Barış Samancı - (Sentetik Açıklıklı RADAR) SAR Nedir?
Radarlarda elektromanyetik dalga olarak radyo dalgaları ve mikrodalga sinyaller kullanılmaktadır. Radyo sinyallerinin dalga boyu 10cm ve üzeri iken mikrodalga sinyallerin dalga boyu 10cm den 0.1mm ye kadar değişmektedir. Radarlarda elektromanyetik dalga kullanılmasının sebebi elektromanyetik dalgaların yayılmak için maddeye ihtiyaç duymamasıdır. Bu özelliklerinden dolayı atmosfer dışı ve dünya dışı uzay görevlerinde kullanılabilmelerine olanak tanımaktadır. Ayrıca elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızının sabit olması bize hesaplamalarımızda ve bağlantılarımızda büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızı ışık hızına eşittir, ve saniyede 299.792.458 metredir. Bu sabit c ile sembolü ile ifade edilir.
En basit hali ile radar bir verici, bir alıcı, bir anten ve bir işlem biriminden oluşmaktadır. Verici anten vasıtasıyla yüksek güçlü bir sinyal yayar ve ardından radar dinlemeye geçer. Eğer sinyal bir yüzeyden yansımış ise gelen sinyali anten ve alıcı yardımı ile dinler. Gelen sinyalin geliş süresi, enerjisi ve frekansı gibi bilgiler işlem birimince değerlendirilerek imaj, konum, hız gibi kıymetli bilgiye çevrilir. Bu işlem saniyede binlerce, milyonlarca kez yapılır. Gelen sinyaller geri saçılım olarak adlandırılmaktadır ve gönderilen sinyallere göre çok zayıf güçtedirler.
Çoğu radar kesintisiz elektromanyetik (EM) dalgalar yaymak yerine periyodik pulslar şeklinde yayın yapmaktadır. Yayın süresi pulse width (darbe genişliği) olarak adlandırılmaktadır. Örnek olarak bu süre yeraltı (GPR) radarları için 0.1 mikrosaniye mertebelerinde iken imaj radarları için 10 mikrosaniye ler mertebelerinde olabilmektedir. Her bir darbenin sonunda sinyalin yansıması için bir miktar zaman bırakıldıktan sonra tekrar yeni bir sinyal darbesi gönderilmektedir. İki darbe gönderimi arasında geçen toplam zamana ise darbe tekrar periyodu denilmektedir. Aşağıdaki görselde görülmektedir.
Grafikteki darbe genişliği frekansı sabit görünsede çoğu radarda gönderilen EM dalgalarının frekansı zamanla değişmektedir. Bunu örnekleyen grafik aşağıda verilmiştir.
Sinyallerinin maximum enerjisi limitli olan radarlarda darbe genişliği uzatılmaktadır. Böylece tespit kabiliyeti arttırılmakta fakat radar çözünürlüğü düşmektedir. Bu metotta yüksek enerjili uzun darbe genişlikli sinyaller ile yüksek çözünürlüklü kısa darbe genişliğine sahip sinyaller birleştirerek frekans modülasyonu gerçekleştirilir. Frekans modülasyonunun bize sağladığı yarar birden fazla hedefin aynı anda takibini gerçekleştirebiliyor olmamızdır aynı zamanda yüksek enerjili sinyaller taşıyorken çözünürlüğümüzü düşürmeden tutabilmemizdir. Sinyalin her parçasının frekansı farklı olacağından geriye yansıyan sinyallerin frekansını kontrol ederek farklı hedefleri aynı doğrultuda dahi olsa ayırt edebiliriz. Buna DARBE SIKIŞTIRMA metodu denmektedir ve aslında bir sinyal işleme tekniğidir.
Aşağıdaki grafikte zaman ilerlerken artan frekansa sahip sıkıştırılmış sinyali görebilirsiniz. Bu sinyalin aynı doğrultudaki farklı hedeflerden farklı frekanslarda yansıması sonucu aradaki frekans farkından zaman kullanılarak hedefler arasındaki mesafe, hız bilgileri ölçülebilmektedir. Sıkıştırma ve sinyal çözme için özel elektronik devreler kullanılmaktadır.
Frekans modülasyonu kullanarak derbe sıkıştırması ile hedeflerin takip edilmesine Post Detection Pulse Compression (PDPC) denilmektedir. Radarlarda bu yöntem ile radar menzil çözünürlüğünün arttırılmasına ise darbe sıkıştırma oranı PCR (Pulse Compression Ratio) denmektedir. Örneğin darbe sıkıştırma oranı 10:1 olan radar için menzil çözünürlüğü onda bir olmaktadır. Günümüzdeki bazı modern radarlar 7000:1 e kadar çıkabilmektedir. PCR darbe sıkıştırma oranı, PW darbe genişliği olarak alırsak radarın mesafe çözünürlüğü aşağıdaki denklem ile bulunmaktadır.
Darbe sıkıştırmanın menzil çözünürlüğünü arttırdığını gördük. Geliştirilmesi gereken diğer bir konu ise açısal çözünürlüktür. Bir radar ışımasının çözünürlüğü, menzil (R) ve anten ışıma genişliğinin, açıklığının bir fonksiyonudur. Verilen bir uzaklık için nesneleri ayırt edebilme yeneteğine cross-range direction denir ve cross-range çözünürlüğü olarak bilinir ve aşağıdaki denklem ile verilir.
Bu denklemde θ ışıma genişliğinin radyan cinsinden verilmiş halidir. Bu çözünürlük aslında R yarıçapında θ açısı ile hesaplanan yayın uzunluğudur. Örnek olarak 1° derece ışıma açısına ve 10 kilometre menzile sahip bir radar ışımasının cross range çözünürlüğü
dir. Görüldüğü gibi bu çözünürlük nesneleri çözümleme ve hedefleri takip için çok düşük bir çözünürlüktür. Bunun için daha dar ışıma açıklığına ihtiyacımız vardır. Radar ışımasının -3db deki açıklığı aşağıdaki denklem ile bulunabilir.
Bu denklemde k açıkığa bağlı olarak dağılan elektromanyetik enerjinin orantısal katsayısıdır. λ ile sinyalin dalga boyunu alzatmak frekansı arttıracağından buda sinyalin atmosferde zayıflamasına sebep olur. Bu yüzden bu denklemde l ile verilen anten boyunu büyütmemiz gerekmektedir. Örnek olarak 3Ghz radar (λ=0.1 metre) kullanılsa ve 100 kilometre menzilde 1 metre açısal çözünürlük hedeflense kullanılması gereken kare antenin 1 kenarının uzunluğu
olacaktır. Gerçek şartlarda bu kadar geniş bir antenin uygulanabilirliği mümkün değildir.
Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) bu probleme çözüm olmaktadır. Çünkü alıcı/verici çiftinin hareketini kullanmakta ve daha geniş efektif sentetik bir açıklık oluşturmaktadır. Bunu başarmak için anten hareket ederken sistem ardışık geri dönüşleri toplamakta ve sinyalleri yeniden oluşturmaktadır.Sistemin burada yaptığı hedeften gelen birçok parça çeşitli sinyallerin Doppler kaymasını ölçmektir. Verici hareket ettiği için hedef alan dönüyor gözükecektir. Bu CW (Continuous-Wave) radarlar için hareket ile ilişkili olarak bir problem yaratmaktadır. Elektronik cihazlar ve uygun algoritmalar ile bu problemler ve yansıyan sinyallerdeki doppler kaymaları giderilmektedir.
Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi verici/alıcı çifti veri toplama periyodu boyunca toplam S mesafesi kadar yol alsın ve birbirinden farklı geri dönüşleri depolasın. Bu durumda efektif açıklık S olacaktır. Bu geniş sentetik açıklık çok dar ışıma açıklığı oluşturmaktadır. Güncel bilgileri kullanarak birinci ve ikinci denklemi kullanarak tekrar yazarsak
olacaktır. SAR radarları için k katsayısı 0.5tir. Burada R hedef menzil, S veri toplama esnasında alıcı/verici çiftinin kat ettiği mesafe, λ radar sinyalinin dalga boyudur. Bu denklem ile sistemin açısal çözünürlüğü düşürülmekte ve sistemin doğruluğu arttırılmaktadır. Yukardaki denklemi kullanarak dünyaya 100km mesafedeki bir uzay aracından veri topladığımızı, frekansımızın 100 mikrometre dalga boyuna sahip olduğunu ve uzay aracımızın bu süre boyunca 10m yol aldığını farz edelim. Bu durumda çözünürlüğümüz 50cm gibi gayet iyi bir değer olacaktır. Daha yüksek frekanslı radarlar ve güçlü bilgisayarlar kullanarak teoride 1cm çözünürlüğün altına inmek mümkündür fakat henüz gerçeklenmiş bu kapasitede bir çalışma yoktur.
SAR radarları genellikle uydularda kullanılmakta ve bu sistemlerin doğruluğu, hassasiyeti çok yüksek olmaktadır. Ayrıca hedef belli bir lokasyonsa sabitse veri toplama periyodu uzatılabileceğinden sistemin verimliliği ve performansı oldukça artacaktır. Bu yüzden SAR radarları sabit lokasyonlardaki nesnelerin (örneğin yeryüzü şekilleri, şehirler, askeri üstler…) imajını çıkartmak için kullanılmaktadır. SAR tipi radarların insanlı, insansız, taktik hava araçlarında navigasyon kabiliyetini arttırmak için kullanımı da giderek artmaktadır.