رادار شناسایی وسایل نقلیه ی زمینی

چکیده: رادار دهانه­ های مجازی (مصنوعی)، تصاویری با وضوح فضایی بالا برای کاربردهای تجسسی زمین ارائه می­کند. براساس یافته­ها، تداخل عمدی ممکن است این قابلیت را محدود سازد. از سوی دیگر، SAR منفعل از  روشنگرهای غیرمشارکتی فرصت استفاده می­کند و در نتیجه آسیب ­پذیری آن در برابر اقدامات متقابل کمتر است، زیرا هیچ یک از سیگنال­های انتقالی آن مورد استفاده قرار نمی­گیرند. در این مقاله، گزارش آزمایش مربوط به بررسی پتانسیل استفاده از SAR پسیو هوایی برای تصویربرداری از وسایل نقلیه زمینی ارائه می­گردد. سیستم LORA هوایی، در حالت تنها-گیرنده، سیگنال­های مستقیم و بازتابیده را از دو کانال دیجیتالی 8 مگاهرتزی (DVB-T)که  به ترتیب در مراکز 530 و 594 مگاهرتزی قرار دراند، دریافت کرد. این آزمایش شامل دو مرحله استقرار مختلف هدف برای تحلیل تکرار-عبور است. نتایج، موفقیت تصویربرداری از وسایل نقلیه و شناسایی آنها با تشخیص تغییر را نشان می­دهند.

کلمات کلیدی: پسیو، SAR، رادار، تصویربرداری، وسیله ­ی نقلیه

1. مقدمه

تجسس زمینی اهداف ثابت از طریق سیستم­های هوایی، مستلزم استفاده از رادار دهانه­ی مجازی (SAR) برای کاهش آشوب و وضوح فضایی بالاست. با استفاده از مراکز متعدد فازیGMTI  (تشخیص هدف متحرک زمینی) در یک آرایه­ی آنتنی می­توان به کاهش آشوب برای اهداف متحرک دست یافت . از SAR و GMTI میکروویو برای تجسس هوایی زمین در سطح وسیع استفاده می­شود، اما قابلیت آنها در زمین­های جنگلی به دلیل تضعیف شدید بواسطه­ی پوشش گیاهی، سطوح بالای پس پراکنش آشوب و ناهمدوسی ناشی از حرکت پوشش گیاهی در اثر باد محدود است. رادار SAR باند VHF/UHF با پهنای باند بسیار وسیع، توانایی تشخیص اهداف وسیله نقلیه پنهان شده در جنگل را فراهم می­سازد . با این حال، نیاز به وضوح عالی و پهنای باند بالا مستلزم اشتراک­گذاری باندهای فرکانس با سایر سرویس­های رادیویی است. مشکل دیگر در چارچوب نظامی، خطر قطع سیگنال ارسالی و اقدامات متقابل فعال شده توسط دشمن به عنوان مثال استفاده از اخلالگری یا موشک های ضد تشعشع برای انکار ظرفیت است.

SAR پسیو هوایی، تکنولوژی جدید جایگزین برای تجسس در زمین است که اخیرا مورد مطالعه قرار گرفته است. اولین آزمایشات هوایی، در سال 2012 با استفاده از انتقال تلویزیون دیجیتال (DVB-T) به عنوان روشنگر فرصت در سوئد انجام شد . رویکردهای مشابهی توسط دیگران ارائه شده است . تحقیقی در زمینه­ی SAR پسیو هوایی برای نظارت بر دریا در  ارائه شده است و در ، رادار پسیو هوایی برای شناسایی اهداف هوایی مورد مطالعه قرار گرفته است .

در این مقاله، گزارش آزمایش SAR پسیو انجام شده در سال 2016 ارائه می­گردد. از سیستم هواییLORA  در حالت تنها-دریافت، برای کسب داده­ها استفاده می­شود، این سیستم دارای شش کانال دریافت موازی 10 مگاهرتزی است، یعنی سه کانال آنتن که هر یک، دو کانال DVB-T را پوشش می­دهند. این آزمایش شامل استقرار هدف در دو روز مختلف با انجام تغییرات بین روزها بود.

2. سیستم سنسور هوایی

داده­های تحلیل شده در این مقاله با استفاده از سیستم رادار هواییLORA   (رادار فرکانس پایین) توسعه یافته توسط FOI جمع­آوری شد. این سیستم در ابتدا به عنوان یک سیستم SAR فعال برای عملیات در باند 200-800 مگاهرتز طراحی شده بود [11]. اخیرا، سیستم، اصلاح شده و شامل حالت SAR در باند فرکانسی 20-90 مگاهرتز است [6]، یعنی، باند تحت پوشش سیستم­های CARABAS-I / II قرار دارد که قبلا توسط FOI ساخته شده است. در حالت فعال، از شکل موج پله­ای فرکانسی همراه با پالس­های فرکانسی مدوله شده غیرخطی منتقل شده استفاده می­شود و گیرنده­ها قادر به ثبت سیگنال در یک پنجره دریافت پس از هر پالس می­باشند. حداکثر هشت جریان از نمونه­های 12 بیتی با نرخ نمونه­برداری 6/25 مگاهرتز توسط سیستم گیرنده دریافت می­شود و همراه با داده­های کمکی در یک آرایه دیسکی ذخیره می­گردد. به موازات، داده­ها از یک سیستم ناوبری GPS / INS با عملکرد بالا در یک دیسک جداگانه همراه با تمبرهای زمانی ثبت می­شوند.

سیستم آنتن شامل دو میله اصلی است که به ترتیب  200 تا 400 مگاهرتز و 400-800 مگاهرتز را تحت پوشش قرار می­دهند و هر دو در سمت چپ هواپیما دارای بهره ­ی حداکثر می باشند (جهت دید). هر میله شامل پنج عنصر آنتی یکسان با پهنای باند بسیار وسیع است که به طور مساوی در امتداد محور میله از هم جدا شده­اند. در حالت SAR، می­توان از دو عنصر، جلو و عقبی، برای انتقال  و سه عنصر در وسط برای دریافت استفاده نمود. از یک شبکه سوئیچینگ برای انتخاب عناصر آنتن مربوطه استفاده می­شود.

سیستم دارای هشت گیرنده فوق ­العاده خطی است که هر کدام دارای پهنای باند 10 مگاهرتزی هستند. پهنای باند لحظه ­ای ممکن است با تنظیم فرکانس مناسب گیرنده­ها به  80 مگاهرتز برسد. در حالت SAR پسیو مورد استفاده در این مقاله، سیستم برای جمع­ آوری داده ­ها در دو باند 10 مگاهرتزی پیکربندی شده است که هر یک از آنها تنها یک کانال تلویزیونی هشت مگاهرتزی DVB-T را پوشش می­دهد (ثبت پیوسته سیگنال مورد نظر است زیرا DVB-T با استفاده از رمزگذاری OFDM (تسهيم تقسيم فركانس متعامد) عمل می کند). هر چند، به دلیل طراحی واقعی، نمونه­گیری مستمر در LORA به طور کامل اجرا نمی­شود و یک شکاف داده­ای Ps 6/1 برای هر PS 160 وجود دارد که به حداکثر ضریب کاری 99% منجر می­شود.

3. سایت آزمایش

سایت آزمایش SAR، یک ملک کشاورزی در 70 کیلومتری شمال شرقی لینشوپیگ (58.72°N, 16.56°E) در جنوب سوئد بود. این منطقه شامل زمین­های کشاورزی هموار و ناهموار احاطه شده با زمین های پر از تپه است که عمدتا جنگل های مخروطی هستند.

قویترین سیگنال های DVB-T در این منطقه از یک دکل تلویزیونی با ارتفاع 324 متر بالای زمینی واقع در نزدیکی روستای Krokek پخش می شود. فاصله تا محل آزمایش برابر با 5/7 کیلومتر (شمال شرقی) است که در زاویه ­ی تابشی در حدود 87 درجه روشن می­شود. برای جلوگیری از اثرات سایه ­ای ناشی از توپوگرافی، اکثر موقعیت­های مورد استفاده برای استقرار هدف به گونه­ای انتخاب شدند که بخش بالایی دکل می­توانست به صورت بصری موقعیت هدف را تشخیص دهد. یعنی در مسیر دید. بر اساس این و سایر ملاحظات مانند دسترسی، دو محل مناسب، یعنی منطقه A در شرق و منطقه B در غرب، در سایت آزمون برای استقرار شناسایی شدند. تصویر نوری پوشش دهنده­ی هر دو منطقه در شکل 1 مشاهده می­شود و موقعیت­های استقرار در آن مشخص شده است.

4. استقرار

اهداف استقرار شامل بازتابنده ­های سه وجهی و وسایل نقلیه با انواع و اندازه­های مختلف بودند، به شکل 2 و 3 نگاه کنید. چهار سه ­وجهی شامل انواعی با اندازه­های کوچک و متوسط همراه با یک مورد با بزرگ­ترین اندازه مورد استفاده قرار گرفتند. دو سه وجهی با اندازه­ی کوچک و دو سه ­وجهی با اندازه­ی متوسط در منطقه B و سایرین در منطقه A مستقر شدند. جهت هر سه وجهی در نقطه­ ای به سمت دکل تلویزیون و صفحه ­ی پایینی در حدود 30 درجه نسبت به افق تنظیم شد.

چهار وسیله نقلیه تنها در محدوده­ی منطقه­ی A مورد استفاده قرار گرفتند. مکان وسایل نقلیه تعیین شد تا اطمینان حاصل گردد که سطح پهن عمودی در حدود 10 درجه به سمت مسیر دید دکل تلویزیونی چرخیده است.

یکی از اهداف اصلی این آزمایش، بررسی امضای هدف در داده های SAR پسیو بود. می­توان امضاهای هدف را با کاهش پس زمینه به منظور متوقف­ سازی آشوب ثابت، تقویت نمود. بنابراین آزمایش با دو ماموریت پرواز در روزهای مختلف برنامه ­ریزی شده است، یعنی بکارگیری همان هندسه­ های SAR پسیو، اما با استفاده از موضع گیری­های مختلف هدف.

تمام اهداف به غیر از دو مورد به موقعیت­ های جدید منتقل شده ­اند، اما همچنان در همان ناحیه، یعنی در ناحیه A یا B قرار دارند. یکی از سه ­وجه ی­ها با اندازه­ی متوسط در منطقه B و همچنین بزرگترین سه­وجهی در منطقه A در همان موقعیت به عنوان مرجع باقی ماندند. علاوه بر این، کامیون و یکی از سه وجهی­ های با اندازه ­ی متوسط در طی پیکربندی دوم از مکان استقرار اولیه خود در ناحیه­ی باز  با توجه به مسیر دید دکل تلویزیون، به مکانی منتقل شدند که به صورت جزئی با شاخه و برگ درختان پوشیده شده بود.

موقعیت هر هدف مستقر با استفاده از یک GPS فاز حامل دیفرانسیلی زمان واقعی به طور دقیق اندازه­گیری شد. خلاصه­ای از انواع هدف مورد استفاده در هر موقعیت در طول آزمایش در جدول 1 ارائه شده است.  پیشوند “2” در برچسب­های موقعیت مربوط به مأموریت پروازی دوم است.

5. جمع­ آوری داده­ها

 در سوئد برای DVB-T از باند فرکانسی 174-230 مگاهرتز و 470-790 مگاهرتز استفاده می­شود. فرستنده Krokek از هفت باند 8 مگاهرتزی در فرکانس­های اصلی 5/177، 530، 562، 594، 674، 738 و 786 مگاهرتز استفاده می­کند. با هشت گیرنده و شش عنصر آنتن در دسترس، تعویض تعداد کانال­های ضبط شده DVB-T و تعدادی از عناصر آنتن تنظیم شده برای یک کانال تلویزیونی امکان­پذیر است.

در این آزمایش، دو کانال تلویزیونی با فرکانس های 530 و 594 مگاهرتز انتخاب شدند. از عناصر آنتنی جلو و عقب در حالت پسیو استفاده نمی­شود، بلکه این حالت، تنها شامل سه عنصر گیرنده­ی آنتی است. هر یک از سه عنصر به دو گیرنده تنظیم شده در فرکانس­های مرکزی 528 و 595 مگاهرتزی، متصل شدند که دو کانال تلویزیونی را تحت پوشش قرار میدهند. در کل، برای دریافت سیگنال، از شش گیرنده مختلف با هر مورد با نرخ نمونه 6/25 مگاهرتز استفاده شد.

جدول 1: اهداف مستقر با برچسب های موقعیت در شکل 1

عملیات SAR پسیو با دو ماموریت پرواز در تاریخ 8 ژوئن 2016 (روز 1) و 9 ژوئن 2016 (روز 2) انجام شد. هر دو ماموریت شامل هشت مسیر پرواز در ارتفاع 3 کیلومتری در همان مسیرهای از پیش­برنامه­ریزی شده بود. هشت مسیر در موقعیت دکل تلویزیون قرار داشتند، که مطابق با شکل 4، جهت­های حرکت پرواز مربوط به مسیرهای اصلی و ترتیبی نسبتا به سمت شمال حقیقی است. مجموع اطلاعات ثبت شده برای دو ماموریت در حدود 640 گیگابایت بود.

6. پردازش سیگنال و شکل گیری تصویر

پردازش سیگنال به صورت برون-خطی انجام می­شود. در ابتدا، داده­های GPS / INS به صورت داده­های موقعیت و وضعیت  تحت پردازش قرار می­گیرند. هندسه بای­استاتیک در امتداد دهانه ­ی SAR توسط موقعیت های آنتن، موقعیت دکل فرستنده و مختصات مکانی 3 بعدی از مدل رقومی زمین (DTM) با ارسال 50 متری تعریف شده است. داده­های ثبت شده، استخراج و با استفاده از تبدیل هیلبرت به نمونه­ های مختلط تبدیل می­شوند. از آنجایی­که هر دو سیگنال مستقیم و پراکنده در زمین از فرستنده در سیگنال به دست آمده گنجانده می­شوند، شکل­گیری تصویر با استفاده از خود-همبستگی و تاخیر زمانی برای ایجاد پیکسل تصویر انجام می­شود.

برای اجرای تقریب شروع- و- پایان، همبستگی­ ها به صورت ضرب در دامنه فوریه در فواصل ps 160 پیاده ­سازی می­شوند. از پس­بینی مستقیم  تعمیم داده شده به شکل هندسی دو پایه ­ای(بای­استاتیک) برای تشکیل تصویر استفاده میشود، یعنی سیگنال­های تغییر زمان یافته برای تمام نقاط تصویر و دهانه جمع آوری می­شوند. داده­های پس بینی هندسی دو پایه­ای بر فراز پوسته ­های بیضوی توسط DTM به صورت ارتفاع از سطح زمین تعریف می­گردد.

7. نتایج

دو تصویر تکرار-عبور SAR پسیو در منطقه استقرار A در شکل های 5 و 6 مشاهده می­شوند. این مورد شامل موقعیت­های هدف A62 و A72 است، هر چند در خارج از منطقه تعریف شده برای شکل­گیری تصویر شناسایی شدند. داده­های پردازش شده در طول ثبت در امتداد جهت پرواز 135 درجه به دست آمد، به شکل 4 به ترتیب مربوط به روزهای 8 و 9 ژوئن نگاه کنید. تنها از داده­های دریافت شده در 594 مگاهرتز استفاده شد، هر چند که این داده­ها از هر سه عنصر آنتنی پردازش شده به صورت موازی بدست آمده است که در گام نهایی، به طور هماهنگ ترکیب شده­اند تا تصویری برای هر یک از دو مجموعه داده تولید گردد. در شکل 5، تمام اشیاء مستقر شده (چهار وسیله نقلیه و پنج سه­وجهی) به جز موارد مربوط به یکی از کوچکترین سه­ وجهی ­ها (A1)، در تصویر مربوط به 8 ژوئن قابل مشاهده­اند. زاویه بای­استاتیک برخلاف وسایل نقلیه، برای سه وجهی­ ها مطلوب نیست.

زاویه ­ی بای استاتیک مورد استفاده برای ادغام منسجم، توسط سلول­های قدرت تفکیک در تصویر نشان داده شده است،  جایی­که ﻗﺪرت ﺗﻔﮑﯿﮏ تصویر در بُردی نزدیک به 20 متر بدست آمد، در حالی که ﻗﺪرت ﺗﻔﮑﯿﮏ عمود بر برد در حدود 2 متر است. طول دهانه­ی تحت آزمون در حدود  4/2 کیلومتر بوده و اختلاف زاویه­ی 10 درجه­ایی در منطقه تصویر برداری در نظر گرفته می­شود. زاویه بایاستاتیک متوسط برابر با 10 درجه است. علاوه زاویه تابش ثابت 87 درجه که قبلا ذکر شد، سیگنال پراکنده از ناحیه تصوير و سیگنال مستقیم از دکل تلویزیونی به وسیله آنتن هوايی به ترتیب با زاویه تابش 80 درجه و 69 درجه جمع­آوری می­شود.

تصویر مربوط به 9 ژوئن که در شکل 6 نشان داده شده است، شامل پنج سه وجهی و تنها دو وسیله نقلیه است. یک وسیله نقلیه (کامیون پنهان شده در جنگل، به عنوان مثال A52) و یک سه­وجهی (با اندازه­ی متوسط پنهان شده در  شاخ و برگ، به عنوان مثال A22) در تصویر قابل مشاهده نیستند.

7. نتیجه­ گیری

با انجام عملیات SAR پسیو، 640 گیگابایت داده­های تلویزیون دیجیتال DVB-T با سیستم SAR هوایی LORA در حالت تنها-دریافت جمع­آوری شده است. داده­ها با استفاده از 6 گیرنده فوق العاده خطی با ADB­های 12 بیتی و نرخ نمونه­برداری 6/25 مگاهرتزی بدست آمدند. پیکربندی این سیستم شامل سه عنصر آنتنی برای دستیابی به دو کانال DVB-T هشت مگاهرتزی، با فرکانس­های مرکزی 530 مگاهرتز و 594 مگاهرتز است. تصاویر مجزای تولید شده از هر یک از سه عنصر آنتن با هم جمع می­شوند. داده­ها با ضریب کار 99% ثبت شدند، یعنی شکاف­های داده­ای PS 6/1 که برای هر فاصله زمانی PS 160 ظاهر می­شود. سیزده هدف مستقر برای این عملیات در نظر گرفته شد. اهداف مستقر نیز برای تحلیل تکرار – عبور انتقال یافتند. نتایج تصویربرداری SAR پسیو برای یک کانال تلویزیونی در طی دو روز با استفاده از استقرارهای مختلف هدف ارائه می­شوند. با توجه به تصاویر، تمام وسایل نقلیه به جز یکی در تصاویر قابل مشاهده است. هشت مورد از ده مامور ده سه­وجی مستقر قابل مشاهده هستند. براساس تحلیل­های صورت گرفته، امضای هدف به زاویه بای­استاتیک بستگی دارد که به محو شدن سیگنال در امتداد دهانه مصنوعی منجر می­گردد. نتایج همچنین پتانسیلی را برای انجام تشخیص تغییر با استفاده از داده­های تکرار- عبور نشان می دهند.