Жер бетін суреттеуге арналған синтетикалық апертуралық радар

Жасанды апертуралық радар (SAR) – ландшафттардың 2D/3D суреттерін жасауға арналған радар түрі. Жоғары ажыратымдылық, жылдам сканерлеу, әуе/ғарыш платформаларында қолданылады.

17 мин оқу

100%

Дереккөз: Synthetic-aperture radar — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Ландшафттардың суреттерін жасауға қолданылатын радар түрі Синтетикалық апертуралық радар (SAR) – ландшафттар сияқты объектілердің екі өлшемді суреттерін немесе үш өлшемді реконструкцияларын жасау үшін қолданылатын радар түрі. SAR радиолокациялық антеннаның нысана аймағындағы қозғалысын пайдалану арқылы, дәстүрлі стационарлық сәулелі сканерлеу радарларына қарағанда жоғары кеңістіктік ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. SAR әдетте ұшақ немесе ғарыш кемесі сияқты қозғалмалы платформаға орнатылады және оның бастауы әуедегі жанама қарау радарының (SLAR) жетілдірілген түрінде. SAR құрылғысы нысананың үстінен өтетін қашықтық, нысана көрінісі жарықтанған кезде, үлкен синтетикалық апертураны (антеннаның мөлшері) құрайды. Әдетте, апертура неғұрлым үлкен болса, суреттің ажыратымдылығы соғұрлым жоғары болады, апертура физикалық (үлкен антенна) немесе синтетикалық (қозғалмалы антенна) болсын – бұл SAR-ға салыстырмалы түрде кішкентай физикалық антенналармен жоғары ажыратымдылықтағы суреттерді жасауға мүмкіндік береді. Антеннаның белгілі бір мөлшері мен бағыты үшін, қашықтағы нысандар ұзақ уақыт жарықтандырылады – сондықтан SAR қашықтағы нысандар үшін үлкен синтетикалық апертуралар құру қабілетіне ие, бұл көру қашықтығының әртүрлі диапазонында тұрақты кеңістіктік ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. SAR суретін жасау үшін радиотолқындардың тізбектелі импульстары нысана көрінісін "жарықтандыру" үшін жіберіледі, әрбір импульстің эхосы қабылданып, жазылады. Импульстарды жіберу және эхоларды қабылдау бір сәулелі антенна арқылы жүзеге асырылады, оның толқын ұзындығы метрден бірнеше миллиметрге дейін жетеді. Ұшақтағы немесе ғарыш кемесіндегі SAR құрылғысы қозғалғанда, антеннаның нысанаға қатысты орналасуы уақыт өте келе өзгереді. Тізбектелі жазылған радар эхоларының сигналдарын өңдеу, осы көптеген антенналық позициялардан алынған жазбаларды біріктіруге мүмкіндік береді. Бұл процесс синтетикалық антенна апертурасын құрайды және берілген физикалық антеннамен қарағанда жоғары ажыратымдылықтағы суреттерді жасауға мүмкіндік береді.

Мотивация және өтінімдер

SAR ұшу биіктігіне тәуелсіз және ауа райына тәуелсіз, себебі SAR ауа райының әсерінен туындайтын сигналдың әлсіреуін болдырмау үшін сәйкес жиіліктерді таңдай алады. SAR күндіз де, түнде де бейнелеуге қабілетті, өйткені жарықтандыру SAR жүйесімен қамтамасыз етіледі. SAR суреттері Жер және басқа планеталардың бетін қашықтан зондтау және картографиялауда кең қолданыс табады. SAR-дың қолданылу салалары өте көп. Мысалдарға топография, океанография, мұзтану, геология (мысалы, жер бедерін ажырату және жер асты суреттерін алу) жатады. SAR орман шаруашылығында орман биіктігін, биомассаны және орманды кесуді анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Жанартаулар мен жер сілкіністерін мониторингтеу үшін дифференциалдық интерферометрия қолданылады. SAR көпірлер сияқты азаматтық инфрақұрылымның тұрақтылығын бақылауға да қолданылуы мүмкін. SAR қоршаған ортаны мониторингтеуде пайдалы, мысалы, мұнай төгілуі, су тасқыны, қалалық кеңістіктің өсуі, сондай-ақ әскери бақылау: стратегиялық саясат пен тактикалық бағалауды қоса алғанда. Электромагниттік толқындар тізбектеп жіберіледі, кері байланыс (эхо) сигналдары жиналады, ал жүйелік электроника осы деректерді кейін өңдеу үшін цифрлық форматқа ауыстырып, сақтайды. Жіберу және қабылдау әртүрлі уақытта жүзеге асырылатындықтан, олар әртүрлі шағын кеңістіктерге сәйкес келеді. Қабылданған сигналдардың дұрыс реттелген комбинациясы физикалық антенна енінен әлдеқайда ұзын виртуалды апертураны құрайды. Осыдан "синтетикалық апертура" термині пайда болды, ол бейнелейтін радардың қасиетін береді. Екінші қадамда суреттерді тіркеу және фазалық калибрлеу сияқты қосымша алдын ала өңдеу жүргізіледі. Сонымен қатар, 3D бейнелеуді уақыт өлшеміне дейін кеңейту үшін бірнеше базалық сызықтар қолданылуы мүмкін. 4D және көп өлшемді SAR бейнелеуі қалалық аймақтар сияқты күрделі сценарийлерді бейнелеуге мүмкіндік береді және тұрақты шашырау интерферометриясы (PSI) сияқты классикалық интерферометриялық техникалармен салыстырғанда өнімділігін арттырады.

Алгоритм

SAR алгоритмдері көріністі бір-бірімен өзара әрекеттеспейтін нүктелік нысаналар жиынтығы ретінде модельдейді (Борн жуықтауы). SAR алгоритмдерінің нақты егжей-тегжейлері әртүрлі болғанымен, SAR өңдеу кез келген жағдайда шығыс кескініндегі әрбір пиксел үшін шикі деректерге сәйкес келетін сүзгіні қолдану болып табылады, мұнда сәйкес келетін сүзгінің коэффициенттері жеке оқшауланған нүктелік нысанадан алынған жауаптар болып табылады. SAR өңдеудің бастапқы кезеңдерінде шикі деректер пленкаға жазылып, сәйкес келетін сүзгіні қолдану арқылы өңдеу конустық, цилиндрлік және сфералық линзаларды пайдалана отырып оптикалық түрде жүзеге асырылды. Рендж-Допплер алгоритмі – бұл одан кейінгі жаңа тәсілдің мысалы.

Қолданыстағы спектрлік бағалау тәсілдері

Синтетикалық апертуралық радар өлшенген SAR деректерінен 3D шағылыстыруды анықтайды. Бұл, негізінен, спектрлік бағалау болып табылады, себебі бейненің нақты бір жасушасы үшін SAR бейне стегінің күрделі SAR өлшемдері биіктік бағытындағы шағылыстырудың Фурье түрлендіруінің дискретті үлгісі болып табылады, бірақ Фурье түрлендіруі жүйелі емес. Сондықтан, спектрлік бағалау техникалары дәстүрлі Фурье түрлендіруіне негіделген SAR бейнелеу техникаларының нәтижелерімен салыстырғанда ажыратымдылықты жақсарту және дақты азайту үшін қолданылады. Көп өлшемді синтетикалық апертуралық радар (SAR) жүйелерінде өңдеу үшін қолданылатын танымал алгоритм, FFT алгоритмдерінің жаңа түрі болып табылады. Бұл алгоритм кіріс/шығыс деректерінің индекс жиынтықтары мен топтама пермутацияларының теориялық қасиеттерін зерттейді. Шектелген көп өлшемді сызықтық алгебра саласы әртүрлі FFT алгоритмдерінің ұқсастықтары мен айырмашылықтарын анықтау және жаңа түрлерін жасау үшін қолданылады. Әрбір көп өлшемді DFT есептеуі матрицалық түрде өрнектеледі. Көп өлшемді DFT матрицасы, өз кезегінде, функционалдық примитивтер деп аталатын факторлар жиынтығына жіктеледі, олар жеке-жеке бағдарламалық/аппараттық есептеу дизайнымен сәйкес келеді.

Артықшылықтар

Көпөлшемді кіріс/шығыс индекстеу жиындарының аддитивті топтық-теориялық қасиеттері математикалық тұжырымдамалар үшін пайдаланылады, осылайша есептеу құрылымдары мен математикалық өрнектер арасындағы байланысты анықтау жеңілдеп, дәстүрлі әдістерге қарағанда артықшылықтар туады.

Кемшіліктер

Іске асыру екі күрделі есептің орындалуын қажет етеді: ковариациялық матрица R-дың инверсиясы және әрбір нүкте үшін жасалуы тиіс матрицаға көбейту. Тәжірибе көрсеткендей, APES әдісі Capon әдісіне қарағанда кеңірек спектральдік шыңдарды тудырады, бірақ SAR деректерінде амплитудаға қатысты дәлірек спектральдік бағалаулар береді. Capon әдісінде спектральдік шыңдар APES-ке қарағанда тар болғанымен, жанама лобтар APES-ке қарағанда биік. Осының салдарынан, Capon әдісімен алынған амплитуда бағалаулары APES әдісіне қарағанда нашаррақ болуы мүмкін. APES әдісі Capon әдісінен шамамен 1,5 есе көп есептеу ресурстарын қажет етеді.

Артықшылықтар

Сүзгілеу қолжетімді үлгілер санын азайтады, бірақ егер ол сақтықпен жоспарланған болса, сүзгіленген деректердегі сигнал-шу қатынасының (SNR) артуы осы азаюды толықтырады, және жиілігі белгілі синусоидты компоненттің амплитудасы бастапқы сигналға қарағанда сүзгіленген деректерден дәлірек есептелуі мүмкін.

Кемшіліктер

Автоковарианстық матрица 2D-де 1D-ге қарағанда әлдеқайда үлкен болғандықтан, қолданылатын жад көлемімен шектеледі.

Кемшіліктер

Орташалау әрекетінен ажыратымдылықтың төмендеуі.

Артықшылықтар

Ол бейнелеу режиміне тәуелсіз: яғни, қолданылып жатқан бейнелеу режиміне қарамастан бірдей алгоритмді пайдаланады, ал жиілік доменді әдістер режимге және геометрияға байланысты өзгерістерді қажет етеді. Бұл ұғымның процедурасы төменде сипатталған. Артқа проекциялау алгоритмі есептеулерге көп шығын тудырады. Ол кең жолақты, кең бұрышты және/немесе ұзақ когерентті апертуралары бар, сондай-ақ траекториядан ауытқуы бар сенсорлар үшін ерекше тартымды.

Көп статикалық жұмыс

SAR эхо түсіруді бірнеше антенналық позициялардан алуды қажет етеді. Неғұрлым көп түсіру жасалса (әртүрлі антенналық орындарда), нысананың сипаттамасы соғұрлым сенімді болады. Көптеген түсірулерді бір антеннаны әртүрлі орындарға жылжыту арқылы, әртүрлі орындарға бірнеше стационарлық антенналарды орналастыру арқылы немесе олардың комбинациясы арқылы алуға болады. Бір қозғалмалы антеннаның артықшылығы – оны кез келген сандағы моностатикалық толқын пішіндерін қамтамасыз ету үшін кез келген сандағы позицияға оңай орналастыруға болады. Мысалы, ұшақта орналасқан антенна ұшақ қозғалыста болғанда секундына көптеген түсірулер жасайды. Көптеген стационарлық антенналардың басты артықшылықтары – қозғалатын нысананы сипаттау мүмкіндігі (эхо түсіру электроникасы жеткілікті жылдам болса), көлік құралы немесе қозғалыс механизмі қажет емес, және антенналардың орналасуын басқа, кейде сенімсіз ақпараттан алудың қажеті жоқ. (Ұшақтағы SAR-мен байланысты бір мәселе – ұшақ қозғалыста болғанда антеннаның нақты орналасуын анықтау). Көптеген стационарлық антенналар үшін моностатикалық және мультистатикалық радар толқын пішіндерін түсірудің барлық комбинациялары мүмкін. Дегенмен, берілген антенналар жұбы үшін екі тарату бағытының әрқайсысы үшін толқын пішінін түсіру тиімді емес, себебі бұл толқын пішіндері бірдей болады. Көптеген стационарлық антенналар қолданылғанда, тұтқындауға болатын бірегей эхо толқын пішіндерінің жалпы саны:

мұнда N – бірегей антенналық позициялардың саны.

Stripmap режіміндегі әуедегі SAR

Антенна бекітілген күйде қалады. Ол ұшу бағытына перпендикуляр болуы мүмкін, немесе сәл алға немесе артқа қарай бұрылуы мүмкін.

Сканерлеу режімі SAR

Сканерлеу режимінде жұмыс істегенде SAR антеннасы мерзімімен сканерлейді, соның арқасында жарық және жолақты карта режимдеріне қарағанда әлдеқайда кең аумақты қамтиды. Дегенмен, азимуттық өткірлік азимуттық жолақтың енінің төмендеуіне байланысты жолақты карта режимінен әлдеқайда төмендейді. SAR-дың азимуттық өткірлігі мен сканерлеу аймағы арасында белгілі бір тепе-теңдік орнатылғаны анық. Мұнда синтетикалық апертура суб-жолақтар арасында бөліседі және бір суб-жолақтың ішінде тікелей байланыста болмайды. Азимуттық импульстар мен диапазондық суб-жолақтарды біріктіру үшін азимут және диапазон бағыттарында мозаикалық өңдеу қажет.

Төрт компонентті шашырату қуаты моделі

PolSAR бейнелерін талдау кезінде, рефлексиялық симметрия шарты орындалмауы мүмкін. Мұндай жағдайларда, полярлы синтетикалық апертуралы радар (SAR) суреттерін бөлшектеу үшін төрт компонентті шашырату моделі қолданылуы мүмкін. Бұл тәсіл рефлексиялық симметрия жағдайына қатысты емес шашырауды қарастырады. Ол Фриман және Дурден ұсынған үш компонентті бөлшектеу әдісін төртінші компонент – спиральді шашырату қуатын қосып, кеңейтеді. Бұл спиральді қуат термині көбінесе күрделі қалалық аймақтарда кездеседі, бірақ табиғи тараған шашыраңқылар үшін жоғалады. PolSAR деректерінің жалпы бейнелік талдауы үшін ұсынылған төрт компонентті бөлшектеу алгоритмін пайдаланатын жетілдірілген әдіс те бар. SAR деректері алдымен «дақтарды азайту» деп белгілі сүзілістен өтеді, содан кейін әрбір пиксел төрт компонентті модель арқылы бөлшектеледі, осылайша беттік шашырату қуаты, қос қайырым шашырату қуаты, көлемдік шашырату қуаты және спиральді шашырату қуаты анықталады. Бұл әдіс рефлексиялық емес жағдайларға бағытталған болса да, ол рефлексиялық симметрия шартын автоматты түрде қамтиды, сондықтан оны жалпы жағдай ретінде қолдануға болады. Бұған қоса, ол аралас шашырату санатын ескере отырып, шашырату сипаттамаларын сақтайды, осылайша тиімді алгоритм болып табылады.

Интерферометрия

Фазалық деректерді тастаудың орнына, олардан ақпарат алуға болады. Егер бір жердің екі байқауы өте ұқсас орналасқан болса, апертуралық синтез жасауға болады, бұл екі өлшеу арасындағы қашықтыққа тең өлшемдері бар радар жүйесінің ажыратымдылығын қамтамасыз етеді. Бұл әдіс интерферометриялық SAR немесе InSAR деп аталады. Егер екі үлгі бір уақытта алынса (мысалы, бір ұшаққа екі антеннаны бір-бірінен белгілі бір қашықтықта орналастыру арқылы), кез келген фазалық айырмашылық радарлық эхо қай бұрыштан келгені туралы ақпаратты қамтиды. Бұл ақпаратты қашықтық туралы мәліметтермен біріктіре отырып, сурет пикселінің үш өлшемді орнын анықтауға болады. Яғни, жердің биіктігін және радарлық шағылыстыруын анықтап, бір ұшақтан бір рет өту арқылы цифрлық биіктік моделін (DEM) жасауға болады. Канаданың қашықтан зондтау орталығында жасалған бір ұшақ қолданбасы 5 метрлік ажыратымдылығы және 5 метрлік биіктік қатесі бар цифрлық биіктік карталарын жасады. Интерферометрия Жер бетінің көптеген аймақтарын бұрынғыдан да жоғары дәлдікпен картографиялау үшін Шаттл радарлық топографиялық миссиясының деректерін пайдаланды. Егер екі үлгі уақыт бойынша бөлек алынса, мысалы, бір жердің үстінен екі рет ұшу арқылы, онда фазалық ығысудың екі мүмкін себебі бар. Біріншісі – жоғарыда айтылған жердің биіктігі. Екіншісі – жер қозғалысы: егер жер бақылаулар арасында орын ауысқан болса, ол өзгеше фазаны көрсетеді. Маңызды фазалық айырмашылықты тудыру үшін қажетті ығысу мөлшері қолданылған толқын ұзындығына шамалас. Бұл жер бедері сантиметрлерге ығысса, оны нәтижедегі суретте көруге болады (фазалық айырманың екі түрін ажырату үшін цифрлық биіктік картасы қажет; үшінші өту қажет болуы мүмкін). Бұл екінші әдіс геология және география салаларында қуатты құрал болып табылады. Мұздық ағысын екі рет өту арқылы картографиялауға болады. Аздап жер сілкінісінен немесе жанартау жарылысынан кейін жердің деформациясын көрсететін карталар (мысалы, жанартаудың бірнеше сантиметрге кішіреюін көрсететін) жарияланды.

Rather than discarding the phase data, information can be extracted from it. If two observations of the same terrain from very similar positions are available, aperture synthesis can be performed to provide the resolution performance which would be given by a radar system with dimensions equal to the separation of the two measurements. This technique is called interferometric SAR or InSAR. If the two samples are obtained simultaneously (perhaps by placing two antennas on the same aircraft, some distance apart), then any phase difference will contain information about the angle from which the radar echo returned. Combining this with the distance information, one can determine the position in three dimensions of the image pixel. In other words, one can extract terrain altitude as well as radar reflectivity, producing a digital elevation model (DEM) with a single airplane pass. One aircraft application at the Canada Centre for Remote Sensing produced digital elevation maps with a resolution of 5 m and altitude errors also about 5 m. Interferometry was used to map many regions of the Earth's surface with unprecedented accuracy using data from the Shuttle Radar Topography Mission. If the two samples are separated in time, perhaps from two flights over the same terrain, then there are two possible sources of phase shift. The first is terrain altitude, as discussed above. The second is terrain motion: if the terrain has shifted between observations, it will return a different phase. The amount of shift required to cause a significant phase difference is on the order of the wavelength used. This means that if the terrain shifts by centimeters, it can be seen in the resulting image (a digital elevation map must be available to separate the two kinds of phase difference; a third pass may be necessary to produce one). This second method offers a powerful tool in geology and geography. Glacier flow can be mapped with two passes. Maps showing the land deformation after a minor earthquake or after a volcanic eruption (showing the shrinkage of the whole volcano by several centimeters) have been published.

Дифференциалдық интерферометрия

Дифференциалдық интерферометрия (D InSAR) үшін DEM қосылған кем дегенде екі сурет алу қажет. DEM GPS өлшеулері арқылы немесе егер сурет жұптарын алу аралығы қысқа болса, интерферометриямен жасалуы мүмкін, бұл нысана бетінің суретін минималды бұрмалауға кепілдік береді. Әдетте, D InSar үшін бірдей сурет алу геометриясымен алынған жер бетінің 3 суреті жеткілікті. Жер қозғалысын анықтау принципі өте қарапайым. Бірінші екі суреттен интерферограмма жасалады, ол эталондық немесе топографиялық интерферограмма деп аталады. Екінші интерферограмма топографияны және бұрмалауды қамтиды. Соңғысын эталондық интерферограммадан шығару арқылы қозғалысты көрсететін дифференциалдық жиектерді анықтауға болады. Осы 3 суреттен D InSAR жасау әдісі үш өту немесе қос айырма әдісі деп аталады. Дифференциалдық интерферограммада дифференциалдық жиектер түрінде сақталатын дифференциалдық жиектер, бір интерферограммадан екіншісіне жер бетіндегі кез келген нүктенің SAR қашықтығының өзгеруінен туындайды. Дифференциалдық интерферограммадағы әрбір жиек SAR толқын ұзындығына пропорционалды, ERS және RADARSAT үшін бір фазалық циклға шамамен 5,6 см. Жерсеріктік бағыттан алыстаған жер бетінің ығысуы жол айырмашылығының (фазаға ауысатын) ұлғаюына себеп болады. Сигнал SAR антеннасынан нысанаға және кері бағытта жүретіндіктен, өлшенген ығысу толқын ұзындығы бірлігінен екі есе көп. Демек, дифференциалдық интерферометрияда бір жиек циклы – плюс немесе бір толқын ұзындығы SAR антеннасына қатысты жарты толқын ұзындығына (2,8 см) тең ығысуға сәйкес келеді. D InSAR құралдарын пайдаланып жердің шөгу қозғалысын, беткейлердің тұрақтылығын талдау, жер сілкінісі, мұздықтардың қозғалысы және т.б. зерттеуге арналған көптеген жарияланымдар бар. Бұл техниканы одан әрі дамыту арқылы спутниктік SAR-дың жоғарылау және төмендеу жолдарынан алынған дифференциалдық интерферометрияны 3D жер қозғалысын бағалау үшін қолдануға болады. Бұл саладағы зерттеулер GPS-ке негізделген өлшемдермен салыстыруға болатын дәлдікпен 3D жер қозғалысын дәл өлшеуге мүмкіндік беретінін көрсетті.

Differential interferometry (D InSAR) requires taking at least two images with addition of a DEM. The DEM can be either produced by GPS measurements or could be generated by interferometry as long as the time between acquisition of the image pairs is short, which guarantees minimal distortion of the image of the target surface. In principle, 3 images of the ground area with similar image acquisition geometry is often adequate for D InSar. The principle for detecting ground movement is quite simple. One interferogram is created from the first two images; this is also called the reference interferogram or topographical interferogram. A second interferogram is created that captures topography + distortion. Subtracting the latter from the reference interferogram can reveal differential fringes, indicating movement. The described 3 image D InSAR generation technique is called 3 pass or double difference method. Differential fringes which remain as fringes in the differential interferogram are a result of SAR range changes of any displaced point on the ground from one interferogram to the next. In the differential interferogram, each fringe is directly proportional to the SAR wavelength, which is about 5.6 cm for ERS and RADARSAT single phase cycle. Surface displacement away from the satellite look direction causes an increase in path (translating to phase) difference. Since the signal travels from the SAR antenna to the target and back again, the measured displacement is twice the unit of wavelength. This means in differential interferometry one fringe cycle − to + or one wavelength corresponds to a displacement relative to SAR antenna of only half wavelength (2.8 cm). There are various publications on measuring subsidence movement, slope stability analysis, landslide, glacier movement, etc. tooling D InSAR. Further advancement to this technique whereby differential interferometry from satellite SAR ascending pass and descending pass can be used to estimate 3 D ground movement. Research in this area has shown accurate measurements of 3 D ground movement with accuracies comparable to GPS based measurements can be achieved.

Томо-SAR

SAR томографиясы – көп негіздік интерферометрия деп аталатын ұғымның кіші саласы. Ол сәуле қалыптастыру ұғымын пайдалана отырып, бейнелеуге 3D көрініс беру үшін жасалған. Ақпаратты алу кезінде SAR деректерінің амплитудасы мен фазалық компоненттері арасындағы фазаға назар қажет болған жағдайларда оны қолдануға болады. Tomo SAR-дың басты артықшылықтарының бірі – қозғалыстары қаншалықты әртүрлі болса да, шашыраған параметрлерді бөліп шығару мүмкіндігі. Tomo SAR-ды дифференциалдық интерферометриямен қолданғанда "дифференциалдық томография" (Diff Tomo) деп аталатын жаңа комбинация пайда болады. Бұл жүйелер алғашқы тиімді аналогтық оптикалық компьютерлік жүйелер болды және, шындығында, голографиялық техника оптикалық бейнелеуге толық бейімделуге дейін ойлап табылды. Радар сигналдарындағы қашықтық және қашықтық бойынша сигнал құрылымдарының өзгешелігіне байланысты, SAR үшін оптикалық деректерді өңдеуге сфералық және цилиндрлі линзалар ғана емес, кейде конустық линзалар да кіретін.

Сурет көрінісі

Келесі мәселелер нақты апертуралық жер бедерін бейнелейтін радарларға да қатысты, бірақ диапазон бойынша ажыратымдылықты SAR-дан ғана қол жетімді көлденең шоқ ажыратымдылығымен үйлестіргенде олар одан да маңыздырақ болады.

Қашықтық, көлденең қашықтық және бұрыштар

Радарлық кескіннің екі өлшемі – қашықтық және көлденең қашықтық. Радарлық суреттердегі шектеулі жер участалары көлбеу фотосуреттерге ұқсауы мүмкін, бірақ радар орналасқан жерден түсірілген суреттерге емес. Бұл себебі, радарлық суреттегі қашықтық координатасы көлбеу фотосуреттің тік бұрыштық координатасына перпендикуляр болады. Сондықтан, мұндай суретті қарау үшін көзге түсетін кіреберіс нүктесінің (немесе камера орталығының) орны радардағыдай емес, көрушінің көз сызығы радар мен нысананы байланыстыратын көлбеу қашықтық бағытына перпендикуляр болатын нүктеде орналасқан. Көлбеу қашықтық суреттің жоғарғы жағынан төменгі жағына қарай ұлғаяды. Жер беті тегіс болғандықтан, көлбеу қашықтықтар тік бұрышта өзгереді, сондықтан мұндай жердің әрбір биіктігі қисық беткей, атап айтқанда гиперболалық косинус түрінде көрінеді. Әртүрлі қашықтықтағы тік сызықтар осы қисықтарға перпендикуляр. Көрушіге көрінетін бағыттар қисықтың "гипкоз" осіне параллель. Радардың тікелей астындағы нысаналар горизонтальды (яғни, жақтан) қарағандай, ал алыс қашықтықтағы нысаналар тікелей жоғарыдан қарағандай көрінеді. Бұл қисықтықтар, егер кең аумақты, соның ішінде тік көлбеу участаларды қараса ғана байқалады.

Көріну мүмкіндігі

Жоғарыда көрсетілгендей қарастырылғанда, шағын аумақтардың жоғары ажыратымдылықтағы радарлық суреттері екі себепке байланысты таныс оптикалық суреттерге ең жақын сияқты көрінеді. Бірінші себепті көріністегі флагштокты көзге елестету арқылы оңай түсінуге болады. Оның жоғарғы ұшына дейінгі көлбеу қашықтығы, оның табанына дейінгі көлбеу қашықтықтан кем. Сондықтан, діңгек жоғарыда көрсетілген бағытта қарағанда ғана дұрыс, ұшымен жоғары қарап тұрғандай көрінеді. Екіншіден, радарлық жарық сол кезде төменнен түсетіндіктен, көлеңкелер ең таныс «жоғарыдан жарықтандыру» бағытында көрінеді. Діңгек ұшының бейнесі сол көлбеу қашықтық доғасындағы, бірақ қысқа көлденең қашықтықта («жер қашықтығы») орналасқан жер бедерінің бейнесімен үйлеседі. Жарықтандыруға да, көзге көрінетін нүктеге де қаратылған сахна беттерінің бейнелері сол көзге қарағандағы оптикалық сахнаның геометриясына ұқсас болады. Дегенмен, радарға қараған беткейлер қысқарады, ал одан алысқан беткейлер горизонталь (карталық) өлшемдерінен ұзарады. Сондықтан, біріншісі жарқырап, екіншісі күңгірттеледі. Көлбеу қашықтыққа перпендикулярдан тік емес еңістің беткейлері төменгі беткейлермен біртіндеп жабысады, екеуі де көрінеді, бірақ араласып кетеді. Бұл әсіресе ғимараттардың қабырғалары сияқты тік беттерге қатысты. Көлбеулік қашықтыққа перпендикуляр емес, тік болған жағдайда, көріс алудағы тағы бір қиындық – беткейдің бір жағы жарықтандырылады, ал көру «кері» жағынан жүзеге асырылады. Мысалы, ғимараттың радарға қараған қабырғасын іштен қарағандай көрінеді, ал ғимараттың ішкі және артқы қабырғасы (көрушіге ең жақын болғандықтан, оптикалық түрде көрінетін деп күтілген) жоғалып кетеді, себебі олар жарықтандырылмаған, алдыңғы қабырға мен шатырдың көлеңкесінде жатыр. Шатырдан келетін сигналдың бір бөлігі алдыңғы қабырғадан келетін сигналмен және екеуі де ғимараттың алдындағы жерден келетін сигналмен үйлесе алады. Көрінетін ғимараттың көлеңкесі барлық жарықтандырылған нысандардың көлеңкесін қамтиды. Ұзын көлеңкелердің жиектері, кескінді жасау үшін қажетті «уақыт экспозициясы» кезінде жарықтандырушы антеннаның қозғалысынан туындап, бұлыңғыр болуы мүмкін.

When viewed as specified above, fine resolution radar images of small areas can appear most nearly like familiar optical ones, for two reasons. The first reason is easily understood by imagining a flagpole in the scene. The slant range to its upper end is less than that to its base. Therefore, the pole can appear correctly top end up only when viewed in the above orientation. Secondly, the radar illumination then being downward, shadows are seen in their most familiar "overhead lighting" direction. The image of the pole's top will overlay that of some terrain point which is on the same slant range arc but at a shorter horizontal range ("ground range"). Images of scene surfaces which faced both the illumination and the apparent eyepoint will have geometries that resemble those of an optical scene viewed from that eyepoint. However, slopes facing the radar will be foreshortened and ones facing away from it will be lengthened from their horizontal (map) dimensions. The former will therefore be brightened and the latter dimmed. Returns from slopes steeper than perpendicular to slant range will be overlaid on those of lower elevation terrain at a nearer ground range, both being visible but intermingled. This is especially the case for vertical surfaces like the walls of buildings. Another viewing inconvenience that arises when a surface is steeper than perpendicular to the slant range is that it is then illuminated on one face but "viewed" from the reverse face. Then one "sees", for example, the radar facing wall of a building as if from the inside, while the building's interior and the rear wall (that nearest to, hence expected to be optically visible to, the viewer) have vanished, since they lack illumination, being in the shadow of the front wall and the roof. Some return from the roof may overlay that from the front wall, and both of those may overlay return from terrain in front of the building. The visible building shadow will include those of all illuminated items. Long shadows may exhibit blurred edges due to the illuminating antenna's movement during the "time exposure" needed to create the image.

Айналы бұйымдар мен көлеңкелер

Біз әдетте дөңгелек деп санайтын беттер, егер оның дөңгелектігі радар толқын ұзындығынан кем болса, тегіс айналар сияқты қызмет етеді, осы беттің артында алдындағы нысандардың қосымша суреттерін көрсетеді. Бұл айна суреттері айналатын беттің көлеңкесінде пайда болады, кейде көлеңкені толығымен толтырып, осылайша көлеңкені анықтауға кедергі келтіреді. Кез келген көрініс нүктесінің бағыты тікелей радарға емес, нысаналық нүктеге ең жақын SAR-дың қазіргі бағытына қарай болады. Егер SAR дәл бүйірлік бағыттан "алға немесе артқа" қарай бұрылса, онда жарық түсіру бағыты, демек көлеңке бағыты, жабыну бағытына қарама-қарсы емес, одан оңға немесе солға қарай еңкейеді. Сурет дұрыс проекция геометриясымен көрінеді, егер жабыну бағыты тік болса, SAR-дың ұшу жолы суреттің үстінде және қашықтық төмен қарай сәл артады.

Жылжымалы нысандар

SAR көрінісіндегі қозғалатын нысандар қайта оралудың Допплер жиілігін өзгертеді. Сондықтан мұндай нысандар кескінде олардың жылдамдығының қатар бағыты компонентіне пропорционалды мөлшерде қатар бағытында ығыстырылған жерлерде пайда болады. Көлік құралдары жолдан тыс бейнеленуі мүмкін, сондықтан жол қозғалысы нысандары ретінде танылмайды. Жолдан тыс пойызды оның белгілі рельске параллель ұзындығы, сондай-ақ тең ұзындықтағы рельс төсемі мен жақын жердің болмауы арқылы оңай тануға болады, олардың екеуі де пойыздың көлеңкесінде қалған. Қозғалатын кемелердің суреттері олардың оянының бастапқы бөліктерінің бағытынан ығыстырылуы мүмкін, бірақ кеменің қозғалысына әлі де қатысатын оянның соңғы бөліктері кеменің суретін салыстырмалы түрде тыныш, алыс жатқан оянмен байланыстыратын қисықтар түрінде көрінеді. Мұндай анықталған жағдайларда, қозғалатын нысандардың жылдамдығы мен бағытын олардың ығысу мөлшерінен анықтауға болады. Нысананың қозғалысының бойлық компоненті кейбір бұлыңғырлыққа алып келеді. Желдің әсерінен қозғалатын ағаш жапырақтары, қиыр жерлерде жүретін көліктер, немесе адамдар мен басқа жануарлардың жүруі немесе жүгіруі сияқты кездейсоқ қозғалыстар әдетте бұл нысандарды фокусқа келтірмейді, нәтижесінде бұлшықет пайда болады, тіпті олар көрінбей де қалуы мүмкін. Бұл факторлар, сондай-ақ когеренттіліктен туындаған түйіршік құрылымы SAR суреттерін дұрыс түсіндіру үшін белгілі бір дайындық пен тәжірибе талап етеді. Осы мақсатта, белгілі жерлер мен мәдени ескерткіштер үстінен көптеген сынақ ұшуларын жүргізу арқылы маңызды нысандардың үлкен жинағы жиналды.

Фазалы массивтермен байланыс

Радиолокациялық қашықтықтарға перпендикуляр бір немесе екі өлшемде кеңістікте орналастырылған нақты антенна элементтерінің массиві ("фазалық массив" деп аталады) SAR-ға ұқсас техникада қолданылады. Бұл физикалық массивлер шын мәнінде синтетикалық, себебі олар қосалқы физикалық антенналар жиынтығының синтезі арқылы құрылады. Олардың жұмысы нысанаға қатысты қозғалысты қажет етпейді. Бұл массивлердің барлық элементтері бір мезгілде нақты уақытта қабылдайды және олар арқылы өтетін сигналдардың фазалары жеке-жеке бақыланатын түрлендірулерге түсуі мүмкін. Нәтижесінде, белгілі бір кішкентай сахналық аймақтан алынған сәулеленуге ең күшті жауап беруге болады, бұл аймаққа назар аудару арқылы алынған сигналдың жалпы сигналға қосқан үлесін анықтауға мүмкіндік береді. Массивтің барлық апертурасынан алынған сигналдар жиынтығы бірнеше деректерді өңдеу арналарында көшіріледі және әрқайсысында әртүрлі өңделеді. Осылайша, әртүрлі кішкентай сахналық аймақтарға байланысты жауаптар жиынтығы сахнаның бейнесі ретінде бірге көрсетілуі мүмкін. SAR (әдетте) бір физикалық антенна элементі әртүрлі уақытта әртүрлі орындарда сигналдарды жинайды. Радар ұшақ немесе орбиталық аппаратта орналасқанда, бұл орындар бір ғана айнымалыға – аппараттың траекториясы бойындағы қашықтыққа байланысты болады, бұл бір математикалық өлшем (геометриялық өлшеммен бірдей болуы міндетті емес). Сигналдар сақталады, сондықтан олар уақыттың функциясы емес, оның орнына осы өлшемдегі жазба орнының функциясы болады. Сақталған сигналдар кейін оқылып, белгілі бір фазалық түрлендірулермен біріктірілген кезде, нәтиже тіркелген деректер бірдей ұзындығы мен пішіні бар фазалық массивпен жиналғандай болады. Осылайша синтезделген сигналдар жиынтығы, мұндай нақты үлкен апертуралық (бір өлшемде) фазалық массивмен бір мезгілде қабылдануға болатын сигналдарға тең. SAR осындай бір өлшемді фазалық масситті симуляциялайды (синтездемейді). Осы мақала тақырыбындағы термин дұрыс емес болғанымен, ол жарты ғасыр бойы қолданысқа енген. Фазалық массивтің жұмыс істеуі толыққанды геометриялық техника ретінде түсінікті болғанымен, синтетикалық апертура жүйесі өзінің деректерін қозғалғанда (немесе нысанасы қозғалғанда) белгілі бір жылдамдықпен жинайды, яғни бастапқыда саяхат еткен қашықтықпен өзгерген фазалар уақытпен өзгерген, сондықтан уақытша жиіліктер құрады. Уақытша жиіліктер радар инженерлерінің кеңінен қолданатын айнымалылары болғандықтан, олардың SAR жүйелерін талдаулары көбінесе (және өте жемісті) осындай терминдермен жүзеге асырылады. Атап айтқанда, синтетикалық апертураның ұзындығы бойынша ұшу кезінде фазаның өзгеруі қабылданған жиіліктің жіберілген жиіліктен Доплерлік ығысуы ретінде қарастырылады. Қабылданған деректер жазылғаннан кейін және уақытқа тәуелді болмайтын болғаннан кейін, SAR деректерін өңдеу ерекше типті фазалық массив ретінде түсініледі, оны толыққанды геометриялық процесс ретінде қарастыруға болады. SAR және фазалық массив техникасының негізі – радар толқындары әр сахналық элементке барып, қайтып келетін қашықтық толқын ұзындығының толық санынан және "соңғы" толқын ұзындығының бір бөлігінен тұрады. Бұл бөлшектер әртүрлі SAR немесе массивтік орындарда алынған сәулелену фазаларының айырмашылықтарына әкеледі. Сигналдың амплитудалық ақпаратына қоса, фазалық ақпаратын да анықтау үшін үйлесімді анықтау қажет. Бұл анықтау түрі алынған сигналдардың фазалары мен жіберілген жарықтың жақсы сақталған үлгісінің бір мезгілдегі фазасының айырмашылықтарын табуды талап етеді.

A technique closely related to SAR uses an array (referred to as a "phased array") of real antenna elements spatially distributed over either one or two dimensions perpendicular to the radar range dimension. These physical arrays are truly synthetic ones, indeed being created by synthesis of a collection of subsidiary physical antennas. Their operation need not involve motion relative to targets. All elements of these arrays receive simultaneously in real time, and the signals passing through them can be individually subjected to controlled shifts of the phases of those signals. One result can be to respond most strongly to radiation received from a specific small scene area, focusing on that area to determine its contribution to the total signal received. The coherently detected set of signals received over the entire array aperture can be replicated in several data processing channels and processed differently in each. The set of responses thus traced to different small scene areas can be displayed together as an image of the scene. In comparison, a SAR's (commonly) single physical antenna element gathers signals at different positions at different times. When the radar is carried by an aircraft or an orbiting vehicle, those positions are functions of a single variable, distance along the vehicle's path, which is a single mathematical dimension (not necessarily the same as a linear geometric dimension). The signals are stored, thus becoming functions, no longer of time, but of recording locations along that dimension. When the stored signals are read out later and combined with specific phase shifts, the result is the same as if the recorded data had been gathered by an equally long and shaped phased array. What is thus synthesized is a set of signals equivalent to what could have been received simultaneously by such an actual large aperture (in one dimension) phased array. The SAR simulates (rather than synthesizes) that long one dimensional phased array. Although the term in the title of this article has thus been incorrectly derived, it is now firmly established by half a century of usage. While operation of a phased array is readily understood as a completely geometric technique, the fact that a synthetic aperture system gathers its data as it (or its target) moves at some speed means that phases which varied with the distance traveled originally varied with time, hence constituted temporal frequencies. Temporal frequencies being the variables commonly used by radar engineers, their analyses of SAR systems are usually (and very productively) couched in such terms. In particular, the variation of phase during flight over the length of the synthetic aperture is seen as a sequence of Doppler shifts of the received frequency from that of the transmitted frequency. Once the received data have been recorded and thus have become timeless, the SAR data processing situation is also understandable as a special type of phased array, treatable as a completely geometric process. The core of both the SAR and the phased array techniques is that the distances that radar waves travel to and back from each scene element consist of some integer number of wavelengths plus some fraction of a "final" wavelength. Those fractions cause differences between the phases of the re radiation received at various SAR or array positions. Coherent detection is needed to capture the signal phase information in addition to the signal amplitude information. That type of detection requires finding the differences between the phases of the received signals and the simultaneous phase of a well preserved sample of the transmitted illumination.