja jest równoważna (ale odwrotna do) generowania dużej anteny fazowanej z syntetyczną aperturą , utworzonej przez spójne sumowanie wyjść odbiornika dla różnych geometrii celu / anteny. W przypadku małych kątów obraz ISAR jest dwuwymiarową transformatą Fouriera odbieranego sygnału w funkcji częstotliwości i docelowego kąta kształtu.

Jeśli cel jest obracany o duże kąty, historia częstotliwości Dopplera rozpraszacza staje się nieliniowa, zgodnie z trajektorią fali sinusoidalnej . Ta historia Dopplera nie może być przetwarzana bezpośrednio przez transformatę Fouriera z powodu rozmazanej historii częstotliwości Dopplera, co skutkuje utratą rozdzielczości krzyżowej. Maksymalny kąt obrotu, który może być przetwarzany przez niezmodyfikowaną transformatę Fouriera, jest określony przez ograniczenie polegające na tym, że błąd fazy apertury w zsyntetyzowanej aperturze powinien zmieniać się o mniej niż określoną (dowolną) wartość, na przykład 45 stopni. Dzieje się tak, gdy syntetyczna apertura do zakresu docelowego jest mniejsza niż wymagana przez $lambda}}}$ $\$ gdzie jest wymaganym bocznym zasięgiem celu. W tym momencie syntetyczna apertura znajduje się w docelowym obszarze bliskiego pola i wymaga ustawienia ostrości. Ogniskowanie odbywa się poprzez zastosowanie korekcji fazy do syntetycznej apertury.

aplikacje ISAR

ISAR jest używany w nadzorze morskim do klasyfikacji statków i innych obiektów. W tych zastosowaniach ruch obiektu spowodowany działaniem fal często odgrywa większą rolę niż obrót obiektu. Na przykład element, który rozciąga się daleko poza powierzchnię statku, taki jak maszt, zapewni wysoką odpowiedź sinusoidalną, którą można łatwo zidentyfikować na dwuwymiarowym obrazie. Obrazy czasami dają niesamowite podobieństwo do profilu wizualnego z interesującym efektem, że gdy obiekt kołysze się w kierunku lub od odbiornika, naprzemienne powroty dopplera powodują, że profil zmienia się między pionowym a odwróconym. ISAR do nadzoru morskiego został zapoczątkowany przez firmę Texas Instruments we współpracy z Naval Research Laboratory i stał się ważną funkcją samoloty P-3 Orion i S-3B Viking US Navy .

Badania przeprowadzono również z ISAR na lądzie. Trudność w korzystaniu z tej możliwości polega na tym, że ruch obiektu jest znacznie mniejszy i zwykle mniej okresowy niż w przypadku morskim.

Być może najbardziej uderzającym wizualnie i przekonującym naukowo zastosowaniem ISAR jest obrazowanie asteroid w głębokiej przestrzeni kosmicznej. Szczególnie pięknym tego przykładem jest tak zwana „psia kość” 216 Kleopatra , która leży około 20% dalej od Ziemi niż Słońce. Asteroida ma tylko 60 mil szerokości w środku. Jednak obraz jest wyraźny i wygląda jak obraz optyczny. Zostało to przytoczone jako podobne do użycia teleskopu w Los Angeles wielkości soczewki ludzkiego oka do sfotografowania samochodu w Nowym Jorku. Oczywiście sztuczka polega na tym, że asteroida jest przedstawiona na bardzo rzadkim tle, co pozwala na znaczne ujednoznacznienie.

W lutym 2013 r. hiszpańska firma technologiczna Indra Sistemas ogłosiła pierwszy pasywny ISAR. Radar pasywny charakteryzuje się tym, że nie emituje żadnej formy promieniowania, czyli wykorzystuje sygnały obecne w otoczeniu. W tym przypadku radar wykorzystuje sygnały cyfrowej telewizji naziemnej jako niewspółpracujące źródło oświetlenia otoczenia.

Błędy w ISAR

Błędy w procesie obrazowania ISAR generalnie skutkują rozmyciem i błędami geometrii obrazu. Błędy transformacji ISAR obejmują:

Nieznany ruch celu lub anteny: Niemodelowany ruch spowoduje rozogniskowanie obrazu celu i umieszczenie go w niewłaściwym miejscu. Błąd ten jest kontrolowany przez odpowiednią konstrukcję mechaniczną lub przez zastosowanie autofokusa . Błąd ten można zmierzyć metodą analitycznego pomiaru fazy sygnału opisaną wcześniej.
Błędy pionowego pola bliskiego: O ile nie jest wykonywany 3D ISAR, pionowy zasięg celu pod kątem prostym do poziomej syntetycznej apertury musi mieścić się w granicach pionowego pola dalekiego. Wysokie cele stracą ostrość i przesuną się w niewłaściwe pozycje. Dwuwymiarowa reprezentacja ISAR regionu docelowego jest płaską powierzchnią.
Zintegrowany powrót listków bocznych: Jakość obrazu ISAR jest pogarszana przez kompresję listków bocznych w zakresie i azymucie . Listki boczne są spowodowane obcięciem danych i można je zredukować, stosując odpowiednie funkcje okna. Listki boczne mogą powodować znaczną degradację obrazu. Po pierwsze, szczyty silniejszych listków bocznych mogą powodować pojawienie się szeregu coraz słabszych celów po obu stronach silnego celu. Po drugie, połączona moc wszystkich listków bocznych ma tendencję do zamglenia lub rozmycia szczegółów w obszarach o niskim RCS. Zintegrowany poziom listków bocznych może w złych warunkach osiągnąć poziom 10 dB poniżej szczytowego docelowego zwrotu.
Błędy próbkowania częstotliwości i azymutu: Nieprawidłowo wybrane delty częstotliwości lub współczynnika kształtu spowodują alias obrazów, tworząc fałszywe cele. Opisany wcześniej program SIM w szczególności monitoruje błędy alienacji, skutecznie eliminując to źródło błędów.
Aberracje anteny: Aberracje w geometrii powstają, gdy położenie środka fazy anteny jest zależne od kształtu anteny lub częstotliwości RF. To źródło błędów jest zwykle kontrolowane za pomocą małych, prostych anten na wąskich pasmach częstotliwości na dużych odległościach. Korekty pierwszego rzędu anten dyspersyjnych częstotliwości, takie jak logarytmiczne okresowe, mogą być obsługiwane przez korekcję fazy odbieranego sygnału. Pełną korektę aberracji można osiągnąć poprzez bezpośrednie zintegrowanie transformacji ISAR z wykorzystaniem aberrowanej geometrii.
Dyspersja celu: cele dyspersyjne mają nieminimalną odpowiedź fazową, wyglądającą na przesuwającą się wraz z częstotliwością RF . Przykłady celów dyspersyjnych obejmują absorbery RF, w których głębokość absorpcji jest funkcją częstotliwości oraz różne anteny, w których położenie środka fazy jest zależne od częstotliwości. Obrazowanie CW ISAR lub w niektórych przypadkach wstępne przetwarzanie przed transformacją FMCW ISAR może wyeliminować rozproszone rozogniskowanie docelowego obrazu.
Wielościeżkowy: wielokrotne odbicia mogą powodować zniekształcenia obrazu ISAR, takie jak klasyczne smugi obrazu z rur wydechowych samolotów odrzutowych .

Błędy w planarnej transformacji odwrotnej ISAR 2D obejmują:

Błędy modelowania blokowania obrazu: Odwrotna transformacja ISAR zakłada obecnie, że rozpraszacze znajdują się na płaskiej powierzchni i nie mogą blokować innych rozpraszaczy.
Błędy modelowania wielościeżkowego obrazu: Odwrotna transformacja ISAR obecnie nie modeluje środowiska wielościeżkowego. Należy zauważyć, że obecne transformacje ISAR również nie przetwarzają poprawnie wielu ścieżek.

Zobacz też

Linki zewnętrzne