Geniş-açı yakın-alan ters sentetik açıklıklı radar görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi ve deneysel uygulamaları
Development of wide-angle near-field inverse synthetic aperture radar imaging techniques and their experimental applications
Yazar: ŞEVKET DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. CANER ÖZDEMİR
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik görüntüleme = Electromagnetic imaging ; Elektromanyetik ters saçılma = Electromagnetic inverse scattering ; Mikrodalga radarlar = Microwave radars ; Radar kesit alanı = Radar cross section ; Sentetik açıklık radarı = Synthetic aperture radar ; Üç boyutlu görüntüleme = Three dimensional imaging

Özet:
Birçok yer tabanlı Sentetik Açıklıklı Radar (SAR)/Ters Sentetik Açıklıklı Radar (TSAR) uygulamasında, yakın alandaki hedeflerin, geniş açısal açıklık verilerinden görüntülemelerinin elde edilmesi istenilir. Yakın-alan çalışma, ya uygulamanın niteliğinin gereğindendir, ya da sağladığı ucuz maliyet ve kolay gerçekleştirilebilme özelliklerinden dolayıdır. Geniş-açı da, yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve hedeflerin farklı perspektiflerden gerisaçılım karakteristiklerinin elde edilmesi için gereklidir. Ne var ki, geniş-açı yakın-alan veri toplamı iki gerçekleştirme zorluğunu beraberinde getirmektedir. İlk olarak, bu tarz geometriler için görüntü tekrar-oluşturma algoritmaları, düzlemsel dalga varsayımının geçersiz olmasından dolayı daha karmaşık hale gelir. Bu tezde, bu problem, yakın-alan düzeltme faktörlerini içeren Geriye-İzdüşüm (Gİ) algoritmasının üç-boyutlu (3B) monostatik formülasyonunun çıkarımı ve kullanımı ile ele alınmıştır. Algoritma, yansımasız odada elde edilen iki-boyutlu (2B) ve 3B TSAR görüntülemeleriyle doğrulanmış ve diğer yakın-alan görüntüleme teknikleriyle de karşılaştırılmıştır. İkinci gerçekleştirme zorluğu, yüksek çözünürlüklü görüntüleme için büyük miktarlardaki açısal örnek ölçümlerinin gerekmesi ve bunun da hızlı görüntülemeyi engellemesi olgusundan kaynaklanır. Sıkıştırılmış Algılama (SA)?ya dayalı yeni bir 2B TSAR görüntüleme yaklaşımı önerilmiştir. Toplam veri kümesinin % 1.5 düşük oranına kadar yankı örneklerini kullanan yansımasız oda görüntüleme sonuçları, bu yaklaşımı doğrulamaktadır. Yakın-alan SAR/TSAR görüntülemenin üç farklı uygulaması çalışılmıştır. İlk olarak, uzak-alan Radar Kesit Alanı (RKA) kestirimi problemi, küçük-boyutlu karmaşık hedefler ve milimetre-dalga (MMD) bandı verisi için incelenmiştir. İkinci olarak, gizlenmiş nesne algılaması problemi, çeşitli hedef, gizleyici materyal ve radar parametreleri kombinasyonlarının, 2B MMD TSAR görüntüleme çalışmalarıyla deneyimlenmiştir. Son olarak, otomatik hedef tanıma uygulamasına yönelik, 2B geniş-alan dairesel-SAR?ın üstedüşüm ve diğer özellikleri karakterize edilmiştir. Yer tabanlı 270° açıklıklı bir dairesel-SAR sistem geliştirilmiş, gerçek vasıtaların 2B görüntülemeleri elde edilmiş ve istenmeyen yankı sinyallerinden de temizlenmiştir.

Abstract:
In most of the ground-based Synthetic Aperture Radar (SAR)/Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) applications, it is desired to obtain the imagery of near-field targets from their wide angular aperture data. Near-field operation is required either due to the inherent characteristic of the application or its cheap cost and easy implementation features. Wide-angle is also needed to obtain high resolution imagery and backscattering characteristics of targets from different perspectives. Unfortunately, wide-angle near-field data collection comes with two implementation difficulties. First, the image reconstruction algorithms for such geometries become more complex due to the invalidity of the plane-wave approximation. In this thesis, this problem is approached by deriving and utilizing a three-dimensional (3D) monostatic formulation of the Back-Projection (BP) algorithm that involves near-field correction factors. The algorithm is validated by means of two-dimensional (2D) and 3D ISAR imagery acquired in an anechoic chamber room and also compared with other near-field imaging techniques. The second implementation difficulty arises from the fact that a vast amount of angular sample measurements is required for high resolution imaging which in turn prohibits fast imaging. A novel Compressed Sensing (CS) based 2D ISAR imaging approach is proposed. The anechoic chamber imaging results that use as low as the 1.5 % echo samples of the whole data set validate this approach. Three different applications of wide-angle near-field SAR/ISAR imaging are studied. At first, the far-field Radar Cross Section (RCS) estimation problem is investigated for small-sized complex targets and for millimeter-wave (MMW) band data. Secondly, the concealed object detection problem is practiced through 2D MMW ISAR imaging studies of various combinations of target, covering material and radar parameters. Finally, oriented to the automatic target recognition application, the layover and other attributes of 2D wide-field circular-SAR imaging are characterized. A ground-based 270° aperture circular-SAR system is developed and the 2D images of real vehicles are obtained and also cleaned out from clutter signals.