Kaip fotografuoti radaru?

Juk esate matę štai tokių žemės atvaizdų, padarytų iš paukščio skrydžio? Tai – visai ne meno kūrinys, pasaulį vaizduojantis menininko išgalvotomis spalvomis, o  žemėlapis, leidžiantis ant žemės (o ir ant kitų planetų!) paviršiaus atpažinti skirtingus objektus, pradedant užduotimis, kai kalną reikia atskirti nuo daubos, ir baigiant skirtingų javų rūšių identifikavimu, o ypač populiarus ir naudingas toks „fotografavimas“ karyboje. Paprastu fotoaparatu vargu ar galėtume išgauti tokias galimybes, o štai radaru – kuo puikiausiai!

bpti_logoPrie optinių vaizdo sistemų, tokių kaip fotoaparatai ar vaizdo kameros, esame tiek įpratę, jog net nesusimąstome, kaip tai veikia. Tiesiog žinome, kad kažką nufilmavus ar nufotografavus vaizdas bus užfiksuotas ir išsaugotas daugelio milijonų taškų pavidalu ir kiekvienas taškas turės vieną iš daugelio milijonų spalvų ir atspalvių, o prireikus atkurti šį vaizdą, kompiuteris sudėlios šią mozaiką reikama tvarka. O kaip fotografuoti (formuoti) vaizdus radaru?

 

image002

image004 image006

 

Paminėjus žodį „radaras“, paprastai įsivaizduojama kažkokia besisukanti antena. Radaras dažniausiai apibrėžiamas kaip  įrenginys objektams erdvėje aptikti, koordinatėms nustatyti ir objekto judesio parametrams matuoti. Daug radarų būtent tokias funkcijas ir atlieka. Radaras, aptikęs objektą erdvėje, paprastai nenupiešia jo paveiksliuko, o nurodo jo buvimo vietą, dydį ir judėjimo kryptį bei greitį arba tik vieną iš paminėtų dydžių. Siekiant išmatuoti šiuos parametrus, išspinduliuojamas elektromagnetinės spinduliuotės impulsas ir registruojamas šio impulso atspindys nuo objekto. Kadangi elektromagnetinė spinduliuotė sklinda šviesos greičiu, atstumas iki objekto apskaičiuojamas šviesos greitį dalinant iš laiko, kurį užtruko impulsas sklisdamas iki objekto. Norint gauti objekto vaizdą, reikia, kad impulsai, atsispindėję nuo skirtingų objekto vietų, būtų registruojami skirtingais detektoriais arba detektorių matrica, taip, kaip yra vaizdo kamerose. Tačiau radarų atveju to neįmanoma padaryti dėl naudojamo dažnio (GHz). Tokios spinduliuotės bangos ilgis yra centimetrų ar dešimčių centimetrų dydžio, todėl registruojantis įrenginys (antena) turi būti irgi panašaus dydžio. Taip pat, norint formuoti vaizdą registruojančios matricos plokštumoje, reiktų ir lęšių ar fokusuojančių veidrodžių sistemos, lygiai taip, kaip yra vaizdo kamerose. Tačiau dėl naudojamo bangos ilgio (centimetrai) ši sistema būtų gigantiškų matmenų.

 

image008

1 pav. Sintetinės apertūros formavimas

 

Reali iš radaro išeinanti spinduliuotė visada skečiasi, ir tolstant nuo radaro spindulio diametras vis didėja. Registruojant atspindį nuo toli esančių paviršių, registruojamas signalas, atsispindėjęs nuo viso apšviečiamo ploto. Apšviečiamas plotas ir tampa tuo minimaliu tašku (pixel), iš kurio galima būtų konstruoti vaizdus. Tokie dideli vaizdo taškai atrodo nelabai patraukliai. Kaip juos sumažinti?

 

Radaro skleidžiami elektromagnetiniai impulsai nuo “fotografuojamo” paviršiaus atsispindi įvairiais kampais. Skrendant lėktuvui su į žemę nukreiptu radaru, atspindžiai nuo to paties taško žemėje fiksuojami visą laiką, kol tas taškas yra apšviečiamas radaro impulsais. Jei galėtume fiksuoti atspindžius tik nuo vieno konkretaus taško, o kitus atmesti, situacija būtų panaši, lyg naudotume gigantišką lęšį ir fokusuotume juo radaro spinduliuotę. Registruojant atspindėtus radaro impulsus skrendančiame lėktuve sumontuotu radaru, susidaro efektas tolygus tam, kurį gautume, jei turėtume gigantišką, kelių kilometrų skersmens, fotoaparato objektyvą ir ne mažiau įspūdingo dydžio registruojančią matricą. Belieka atskirti, kuris impulsas atsispindėjo nuo kurio žemės taško.

 

Kaip atskiriami vaizdo taškai?

 

Jeigu besiplečiantį radaro spindulį pakreipsime į šoną (2 paveikslėlis), tai nuo skirtingų žemės taškų (objektų 1,2,3,4) atsispindėję impulsai sugrįš į radaro anteną skirtingu laiku. Atspindžiai nuo tolimesnių taškų sugrįš vėliau. Tokiu būdu, žinant, kad elektromagnetiniai impulsai sklinda šviesos greičiu (ir tai yra konstanta), radaro registruojamus atspindžius galime išskirstyti pagal registravimo laiką, ir tai atitiks kelių metrų skersmes taškus žemėje. Minimalus taško dydis priklauso nuo radaro skleidžiamo impulso trukmės. Norint gauti vaizdo tašką, nuo skirtingų vietų atsispindėję impulsai turi būti aiškiai išskiriami. Pavyzdžiui, P trukmės impulsu galima išskirti objektus 3 ir 4 (2 pav.), tačiau objektai 1 ir 2 susilieja, nes impulsas beveik tuo pačiu metu atsispindės nuo abiejų objektų. Taip išskirdami taškus pagal radaro impulsų sugrįžimo laiką, gauname tarsi iš taškų sudarytą juostą (2 pav. dešinėje), kuri skrendant lėktuvui apšvies vis naują žemės lopinėlį ir skenuos žemės paviršių tarsi visiems puikiai pažįstamas skeneris. Lėktuvui skrendant tolygiai, vienodais laiko tarpais, laike išskiriami impulsai, reiškiantys skirtingus žemės taškus juostoje į šoną nuo lėktuvo, o lėktuvui pasislinkus keletą metrų vėl užregistruojama nauja žemės paviršiaus juosta.

 

image010 image012

2 pav. Skenuojančios linijos formavimas

 

Čia viskas atrodo suprantama, tačiau realiai radaro užregistruotas vaizdas atrodo kaip kažkoks triukšmas (3 paveikslėlio kairėje). Taip yra todėl, kad visas aukščiau aprašytas vaizdo formavimas atliekamas dažniausiai ne realiu laiku. Sintetinės apertūros radaro vaizdų rekonstrukcija reikalauja didelių skaičiavimo pajėgumų, todėl dažniausiai lėktuvo ar palydovo radaro užfiksuotas vaizdas išsaugomas ir apdorojamas jau žemėje. Realiu laiku atliekama tik dalis apdorojimo. Taigi, atliekant matematinį apdorojimą, taip vadinamą rekonstrukciją, būtent ir atliekami visi aukščiau aprašyti skaičiavimai, reikalingi norint išskirti atskirus taškus, ir gaunamas tikrasis vaizdas (3 paveikslėlio dešinėje). Konstruojant vaizdą, nuo žemės paviršiaus atsispindėjęs impulsas (kiekviename taške) lyginamas su teoriniu impulsu, kuris būtų gautas, jei žemės paviršius būtų idealiai lygus ir turėtų vienodą atspindžio koeficientą. Vaizdo rekonstrukcijai gali būti naudojami ir kiti matematiniai metodai, ne tik čia aprašytas. Vienas iš populiaresnių yra, pavyzdžiui, Doplerio metodas, tačiau šį kartą jo neaptarinėsime.

 

image014

3 pav. Neapdorotas sintetinės apertūros radaro vaizdas ir rekonstruotas vaizdas.

 

Kaip radarų vaizduose atsiranda spalvos?

 

Žmogaus akys skirtingo bangos ilgio spinduliuotę regimojo diapazono ribose suvokia kaip spalvą. Aplink esantys daiktai yra tokios spalvos, kokio bangos ilgio spinduliuotę geriausiai atspindi, nes tada ši spinduliuotė ne sugeriama ar išsklaidoma, o atspindima ir patenka į akis. Lygiai taip pat ir radaro skleidžiamos elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis yra geriau arba prasčiau atspindimas nuo žemės paviršiaus. Atspindys nuo miško bus  kitoks negu nuo vandens ir t.t. Geriausiai atspindintys daiktai yra tokie, kurie turi daug lygių paviršių, ir dažniausiai jie yra sukurti žmogaus. Formuojant spalvotus radaro vaizdus, spalva suteikiama pagal atspindėto impulso amplitudę. Pavyzdžiui, didžiausiai užregistruotai amplitudei priskiriama raudona spalva, o mažiausiai užregistruotai – mėlyna. Tuo tarpu visos kitos spalvos yra kažkur tarp jų. Tokios netikros spalvos žmogaus akiai padeda geriau išskirti sudėtingus objektus ir lengviau atskirti plotus, kurie atspindi šiek tiek daugiau ar mažiau radaro skleidžiamos spinduliuotės. Taip tampa įmanoma vizualiai atskirti netgi skirtingas augalines kultūras. Taip pat verta paminėti, kad radarais formuojant vaizdus niekada netrukdo debesys, nes debesyse radaro spinduliuotė nėra sklaidoma. Debesų dalelės yra per mažos, kad centimetrų ilgio bangos jas užčiuoptų. Todėl vaizduose, užfiksuotuose sintetinės apertūros radaru, niekada nepamatysite debesų.

image016

Dr. Gediminas Molis, Gynybos programos vadovas

gediminas.molis@bpti.eu

 

Literatūra:

1. https://earth.esa.int/documents/10174/642943/6-LTC2013-SAR-Moreira.pdf

2. https://www.ercim.eu/publication/Ercim_News/enw65/barbier.html

3. http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278931

Palikti atsiliepimą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.