Yuqori aniqlikdagi keng SWAT SAR tasvirlash - High Resolution Wide Swath SAR imaging

Yuqori aniqlikdagi keng svath (HRWS) tasvirlash muhim bo'limdir Sintetik diafragma radar (SAR) tasvirlash, ob-havo sharoiti va quyosh nurlaridan mustaqil ravishda yuqori aniqlikdagi tasvirlarni taqdim etishga qodir masofadan zondlash usuli. Bu SARni Yer yuzidagi dinamik jarayonlarni muntazam kuzatish uchun juda jozibador qiladi, bu atrof-muhit monitoringi, er resurslarini xaritalash va harbiy tizimlar uchun foydalidir.

SAR texnologiyasi geologlarga foydali qazilmalarni qidirish uchun relyefning tarkibiy ma'lumotlarini taqdim etdi,[1] neft to'kilishi[2] ekologlarga suvdagi chegaralar, dengiz holati va dengizchilar uchun muz xavfi xaritalari,[3] razvedka, kuzatuv, razvedka va harbiy operatsiyalarga oid ma'lumotlarni aniqlash.[4]

An'anaviy SAR tizimlari cheklangan bo'lib, keng tanazzulga faqat buzilganlar hisobiga erishish mumkin azimut qaror. Keng qamrovli shpallar va yuqori aniqlikdagi chiqish har ikkala muhim ahamiyatga ega bo'lganligi sababli, bu kosmik SAR tizimlari va unga tegishli yangi algoritmlarni loyihalashda qiyinchiliklar va qarama-qarshi talablarni keltirib chiqaradi.

Muammolarni bayon qilish va asoslari

Muammoni hal qilish

Zamonaviy yuqori aniqlikdagi SAR tizimlari ularni sotib olish imkoniyati bilan cheklangan.[iqtibos kerak ]

Kosmosdan tushgan SARga qo'yiladigan talablar

Misol TerraSAR-X, bu Germaniyaning Yer-Kuzatish sun'iy yo'ldoshi. Uning asosiy foydali yuki X diapazonli (3,1 sm) radar sensori bo'lib, u turli xil ish rejimlariga ega, bu turli xil kenglik, o'lchamlari va qutblanishlari bilan tasvirlarni yozib olish uchun bir nechta ko'rish rejimlarini ta'minlashga imkon beradi, batafsil ma'lumot uchun rasmga qarang. Stripmap rejimida (fazoviy o'lchamlari 3m), Yerning quruqlik qismini global xaritada ko'rish uchun 10 hafta kerak bo'ladi. Ushbu cheklash dizaynni tuzishda ham qiyinchilik tug'dirdi TanDEM-X, bu TerraSAR-X ning ikkita sun'iy yo'ldoshi. Bir-biridan atigi bir necha yuz metr masofada yaqin masofada parvoz qilayotgan ikkita sun'iy yo'ldosh bir vaqtning o'zida, lekin turli burchak ostida er osti relyefini tasvirlamoqda. TanDEM-X uchun Yerning quruqligini bitta global interferometrik egallashga erishish uchun bir yil kerak bo'ladi.

Buni bartaraf etish uchun ba'zi olimlar taniqli misol Tandem-L missiyasini taklif qilishadi.[5] Tandem-L missiyasining kontseptsiyasi L-diapazonida (24 sm to'lqin uzunligi) ishlaydigan ikkita sun'iy yo'ldoshdan foydalanishga asoslangan bo'lib, u X-bandga nisbatan ancha uzun to'lqin uzunligiga ega. Uzunroq to'lqin uzunligi o'simlik va muzli hududlarning uch o'lchovli tuzilishini tomografik ravishda o'lchash, shuningdek, deformatsiyalarni millimetr aniqligi bilan keng miqyosda surishtirish uchun talablarni bajarishga imkon beradi.

Kelgusi SAR missiyalari xaritada ko'rish qobiliyatini Tandem-L ga qaraganda bir yoki hatto ikki daraja yaxshiroq talab qilishi mumkin, ularning maqsadi Yer yuzidagi dinamik jarayonlarni o'rganishdir. Buning uchun butun Yer yuzini haftasiga ikki marta, to'liq qutblanishda va fazoviy o'lchamlari bilan 10 m dan pastroqda xaritalashga qodir bo'lgan juda kuchli SAR vositasi talab qilinadi. Boshqa tomondan, ba'zi boshqa vazifalar ancha yuqori fazoviy echimni talab qiladi.

Asoslari

Bitta sun'iy yo'ldoshni hisobga olgan holda, tez-tez va uzluksiz qamrab olish faqat keng shass tasvirlangan taqdirda amalga oshiriladi.

Swath kengligi pulsni takrorlash oralig'ini (PRI) yoki unga teng ravishda pulsni takrorlash chastotasini (PRF) cheklaydi, bu quyidagi tarzda 1 / PRI ga teng.

Agar SAR sensori tezlik bilan uchsa va ikkita maqsad mavjud P va Q erga, azimut burchagi quyidagicha hisoblanadi . Kichik tarmoqli kengligi SARlari uchun azimut chastotasi va to'lqin uzunligi bilan burchak o'rtasidagi odatiy chiziqli munosabatlar quyidagicha tavsiflanadi:

Ishlashni optimallashtirish va noaniqliklar oralig'ini boshqarish uchun PRI yoritilgan shamchirdan daromad yig'ish vaqtidan kattaroq bo'lishi kerak. Ammo, boshqa tomondan, katta azimut noaniqlik darajasidan qochish uchun katta PRI kichik doppler o'tkazuvchanligini qabul qilishni nazarda tutadi va erishish mumkin bo'lgan azimut rezolyutsiyasini cheklaydi.[6]

ScanSAR Ko'p azimut kanallari bilan

Misollardan biri, azimutdagi siljigan faza markazlarining past aniqlik bilan birikmasi ScanSAR yoki progressiv skanerlash (TOPS) rejimi bo'yicha erni kuzatish.[7]

Klassik ScanSAR-da bo'lgani kabi,[8] azimut portlashlari bir nechta maydonlarni xaritalash uchun ishlatiladi. Ko'p kanalli SAR tizimlarining portlash rejimlarida innovatsion ishlashi ikkinchi rasmda keltirilgan, bu erda bitta uzatuvchi ("Tx") antenna va bir nechta qabul qiluvchi ("Rx") antennalarga ega bo'lgan ko'p kanalli konfiguratsiyalar ko'rib chiqilgan, Tx va Rx alohida platformalarda amalga oshirilishi mumkin. shuningdek, bitta platformada alohida yoki hatto bitta antennada uzatish va qabul qilish (T / R) moduli texnologiyasi bilan birlashtirilgan.

Asosiy bosqichlardan biri bu ko'p kanalli azimutni qayta ishlash. Azimutdagi ko'p kanalli SARni Dopler chastotasiga bog'liqlikdagi amplituda va fazadagi individual teshiklarning impuls reaktsiyalarini tavsiflovchi filtr funktsiyalarining chiziqli tizimi sifatida talqin qilish mumkin. . Chap tomonda umumiy tizim modeli ko'rsatilgan.

sahnani xarakterlaydi, shu bilan birga bu bitta diafragma tizimining azimut impulsli reaktsiyasi bo'lib, hosil bo'ladibu ekvivalent monostatik SAR signalini beradi. Vazifalar transmitter (Tx) va har bir qabul qilgich orasidagi kanalni ifodalaydi (Rx ) monostatik impuls reaktsiyasiga nisbatan, natijada tegishli ko'p kanalli SAR signallari paydo bo'ladi. Bitta transmitter va bir nechta qabul qiluvchi kanallarni nazarda tutgan holda, Rx orasidagi yo'l bo'ylab jismoniy masofa va Δ x bilan berilgan, is esa tashuvchining to'lqin uzunligini bildiradi, qiyalik oralig'ini anglatadi va vategishlicha datchikning tezligini va erdagi nurni ifodalaydi.

Qabul qilgandan so'ng, har bir signal PRF tomonidan azimutda namuna olinadi va shuning uchun samarali namuna olish tezligiga ko'ra maksimal signal o'tkazuvchanligi N⋅PRF bo'ladi. Keyinchalik butun tizimning ixcham xarakteristikasi matritsa bilan beriladi , bu erda PRF parametriga bog'liqligini qayd etish kerak.

Umumlashtirilgan namuna olish teoremasiga ko'ra, signalning N mustaqil vakili, ularning har biri signalning Nyquist chastotasining 1 / N-da submodalanib, N-tasvirlarning chetlangan Dopller spektrlaridan asl signalni aniq "qayta qurish" ga imkon beradi. Bu har qanday bandlimited signal degan ma'noni anglatadi javoblar jihatidan o'ziga xos tarzda aniqlanadi yoki shunga o'xshash funktsiyalar bo'yicha . Namunalar kosmosda bir-biriga to'g'ri kelmasa, bu fazoviy namunalarni taqsimlanishidan mustaqil ravishda amal qiladi. Keyin, ning teskari tomoni matritsani beradi uning qatorlarida N funktsiyalar mavjud har biri kanalni ko'p kanalli qayta ishlash filtrini namoyish etadi

Asl signal keyin har bir kanalni filtrlash orqali tiklanadi tegishli "rekonstruksiya" filtri bilan va keyinchalik barcha tortilgan qabul qiluvchi kanallarining izchil birikmasi. Sintetik diafragmani turli xil maydonlarda taqsimlash bilan bog'liq bo'lgan piksellar sonining yo'qolishi ko'p joy almashtirilgan azimut teshiklari bo'lgan radar aks-sadolarini yig'ish orqali qoplanadi.

Ko'p kanalli ScanSAR yoki TOPS yondashuvlarining mumkin bo'lgan kamchiliklari bu juda yuqori bo'lgan Doppler centroid,[9] bu SAR tasvirlarini hisoblashda eng muhim parametrlardan biri hisoblanishi kerak. Tasvirga olingan ba'zi maqsadlar uchun, agar yuqori aniqlik zarur bo'lsa. Bundan tashqari, yuqori ko'z qisib burchaklar, shuningdek, interferometrik dasturlarda birgalikda ro'yxatdan o'tishga qarshi chiqishi mumkin.

Ko'p kanalli nurli bitta kanalli SAR

Ko'p kanalli ScanSAR-dan tashqari, keng nurli yoritgich orqali uzatiladigan va turli yo'nalishlardan kelib chiqadigan turli xil impulslarning aks sadolarini bir vaqtning o'zida yozib olishga asoslangan tushunchalar katta qiziqish uyg'otmoqda.[10]

Ko'p kanalli qabul qiluvchining sxemasi. Har bir suberterture elementidan signal mustaqil ravishda kuchaytiriladi, pastga aylantiriladi va A / D da raqamlanadi (analog-raqamli konvertor ). Raqamli ishlov berish signalni qabul qilish uchun posteriori nurlarini moslashuvchan va moslashuvchan ravishda shakllantirishga imkon beradi.

Chunki u quyidagi afzalliklarga ega: Yo'l bo'ylab siljigan bir nechta teshiklar sintetik diafragma bo'ylab qo'shimcha namunalarni olishlari mumkin va shu bilan birga ular azimut noaniqliklarini samarali ravishda bostirishga imkon beradi. Bundan tashqari, radar impulsi erga qarab yurganida juda yuqori direktivali qabul qilgich nurini boshqarish orqali balandlikdagi bir nechta kanallar shpal kengligini kamaytirmasdan SNR (signal shovqin nisbati) ni yaxshilaydi. Bundan tashqari, rivojlangan ko'p kanalli SAR arxitekturalari alohida Tx va Rx antennalarini ishlatishdan qochishi mumkin va antennani uzaytirish yoki yorilish rejimlarini ishlatmasdan qamrov doirasini ko'paytirishga imkon beradi.

Ushbu afzalliklarga erishish uchun qabul qiluvchi antenna odatda bir nechta pastki teshiklarga bo'linadi va ularning har biri o'zining qabul qiluvchi kanallariga ulanadi. Keyinchalik, raqamli qayd etilgan sub-diafragma signallari bir vaqtning o'zida bir nechta mustaqil nurlarni hosil qilish va tarqoq radar aks sadolari yo'nalishi to'g'risida qo'shimcha ma'lumot to'plash uchun makon-vaqtinchalik protsessorda birlashtiriladi.

Planar massivga alternativa - L va P diapazonlarida (1 m) ishlaydigan past chastotali radar tizimlari uchun alohida qiziqish uyg'otadigan raqamli besleme massivi bilan birgalikda reflektorli antenna,[11] raqamli nurni shakllantirish qobiliyatlarini katta reflektorli antennaning yuqori yo'naltirilishi bilan birlashtiradi.

Yansıtıcıya asoslangan arxitektura, keng nurli yorug'lik uchun istalgancha to'kilmasdan keng nurni uzatish uchun barcha qator elementlarini bir vaqtning o'zida ishlatish imkoniyatini beradi.

Fokus nuqtasiga yaqin bo'lgan besleme massiviga ega bo'lgan paraboloidal reflektor uchun, ma'lum bir yo'nalishdan keladigan signallar, odatda, faqat bitta yoki juda oz miqdordagi faollashtirilgan besleme elementlariga to'g'ri keladi. Va bu xususiyat, amalga oshirishning murakkabligini va raqamli nurli radiolokatsiya radarining xarajatlarini kamaytirishi mumkin.

Shu bilan birga, ushbu usulning kamchiliklari ham mavjud, ya'ni shpatlar bo'ylab ko'r-ko'rona diapazonlar mavjud, chunki radar uni uzatayotganda qabul qila olmaydi.

Reflektorli antenna bilan raqamli nurlanish

Planar antennaga qiziqarli alternativ - bu ko'p kanalli massiv bilan oziqlanadigan reflektor. Parabolik reflektor keladigan tekislik to'lqinini ozuqa elementlarining bir yoki kichik qismiga qaratadi. Yassi aks-sadolari tobora ortib borayotgan qarash burchaklaridan samolyot to'lqinlari kelayotganda, kelayotgan aks sado bilan birgalikda yuqori daromadli nurni boshqarish uchun faqat bitta besleme elementini ikkinchisidan o'qish kerak. Ko'p nurli rejimning kamchiliklari shpal bo'ylab ko'r-ko'rona diapazonlarning mavjudligi, chunki u radar uzatayotganda qabul qila olmaydi.[12][13]

HRWS tasvirini bajarish uchun an'anaviy SAR ning cheklangan cheklovlarini engib o'tish uchun bir nechta qabul qilish teshiklaridan ("Rx") foydalanadigan bir nechta innovatsion usullar taklif qilingan. Optimal ishlash uchun sensor tezligi o'rtasidagi bog'liqlik va yo'l bo'ylab hisob-kitoblar ning pastki diafragma bir xil masofada joylashgan samarali faza markazlariga olib kelishi kerak va shu bilan qabul qilingan signalning bir xil namuna olinishiga olib keladi. Buning uchun maqbul PRF tenglashtirilishi kerak.

Agar maqbul bo'lmagan PRF tanlansa, yig'ilgan namunalar bir tekis joylashtirilmaydi. Buning uchun an'anaviy monostatik algoritmlardan (masalan, Range Doppler Algoritm (RDA)) oldin ko'p diafragmali azimut signalini pastga aylantirish va kvantlashdan keyin keyingi ishlov berish bosqichi talab etiladi.[14] va Chirp miqyosi algoritmi (CSA)[15]) qo'llanilishi mumkin. Buning uchun individual diafragma signallari mustaqil Rx kanallari sifatida qaraladi (pastki rasmga qarang, A / D Analog to Digital Converter degan ma'noni anglatadi). Azimutni qayta ishlashning maqsadi birlashtirishdir kanallarning har birining o'tkazuvchanligi mavjud , bilan pastki namuna olingan samarali namuna olingan signalni olish , bu ishlov berishdan keyin o'rtacha hisoblab, Nyquist mezoniga erishadi. Shunday qilib, chiqish signali maqbul holatda taxallussizdir.

Bosqichli SAR

Oldingi bobda aytib o'tilganidek, ko'p nurli rejimlar uchun uning kamchiliklari shpats bo'ylab ko'r-ko'rona diapazonlarning mavjudligidir, chunki radar uni uzatayotganda qabul qila olmaydi. Dovdirab qolgan SAR[16] ni doimiy ravishda o'zgartirib, ushbu kamchilikni bartaraf etishi mumkin PRI tsiklik usulda, shuning uchun bir nechta teshiklari bo'lgan uzoq antennaga ehtiyoj sezmasdan keng uzluksiz shassani tasvirlashga imkon beradi.

Nima uchun bu ishlaydi? SAR sun'iy yo'ldosh tasvirida antennaning uzunligi va kerakli azimut o'lchamlari tanlanganlarga yuqori chegarani o'rnatadi PRI. The PRIo'z navbatida, egiluvchan diapazonda maksimal uzluksiz kenglikni cheklaydi, bunga siqilmagan uzatilgan impuls uzunligi ozgina ta'sir qiladi. . Radar aks-sadosini qabul qilishi mumkin bo'lgan doimiy vaqt oralig'i uzatilgan impulsning oxiri bilan keyingisining boshi orasidagi vaqt oralig'ida yuqori chegarada. . Biroq, radar uzatilayotganda, qurilma radar aks-sadosini qabul qila olmaydi, shuning uchun radar faqat tarkibiga kiritilgan maqsadlardan signal qabul qilishi mumkin . Ushbu ikki vaqt oralig'i orasidagi farq tomonidan berilgan ko'r oraliq maydonini keltirib chiqaradi , qayerda bu bo'shliqdagi yorug'lik tezligi.

Agar PRI bir tekis, ko'r diapazonlar azimut bo'ylab o'zgarishsiz qoladi va azimutda siqilgandan so'ng tasvir kenglikdagi ko'r chiziqlarga ega bo'ladi . Agar PRI farq qiladi, ammo ko'r diapazonlari hanuzgacha mavjud, ammo bu ko'r diapazonlarning holati ham har xil va har bir uzatiladigan impuls uchun har xil bo'ladi, chunki uzatilgan impuls faqat oldingi uzatilgan impulslar bilan bog'liq. Shunday qilib, umumiy sintetik diafragma hisobga olinadigan bo'lsa, har bir egiluvchan diapazonda faqat uzatilgan impulslarning bir qismi etishmayotganligi aniqlanadi, shu sababli SAR tasvirini keng uzluksiz shpal bo'yicha olish mumkin. O'ngdagi rasm ikkala sobit diapazonning joylashishini ko'rsatadi PRI va har xil PRI.

Adabiyotlar

  1. ^ Ramadan T M, Onsi H M. ERS-2 SAR va Landsat TM tasvirlaridan geografik xaritalash va Sol Hamid hududi, Misrning janubi-sharqiy cho'lida foydali qazilmalarni qidirishda foydalanish [C] // SAR polarimetri va polarimetrik interferometriyani qo'llash bo'yicha seminar. Masofadan zondlash va kosmik tadqiqotlar bo'yicha milliy idora. Misr. 2003 yil.
  2. ^ Kale K V. Kompyuterni ko'rish va axborot texnologiyalari sohasidagi yutuqlar [M]. IK International Pvt Ltd, 2008 yil.
  3. ^ Vang L, Skott K A, Xu L va boshq. Ikki polli SAR sahnalaridan erishi paytida dengiz muzining kontsentratsiyasini chuqur konvolyutsiyali asab tarmoqlaridan foydalangan holda baholash: Case Study [J]. IEEE Geoscience va masofadan zondlash bo'yicha operatsiyalar, 2016, 54 (8): 4524-4533.
  4. ^ Future Naval Strike Groups uchun N S. C4ISR kengashi [M]. Milliy akademiyalar matbuoti, 2006 y.
  5. ^ http://www.dlr.de/hr/en/Portaldata/32/Resources/dokumente/broschueren/Tandem-L_web_Broschuere2014_en.pdf
  6. ^ Guarnieri A M. SAR tasvirlaridagi azimut noaniqliklarini adaptiv ravishda olib tashlash [J]. IEEE Geoscience va masofadan zondlash bo'yicha operatsiyalar, 2005, 43 (3): 625-633.
  7. ^ Gebert, Nikolas, Gerxard Kriger va Alberto Moreyra. "ScanSAR va TOPS rejimida ko'p kanalli azimutni qayta ishlash." Geeologiya va masofadan turib zondlash bo'yicha IEEE operatsiyalari 48.7 (2010): 2994-3008.
  8. ^ Tomiyasu K. Sun'iy yo'ldosh orqali sintetik diafragma radarining kontseptual ishlashi [J]. IEEE Geoscience va masofadan zondlash bo'yicha operatsiyalar, 1981 (2): 108-116.
  9. ^ Cafforio C, Guccione P, Guarnieri A M. Dopler ScanSAR ma'lumotlari uchun sentroid baholash [J]. Geologiya va masofadan turib zondlash bo'yicha IEEE operatsiyalari, 2004, 42 (1): 14-23.
  10. ^ Kriger, Gerxard va boshqalar. "Ultra-keng miqyosda SARni tasvirlash uchun zamonaviy kontseptsiyalar." Sintetik Diafragma Radar (EUSAR) bo'yicha Evropa konferentsiyasi materiallari. Vol. 2. VDE, 2008 yil.
  11. ^ http://www.alternatewars.com/BBOW/Radar/Radar_Bands_Wavelengths.htm
  12. ^ Gebert N, Krieger G, Moreira A. Raqamli nurlanish bilan ishlashning yuqori aniqlikdagi keng SVAR tasviri - ishlashni tahlil qilish, optimallashtirish, tizim dizayni [J]. EUSAR 2006, 2006.
  13. ^ Kriger, Gerxard, Nikolas Gebert va Alberto Moreira. "Ko'p o'lchovli to'lqin shaklini kodlash: sintetik diafragma radarini masofadan zondlash uchun yangi raqamli nurni shakllantirish texnikasi." IEEE Geoscience va masofadan turib zondlash bo'yicha operatsiyalar 46.1 (2008): 31-46.
  14. ^ Vu S, Jin M. Modellashtirish va kosmosdagi SAR signallari uchun korrelyatsiya algoritmi [J]. IEEE aerokosmik va elektron tizimlar bo'yicha operatsiyalar, 1982 (5): 563-575.
  15. ^ Raney R K, Runge H, Bamler R va boshq. Chirp miqyosi yordamida aniq SARni qayta ishlash [J]. IEEE Geoscience va masofadan zondlash bo'yicha operatsiyalar, 1994, 32 (4): 786-799.
  16. ^ Villano, Mikelanjelo, Gerxard Kriger va Alberto Moreyra. "Bosqichli SAR: uzluksiz PRI o'zgarishi bilan yuqori aniqlikdagi keng miqyosli tasvirlash." IEEE Geoscience va masofadan turib zondlash bo'yicha operatsiyalar 52.7 (2014): 4462-4479.