GENĐŞ-AÇI YAKIN-ALAN TERS SENTETĐK AÇIKLIKLI RADAR GÖRÜNTÜLEME TEKNĐKLERĐNĐN GELĐŞTĐRĐLMESĐ VE DENEYSEL UYGULAMALARI ŞEVKET DEMĐRCĐ MERSĐN ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ ELEKTRĐK-ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ ANABĐLĐM DALI DOKTORA TEZĐ MERSĐN HAZĐRAN– 2013 GENĐŞ-AÇI YAKIN-ALAN TERS SENTETĐK AÇIKLIKLI RADAR GÖRÜNTÜLEME TEKNĐKLERĐNĐN GELĐŞTĐRĐLMESĐ VE DENEYSEL UYGULAMALARI ŞEVKET DEMĐRCĐ MERSĐN ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ ELEKTRĐK-ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ ANABĐLĐM DALI Danışman Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR MERSĐN HAZĐRAN– 2013 Şevket DEMĐRCĐ tarafından Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR danışmanlığında hazırlanan “Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları” başlıklı bu çalışma aşağıda imzaları bulunan jüri üyeleri tarafından oy birliği ile Doktora Tezi olarak kabul edilmiştir. Đmza Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR ………………... Prof. Dr. Hanlar REŞĐDOĞLU ………………... Prof. Dr. Celal YILDIZ ………………... Doç. Dr. Ali AKDAĞLI ………………... Yrd. Doç. Dr. Evren DEĞĐRMENCĐ ………………... Yukarıdaki Jüri kararı Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ......./......./..........tarih ve ...................../……........ sayılı kararıyla onaylanmıştır. Doç. Dr. Mehmet KÜÇÜKASLAN Enstitü Müdürü Bu tezde kullanılan özgün bilgiler, şekil, çizelge ve fotoğraflardan kaynak göstermeden alıntı yapmak 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunu hükümlerine tabidir. Demirci, Ş. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi GENĐŞ-AÇI YAKIN-ALAN TERS SENTETĐK AÇIKLIKLI RADAR GÖRÜNTÜLEME TEKNĐKLERĐNĐN GELĐŞTĐRĐLMESĐ VE DENEYSEL UYGULAMALARI Şevket DEMĐRCĐ ÖZ 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. Đlk 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-Đzdüşüm (GĐ) 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. Đkinci 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 düşük % 1.5 oranına kadar yankı örneklerini kullanan yansımasız oda görüntüleme sonuçları, bu yaklaşımı doğrulamaktadır. Yakın-alan SAR/TSAR görüntülemenin üç farklı uygulaması çalışılmıştır. Đlk olarak, uzak-alan Radar Kesit Alanı (RKA) kestirimi problemi, küçük-boyutlu karmaşık hedefler ve milimetre-dalga (MMD) bandı verisi için incelenmiştir. Đkinci 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. Anahtar Kelimeler: Sentetik Açıklıklı Radar (SAR), Ters Sentetik Açıklıklı Radar (TSAR), Geniş-açı, Yakın-alan, Radar Görüntüleme Danışman: Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR, Mersin Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı i Demirci, S. 2013. Development of Wide-Angle Near-Field Inverse Synthetic Aperture Radar Imaging Techniques and Their Experimental Applications, PhD Thesis, Mersin University DEVELOPMENT OF WIDE-ANGLE NEAR-FIELD INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGING TECHNIQUES AND THEIR EXPERIMENTAL APPLICATIONS Şevket DEMĐRCĐ 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 echo 1.5 % 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. Key Words: Synthetic Aperture Radar (SAR), Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR), Wide-angle, Near-field, Radar Imaging Advisor: Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR, Department of Electrical and Electronics Engineering, Mersin University ii Demirci, S. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi TEŞEKKÜR Öncelikle ve en başta, benim bu günleri görmemi sağlayan ve bu çalışmayı yapmama imkân tanıyan Allah’a sonsuz hamd eder ve şükranlarımı sunarım. Daha sonra, beni yetiştiren, hayatı öğreten, sevgisini esirgemeyen babam ve anneme teşekkür ederim. Eşime bu süre içerisinde bana her zaman destek olduğu, sabır gösterdiği için çok teşekkür ederim. Bu tez çalışmasında bana en çok manevi güç veren, hayata olumlu bakmamı sağlayan canım oğluma teşekkür ediyorum. Bu tezin hazırlanmasında emeği geçen tez danışmanım Prof. Dr. Caner ÖZDEMĐR’e en içten teşekkürlerimi sunarım. Bu tezin farklı aşamalarında katkılar sağlayan, arkadaşlarım Harun ÇETĐNKAYA, Mustafa TEKBAŞ, Enes YĐĞĐT ve Betül YILMAZ’a desteklerinden ötürü teşekkür ederim. iii Demirci, S. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi ĐÇERĐK ÖZ ............................................................................................................................ i ABSTRACT ............................................................................................................ ii TEŞEKKÜR ........................................................................................................... iii ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ .......................................................................................... vii ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ .............................................................................................. viii 1. GĐRĐŞ ...................................................................................................................1 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI ..................................................................................5 2.1. RADAR GÖRÜNTÜLEME TEKNOLOJĐSĐ ..................................................5 2.2. DAĐRESEL AÇIKLIKLI GÖRÜNTÜLEME SĐSTEMLERĐ ..........................6 2.3. YAKIN-ALAN SAR/TSAR GÖRÜNTÜLEME ALGORĐTMALARI ............7 2.3.1. Odaklama Operatörüne Dayalı (OOD) Algoritma ....................................8 2.3.2. Geriye-Đzdüşüm (GĐ) Algoritması ............................................................8 2.3.3. Sıkıştırılmış Algılama (SA) Tabanlı Algoritma ........................................9 2.4. YAKIN-ALAN SAR/TSAR GÖRÜNTÜLEME UYGULAMALARI .......... 10 2.4.1. Yakın-Alan TSAR Görüntülerinden Radar Kesit Alanı Kestirimi .......... 10 2.4.2. MMD Görüntüleme ile Gizlenmiş Nesnelerin Algılanması .................... 11 2.4.3. Geniş-alanlı Dairesel-SAR Görüntüleme ............................................... 13 3. MATERYAL VE METOT .................................................................................. 16 3.1. KULLANILAN MATERYALLER .............................................................. 16 3.1.1. TÜBĐTAK-MAM’ın Yansımasız Oda Ölçüm Đmkânları ........................ 16 3.1.2. Mersin Üniversitesi Bünyesindeki Deneysel Altyapı Olanakları ............ 18 3.1.3. Yazılımlar ve Yayınlar .......................................................................... 19 3.2. KULLANILAN METOTLAR ...................................................................... 20 3.2.1. SAR/TSAR Görüntülemenin Temelleri ................................................. 20 3.2.2. Yakın-alan Monostatik SAR/TSAR Görüntüleme .................................. 38 iv Demirci, S. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi 3.2.3. Yakın-alan TSAR Görüntülemenin RKA Kestirimi Uygulamasında Kullanımı ........................................................................................................ 58 4. BULGULAR VE TARTIŞMA ............................................................................ 61 4.1. GĐ ALGORĐTMASI ĐLE GENĐŞ-AÇI VE YAKIN-ALAN GÖRÜNTÜLEME ANALĐZLERĐ .................................................................................................... 61 4.1.1. Uzak-alan GĐ ileYakın-alan GĐ Algoritmalarının Karşılaştırılması ......... 62 4.1.2. Geniş-açı Veri Toplamının Çözünürlük Analizi ..................................... 63 4.1.3. Açısal Örnekleme Aralığının Görüntülemeye Etkisi .............................. 69 4.1.4. Farklı Bakış Açılarının Görüntülemeye Etkisi ........................................ 70 4.1.5. Veri Đşlem Tekniklerinin Etkileri ........................................................... 72 4.2. GĐ VE OOD ALGORĐTMALARININ KARŞILAŞTIRILMASI .................. 73 4.2.1. ĐPY Fonksiyonları ve Hesaplama Zamanları .......................................... 74 4.2.2. Çoklu Noktasal Saçıcılar Đçin Görüntüleme Performansları ................... 78 4.3. 2B YAKIN-ALAN TSAR GÖRÜNTÜLEMENĐN DENEYSEL ANALĐZLERĐ .................................................................................................... 79 4.3.1. Đki Köşegen Yansıtıcı Hedefi ................................................................. 80 4.3.2. Beş Metal Silindir Hedefi ...................................................................... 81 4.3.3. F-16 Uçak Maketi Hedefi ...................................................................... 82 4.4. 3B YAKIN-ALAN TSAR GÖRÜNTÜLEME .............................................. 83 4.4.1. Đki Noktasal Hedefin 3B TSAR Görüntüleme Benzetimi ....................... 83 4.4.2. Đki Metal Çubuğun 3B TSAR ile Görüntülenmesi Deneyi ...................... 86 4.5. MĐLĐMETRE-DALGA GÖRÜNTÜLEME ĐLE GĐZLENMĐŞ HEDEF ALGILAMASI DENEYLERĐ ............................................................................. 88 4.5.1. Motivasyon ........................................................................................... 88 4.5.2. Yansımasız Oda Veri Örnekleri ............................................................. 89 4.6. YAKIN-ALAN TSAR GÖRÜNTÜLEME ĐLE RKA KESTĐRĐMĐ ............. 100 4.6.1. Küp Hedefleri için Sonuçlar ................................................................ 100 v Demirci, S. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi 4.6.2. Tabanca Hedefi için Sonuçlar .............................................................. 102 4.6.3. F-16 Uçak Maketi Hedefi için Sonuçlar ............................................... 104 4.7. SIKIŞTIRILMIŞ ALGILAMA TABANLI TSAR GÖRÜNTÜLEME ........ 106 4.7.1. Sıkıştırılmış Algılama ve Önemi .......................................................... 106 4.7.2. SA ile Yakın-alan TSAR Görüntüleme Sonuçları ................................ 107 4.8. GENĐŞ-ALANLI DAĐRESEL-SAR GÖRÜNTÜLEME ............................. 115 4.8.1. Benzetim Sonuçları ............................................................................. 116 4.8.2. Ölçüm Sonuçları .................................................................................. 119 4.8.3. CFAR Algılama Sonuçları ................................................................... 125 5. SONUÇ VE ÖNERĐLER .................................................................................. 128 KAYNAKLAR ..................................................................................................... 131 ÖZGEÇMĐŞ VE ESERLER LĐSTESĐ ................................................................... 141 vi Demirci, S. 2013. Geniş-Açı Yakın-Alan Ters Sentetik Açıklıklı Radar Görüntüleme Tekniklerinin Geliştirilmesi ve Deneysel Uygulamaları, Doktora Tezi, Mersin Üniversitesi ÇĐZELGELER DĐZĐNĐ Sayfa Çizelge 4.1. Geniş-açı veri toplamının teorik ve ölçülen çözünürlükleri. ................ 66 Çizelge 4.2. GĐ ve OOD algoritmalarının hesaplama zamanları. .............................. 78 Çizelge 4.3. Küp hedeflerini gizlemekte kullanılan tekstiller ve özellikleri. ............. 90 Çizelge 4.4. Küp deneylerinin ölçüm senaryoları. ................................................... 90 Çizelge 4.5. Tabanca hedefi ölçümlerinin örtüleme konfigürasyonları. .................... 98 Çizelge 4.6. Küp ve tabanca hedeflerinin SA ile görüntüleme parametreleri. ......... 115 Çizelge 4.7. Benzetim ve deneysel dairesel-SAR ölçümlerinin parametreleri. ....... 116 vii