Tehisavaradar

Tehisavaradar (, lühendatult SAR) on radaritüüp, mille eripäraks on antenni ja uuritava piirkonna vahelise suhtelise liikumise kasutamine. Nii on võimalik saavutada kõrgem ruumiline lahutus kui tavalise, kiirtega skaneeriva radariga.
Tehisavaradar on aktiivne kaugseireinstrument, mis on tavaliselt kinnitatud lennuki või satelliidi külge. Üksiku kiirt formeeriva antenniga valgustatakse korduvalt uuritavat ala, kasutades raadiolaineid lainepikkusega meetrist millimeetriteni. Erinevates antenni asukohtades registreeritavad tagasipeegeldunud kajasignaalid detekteeritakse koherentselt ja talletatakse ning seejärel töödeldakse üheskoos, et saada pilt uuritavast piirkonnast.
SAR kujutise saamine ei sõltu nähtavast valgusest, mistõttu saab seda kasutada ka öösel. Radar kasutab mikrolainete sagedusvahemikku jäävat elektromagnetkiirgust, mis neeldub atmosfääris väga vähe. Seega ei sega vaatlusi pilved.
Sarnasused võreantenniga.
Tehisavaradariga lähedalt seotud tehnoloogia (inglise keeles "phased array radar") kasutab antennielementidest koosnevat võret, kus elemendid paiknevad rivis või ühel tasandil. Suhteline liikumine pole selle antennitüübi tööks vajalik. Võre kõik elemendid võtavad signaale vastu reealajas ja samaaegselt ning neid läbivate signaalide faase on võimalik nihutada konkreetsel viisil. Selle üks võimalikke tulemusi on suurem tundlikkus kiirgusele kindlast kitsast jälgitava ala osast, fokuseerides selle, et leida tema panus täielikku vastu võetud signaali. Üle kogu antenni ava koherentselt detekteeritud signaalide kogumit on võimalik kopeerida mitmesse andmetöötluskanalisse, kus igas kanalis toimuv töötlus on erinev. Väikestele vaadeldava ala osadele vastavatest väärtustest on võimalik tulemusena kokku panna ühtne pilt kogu alast.
Võrdluseks, tehisavaradari (enamasti) üksik antennielement registreerib signaale eri ruumipunktides eri aegadel. Kui radar on paigutatud lennukile või satelliidile, on asukoht seotud vaid ühe muutujaga – kaugusega piki seadme lennutrajektoori –, mis on üksik matemaatiline mõõde. Talletatud signaalid ei ole seega enam funktsioonid mitte ajast vaid asukohast piki seda mõõdet. Kui talletatud signaale hiljem loetakse ja kombineeritakse konkreetsete faasinihetega, saadakse tulemuseks andmed, mis on samaväärsed sama pikkust ja kuju omava võreantennist pärineivaga. Seega sünteesiti signaalide kogum, mis võiks olla registreeritud korraga ühe suure ühemõõtmelise avaga võreantenniga. Siit ka mõiste "tehisava". Üle tehisava lennates toimuvaid faasivariatsioone tõlgendatakse Doppleri nihete jadana välja kiiratud lainete sageduse suhtes.
Levinuim tööviis.
Tüüpilises tehisavaradari rakenduses on üksik antenn kinnitatud lennuki või satelliidi külge nii, et kiiratav raadiolainete vihk omab olulist lennusuuna suhtes ristsihilist komponenti. Vihk on vertikaalsihis lai, et valgustada maapinda seadme alt kuni horisondini.
Kaugusmõõtme lahutus saavutatakse, tekitades laineimpulsse, mis defineerivad väga lühikesi ajaintervalle. Impulsid koosnevad kandesignaalist ja külgribasignaalidest või pikematest tirelimpulsijadadest ehk ajas (tavaliselt lineaarselt) muutuva sagedusega impulssidest. Eri punktidest eri ajahetkedel tagasi jõudvad kajasignaalid teevad võimalikuks antud punkti kauguse määramise. Asimuut määratakse kindlaks vastuvõetud signaali Doppleri nihkest.
Hoolika seadme disaini ja kasutamise korral on saavutatav lahutusvõime, mis suudab eristada kaugusest miljon korda väiksemaid objekte, näiteks 30 cm objekte 300 km kauguselt.
Saadud SAR-pildi lahutusvõime (pikslit kaugusühiku kohta) on eelkõige võrdeline kiiratava lainepikkusega olenemata kasutatava impulsi tüübist.
Ajalugu.
Carl Wiley, kes töötas matemaatikuna Litchfield Parkis Arizona osariigis USA-s asunud Goodyear Aircraft Companys, leiutas tehisavaradari 1951. aasta juunis. Ta töötas sellel ajal mandritevahelise ballistilise raketi Atlas sihtimissüsteemi kallal. 1952. aasta alguses konstrueeris Wiley koos Fred Heisley ja Bill Weltyga "concept validation" süsteemi DOUSER ("Doppler Unbeamed Search Radar"). 1950. ja 1960. aastatel tõi Goodyear Aircraft (hiljem Goodyear Aerospace) SAR-tehnoloogiasse arvukalt uuendusi.
Wiley'st sõltumatult näitasid Sherwini ja teiste Illinoisi Ülikooli Control Systems Laboratory töötajate 1952. aasta alguse katsete tulemused, et need "võivad olla aluseks oluliselt suurema nurklahutusega radarisüsteemidele" ja võivad isegi viia kõikidele kaugustele samaaegselt fokuseerida suutva süsteemi väljatöötamiseni.
Mõlemas programmis kasutati vastuvõetud radarisignaalide töötlemiseka filtreerivaid elektriahelaid. Väljatöötatud meetodit nimetati "Doppler Beam Sharpening" ning Wiley patenteeris selle aastal 1954. Tolleaegse elektroonika kogukus oli üheks nende meetodite lahutusvõime piiravaks teguriks.
Need printsiibid leidsid kajastamist General Electricu töötaja Walter Hauszi memorandumis, mis oli osa salajasest ettekandest 1952. aasta USA kaitseministeeriumi suvisel konverentsil "The Eyes of the Army" (TEOTA). Konverentsi eesmärgiks oli uute sõjaväeluurele kasulike tehnoloogiate tuvastamine. Sellele järgnenud 1953. a. suveprogramm Michigani Ülikoolis, nimega Project Wolverine, leidis, et mitu TEOTA teemat – sealhulgas "Doppler-assisted sub-beamwidth resolution" –, väärivad kaitseministeeriumi sponsoreeringut. Samal aastal tootis Illinoisi grupp märkimisväärse resolutsiooniga "ribakaardi" (ingl "stripe map").
Algoritm.
Siin toodud SAR-algoritm kehtib ka üldisemalt võreantennidele.
Defineeritakse kolmemõõtmeline massiiv uuritava ala elementidega, mis esindab ruumi, kus sihtmärgid eksisteerivad. Iga massiivielement on kuubikujuline voksel ("ruumiline piksel"), mis esindab tõenäosustihedust, et antud asukohas asub peegeldav pind.
Algselt on iga vokseli tihedus null.
Seejärel itereeritakse iga registreeritud signaali jaoks üle kogu massiivi. Konkreetse signaali ja vokseli jaoks arvutatakse kaugus sellest vokselist signaali registreerinud antenni või antennideni. See kaugus vastab signaali hilistumisele. Selles positsioonis asuv signaali väärtus liidetakse vokseli tihedusele. See vastab võimalikule kajale sellest asukohast. Siinkohal on mitu võimalikku lähenemisviisi, sõltuvalt (muu hulgas) lainekuju ajalisest täpsusest. Näiteks, kui faas pole täpselt teada, siis on võimalik ainult signaali mähisjoone amplituud (Hilberti teisenduse abil) liidetakse vokselile. Kui polarisatsioon ja faas on teada küllalt täpselt, siis võidakse need väärtused lisada eraldi keerulisemat kuju omavale vokselile.
Pärast kõikide signaalide itereerimist üle kõikide vokselite on peamine SAR-töötlus lõppenud.
Lihtsamail juhul on vaja vaid veel otsustada, milline vokseli väärtus vastab tahkele objektile. Vokseleid, mis jäävad allapoole seda piirväärtust, ignoreeritakse. Piirväärtus peab olema valitud kõrgem kui ükskõik millise üksiku laine kõrgeim energia väärtus. Seega, et detekteerida punkti sihtmärgil, peab leiduma vähemalt kahe eriva antenni kaja sellest punktist. Järelkult on objekti korralikuks kirjeldamiseks vaja suurt arvu antenniasukohti.
Keerulisemad tööviisid.
Tehisavaradari põhidisaini on võimalik arendada ja seeläbi täiendavat informatsiooni koguda. Enamik neist meetoditest kasutavad sama elementaarset paljude impulsside tehisavaks koondamise põhimõtet, kuid võivad kasutada lisaantenne või olulist täiendavat andmetöötlust.