Historien om radar med syntetisk bländaröppning
Historien om radar med syntetisk bländaröppning börjar 1951, med uppfinning av tekniken av matematikern Carl A. Wiley , och dess utveckling under det följande decenniet. Ursprungligen utvecklad för militär användning, har tekniken sedan dess tillämpats inom planetvetenskapen .
Uppfinning
Konceptet med bländarsyntes formulerades först 1946 av de australiska radioastronomerna Ruby Payne-Scott och Joseph Pawsey . Arbetande från Dover Heights i Sydney utförde Payne-Scott de tidigaste interferometerobservationerna inom radioastronomi den 26 januari 1946 med hjälp av en australisk arméradar som radioteleskop.
Carl A. Wiley , en matematiker vid Goodyear Aircraft Company i Litchfield Park, Arizona , tittade också på radar med syntetisk bländare i juni 1951 när han arbetade på ett korrelationsstyrningssystem för Atlas ICBM -programmet. I början av 1952 konstruerade Wiley, tillsammans med Fred Heisley och Bill Welty, ett konceptvalideringssystem känt som DOUSER (" Doppler Unbeamed Search Radar"). Under 1950- och 1960-talen introducerade Goodyear Aircraft (senare Goodyear Aerospace) många framsteg inom SAR-teknik, många med hjälp av Don Beckerleg.
Oberoende av Wileys arbete visade experimentella försök i början av 1952 av Sherwin och andra vid University of Illinois ' Control Systems Laboratory resultat som de påpekade "kan ge grunden för radarsystem med kraftigt förbättrad vinkelupplösning" och kan till och med leda till system som kan att fokusera på alla områden samtidigt.
I båda dessa program gjordes bearbetning av radarreturerna genom filtreringsmetoder för elektriska kretsar. I huvudsak signalstyrka i isolerade diskreta band av dopplerfrekvensdefinierade bildintensiteter som visades vid matchande vinkelpositioner inom lämpliga intervallplatser. När endast den centrala (noll-Doppler-bandet) delen av retursignalerna användes, var effekten som om bara den centrala delen av strålen existerade. Det ledde till termen Doppler Beam Sharpening. Att visa returer från flera intilliggande icke-noll-dopplerfrekvensband åstadkom ytterligare "stråluppdelning" (kallas ibland "ofokuserad radar", även om den kunde ha betraktats som "halvfokuserad"). Wileys patent, ansökt 1954, föreslog fortfarande liknande behandling. Omfattningen av de kretsar som då var tillgängliga begränsade i vilken utsträckning dessa system kan förbättra upplösningen ytterligare.
Principen inkluderades i ett memorandum författat av Walter Hausz från General Electric som var en del av den då hemliga rapporten från en sommarstudiekonferens för försvarsdepartementet 1952 kallad TEOTA ("The Eyes of the Army"), som försökte identifiera nya tekniker användbara för militär spaning och teknisk insamling av underrättelser. Ett uppföljande sommarprogram 1953 vid University of Michigan , kallat Project Wolverine, identifierade flera av TEOTA-ämnena, inklusive Doppler-assisterad sub-beamwidth resolution, som forskningsinsatser som skulle sponsras av Department of Defense (DoD) vid olika akademiska och industriella forskningslaboratorier. Samma år Illinois- gruppen en "strip-map"-bild som uppvisar en avsevärd mängd sub-beamwidth-upplösning.
Projekt Michigan
Mål
Ett mer avancerat fokuserat radarprojekt var bland flera fjärranalyssystem som tilldelades 1953 Project Michigan, ett treservicesponsrat program (armén, marinen, flygvapnet) vid University of Michigans Willow Run Research Center (WRRC), det programmet som administreras av arméns signalkår . Ursprungligen kallades det radarprojekt med sidoutseende, det utfördes av en grupp som först var känd som Radarlaboratoriet och senare som Radar- och optiklaboratoriet. Den föreslog att man inte bara skulle ta hänsyn till den kortsiktiga förekomsten av flera särskilda dopplerskift, utan hela historien för de stadigt varierande skiftningarna från varje mål när det senare korsade strålen. En tidig analys av Dr. Louis J. Cutrona, Weston E. Vivian och Emmett N. Leith från den gruppen visade att ett sådant helt fokuserat system borde ge, i alla intervall, en upplösning lika med bredden (eller, enligt vissa kriterier) , halva bredden) av den verkliga antennen som bärs på radarflygplanet och pekade kontinuerligt på bredsidan mot flygplanets väg.
Teknisk och vetenskaplig grund
Den erforderliga databehandlingen uppgick till att beräkna korskorrelationer av de mottagna signalerna med sampel av de signalformer som kan förväntas från enhetsamplitudkällor vid de olika intervallen. På den tiden hade till och med stora digitala datorer kapacitet något i närheten av nivåerna för dagens fyrfunktionshandhållna miniräknare, och var därför inte i närheten av att kunna göra en sådan enorm mängd beräkningar. Istället skulle enheten för att göra korrelationsberäkningarna vara en optisk korrelator .
Det föreslogs att signaler som tas emot av den resande antennen och som detekteras koherent ska visas som en enda avståndsspårlinje över diametern på ytan av ett katodstrålerör, varvid linjens successiva former registreras som bilder projicerade på en film som rör sig vinkelrätt mot längden på den linjen. Informationen om den framkallade filmen skulle därefter bearbetas i laboratoriet på utrustning som fortfarande skulle utformas som en huvuduppgift för projektet. I det initiala processorförslaget förväntades ett arrangemang av linser multiplicera de registrerade signalerna punkt för punkt med de kända signalformerna genom att låta ljus successivt passera genom både signalfilmen och en annan film som innehåller det kända signalmönstret. Det efterföljande summerings- eller integrationssteget av korrelationen skulle göras genom att konvergera lämpliga uppsättningar av multiplikationsprodukter genom fokuseringsverkan av en eller flera sfäriska och cylindriska linser. Processorn skulle i själva verket vara en optisk analog dator som utför storskaliga skalära aritmetiska beräkningar i många kanaler (med många ljus "strålar") på en gång. I slutändan skulle två sådana enheter behövas, vars utsignaler skulle kombineras som kvadraturkomponenter i den kompletta lösningen.
En önskan att hålla utrustningen liten hade lett till att referensmönstret registrerades på 35 mm film . Försök visade snabbt att mönstren på filmen var så fina att de visade uttalade diffraktionseffekter som förhindrade skarp slutlig fokusering.
Det fick Leith, en fysiker som utformade korrelatorn, att inse att dessa effekter i sig själva, genom naturliga processer, kunde utföra en betydande del av den nödvändiga bearbetningen, eftersom remsor längs spåret av inspelningen fungerade som diametrala skivor av en serie av cirkulära optiska zonplattor. Varje sådan platta fungerar ungefär som en lins, varvid varje platta har en specifik brännvidd för varje given våglängd. Inspelningen som hade betraktats som skalär blev igenkänd som par av vektoretor med motsatt tecken av många rumsliga frekvenser plus en nollfrekvens "bias" kvantitet. Den nödvändiga korrelationssummeringen ändrades från ett par skalära till en enskild vektor.
Varje zonplattremsa har två lika men motsatta förtecknade brännvidder, en reell, där en stråle genom den konvergerar till ett fokus, och en virtuell, där en annan stråle verkar ha divergerat från, bortom den andra sidan av zonplattan. Nollfrekvenskomponenten ( DC-bias ) har ingen fokalpunkt, utan överlagrar både de konvergerande och divergerande strålarna. Nyckeln till att erhålla, från den konvergerande vågkomponenten, fokuserade bilder som inte överlagras med oönskad dis från de andra två är att blockera den senare, så att endast den önskade strålen kan passera genom en korrekt placerad frekvensbandsväljaröppning.
Varje radaravstånd ger en zonplatta med en brännvidd som är proportionell mot detta avstånd. Detta faktum blev en huvudsaklig komplikation i designen av optiska processorer . Följaktligen innehåller tidens tekniska tidskrifter en stor mängd material som ägnas åt sätt att hantera variationen i fokus med räckvidd.
För den stora förändringen i tillvägagångssättet måste ljuset som används vara både monokromatiskt och koherent, egenskaper som redan var ett krav på radarstrålningen. Lasrar som också då var i framtiden, den bästa tillgängliga approximationen till en koherent ljuskälla var utsignalen från en kvicksilverånglampa , passerade genom ett färgfilter som var anpassat till lampspektrumets gröna band och koncentrerades sedan så bra som möjligt. på en mycket liten strålbegränsande bländare. Medan den resulterande mängden ljus var så svag att mycket långa exponeringstider var tvungna att användas, sattes en fungerande optisk korrelator ihop i tid för att användas när lämpliga data blev tillgängliga.
Även om det var en enklare uppgift att skapa den radarn baserad på redan kända tekniker, krävde det arbetet uppnåendet av signallinjäritet och frekvensstabilitet som var på toppnivå. Ett lämpligt instrument designades och byggdes av Radar Laboratory och installerades i ett C-46 ( Curtiss Commando ) flygplan. Eftersom flygplanet räddades till WRRC av den amerikanska armén och flögs och underhålls av WRRC:s egna piloter och markpersonal, var det tillgängligt för många flygningar vid tidpunkter som matchade Radar Laboratorys behov, en funktion som är viktig för att tillåta frekventa omtestning och "felsökning " av den ständigt utvecklande komplexa utrustningen. Däremot hade Illinois-gruppen använt en C-46 som tillhörde flygvapnet och flögs av AF-piloter endast efter överenskommelse, vilket i dessa forskares ögon resulterade i en begränsning till en mindre än önskvärd frekvens av flygtest. av deras utrustning, därav en låg bandbredd för feedback från tester. (Senare arbete med nyare Convair-flygplan fortsatte Michigan-gruppens lokala kontroll av flygscheman.)
Resultat
Michigans valda 5 fot (1,5 m) breda överskottsantenn från andra världskriget var teoretiskt kapabel till 5 fot (1,5 m) upplösning, men data från endast 10 % av strålbredden användes till en början, målet vid den tiden var för att visa 50 fot (15 m) upplösning. Det förstods att finare upplösning skulle kräva ytterligare utveckling av medel för att känna av flygplanets avgångar från en idealisk kurs och flygbana, och för att använda den informationen för att göra nödvändiga korrigeringar av antennpekandet och de mottagna signalerna före bearbetning. Efter otaliga försök där även små atmosfäriska turbulenser hindrade flygplanet från att flyga rakt och tillräckligt plant för bra 50 fot (15 m) data, gav en flygning före gryningen i augusti 1957 en kartliknande bild av Willow Run Airport-området som visade 50 fot (15 m) upplösning i vissa delar av bilden, medan den belysta strålbredden där var 900 fot (270 m). Även om programmet hade övervägts att avslutas av DoD på grund av vad som verkade vara en brist på resultat, säkerställde den första framgången ytterligare finansiering för att fortsätta utvecklingen som ledde till lösningar på de erkända behoven.
Offentligt erkännande
SAR-principen erkändes först offentligt via ett pressmeddelande från april 1960 om amerikanska arméns experimentella AN/UPD-1-system, som bestod av ett luftburet element tillverkat av Texas Instruments och installerat i ett Beech L -23D- flygplan och ett mobilt markdata- bearbetningsstation tillverkad av WRRC och installerad i en militärbil. Vid tillfället avslöjades inte vilken typ av databehandlare som är. En teknisk artikel i tidskriften för IRE ( Institute of Radio Engineers ) Professional Group on Military Electronics i februari 1961 beskrev SAR-principen och både C-46- och AN/UPD-1-versionerna, men berättade inte hur uppgifterna behandlades , inte heller att UPD-1:s maximala upplösningsförmåga var cirka 50 fot (15 m). Men juninumret 1960 av IRE Professional Group on Information Theory hade innehöll en lång artikel om "Optical Data Processing and Filtering Systems" av medlemmar i Michigan-gruppen. Även om det inte hänvisade till användningen av dessa tekniker för radar, kunde läsare av båda tidskrifterna ganska lätt förstå att det finns ett samband mellan artiklar som delar vissa författare.
Vietnam
Ett operativt system som skulle bäras i en spaningsversion av F-4 "Phantom"-flygplanet utarbetades snabbt och användes kort i Vietnam, där det inte lyckades imponera positivt på sina användare, på grund av kombinationen av dess låga upplösning (liknande UPD-1), den fläckiga karaktären hos dess koherenta vågbilder (liknande späckligheten hos laserbilder) och den dåligt förstådda olikheten mellan dess räckvidd/korsintervallbilder från de vinkel/vinkeloptiska som är bekanta för militära fototolkare. De lärdomar den gav var väl lärda av efterföljande forskare, operativa systemdesigners, bildtolkutbildare och DoD- sponsorerna för vidareutveckling och förvärv.
Efterföljande förbättring
I efterföljande arbete uppnåddes så småningom teknikens latenta förmåga. Detta arbete, beroende på avancerad radarkretsdesign och precisionsavkänning av avgångar från idealisk rakflygning, tillsammans med mer sofistikerade optiska processorer som använder laserljuskällor och specialdesignade mycket stora linser gjorda av anmärkningsvärt klart glas, gjorde det möjligt för Michigan-gruppen att förbättra systemupplösningen , med cirka 5-års intervall, först till 15 fot (4,6 m), sedan 5 fot (1,5 m) och i mitten av 1970-talet till 1 fot (det senare endast över mycket korta intervall medan bearbetning fortfarande gjordes optiskt). De senare nivåerna och det tillhörande mycket breda dynamiska området visade sig vara lämpliga för att identifiera många föremål av militär oro samt mark-, vatten-, vegetations- och isegenskaper som studerades av en mängd olika miljöforskare med säkerhetstillstånd som ger dem tillgång till vad som då klassificerades bilder. Liknande förbättrade operativa system följde snart efter vart och ett av dessa steg med finare upplösning.
Till och med det 1,5 m långa upplösningssteget hade överbeskattat förmågan hos katodstrålerör (begränsad till cirka 2 000 särskiljbara föremål över skärmdiametern) att leverera tillräckligt fina detaljer för att signalera filmer samtidigt som de täcker breda strängar, och beskattade de optiska bearbetningssystemen på liknande sätt. Emellertid, ungefär samtidigt, blev digitala datorer äntligen kapabla att göra bearbetningen utan liknande begränsningar, och den efterföljande presentationen av bilderna på katodstrålerörsmonitorer istället för film möjliggjorde bättre kontroll över tonal återgivning och för mer bekväm bildmätning.
Uppnåendet av de finaste upplösningarna på långa avstånd underlättades genom att lägga till möjligheten att svänga en större luftburen antenn för att starkare belysa ett begränsat målområde kontinuerligt samtidigt som data samlas in över flera aspekter, vilket tar bort den tidigare begränsningen av upplösningen till antennbredden . Detta kallades spotlight-läget, som inte längre producerade kontinuerliga strängbilder utan istället bilder av isolerade terrängfläckar.
En plattform utanför atmosfären
Man förstod mycket tidigt i SAR-utvecklingen att den extremt mjuka omloppsbanan för en plattform utanför atmosfären gjorde den idealisk för SAR-drift. Tidig erfarenhet av konstgjorda jordsatelliter hade också visat att dopplerfrekvensförskjutningarna av signaler som färdades genom jonosfären och atmosfären var tillräckligt stabila för att tillåta mycket fin upplösning att uppnås även vid räckvidder av hundratals kilometer. De första rymdburna SAR-bilderna av jorden demonstrerades av ett projekt som nu kallas Quill (avklassificerat 2012).
Digitalisering
Efter att det inledande arbetet påbörjades fanns flera av möjligheterna för att skapa användbara klassificerade system inte på ytterligare två decennier. Den till synes långsamma framstegshastigheten drevs ofta av utvecklingen av andra uppfinningar, såsom lasern, den digitala datorn , kretsminiatyrisering och kompakt datalagring. När lasern väl dök upp blev optisk databearbetning en snabb process eftersom den gav många parallella analoga kanaler, men att utforma optiska kedjor som var lämpade för att matcha signalbrännvidder till intervall fortsatte i många steg och visade sig kräva några nya optiska komponenter. Eftersom processen berodde på diffraktion av ljusvågor krävde den vibrationsdämpande monteringar , rena rum och välutbildade operatörer. Även när den är som bäst, satte användningen av CRT och film för datalagring gränser för bildernas räckviddsdjup.
I flera skeden visade det sig ta mycket längre tid än väntat att uppnå de ofta överoptimistiska förväntningarna på digital beräkningsutrustning. Till exempel SEASAT- systemet redo att kretsa innan dess digitala processor blev tillgänglig, så ett snabbt sammanställt optiskt inspelnings- och bearbetningsschema måste användas för att få snabb bekräftelse av systemets funktion. 1978 utvecklades den första digitala SAR-processorn av det kanadensiska flygföretaget MacDonald Dettwiler (MDA) . När dess digitala processor äntligen var klar och användes tog den dåtidens digitala utrustning många timmar att skapa ett stycke bild från varje körning av några sekunders data. Ändå, även om det var ett steg ned i hastighet, var det ett steg upp i bildkvalitet. Moderna metoder ger nu både hög hastighet och hög kvalitet.
Datainsamling
Mycket exakta data kan samlas in av flygplan som flyger över terrängen i fråga. På 1980-talet, som en prototyp för instrument som skulle flygas med NASAs rymdfärjor, NASA en syntetisk bländarradar på en NASA Convair 990 . 1986 fattade detta plan eld vid start. 1988 NASA om en C-, L- och P-band SAR för att flyga på NASA DC-8 flygplan. Kallas AIRSAR, det flög uppdrag på platser runt om i världen fram till 2004. Ett annat sådant flygplan, Convair 580 , flögs av Canada Center for Remote Sensing fram till omkring 1996 då det överlämnades till Environment Canada på grund av budgetskäl. De flesta landmätningsapplikationer utförs nu genom satellitobservation . Satelliter som ERS-1 /2, JERS-1 , Envisat ASAR och RADARSAT-1 lanserades explicit för att utföra den här typen av observationer. Deras kapacitet skiljer sig åt, särskilt i deras stöd för interferometri, men alla har samlat in enorma mängder värdefull data. Rymdfärjan bar också radarutrustning med syntetisk bländaröppning under SIR-A- och SIR-B-uppdragen under 1980-talet, Shuttle Radar Laboratory (SRL) uppdrag 1994 och Shuttle Radar Topography Mission 2000.
Venera 15 och Venera 16 följt senare av Magellan -rymdsonden kartlade Venus yta under flera år med hjälp av syntetisk bländarradar.
Syntetisk bländarradar användes först av NASA på JPL:s Seasat oceanografiska satellit 1978 (detta uppdrag bar också en höjdmätare och en scatterometer ); det utvecklades senare mer omfattande på Spaceborne Imaging Radar (SIR)-uppdrag på rymdfärjan 1981, 1984 och 1994. Cassini - uppdraget till Saturnus använde SAR för att kartlägga ytan på planetens stora måne Titan , vars yta delvis är dold från direkt optisk inspektion genom atmosfäriskt dis. SHARAD -soningsradarn på Mars Reconnaissance Orbiter och MARSIS -instrumentet på Mars Express har observerat berggrunden under ytan av Mars polaris och även indikerat sannolikheten för betydande vattenis på Mars mellanbreddgrader. Lunar Reconnaissance Orbiter , som lanserades 2009, bär ett SAR-instrument som heter Mini-RF , som till stor del designades för att leta efter vattenisavlagringar på månens poler .
Mineseeker-projektet designar ett system för att avgöra om regioner innehåller landminor baserat på en luftskepp som bär ultrabredbandsradar med syntetisk bländaröppning. Inledande försök visar lovande; radarn kan upptäcka även nedgrävda plastminor.
National Reconnaissance Office upprätthåller en flotta av (nu avklassificerade) radarsatelliter med syntetisk bländaröppning som vanligtvis betecknas som Lacrosse eller Onyx .
I februari 2009 gick övervakningsflygplanet Sentinel R1 i tjänst i RAF, utrustat med det SAR-baserade Airborne Stand-Off Radar -systemet ( ASTOR ).
Den tyska försvarsmaktens ( Bundeswehr ) militära SAR-Lupe- spaningsatellitsystem har varit fullt operativt sedan den 22 juli 2008.
Från och med januari 2021 har flera kommersiella företag börjat skjuta upp konstellationer av satelliter för att samla in SAR-bilder av jorden.
Datadistribution
Alaska Satellite Facility tillhandahåller produktion, arkivering och distribution till det vetenskapliga samfundet av SAR-dataprodukter och verktyg från aktiva och tidigare uppdrag, inklusive lanseringen i juni 2013 av nybearbetade, 35 år gamla Seasat SAR-bilder.
Center for Southeastern Tropical Advanced Remote Sensing (CSTARS) nedlänkar och bearbetar SAR-data (liksom andra data) från en mängd olika satelliter och stödjer University of Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science . CSTARS stöder också katastrofhjälpsoperationer, oceanografisk och meteorologisk forskning samt hamn- och sjösäkerhetsforskningsprojekt.