SUPERVISOR
محمدفرزان صباحی (استاد مشاور) سیدمحمود مدرس هاشمی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Zamani
محمد زمانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Bistatic Synthetic Aperture Radar Data Processing and Image Formation
Different regions of electromagnetic spectrum can be used in remote sensing and earth surface imaging. Synthetic aperture Radar (SAR) using microwave region brings out several benefits including capability to all weather imaging even in fog and cloud, day and night imaging without need to external source, and high resolution imaging even in long ranges. Therefore it is widely used whether in civil or military applications. Bistatic SAR (BSAR) is characterized by different locations for transmitter and receiver. There are several benefits with respect to monostatic SAR systems like increased reliability and flexibility, reduced vulnerability for military applications, reduced costs using existing illuminators of opportunity with several receive-only systems, more scattering information acquiring, and capacity of forward- or backward-looking SAR imaging. Even for objects that show a low Radar Cross Section (RCS) in monostatic SAR, one can find distinct bistatic angles to increase their bistatic RCS. All the advantages above are however paid with the price of increased processing complexity. BSAR system geometry can be categorized in the three main configurations: the azimuth invariant BSAR with platforms of the same velocity along parallel directions, the parallel BSAR with platforms of different velocity and the general BSAR with arbitrary directions and velocities of transmitter and receiver. Degree of complexity to process these configurations increases respectively. In SAR raw data, the energy of a point target spreads in both range and azimuth, and no information can be obtained without further processing. Thus, processing these raw data and image formation is a significant subject. Image formation algorithms can work in time or frequency. Time domain methods can focus BSAR data well; however these methods suffer from inefficiency problem. Efficiency can be improved by performing the focusing in the frequency domain. Omega-k is a known focusing algorithm characterized by its precision. It is preferred by many SAR researchers because of its capability to process wide apertures and highly squinted cases. The Bistatic Point Target Reference Spectrum (BPTRS) is the basis for most frequency domain algorithms. The accuracy of an algorithm is limited by the accuracy of its spectrum. There are different implementations of an algorithm based on the spectrum used. MELBF is an accurate bistatic spectrum, presented recently by Loffeld and his group. It can be applied within any image formation algorithm. In this thesis, we propose a new method by implementing omega-k algorithm based on MELBF spectrum that is applicable for all bistatic configurations. We present two different approaches based on accurate Stolt interpolation and efficient approximate interpolation-free ISFT. First, we show the validity of our method in different BSAR configurations. Then we show that our method gives better results in terms of image quality measurements compared to an existing omega-k algorithm based on ELBF, and simulation results confirms this claim. In another contribution, we investigated the use of Chebyshev orthogonal polynomials in deriving the bistatic spectrum. As using Taylor and Legendre expansion is reported in literature, we propose to add a third expansion to this group, that in some cases gives better results. Key Words SAR, Bistatic, Image formation, Spectrum, Omega-k, Orthogonal polynomials, Chebyshev
در سنجش از راه دور و تصویربرداری از سطح زمین می توان از قسمت های مختلف طیف الکترومغناطیس استفاده کرد. بهره گیری از امواج مایکروویو در رادارهای روزنه مصنوعی (SAR)، مزایای زیادی مانند توانایی کار در هر شرایط آب و هوایی و در حضور ابر و مه، امکان استفاده در شب و روز، و بدست آوردن تصاویر با قدرت تفکیک بالا حتی در بردهای زیاد را داراست. این مزایا موجب شده است که این نوع رادارها کاربردهای نظامی و غیرنظامی بسیاری پیدا کنند. رادار روزنه مصنوعی دوپایه (BSAR) با ویژگی جدا بودن سکوی فرستنده و گیرنده شناخته می شود. ساختار دوپایه مزایایی چون انعطاف پذیری بیشتر در طراحی سیستم، بدست آوردن اطلاعات بیشتر از ویژگی های سطوح، کاهش هزینه به علت امکان اشتراک فرستنده بین چند سکوی گیرنده، و کاهش امکان شناسایی گیرنده در کاربردهای نظامی را دارد. البته پیچیدگی های مسائل پردازشی در این حالت بیشتر می شود. سیگنال های دریافتی توسط رادار که داده خام نامیده می شوند را می توان تابعی دو بعدی از برد و سمت در نظر گرفت. در این دادههای خام، انرژی یک هدف نقطه ای در هر دو بعد پخش شده است و بدون پردازش مناسب اطلاعاتی از آن قابل استخراج نیست. این پردازش مناسب که تشکیل تصویر نامیده می شود، از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. الگوریتم های تشکیل تصویر را می توان به دو دسته الگوریتم های حوزه زمان و الگوریتم های حوزه فرکانس دسته بندی نمود. الگوریتم های حوزه زمان علی رغم دقت، بسیار کند عمل می کنند. الگوریتم های حوزه فرکانس از لحاظ محاسباتی کارآمد بوده و کاربرد بسیاری دارند. از بین آن ها الگوریتم omega-k به دلیل دقت زیاد و توانایی کارکرد در شرایط با روزنه مصنوعی طویل و لوچی بیم زیاد، مورد توجه بسیار قرار گرفته است. اولین قدم در ارائه الگوریتم های تشکیل تصویر حوزه فرکانس در BSAR، بدست آوردن طیف هدف نقطه ای می باشد. بر این اساس دقت الگوریتم های مختلف با توجه به دقت طیف مورد استفاده در آن ها محدود می شود. بر اساس طیف های مختلف، پیاده سازی های متفاوتی برای هر الگوریتم وجود دارد. اخیرا طیف دقیقی توسط لوفلد و گروه او ارائه شده است (طیف MELBF) که برای هندسه های مختلف قابل اعمال است. در این پایان نامه این طیف را انتخاب نموده و الگوریتم omega-k را بر اساس آن و با دو رویکرد متفاوت استفاده از درون یاب استالت و ISFT، پیاده سازی نموده ایم. الگوریتم پیشنهادی قابلیت پردازش هندسه های مختلف BSAR را دارد. در ادامه به شبیه سازی این الگوریتم پرداخته و علاوه بر نشان دادن صحت آن در هندسه های مختلف، نتایج حاصل از آن را با نتایج الگوریتم omega-k موجود مبتنی بر طیف ELBF مقایسه کرده ایم. مشاهده شده است که در هندسه های با بیم عرضی و زوایای لوچی ناچیز، الگوریتم omega-k پیشنهادی و الگوریتم موجود دقت یکسانی دارند، ولی با افزایش زوایای لوچی فرستنده و گیرنده الگوریتم پیشنهادی از کیفیت تصویری بیشتری برخوردار می باشد. در پایان با توجه به اهمیت مسئله طیف دو پایه، استفاده از چند جمله ای های متعامد چبی شف در تعیین آن مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: SAR، دوپایه، تشکیل تصویر، طیف، omega-k، چند جمله ای های متعامد، چبی شف