حمید رضا هاشم پور
SAR یکی از مهمترین شاخه های علم ” سنجش از راه دور ” است که بدلیل کاربردهای گسترده آن از سال ها قبل مورد توجه محققان قرار گرفته است. در ایران نیز در سال های اخیر تحقیقاتی در زمینه الگوریتم های پردازش سیگنال SAR و مدهای مختلف کاری آن انجام شده است. یک مشکل اساسی در اکثر حسگرهای SAR هواپایه ، جبران خطاهای حرکت ناشی از اغتشاشات جوی است. به طور خاص ، اثرات اصلی تولید شده توسط خطاهای حرکت سکو در تصاویر SAR شامل تنزل حد تفکیک هندسی و رادیو متریک ، ابهام در جهت سمت و اعوجاج هندسی و فاز می باشد. انحرافات هواپیما از مسیر مستقیم و سرعت ثابت را می توان توسط سیستم ناوبری اینرسی (INS) ، سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) یا واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) محاسبه نمود.
در این پایان نامه ابتدا مفاهیم SAR و نحوه کار آن بیان شده است. سپس تئوری الگوریتم های RDA و CSA و دلایل مطرح شدن این روش ها به تفصیل بحث شده است. سپس ضمن تشریح مراحل پردازشی هر کدام از الگوریتم ها، شبیه سازی هایی برای یک سناریوی متداول با زاویه لوچی کم انجام گردیده و نتایج آنها با هم مقایسه شده است.
هدف اصلی این پایان نامه بررسی روش های جبران حرکت سکو با بهره گرفتن از اطلاعات بدست آمده از IMU (یا INS) است. این روش ها با انجام محاسبات و شبیه سازی با هم مقایسه شده است.
در نهایت مقدار خطای قابل قبول جابجایی سکو نسبت به مسیر حرکتی ایده آل مطرح شده است. با بهره گرفتن از این مقادیر می توان مشخصات سنسورهای IMU را از نظر میزان خطا تعیین نمود.
فهرست مطالب
مقدمه 2
1-1- تاریخچه SAR 2
1-2- رادار در سنجش از راه دور 4
1-3- اساس کار SAR 4
1-4- جبران حرکت سکو 7
1-4-1- اثر حرکت سکو بر کیفیت تصویر SAR 9
1-5- روش های جبران حرکت 13
1-5-1- جبران سازی با بهره گرفتن از اندازه گیری مسیر پروازی با IMU 13
1-5-2- جبران مسیر حرکت با بهره گرفتن از داده های خام SAR 16
1-6- سر فصل مطالب پایان نامه 18
2- اصول پردازش سیگنال SAR 20
2-1- مقدمه 20
2-2- فشرده سازی سیگنال های FM خطی 23
2-2-1- سیگنال های FM خطی 23
2-2-2- فشرده سازی پالس 28
2-3- مفاهیم دهانه مصنوعی 30
2-3-1- هندسه SAR 31
2-3-2- فرم هذلولی معادله برد 34
2-3-3- فرکانس داپلر در موضوع SAR چیست ؟ 34
2-3-4- مفهوم دهانه مصنوعی ( synthetic aperture ) 35
2-4- اصول عملکرد 2-D SAR 36
2-4-1- تصویربرداری راداری یک بعدی Cross Range 36
2-4-2- sampling 38
2-4-3- 2-D Imaging 38
2-5- تئوری الگوریتم های Range Doppler و Chirp Scaling 40
2-5-1- تئوری الگوریتم RDA 41
2-5-2- تئوری الگوریتم CSA 43
3- تشریح الگوریتم های RDA و CSA 51
3-1- الگوریتم Range Doppler 51
3-1-1- مقدمه : 51
3-1-2- نگاهی کلی به الگوریتم 52
3-1-3- سیگنال خام رادار ( داده های خام ) 54
3-1-4- فشرده سازی برد 55
3-1-5- تبدیل فوریه ی سمت 56
3-1-6- تصحیح جابجایی سلول برد 57
3-1-7- فشرده سازی سمت 58
3-1-8- شبیه سازی SAR با بهره گرفتن از الگوریتم RDA 60
3-2- الگوریتم Chirp Scaling 69
3-2-1- مقدمه 69
3-2-2- نگاهی کلی به الگوریتم chirp scaling 70
3-2-3- پیشینه ی CSA 71
3-2-4- جزئیات پردازش CSA 73
3-2-5- شبیه سازی برای یک هدف نقطه ای 77
4- جبران حرکت سکو 82
4-1- مقدمه 82
4-2- بررسی اثر حرکت سکو در تصویر SAR 83
4-3- جبران سازی حرکت سکو 87
4-3-1- روش جبران سازی تئوری 88
4-3-2- جبران حرکت سکو در یک مرحله (با بهره گرفتن از تقریب) 90
4-3-3- جبران حرکت سکو در دو مرحله 92
4-4- تصحیح الگوریتم های RDA و CSA جهت اعمال MOCO 94
4-4-1- تصحیح الگوریتم RDA 94
4-5- شبیه سازی جبران حرکت سکو 98
5- آنالیز خطای جبران حرکت سکو 114
5-1- مقدمه 114
5-2- پاسخ ضربه در جهت سمت]33[ 115
5-3- پاسخ ضربه در جهت برد]33[ 118
5-4- دسته بندی خطاهای فاز ]33[ 119
5-5- نیازمندیهای جبران حرکت سکو ]33[ 123
5-5-1- خطاهای فاز خطی 123
5-5-2- خطاهای فاز درجه دو 124
5-5-3- خطاهای فاز فرکانس بالا 125
5-5-4- تعیین خطای حرکت قابل قبول 125
5-5-5- تعیین حد بالای طیف توان برای خطای حرکت باقی مانده 125
5-5-6- محاسبه PSD خطای حرکت قابل قبول برای پارامترهای شبیه سازی 128
6- نتیجه گیری و پیشنهادها 135
6-1- نتیجه گیری 135
6-2- پیشنهادات 136
فهرست جداول
جدول 1-1 : پارامترهای شبیه سازی 10
جدول 1-2 : پارامترهای حسگر شبیه سازی شده 12
جدول 3-1 : پارامترهای شبیه سازی 60
جدول 4-1 : مقادیر شبیه سازی شده برای RDA و CSA 100
جدول 5-1 : پارامترهای حسگر 119
جدول 5-2 : جابجایی در راستای حرکت سکو و سرعت هایی که منجر به خطای فاز π/2 می شود 119
جدول 5-3 : پارامترهای سیستم E-SAR 126
جدول 5-4 : کیفیت تصویر مورد نیاز 126
فهرست شکل ها
شکل 1-1: ماهواره SEASAT ]4[ 3
شکل 1-2 : Stripmap SAR 5
شکل 1-3 : Spotlight SAR 6
شکل 1-4 : Interferometric SAR 7
شکل 1- 5 : Scan SAR 6
شکل 1-6 : داده های شبیه سازی شده LFM-CW SAR برای یک هدف نقطه ای و آرایه ای از اهداف نقطه ای. ستون اول (سمت چپ) خطاهای حرکت و ستون دوم حالت ایده آل بدون خطای حرکت را نشان می دهد]10[ 11
شکل 1-7 : تصویر پردازش شده بدون MOCO.]11[ 12
شکل 1-8 : تصویر پردازش شده با اعمال MOCO.]11[ 14
شکل 1-9 : داده های شبیه سازی شده LFM-CW SAR برای یک هدف نقطه ای و آرایه ای از اهداف نقطه ای. ستون سمت چپ حالت ایده آل بدون خطای حرکت و ستون سمت راست حالت غیر ایده آل را بعد از اعمال MOCO نشان می دهد ]10[ 15
شکل 1-10 : به ترتیب از چپ به راست : تصویر پردازشی در حالت ایده آل ، تصویر تار شده بدلیل خطای فاز سفید و تصویر باز سازی شده با بهره گرفتن از روش autofocus ]13[ 17
شکل 1-11 :تصویر پردازشی UAV-SAR. (aبدون تصحیح حرکت.b ( با اعمال MOCO ]16[ 17
شکل 2-1 : الف) دامنه قسمت حقیقی سیگنال ب) دامنه قسمت موهومی سیگنال ج) فاز سیگنال د) فرکانس سیگنال 25
شکل 2-2 : طیف مختلط یک پالس FM خطی 29
شکل 2-3 : خروجی فیلتر منطبق یک پالس FM خطی 30
شکل2-4: هندسه دریافت داده های راداری ]2[ 32
شکل 2-5 : هندسه تصویربرداری یک بعدی 37
شکل 2-6 : هندسه جابجایی سلول برد RCM 39
شکل 2-7 : توصیف قرار گرفتن منحنی RCM چند هدف روی یک منحنی در حوزه برد داپلر 42
شکل 2-8 : مثال ساده ای از شیفت هدف بعد از scaling و فشرده سازی 47
شکل 2-9 : شیفت اهداف توسط یک تابع scaling ، FM خطی 48
شکل 3-1 : بلوک دیاگرام RDA 53
شکل 3-2 : فضای سیگنال خام SAR 61
شکل 3-3 : مرکز فضای سیگنال. الف) شکل بالا (up-chirp) ب) شکل پایین (down-chirp) 62
شکل 3-4 : سیگنال مرجع برد 63
شکل 3-5 : جابجایی سلول برد 64
شکل 3-6 : فشرده سازی سیگنال وسط سمت در حوزه زمان برد 64
شکل 3-7 : تصویر فشرده شده در جهت برد 65
شکل 3-8 : تصویر بعد از RCMC 66
شکل 3-9 : تصویر SAR پردازش شده نهایی یک هدف نقطه ای 67
شکل 3-10 :الف- نمایه برد و سمت تصویر SAR پردازش شده نهایی یک هدف نقطه ای 67
شکل 3-10 :ب- نمایه برد و سمت تصویر SAR پردازش شده نهایی یک هدف نقطه ای 68
شکل 3-11: بلوک دیاگرام الگوریتم CSA 72
شکل 3-12 : تصویر بعد از RCMC 78
شکل 3-13 : تصویر پردازشی نهایی (CSA) 78
شکل 3-14 : نمایه برد و سمت تصویر SAR پردازش شده نهایی یک هدف نقطه ای 79
شکل 3-15: مقایسه الگوریتم RDA و CSA 80
شکل 4-1 : هندسه حرکت نامی و واقعی سکو 83
شکل 4-2 : مکان هدف m ام ( نقطه Pm ) در نوار 84
شکل 4-3: بلوک دیاگرام RDA اصلاح شده 95
شکل 4-4 : بلوک دیاگرام CSA اصلاح شده 97
شکل 4-5 : انحراف سینوسی با دامنه 105 m برای الگوریتم RDA 100
شکل 4-6 : مقایسه پروفایل سمت (شکل بالا) و برد (شکل پایین) حالت ایده آل و حالت دارای انحراف سینوسی با دامنه 0.01m برای الگوریتم RDA 101
شکل 4-7 : مقایسه تصویر پردازشی نهایی در حالت ایده آل (شکل بالا) و در حالت دارای انحراف سینوسی با دامنه 0.01m (شکل پایین) برای الگوریتم RDA 102
شکل 4-8 : شکل بالا: تصویر داده SAR خام دریافتی ، شکل پایین: تصویر پردازشی نهایی در حالت دارای انحراف سینوسی با دامنه 105 m برای الگوریتم RDA 103
شکل 4-9 : مقایسه پروفایل سمت (شکل بالا) و برد (شکل پایین) حالت ایده آل و حالت دارای انحراف سینوسی با دامنه 0.01m برای الگوریتم CSA 104
شکل 4-10-الف : جبران حرکت سکو به روش تئوری نسبت به هدف سمت راست برای انحراف سینوسی با دامنه 105 m (شکل بالا برای الگوریتم RDA) و (شکل پایین برای الگوریتم CSA) 105