Sentetik açıklık görüntülemenin uygulanması ve geliştirilmesi
I.Giriş
Sentetik açıklık görüntüleme 1950'lerde önerildi ve radar görüntülemeye uygulandı 70 yıllık araştırma ve geliştirmeden sonra, giderek olgunlaştı ve çevresel kaynak izleme, afet izleme, denizcilik yönetimi ve askeri alanlarda başarıyla kullanıldı. Fiziksel ortamla kısıtlanan sonar görüntülemede sentetik diyaframın araştırma ve uygulaması biraz sonra başlamış, radarın gerisinde kalmıştır.Son yıllarda sivil ve askeri alanlardaki araştırma ve uygulama süreçleri hızlanmıştır. Ek olarak, son yıllarda, akustik tahribatsız muayene ve tıbbi ultrason görüntüleme alanlarında sentetik açıklık görüntülemesinin araştırma ve geliştirmesi de büyük ilerleme kaydetmiş ve optik ve mikrodalga görüntüleme gibi diğer alanlara yayılmıştır. Bu makale kısaca şerit sentetik açıklık görüntüleme ilkesini ve bunun radar, sonar, tahribatsız muayene ve tıbbi görüntülemede uygulanması ve geliştirilmesini açıklamaktadır.
İkincisi, sentetik diyafram görüntüleme ilkesi
Şeritli sentetik açıklık görüntüleme, doğrusal bir hareket yolunda eşit bir hızda hareket etmek ve belirli bir konumda sırayla yaymak, yankı sinyallerini almak ve depolamak için küçük açıklıklı bir taban dizisi kullanır. Uzamsal konum ve faz ilişkisine göre, farklı konumlardaki yankı sinyalleri tutarlı bir şekilde üst üste yerleştirilir ve hareket yönü boyunca yüksek çözünürlük elde etmek için sanal bir geniş açıklık taban dizisini sentezlemek için sentezlenir.
Sentetik Açıklıklı Radar'ın (SAR) mucidi Wiley, 1985 Pioneer Ödülü öyküsünde alçakgönüllülükle şunları söyledi: Sentetik Açıklıklı Radar yerine Doppler Işın Bileme (DBS) adını verdiğim temel bir fikre sahip olduğum için şanslıydım. . Tüm sinyal işlemede olduğu gibi, ikili bir teori vardır: Birincisi, Doppler analizi olan frekans alanı yorumlamasıdır; sentetik açıklıklı radar olan zaman alanındaki analiz sistemi. Zaman alanında sentetik açıklık görüntülemenin "kompozit dizisi" açıklaması Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1 Sentetik dizi prensibi
Bunlar arasında, dizi elemanının veya antenin yatay uzunluğu L'dir ve yatay ışın açılma açısı == / L'dir. Çalışma frekansında dalga boyu 'dır. Dizi öğesinin yörüngesi düz bir çizgidir ve nokta hedef ile yörünge arasındaki dikey mesafe R'dir. Dizi öğesi 1 konumunda olduğunda, hedef ışına girer; dizi öğesi N konumunda olduğunda, hedef ışından çıkar. Sentetik açıklık elemanlarının sayısı N'dir, sentetik açıklığın uzunluğu D = R × == R × / L'dir ve sentetik açıklık ışınının açılma açısı syn = / D = / (R × ( / L)) = L'dir. / R.
Örneklemenin sonunda, sentetik açıklık huzme biçimlendirmesinin son işlenmesi gerçekleştirildiğinde, farklı konumlardaki yankı sinyalleri tutarlı bir şekilde üst üste bindirilir ve dizi elemanından hedefe gidiş-dönüş ses yolunu (2R) ve hedef yansıma sinyalini dizi elemanına geri hesaplamak gerekir. Bu nedenle, sentetik açıklık ışını açılma açısı gerçekte syn = / 2D = / (2R × ( / L)) = L / 2R olmalıdır. Düz yoldan dikey mesafe R olduğunda, sentetik açıklıklı ışın oluşumunun doğrusal çözünürlüğü syn = R × syn = R × L / 2R = L / 2'dir.
1950'lerde radar görüntülemede "sentetik açıklık" ilkesi önerildiğinde, buna "Doppler ışını keskinleştirme" adı verildi. Frekans alanındaki sentetik açıklık görüntülemenin açıklaması Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2 Doppler frekans kayması prensibi
Gerçek bir D açıklığına sahip radar anteni veya sonar dönüştürücü dizi elemanı, x ekseni boyunca soldan sağa sabit bir hızda çalışır ve A noktasındaki nokta hedefin yankı sinyalini iletir ve alır. Dizi elemanının hızı v'dir ve x eksenindeki konum x = vt'dir.
Eko sinyalinin Doppler frekans kayması
fd = 2v / × sin2v / tan = 2v / (R0) x = 2v2 / (R0) t
Doppler frekans kayma değişim oranı = dfd / dt = 2v2 / R0, ışına giren ve çıkan nokta hedefinin süresi T = (R0 / Dv) × c, eko sinyalinin Doppler bant genişliği Bd = T = 2v / D.
Bu nedenle, sentetik açıklık çizgisi çözünürlüğü
sa = v / Bd = D / 2
Sınır durumu: max = / 2, fmax = 2v / , Bmax = 4v / .
Sentetik açıklık sınırı çözünürlüğü
maks = v / Bd = / 4
Üçüncüsü, sentetik açıklıklı radarın geliştirilmesi
1951 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'nden Wiley, Goodyear, radar açısal çözünürlüğünü iyileştirmek için frekans analizinin kullanılmasını önerdi.Bu konsept ilk olarak radyo astronomi ve radar görüntülemeye uygulandı.
Birkaç ay sonra, Illinois Üniversitesi ve Michigan Üniversitesi'ndeki araştırmacılar bağımsız olarak SAR geliştirdiler. Michigan Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 1957'de ilk sentetik açıklık görüntüsünü verdiler. Ancak, düşük görüntü kalitesi ve çözünürlük nedeniyle, SAR araştırma planı o sırada neredeyse iptal edildi. O zamanlar, çözünürlük endeksi yaklaşık 16 milyondu ve şimdi müreffeh SAR dönemine girmiştir. Tablo 1, sistemin yaygın olarak kullanılan frekans ve dalga boyu aralıklarını gösterir ve Tablo 2, bazı uzay tabanlı ve havadan SAR görüntüleme radarlarının parametrelerini listeler.
Tablo 1 SAR sisteminin ortak frekans ve dalga boyu aralığı
Not: L, C ve X en yaygın kullanılan frekans bantlarıdır. P ve L frekans bantları yaprak kümesi penetrasyonu, yüzey altı görüntüleme ve biyokütle tahmini için kullanılır; C, S ve X frekans bantları okyanus, buz ve çökme izleme için kullanılır; X ve Ku frekans bantları kar izleme için kullanılır; X ve Ka kullanılır Yüksek çözünürlüklü görüntüleme.
Tablo 2 Bazı uzaysal ve havadan SAR görüntüleme radarı parametreleri
Dördüncü olarak, sentetik açıklık (yandan tarama) sonarının geliştirilmesi
Okyanus, dünya yüzeyinin yaklaşık% 70'ini kaplar ve insanların ulaşım, askeri mücadele ve kaynak elde edebileceği bir yerdir. Bu, okyanusta gözlem, iletişim, navigasyon ve konumlandırma araçları gerektirir. Okyanusta manyetik alan, su basıncı alanı, uyanma alanı, sıcaklık alanı vb. Gibi birçok fiziksel alan tespit edilebilir. Bu fiziksel alanın tespit edilebilir mesafesi, kabaca kaynağın kendi ölçeğiyle aynı büyüklüktedir ve su içinde uzun mesafeler boyunca bilgi iletemez. Sualtı akustik teknolojisi bunda önemli bir rol oynar. Ses dalgaları, suda uzun mesafeler boyunca etkili bir şekilde bilgi aktarabilen tek fiziksel alandır. Ses dalgalarının ve elektromanyetik dalgaların zayıflama oranı şu şekildedir: 10kHz ses dalgaları suda sadece 1dB / km kadar zayıflar ve 10kHz elektromanyetik dalgalar suda 3000dB / km'ye kadar zayıflar.
Gerçek açıklık yan tarama sonarı (SSS), Şekil 3'te gösterildiği gibi çoğunlukla sürükleme modunda çalışır.
Şekil 3 Yan taramalı sonar çekme çalışma modu ve sonogram
En eski yandan taramalı sonar deneyi, ABD Donanması için Hagemann (1958) tarafından yapıldı ve 1980 yılına kadar yayınlanmadı. Westinghouse, Hagemann'ın çalışmasına dayanarak 1960'ların başında ilk pratik yan tarama sonarını inşa etti. Kısa süre sonra, yandan taramalı sonar, deniz tabanı araştırması ve deniz tabanı görüntülemede önemli bir araç haline geldi ve deniz tabanı hakkında daha önce bilinmeyen birçok ayrıntıyı ortaya çıkardı. Ticari yandan taramalı sonar sistemleri ilk olarak deniz ve su altı arkeolojisinde, özellikle batık gemileri bulmak için kullanılmıştır.
Gerçek açıklık yan görüş radarına benzer şekilde, gerçek açıklık yan taramalı sonar, sonar dönüştürücünün gerçek açıklığı tarafından belirlenen hareket yönü boyunca sabit bir ışın açılma açısına sahiptir.Yan taramalı sonarın yatay ışın ve sonar diyagramı Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil 4 Yan taramalı sonar yatay ışını ve akustik görüntü
Gerçek açıklık yan taramalı sonarın teknik özellikleri, dalga boyuna normalize edilmiş dizi uzunluğu ile ters orantılı olan yatay ışının sabit açısal çözünürlüğü olarak özetlenebilir, == / L. Bunlar arasında, dizi elemanının veya antenin yatay uzunluğu L'dir; çalışma frekansında dalga boyu 'dır. Mesafe arttığında, yatay çizgi çözünürlüğü azalır, == R × == R × ( / L).
Sentetik Açıklık (Yandan Tarama) Sonar (SAS), sentetik açıklıklı yandan bakan radara benzer: doğrusal bir hareket yörüngesinde eşit bir hızda hareket etmek için küçük açıklıklı bir su altı akustik dönüştürücü kullanır ve belirli bir konumda sıralı olarak iletir, eko sinyallerini alır ve depolar. Uzamsal konum ve faz ilişkisine göre, farklı konumlardaki yankı sinyalleri tutarlı bir şekilde üst üste yerleştirilir ve hareket yönü boyunca yüksek çözünürlük elde etmek için sanal bir geniş açıklık taban dizisini sentezlemek için sentezlenir. Sentetik açıklık yan görüş radarına benzer şekilde, sentetik açıklık (yandan tarama) sonarının hareket yönü boyunca yatay çizgi çözünürlüğü syn = L / 2'dir, burada L, temel dizinin uzunluğudur. Yatay çizgi çözünürlüğünün frekansla hiçbir ilgisi yoktur ve düşük frekansta çalışabilir ve mesafeyle ilgisi yoktur.
Radar elektromanyetik dalgalar kullanır ve havadaki yayılma hızı yaklaşık 300.000 km / s'dir; sonar ses dalgalarını kullanır ve sudaki yayılma hızı yalnızca c = 1.5 km / s'dir. Çalışma mesafesi R olduğunda ve hareket hızına v ulaşıldığında, çoklu alıcı alt dizi sentetik açıklık sonar dizisinin minimum fiziksel uzunluğu L = 4vR / c'dir ve her alıcı alt dizinin yatay genişliği azimut çözünürlüğünün iki katıdır. Gerçek açıklıklı sonar ile karşılaştırıldığında bu faktörler, sentetik açıklıklı sonarın temel dizisini boyut olarak büyük, kütle bakımından yüksek ve sistem karmaşıklığı açısından yüksek yapar.
Karmaşık ve değişken deniz ortamında, çekilen gövdenin doğrusal hat boyunca tekdüze bir hızda kesinlikle hareket etmesi imkansızdır ve hareket hatası Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5 Sentetik açıklık (yandan tarama) sonar hareket hatası
Sentetik açıklık görüntüleme 1 elemanı her seferinde etkinleştirilebilir ve modu Şekil 9'da gösterilmiştir.
Şekil 9 İletimi ve alımı odaklayan çok elemanlı sentetik açıklık (M = K)
İletim sırasında yalnızca bir öğe etkinleştirilir ve doğrusal dizideki tüm öğeler, "iletme sentetik açıklığı" (STA) olarak adlandırılan yankıyı alır ve modu Şekil 10'da gösterilir.
Şekil 10 Sentetik açıklığın iletilmesi ve alınması
Akustik görüntünün yenileme oranını iyileştirmek için, Şekil 11'de gösterildiği gibi "Seyrek STA" modu uygulanabilir. Seyrek iletim sentetik açıklık modu, her iletişinde N / M> 1 dizi elemanını etkinleştirir ve tüm dizi elemanları yankı sinyallerini alır. Bir veri örnekleme çerçevesi bittikten sonra, akustik görüntüyü yeniden oluşturmak için tüm M × N yankı sinyalleri geri alınır.
Şekil 11 Seyrek transmisyon sentetik açıklığının iletimi ve alımı
Alıcı sentetik açıklık (SRA) modu Şekil 12'de gösterilmektedir. İletim sırasında, tüm dizi öğelerini etkinleştirin; alırken, doğrusal diziyi Ns = N / KR alt dizilerine bölün. Her iletim için, bir alıcı alt dizisi KR dizisi elemanları tarafından alınan yankı sinyallerini üst üste getirir ve depolar. Daha sonra, aynı darbe sinyali aynı yönde iletilir ve diğer alt diziler ekoları sırayla alır, üst üste bindirir ve depolar. Son olarak, tüm alt dizilerin yankı sinyalleri çağrılır ve tutarlı işleme, yüksek çözünürlüklü bir akustik görüntü oluşturur.
Şekil 12 Sentetik açıklığı alma ve gönderme
6. Sonuç
1950'lerden beri, radar zemin ve deniz görüntülemede sentetik açıklığın geliştirilmesi ve uygulanması altın çağa girmiştir ve gerçek çözünürlük, ilk varsayımları çok aşmaktadır. Bununla birlikte, sistem hatası, özellikle havadan radarın hareket hatası, gerçek çözünürlük kapasitesini azaltır. Değişen deniz ortamından etkilenen hareket hatası tespiti ve telafisi, sentetik açıklıklı sonarın gerçek çözünürlüğünü iyileştirmek için özellikle önemlidir ve her zaman ilgi gören bir araştırma ve geliştirme konusu olmuştur. 1970'lerden ve 1980'lerden bu yana, sentetik açıklık görüntüleme, tahribatsız muayene ve tıbbi teşhise uygulandı, ultrason görüntülemenin çözünürlüğünü ve sinyal-gürültü oranını etkili bir şekilde iyileştirdi ve araştırma, geliştirme ve uygulama tanıtımı birçok ilgiyi çekti. Ek olarak, 3B görüntüleme ve otomatik hedef tanıma ve sınıflandırma, sentetik açıklık teknolojisinin çeşitli uygulamalarındaki araştırma noktalarıdır.
Kaynak: Akarsuda Okyanus Yaşamı
Yazar: Sun Baoshen
