رادار تصویری
چكيده :
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 كيفيت بالا از آنها هدف عمده ساخت رادار تصويري مي باشد .
مقدمه :
گاه امكان بررسي اجسام از نزديك وجود ندارد . براي مثال جهت بررسي سطح اقيانوس ها نقشه برداري از عراضي جغرافيايي لزوم ساخت وسايلي كه بتوانند از راه دور اين كاررا انجام دهند به چشم مي خورد . با دستيابي به تكنولو؟ي سنجش از راه دور بسياري از اين مشكلات برطرف گشت . در واقع در اين روش امكان بررسي اجسام وسطوحي كه نياز به بررسي از راه دور دارند را فراهم مي آورد . سنجش از راه دور رامي توان به دو بخش فعال وغير فعال تقسيم كرد . گستره طول موج امواج مايكرويو نسبت به طيف مادون قرمز ومرئي سبب گرديده تا از سنجش از راه دور به وسيله امواج از اين طيف استفاده گردد .
عملكردسيستم هاي سنجش غيرفعال همانند سيستم هاي سنجش دما عمل مي كنند .در اينگونه سيستم ها با اندازه گيري انر؟ي الكترومغناطيسي كه هر جسم به طور طبيعي از خود ساتع مي كند نتايج لازم كسب مي گردد .هواشناسي واقيانوس نگاري از كاربردهاي اين نوع سنجش مي باشد .
در سيستم هاي سنجش فعال از طيف موج مايكرويو براي روشن كردن هدف استفاده مي شود . اين سنسورها را مي توان به دو بخش تقسيم كرد : سنسورهاي تصويري وغيرتصويري (فاقد قابليت تصويربرداري) .
از انواع سنسور هاي غير تصويري مي توان به ارتفاع سنج واسكترومتر ها(پراكنش سنج ) اشاره كرد .كاربرد ارتفاع سنج ها در عكس برداري جغرافيايي وتعيين ارتفاع ازسطح دريا مي باشد .اسكترومتر كه اغلب بر روي زمين نصب ميگردند ميزان پراكنش امواج را ازسطوح مختلف اندازه گيري مي كنند . اين وسيله در مواردي همچون اندازه گيري سرعت باد در سطح دريا و كاليبراسيون تصوير رادار كابرد دارد .
معمول ترين سنسور فعال كه عمل تصويربرداري را انجام مي دهد رادار مي باشد . رادار(radio detection and ranging) مخفف وبه معناي آشكارسازي به كمك امواج مايكرويو است .به طور كلي مي توان عملكرد رادار را در چگونگي عملكرد سنسورهاي آن خلاصه كرد . سنسورها سيگنال هاي مايكرويو را به سمت اهدف مورد نظر ارسال كرده وسپس سيگنال هاي بازتابيده شده از سطوح مختلف را شناسايي مي كند . قدرت (ميزان انر؟ي) سيگنالهاي پراكنده شده جهت تفكيك اهداف مورد استفاده قرارمي گيرد . با اندازه گيري فاصه زماني بين ارسال ودريافت سيگنال ها مي توان فاصله تا اهداف را مشخص كرد . از مزاياي شاخص رادار مي توان به عملكرد رادار در شب يا روز وهمچنين قابليت تصويربرداري درشرايط آب و هوايي مختلف اشاره كرد . امواج مايكرويو قادر به نفوذ در ابر مه ,گردوغبار وباران مي باشند . از آنجاييكه عملكرد رادار با طرز كار سنسورهايي كه با طيف هاي مرئي ومادون قرمز كار مي كنند 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 كمي اولين رادار كه از آن براي آشكارسازي كشتي 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 آشكارسازي وموقعيت يابي كشتي ها وهواپيماها استفاده شد . بعد از جنگ جهاني دوم راداربا ديد جانبي (SLAR) جهت جستجوي اهداف نظامي و كشف مناطق نظامي ساخته شد . اينگونه رادارها با داشتن آنتن درسمت جپ وراست مسير پرواز قادر به تفكيك دقيقتر اهداف مورد نظر بودند . در سال 1950 با توسعه سيستم هاي SLAR تكنولو؟ي رادار دهانه تركيبي ( رادار با آنتن تركيبي) گامي در جهت ايجاد تصاوير با كيفيت بالا برداشته شد . در سال 1960 استفاده از رادارها ي هوايي وفضايي توسعه يافت وعلاوه بركاربرد نظامي جهت نقشه برداري هاي جغرافيايي و اكتشافات علمي و... نيز مورد استفاده قرار گرفتند .
• اصول رادار :
مهمترين نكته حائز اهميت در بخش قبل را ميتوان معرفي رادار به عنوان وسيله اندازه گيري معرفي كرد . اجزاء تشكيل دهنده سيستم رادار فرستنده , گيرنده آنتن وسيستم هاي الكتريكي جهت ثبت و پردازش اطلاعات مي باشد .
همانطور كه در تصوير شماره 1 مشاهده مي شود فرستنده پالس هاي كوتاه مايكرويو (A) را كه بوسيله آنتن راداربه صورت پرتو متمركز مي شوند(B) با فاصله زماني معيين توليد مي كند . آنتن راداربخشي از سيگنال هاي بازتابيده شده (c) از سطوح مختلف را دريافت مي كند.
تصوير شماره 1
با اندازه گيري مدت زمان ارسال پالس و دريافت پ؟واك هاي پراكنده 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 تشكيل مي گردد .
-
پهناي باند :
از آنجاييكه گستره طيف امواج مايكرويو نسبت به طيف هاي مرئي ومادون قرمزوسيع تر مي باشد لذا اكثر رادار ها از اين طيف استفاده مي كنند . 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 تشكيل تصوير موثر مي باشد . با افزايش طول موج شاهد تصاوير با كيفيت بهتر مي باشيم .در دو تصوير زير(تصاوير شماره 2و3) از دو طول موج متفاوت استفاده شده است . شما مي توانيد تفاوت آشكاري را كه دراين تصاوير وجود دارد مشاهده نماييد . علت اين تفاوت تغيير در نحوه فعل وانفعال سيگنال با سطح اشياء ميباشد كه در ادامه درباره اين موضوع صحبت خواهد شد .
c-band l_band
قطبيدگي(polarization) :
هنگامي كه در مورد امواج الكترومغناطيسي همانند امواج مايكرويو صحبت مي گردد بحث درباره قطبيدگي حائز اهميت مي باشد . قطبيدگي عبارت است از جهت ميدان الكتريكي در امواج الكترومغناطيسي . به طور كلي مي توان قطبيدگي امواج را به سه دسته تقسيم بندي كرد : قطبيدگي خطي و دايره اي وبيضوي .
اغلب رادار هاي تصويري از قطبيدگي خطي استفاده كرده , كه اين نوع قطبيدگي را مي توان به دو بخش عمودي(vertical) وافقي (horizontal) تقسيم بندي كرد (تصوير شماره4). اغلب سنسورهاي رادار طوري طراحي شده اند كه قابليت ارسال وهمچنين دريافت امواج را به يكي از دو صورت بالا دارا هستند . در بعضي از رادارها دريافت وارسال امواج با تركيبي از دو نوع قطبيدگي انجام مي پذيرد .
تصوير شماره 4
به طور كلي مي توان چهارتركيب از قطبيدگي رادرا در نظر گرفت :
-
HH
-
VV
-
HV
-
VH
حرف H نشان دهنده قطبيدگي افقي وحرفV نمايانگر قطبيدگي عمودي ميباشد . درچهارتركيب بالا حرف سمت راست نحوه دريافت سيگنال را نشان مي دهد .
• هندسه رادار (radar geometry):
درسيستم تصويربرداري رادار هوايي با جابجانمودن سكو در يك مسير مستقيم كه 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 كردن نوارتصوير(swath) (C) ارسال مي كند . با قرار گرفتن نوارهاي تصوير در كنار هم ناحيه تصوير(track) (ناحيه خاكستري رنگ ) تشكيل مي گردد كه اين ناحيه نسبت به خط ندير فاصله دارد . محور طولي ناحيه تصويركه با مسير پروازموازي مي باشدرا سمت(azimuth)(E) ومحورعرضي راكه برمسيرپروازعمود است را برد(range)(D) مي ناميم .
تصوير شماره 5
• وا؟ه شناسي :
محدوده نزديك (Near range): بخشي از نوارتصوير كه به خط ندير نزديك است .
محدوده دور(far range) : بخشي از نوار تصوير كه در فاصله دور نسبت به خط ندير قرار دارد .
برد مايل (slant range): خط شعاعي كه از رادار به هريك از اهداف مي توان نظير كرد .
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.
تصوير شماره 6
• اثرات سطح بر تصوير رادار :
ميزان روشنايي ( درخشندگي ) تصوير به ميزان پراكندگي(scattering) سيگنال هاي مايكرويودر برخورد باسطح بستگي دارد . پراكنش سيگنال به پارامترهايي از قبيل مشخصات رادار (فركانس قطبيدگي هندسه ديد و...) وهمچنين خصوصيات سطح (پستي وبلندي نوع پوشش و...) وابسته است . به طور كلي مي توانيم عوامل بالا را در سه عامل اصلي زير خلاصه كنيم :
1) صيقلي بودن سطح
2) هنسه ديد و رابطه آن باسطح
3) درصد رطوبت وخصوصيات الكتريكي سطح
صيقلي بودن سطح مهمترين عامل تعيين كننده روشنايي تصويرمي باشد . سطوح صاف موجب بازتابش آيينه اي(A) در فعل وانفعال سيگنال رادار با سطح مي گردند . درنتيجه اين نوع بازتابش مقدار اندكي 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 يكنواخت 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 انعكاس بازتابش پخشيده(B)گفته مي شود . احتمال وقوع انعكاس زاويه اي (C) در نواحي كه از سطوح عمود برهم تشكيل 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 انعكاس به طور معمول در مناطق شهري (ساختمان ها خيابان ها پل ها و... ) اتفاق مي افتد . صخره ها كوه ها ونيزار رودخانه ها نيز سيگنال رادار را اينگونه بازتاب مي دهند .
زاويه تابش(incidence angle) نيز در نحوه شكل گيري تصوير همچنين صيقلي بودن سطوح نقش ايفا مي كند . با در نظر گرفتن سطح وطول موج ثابت با افزايش زاويه تابش سيگنال هاي كمتري به سوي رادار بازميگردند ودر نتيجه درجه