CC BY
194Формирование радиолокационного изображения с синтезированной апертурой
Хамадж Наср Еддин,
аспирант, ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет», salim.kham@yandex.ru
В статье представлен обзор основных характеристик радиолокационного изображения и основных этапов процесса формирования радиолокационного изображения от получения необработанного радиолокационного сигнала до получения конечного изображения высокого разрешения. С момента внедрения радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) в дистанционное зондирование Земли было разработано множество приложений дистанционного зондирования. Наиболее интересной из них является РСА-интерферометрия, где когерентная природа сложного радиолокационное изображение (РЛИ) используется для измерения топографии, движения или структурной декорреляции земной поверхности. Для получения единого результата часто требуется обработать, точно зарегистрировать и оценить до 100 РЛИ одной и той же области. Все это стало возможным благодаря тому, что РЛИ значительно продвинулась от оптического стенда к миру цифровой обработки сигналов. Радиолокационные изображения с синтезированной апертурой привлекли большое внимание благодаря своей всепогодной работе, высокому пространственному разрешению и недавним улучшениям в обработке этих изображений. Формирование рЛи и обработка данных отличаются от многих других методов дистанционного зондирования, поскольку процесс получения изображений является когерентным. Наиболее естественным способом описания такой системы и ее сигналов являются комплекснозначные функции.
Ключевые слова: Радиолокационное изображение, Моделирование радиолокационного изображения, Формирование радиолокационного изображения, синтезированной апертурой изображений.
Данные радиолокационной изображения (РЛИ) представляют собой двумерный массив комплексных чисел с индексами, представляющими, например, изменение дальности и изменение азимутальных координат. Как и данные сигнала, каждый образец включает квантованные амплитудные и фазовые (или, альтернативно, синфазные и квадратурные) компоненты. Каждый элемент массива представляет собой пиксель изображения с амплитудой, связанной с силой коэффициента обратного рассеяния радара в соответствующей области сцены. В общем случае фаза пикселя изображения включает детерминированную составляющую и случайную составляющую. Детерминированная составляющая связана с расстоянием между соответствующим рассеивателем и радиолокационным датчиком.
Для получения РЛИ, последовательные импульсы радиоволн передаются для освещения целевой сцены, и Эхо каждого импульса принимается и записывается. Обработка сигналов последовательных записанных радиолокационных эхо-сигналов позволяет комбинировать записи с этих нескольких положений антенн.
Трмкторыя гтлета летательного аппарата
АВ + 2)'о
Рис. 1. Геометрии непрерывный РЛС
X X О го А С.
Изображаемый объект, состоит из точечных целей которые в пространстве прямоугольной системы координат, определяемые дальности, азимутом, высотой полета как аналоги направлений x, у и z. Платформа представляет собой антенну, прикрепленную к самолету движущейся с орбитальной скоростью, Уб, По азимуту и в средней точке полета, расстояние до цели равно дальности ближайшего сближения или минимальной дальности до цели, Ro и обозначается как Хс (Рис.1). В моделировании Орбитальная скорость приблизительно равна скорости платформы, Уг. Скорость радиолокационного луча вдоль земли составляет Уд. [1].
Переданный сигнал, как предполагается,
имеет форму в уравнении 1 ниже. Сигнал является
X
го т
о
ю
2 О
м
сч
0 сч
РО
01
о ш m
X
<
m О X X
функцией «времени дальности», ^ несущая частота,с; ^. Длительность ЛЧМ импульса, Тг и частота модуляции скорости (ЧМ)ДГ . Другие важные параметры.
= гес£(—) cos(2п/0 + л"Лг£2) = и/г(£) cos(2л/0 +
пКг12) (1) "
Где t: быстрое время,с; ^ : Несущая частота, Тг : Длительность ЛЧМ импульса, Кг : Скорость частоты модуляции, и/г : Огибающая импульса.
В0 = \КГ\ТГ (2)
где В0 : Полоса пропускания сигнала.
Ргк£ (3)
2|К{|ТГ 2 В0
где Рг : Разрешающая способность по дальности, с : Скорость света.
На Рис.2 изображен переданный сигнал в виде Косинуса с линейно нарастающей частотой в течение длительности передачи, за которой следует нулевая длительность приема. Окно передачи называется огибающей импульсов,щ, и определяет длительность передачи. В течение времени приема антенна ожидает приема отраженных радиолокационных сигналов от целей, содержащихся в одномерном срезе диапазона Эха, как функция «быстрого времени» [2].
_ уМ-1
-tm= О
Рис.2. Переданный радиолокационный импульс [1].
Амплитуда радиолокационного сигнала на антенне в течение длительностей приема и передачи последовательно показана на рисунке 3. Один над комбинированной передачей и длительность приема называется «частота следования импульсов», и определяет количество импульсов, передаваемых в секунду.
Рис.3. Деятельность РЛС антенны [1].
Необработанный полученный РЛС сигнал, $гх(М) предполагается, что он имеет форму показанный в уравнении 8 ниже после квадратурной демодуляции, которая удаляет высокочастотную несущую волну и выводит сигнал в основную полосу частот. Это трехмерный сигнал с двумя временными измерениями. Временные измерения — это время дальности / быстрое время, ^ и время Азимута / медленное время,^. Уравнение 4 показано ниже, как суммирование отражений от М различных точечных целей. Перед квадратурной демодуляцией сигнал представляет собой исходный передаваемый сигнал, который задерживается во времени, ослабляется, амплитуда со смещением по фазе, измененная вследствие воздействия структуры азимутального луча, и содержит добавочный белый гауссов шум (БГШ). Этот сигнал показан в уравнении 5 [1].
Лс)е
_2Rmft)
Где Fm : Коэффициент ослабления от отражения на цели, Кг : Скорость частоты модуляции, t: быстрое время или время по дальности, wr : Огибающая импульса, /0 : Несущая частота, Н^М ; Задержка времени, ф : Сдвиг по фазе от отражения, : Изменение
амплитуды диаграммы азимутального луча.
= Щ [Fmwr (t - ^2) -
qc) cos [2л/Ь (t " + kW — 2йт(^)/с)2 ]] +
(5) nm(t,^)
Временная задержка рассчитывается по расстоянию, на которое проходит луч РЛС, Удвоенный мгновенный наклонная дальность, как показано в уравнении 7, делится на скорость луча радара. Коэффициент ослабления представляет собой скалярное значение от 0 до 1, представляющее нормализованную отражательную способность каждой целевой точки. Изменение амплитуды диаграммы азимутального луча - назван из-за геометрической формы диаграммы направленности в азимутальной плоскости, как показано на рисунке 4. Центральный узел диаграммы направленности создает самая большая сила отражения, но меньшие боковые узлы также создают отражения и общая полученная сила сигнала от точечной цели по азимутальному времени, напоминает функцию sine в квадрате с центром в центре луча, пересекающую время , которое является азимутальным временем, в которое центр диаграммы направленности пересекает центральную целевую область. Ширина луча Азимута, pbw , используется в уравнении 6 для расчета азимутальной диаграммы направленности, Вычислено в уравнении 4 и обратно пропорционально фактической длине антенны, La [2].
аъ(Ч) - sin2(^) (6)
Pbw
Где pbw : Ширина луча Азимута,
Rm0l)=jRom2+VrV= J(X0+Xm)2 + Vp2(n+^)2
(7)
Где й0т : Минимальная дальность до цели в точке
(m), ^ : Азимутальный время, Vr : Скорость платформы.
pbw = 0.866А/La (8)
Где Я: Длина волны, La : Фактическая длина антенны.
Рис.4. Азимутальная диаграмма направленности
Рис.5. Структурная схема алгоритм формирования РЛИ
Важным для понимания эффективности обработки РЛС является разрешающая способность по азимуту, ра, как показано в уравнении 9 ниже.
Разрешающая способность по азимуту сначала показано перед упрощением как функция скорости луча радара на земле, Уд, угол отклонения луча от оси симметрии антенны, 05?, пропускная способность азимута, и △ иор, ширина полосы доплеровских частот она показана в уравнении 10, как функция орбитальная скорость, угол отклонения луча от оси симметрии антенны, длина волны [3].
ООЙТ/ Р т
(9)
Ра=-
△fdo,
2
Где ра : Разрешающая способность по азимуту, Уд : Скорость луча радара на земле, вБЧ : Угол отклонения, А[аор : Ширина полосы доплеровских частот.
△ Гаор = ^^ (10)
Угол отклонения луча от оси симметрии антенны, , используется в уравнениях 9 и 10, обозначается как угол между вектором наклонного дальности и нулевой допле-ровской плоскостью. Угол отклонения луча от оси симметрии антенны изменяется в зависимости от времени Азимута, уменьшаясь по мере приближения платформы к цели и увеличиваясь по мере удаления платформы от цели, как показано в уравнении 11 ниже. Максимальный Угол отклонения, вЭЧтах, расчет показан в уравнении 12 ниже [3].
= arccos(——)
yRuivY
/ Rq™
= arccosi-
mnY 4 D
RU(V)'
где Rm(n) = ^f)Vp
0
(11) (12)
Где 6sq : Угол отклонения, dur: Длительность моделирования, Vp: Скорость платформы.
Алгоритм формирования РЛИ обрабатывает необработанные данные РЛС, вычисленные из уравнения 4, для получения пространства изображений РЛС или конечного изображения. Алгоритм выполняет согласованную фильтрацию отдельно в областях диапазона с преобразованием Фурье и азимута. Преобразования Фурье рассчитываются с помощью быстрых преобразований Фурье (БПФ) для повышения эффективности обработки. Коррекции миграции дальности выполняется в частотной области дальности и азимута.
Структурная схема Алгоритм формирования РЛИ показана на рисунке 5. Вход РЛС пространства необработанных сигналов является двумерным сигналом. Двумерный сигнал сначала анализируют как последовательные сигналы времени по дальности для каждого элемента разрешения по азимуту. После того, как каждый сигнал преобразуется обратно в диапазон времени/Азимута временной области, результатом является сжатый сигнал диапазона, так как согласованная фильтрация была выполнена в области диапазон-частота. Для получения азимутального сжатия необходимо выполнить азимутальную согласованную фильтрацию. Сигнал, сжатый по дальности, затем формируется в ряд сигналов относительно азимутального времени в различных элементах разрешения по дальности. Каждый азимутальный сигнал преобразуется Фурье посредством азимутального БПФ и Коррекции миграции дальности выполняется перед азимутальной согласованной фильтрацией в дальность-Доплера область. После азимутальной согласованной фильтрации каждого сигнала и азимутальных обратных быстрых преобразований Фурье (ОБПФ), получается конечное целевое изображение.
Основной метод алгоритм формирования РЛИ является согласованная фильтрация. Согласованная фильтрация - корреляция шаблонного сигнала с неизвестным сигналом, которая является эквивалентом свертки неизвестного сигнала с реверсированным по времени шаблоном, для обнаружения присутствия шаблонного сигнала в неизвестном сигнале. Это обнаружение эффективно даже в случаях низкого отношения сигнал/шум.
Вместо корреляции во временной области, умножения на комплексно-сопряжённое в области Фурье, выполняется для скорости, так как она эквивалентна и менее интенсивна обработку. Согласованная фильтрация в моделировании называется сжатием импульсов, так как энергия принятого сигнала сходится или сжимается в области обнаружения шаблонного сигнала. этот процесс усиливается ЛЧМ-сигналом, используемым в конструкции передаваемого радиолокационного сигнала, поскольку имеется больше информации встроенный для обнаружения. Для повышения эффективности вычислений используется БПФ, который является алгоритмом гасНх-2 для эффективного вычисления дискретного преобразования Фурье и его инверсное число. Основа-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О M
сч
0 сч
01
ние radix-2 особенностью БПФ ограничивает число образцов, обработанных времени, чтобы быть целым числом, кратным двум. БПФ используют блочную обработку путем одновременных вычислений различных входов, что делает их высокоэффективными [4].
В дополнение к согласованной фильтрации, другим основным компонентом алгоритм формирования РЛИ является Коррекции миграции дальности. Коррекции миграции дальности необходимо из-за гиперболического тренда относительно азимутального времени ^ мгновенного наклонной дальности с как показано в уравнении 3, что вызывает миграцию дальность. Миграции дальности по отношению к азимутальной частоте, в дальность-Допплер область, время по дальности и азимутальная частотная область, как показано в уравнении 13 как это вычисляется при моделировании. Аппроксимация в уравнении 13 близка для низких углов угол отклонении, что предполагается при моделировании. азимутальная частота вычисляется как показано в уравнении 13 с использованием азимутальной частоты модуляции (ЧМ) скорости, В моделировании миграции дальности округляется до ближайшего целого числа, так как миграция должна быть рассчитана в дискретных " ячейках", которые будут скорректированы в процессе Коррекции миграции дальности [5].
Rrd{f>j)— ■
. A2R0mfy
fv ~ -M
*Vr2f02
2Vr2V
AR0m
(13)
(14)
В статье мы обсудили методику формирования радиолокационного изображения. Этот процесс предназначен для достижения эффективности обработки блоков с использованием операций в частотной области как по дальности, так и по азимуту при сохранении простоты одномерных операций. Он использует преимущества приближенной разделимости обработки в этих двух направлениях, допускаемой большой разницей во временных масштабах данных дальности и азимута, а также использованием коррекции миграции ячеек дальности (КМЯД) между двумя одномерными операциями.
Для эффективности реализации все согласованные фильтры выполняются как умножения в частотной области. Согласованная фильтрация и КМЯД зависят от изменяющихся параметров дальности. Все операции выполняются с одномерными массивами данных, что обеспечивает простоту и эффективность обработки.
Литература
1. Фрэнк, Х. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementations [Текст]/ Кам-минг, Ян Г и Вонг, Х. Фрэнк. - Норвуд, Массачусетс: Cole Publishing Company, 2005.
2. Шарков, Е. А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. / Евгений Шарков. — Т. 1.— М.: ИКИ РАН, 2014.—544 с.
3. Амбардар. Analog and Digital Signal Processing: Second Edition [Текст]/ Амбардар, Ашок.- Пасифик-Гроув, Калифорния : Cole Publishing Company, 1999.
4. Мейсон. MATLAB Simulation of Two-Dimensional SAR Imaging By Range Doppler Algorithm [Текст]/ Мейсон, Пол Райан. - Сан-Луис-Обиспо, Калифорния: Калифорнийский Политехнический Государственный Университет Сан Луис Обиспо Калифорния, 2007. магистерская диссертация.
5. Фрэнк, Х. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementations [Текст]/ Кам-минг, Ян Г и Вонг, Х. Фрэнк. - Норвуд, Массачусетс: Cole Publishing Company, 2005.
Formation of synthetic aperture radar image ^amadj Nasr Eddine
Penza State Technological university
JEL elassifieation: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The article provides an overview of the main characteristics of the radar image and the main steps of the process of forming a radar image from raw radar signal to obtaining a final high-resolution image. Since the introduction of synthetic aperture radar (SAR) into Earth remote sensing, many remote sensing applications have been developed. The most interesting of these is SAR interferometry, where the coherent nature of a complex radar image is used to measure the topography, motion, or structural decorrelation of the earth's surface. To obtain a single result, it is often necessary to process, accurately register and evaluate up to 100 SAR image of the same area. All this was made possible by the fact that the SAR imaging has significantly advanced from the optical stand to the world of digital signal processing. Synthetic aperture radar (SAR) images have attracted much attention due to their all-weather operation, high spatial resolution, and recent improvements in processing these images. SAR image generation and data processing are different from many other remote sensing methods, since the image acquisition process is coherent. The most natural way to describe such a system and its signals are complex-valued functions. Keywords: Radar image, Radar image modeling, Radar image formation,
synthetic aperture radar image. References
1. Frank, H. Digital processing of radar data aperture: algorithms and their
implementations [Text]/ Cumming, Yang and G Wong, H. Frank. -Norwood, Massachusetts: Cole Publishing House 2005,.
2. Sharkov, E. A. Radiothermal remote sensing of the Earth: physical bases:
in 2 vols. / Evgeny Sharkov. - Vol. 1. - Moscow: IKI RAS, 2014. -544 p.
3. Ambardar. Analog and digital signal processing: second edition [Text]/
Ambardar, Ashok. Pacific Grove, CA: Cole Publishing, 1999.
4. Mason. MATLAB Modeling of two-dimensional SAR visualization by range Doppler Algorithm [Text]/ Mason, Ryan Paul. - San Luis Obispo, California:
California Polytechnic State University San Luis Obispo California, 2007. master's thesis.
5. Frank, H. Digital processing of radar data aperture: algorithms and their
implementations [Text]/ Cumming, Yang and G Wong, H. Frank. Norwood, MA: Cole Publishing 2005,.
О Ш
m x
<
m о x
X
