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 استفاده 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 استفاده 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 استفاده از اندازه گیری مسیر پروازی با IMU 13
1-5-2- جبران مسیر حرکت با استفاده 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 استفاده 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 استفاده 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 استفاده 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
شکل 4-10-ب : جبران حرکت سکو به روش تئوری نسبت به هدف سمت راست و روش دو مرحله ای برای انحراف سینوسی با دامنه 105 m 106
شکل 4-11 : مقایسه پروفایل سمت جبران حرکت سکو برای انحراف سینوسی با دامنه 105 m به روش دو مرحله ای با حالت ایده آل (شکل بالا) و با روش یک مرحله ای (شکل پایین) 107
شکل 4-12 : مقایسه تصویر پردازشی حالت ایده آل با روش جبران سازی دو مرحله ای برای هدف نقطه ای واقع در xm=-100 mو ym=100 m برای RDA 108
شکل 4-13 : مقایسه پروفایل برد و سمت حالت ایده آل با روش جبران سازی دو مرحله ای برای هدف نقطه ای واقع در xm=-100 m و ym=100 m برای RDA 109
شکل 4-14 : مقایسه تصویر پردازشی حالت ایده آل با روش جبران سازی دو مرحله ای برای هدف نقطه ای واقع در xm=-100 m و ym=100 m برای CSA 110
شکل 4-15 : مقایسه پروفایل برد و سمت حالت ایده آل با روش جبران سازی دو مرحله ای برای هدف نقطه ای واقع در xm=-100 m و ym=100 m برای CSA 111
شکل 4-16 : مقایسه تصویر پردازشی حالت ایده آل با روش جبران سازی دو مرحله ای برای چند هدف نقطه ای کنار هم 112
شکل 5-1 : هندسه SAR 115
شکل 5-2 : انحراف از خط مستقیم 116
شکل 5-3 : الف- پاسخ ضربه سمت بدون خطای فاز و شیفت بدلیل خطای فاز πرادیان 121
شکل 5-3 : ب – پاسخ ضربه سمت با یک خطای فاز درجه دو πرادیان 122
شکل 5-3 : ج – پاسخ ضربه سمت با یک خطای فاز سینوسی با دامنه 0.1 رادیان و 6 سیکل 122
شکل 5-4 : مقایسه PSD اندازه گیری شده حرکت هواپیمای DO 228 با PSD تعیین شده برای خطای حرکت قابل قبول 127
شکل 5-5 : شکل بالا: PSD تعیین شده برای خطای حرکت قابل قبول. شکل پایین : خطای حرکت شبیه سازی شده 130
شکل 5-6 : شکل بالا: اثر نویز گوسی با مشخصه فرکانس تعیین شده در پروفایل سمت. شکل پایین : تصویر نهایی در حضور خطای حرکت قابل قبول 131
شکل 5-7 : مقایسه اثر نویز فرکانس بالا و فرکانس پایین در پروفایل سمت 132
شکل 5-8 : شکل بالا: PSD یک نوبز رنگی دلخواه. شکل پایین: اثر این نویز خاص در پروفایل سمت 133
فصل اول
مقدمه
تاریخچهSAR
رادار در ابتدا برای اهداف نظامی طی جنگ جهانی دوم گسترش یافت. هدف اولیه ی آن ردیابی هواپیماها و کشتی ها تحت شرایط آب وهوایی نامساعد و تاریکی بود. رادار رشد پایداری را همراه با پیشرفت در تکنولوژی فرکانس های رادیویی (RF) ،آنتن ها و اخیرا تکنولوژی دیجیتال تجربه کرده است]1[.
سیستم های راداری اولیه فاصله تا یک هدف را از طریق تاخیر زمانی و جهت یک هدف را از طریق جهت دهندگی آنتن اندازه گیری می کردند. طولی نکشید که از شیفت داپلر برای سنجش سرعت هدف استفاده شد. پس از آن کشف شد که با پردازش شیفت داپلر می توان حد تفکیک مناسبی در جهت عمود بر برد یا جهت پرتو بدست آورد. از این قاعده ی اخیر که معمولا به کارل وایلی در سال 1951 نسبت داده می شود، کشف شد که می توان با استفاده از رادار تصاویر دو بعدی از اهداف و سطح زمین تشکیل داد. این روش، ایده رادار با دهانه ی مصنوعی (SAR) نام گرفت که در واقع به ایده ی ایجاد اثر یک آنتن بسیار بلند بوسیله ی آنالیز سیگنال دریافتی از یک آنتن کوتاه ولی متحرک اشاره دارد]2[.
در دهه ی 1950و1960 میلادی علم سنجش از راه دور در کاربردهای غیر نظامی گسترش یافت. در این راستا در سیستم های تصویر برداری هوایی، اسکنر های دیجیتالی که از چندین باند فرکانسی نوری استفاده می کنند روی هواپیماها و ماهواره ها نصب شدند که این امر منجر به توسعه کاربردهای تصاویر پرجزئیات بدست آمده از مناطق وسیع سطح کره زمین، گردید. فناوری SAR نظامی در دهه ی 1970 در حوزه کاربردهای غیر نظامی وارد شد و محققین سنجش از راه دور دریافتند که تصاویرSAR مکمل مفیدی برای حسگرهای نوریشان هستند]3[.
بیشتر فناوری اصلیSAR روی هواپیما گسترش یافت. اما اولین SAR ماهواره ای بود که به طور جدی توجه جامعه ی سنجش از راه دور را به این نوع از حسگرها جلب کرد]2[.