SE456117B - Sett for radaravbildning av ett omrade, inkluderande avbildning av strukturer som er dolda av dielektriska skikt samt radaranleggning for genomforande av settet - Google Patents

Description

°456117. . 10 15 20 25 30 35 fördelade med inbördes avstånd motsvarande en konstant kvot mellan två intilliggande frekvenser. dvs. i geometrisk pro- gression. dock approximerat genom att som närmevärden därtill utnyttjas frekvenser som är exakta övertoner till en viss -grundfrekvens. t.ex. 30 kHz. Detta med en bestämd grundfrek- vens underlättar både alstringen av frekvenssignalerna och en detektion genom sampling samt förenklar problemen med koheren- sen. Med radarkoherens förstås här att den utsända signalen är långsiktigt periodisk. Detta kan. såsom vid normal radar, ut- tryckas så att signalens Fouriertransform domineras av en upp- sättning diskreta spektralkomponenter. vilket vid mikrovågs- radar uppnås med en enda signalqenerator. som lästs till enl strikt periodisk arbetsmod. I CARABAS är den relativa band- bredden så stor. att denna form av signalgenerering inte är möjlig. Å andra sidan är absolutfrekvenserna så låga. att digitala syntesmetoder är användbara.

På mottagarsidan i anläggningen avslutas "kedjan" för var och en av de N olika frekvenserna med ett lågpassfilter (Doppler- -filter). som vid flygburen SAR-mod filtrerar fram signaler motsvarande Doppler-skiften. Dessa är. som nedan förklaras. beroende av hastigheten och av resp. frekvens. Då dessa båda variabler är kända kan man dimensionera filtren mycket smal- bandiga och därmed minska bruset. T.ex. vid ett förväntat Doppler-skift om 100 Hz kan man förlägga ett passband med en bandbredd om 20 - 40 Hz kring denna frekvens. För att bestämma amplitud och fas avsamplar man då med åtminstone dubbla frek- venser. Med hänsyn till det stora antalet filterkretsar är det lämpligt att utföra en seriell avsampling, varvid efterföljan- de A/D-omvandlare och dataregistreringsapparatur kan arbeta enligt ett multiplexsystem.

Det är tidigare känt att man med SAR-metoden kan åstadkomma flygbilder. som alltså upptas i normala radarfrekvenser. Genom uppfinningen är det möjligt att åstadkomma en motsvarande av- bildning i även andra. mera till föremålen anpassade frekven- SGI. 10 15 20 25 30 35 456 117 För en redogörelse för känd teknik inom radaromrâdet. inklu- sive SAR-tekniken, hänvisas till monografin Skolnik: Intro- duction to radar systems, 2:a uppl., McGraw-Hill 1981. vilket arbete härmed förklaras innefattat genom referens i förelig- gande beskrivning.

I vissa fall. när risk t.ex. föreligger för ínterferens med lokal kortvågskommunikation, bör vissa frekvensintervall ute- slutas i det använda bandet. Detta kan ske antingen i själva radaranläggningen eller vid bearbetningen av de registrerade signalerna. i vilket senare fall dock verksamheten kommer att störa andras kommunikationer. Lämpligare är då att med sär- skild radiomottagare svepa över hela bandet och vid sändning utesluta störande frekvenser.

Uppfinningen kommer nu närmare att förklaras i form av ett resonerat utföringsexempel, som icke är avsett att begränsa densamma. Fig. l visar därvid ett scnematlskt utföringsexempel 1 blockschemaform. Fig. 2 visar en styrd syntesgenerator med sändarförstärkare och antenner. Fig. 3 visar en mottagare.

Fig. 4 visar schematiskt ett med antenner försett flygplan.

Systemuppbyggnad: Den principiella uppbyggnaden av CARABAS i flygburen SAR-mod :är illustrerad i fig. l. Systemet kan ses som en uppsättning periferienheter -- syntesgenerator l. effektförstärkare 2, mottagare 3. A/D-omvandlare 4 och databandspelare 5 - upp- byggd kring en dator/databuss, kallad signalparameterväljare 6. Förutom att ha den triviala funktionen att öppna och stänga periferienheterna före och efter mätning är denna enhets upp- gifter att: - Anpassa det utsända signalspektrat så att störning av lokal radiotrafik undvikes (den effektiva bandbredden kan utan stör- re men reduceras med upp till 10-tals MHz).

- Omforma parametrar beskrivande signalens tids- och frekvens- beroende till ingângsdata för syntesgeneratorn.

- Stänga mottagaren under de tider när den utsända effekten är väsentligen skild från noll. *456117 i ' 1 S 10 20 25 30 35 Den sista funktionen har till syfte att förhindra uppkomsten av olineäriteter på grund av överstyrning i mottagaren. Obser- vera emellertid att den returspridda signalen skiljer sig genom sitt Doppler-skift från den utsända och i ett idealt konerent lineärt system kan separeras vid efterföljande data- processering. En annan sådan fundamental egenskap hos koneren- ta system är den returspridda signalens spektrala olíkhet med vitt brus. På grund av denna olikhet kan den retursprídda signalen (denna gång även 1 praktiken) separeras från sådant brus i sändare och mottagare. Det följer att en stängning av sändaren. under tidsintervall när den spridda signalen tas emot. i många fall är överflödig. Den faktiska konerenta brus- undertryckníngen i CARABAS diskuteras nedan.

Sâmlhânfafififliflg äV Sxfitemgalâlllêfllalïi .CARABAS kan i ett exempel definieras kvantítativt av följande uppsättning systemparametrar (i den närmast följande beskriv- ningen analyseras dessa parametrar mer í detalj): entydighetsavstånd pulsrepetitionsfrekvens nominell'avståndsupplösning tid-bandbreddprodukt syntetisk aperturlängd koherenskrav azimutupplösníng spektralintervall. reflektívitet spektraltäthet. reflektivitet koherent brusundertryckning ínformatíonsbandbredd datanastignet s Upplösning 1 avstånd: S000 m 30 kHz 5 m 1000 12 km 0.01 Hz 'S m 0.75 - 12 m 3 mm/m -32 dB 48 - 230 KH2 0.4 - 2 Mbit/8 De två faktorer som väsentligen dimensionera: denna är enty- dignetsavståndet och tid-bandbreddprodukten, vilken är ett 10 15 20 25 30 35 456117 mått på bl.a. syntesgeneratorns komplexitet. Den till ett visst entydigbetsavständ D anpassade signalen är given av en pulsrepetitionsfrekvens c/2D (där c är ljushastigheten). I sin tur utgör denna den största gemensamma delaren eller grund- tonen till radarsígnalens diskreta Fourierspektrum. En effek- tiv definition av tid-bandbreddprodukten är som antalet över- toner som återfinns i detta.

Antag att den utsända signalen innehåller N fasta frekvenser (med kända komplexa amplituder). I en fullständigt statisk situation. där inga Doppler-skift förekommer. ger en fasriktig registrering av den mottagna signalen N oberoende ekvationer.

Ur dessa kan den komplexa medel-reflektiviteten i N avstånds- intervall bestämmas. Således blir den nominella upplösningen D/N. För CARABAS torde minsta acceptabla entydighetsavständ vara ca 5000 m. bl.a. i beaktande av kraven på yttäckníng.

Således blir pulsrepetitionsfrekvensen 30 kHz. Vidare utgör 1000 fasta frekenser med dagens teknik en realistisk gräns för syntesgeneratorns komplexitet. vilket därmed ger 5 mzs nomi- nell upplösning. I vart fall bör ett stort antal frekvenser. över 100. användas. och även mycket höga antal kan användas utan att frängå principen för uppfinningen.

Azimutupplösning i SAR-mod: I ett SAR-system kan en nominell azimutupplösning utgörande halva den reella antennaperturen uppnås. I exemplet utgörs antennaperturen av halva den längsta våglängden 24 m (vilket är förenligt med kravet på förlustfri antenn). så den nomi- nella upplösningen blir ca 5 m. För att denna upplösning skall kunna bibehållas inom entydighetsavständet 5000 m krävs en vinkelupplösning om l mrad. En typisk flygplanshastighet 120 m/s innebär därmed att radialhastigheter över 12 cm/s måste kunna detekteras. Doppler-skiftet utgörs av dubbla kvoten mellan radialhastighet och våglängd. För de längsta våglängderna blir Doppler-skiftet därmed 0.01 Hz. Vi finner att integratíonstiden är 100 s. under vilken koherensen i syntesgeneratorn måste bibehâllas. Den under denna tid till- . ryggalagda flygsträckan är 12 km, vilket utgör den syntetiska aperturlängden. 10 15 20 25 30 35 456 117 Kravet på konerens överensstämmer väl mot prestanda nos det i det följande nämnda CODAR-systemet..I detta konstaterades att Üoppler-skift svarande mot 5 cm/s kunde detekteras vid 25 MHz, dvs. det nar med detta system även i praktiken visat sig möj- ligt att bibehålla koherens under ca 100 s.

Frekvensfördelning: För satellitburen SAR måste hänsyn tas vid valet av övertons- innehåll i radarsignalen så att dessa inte blandas på grund av Doppler-breddning. Vid radiofrekvenser och flygburen SAR un- derstiger emellertid denna breddning 30 kHz. dvs. minsta möj- liga frekvensavstând mellan övertonerna, så att några princi- piella restriktioner inte existerar i detta fall. I en reali- sering av ÖARABAS är det emellertid också önskvärt att den mottagna signalen kan separeras från vitt brus i mottagare och sändare. Till vilken grad en sådan brusundertryckning kan ske beror på hur mycket Doppler-breddningen understiger det fak- tiska frekvensavståndet.

Valet av bandintervall 200 - 12,5 M2 är en avvägning mellan kraven på möjligast multispektral information och antenntek- niska hänsyn. Det är naturligt att förlägga de diskreta frekvenserna inom detta intervall på sådant sätt att en geonetrisk serie approxineras. Detta innebär att i CARABAS reflektivitetsfunktionens spektralfördelning skattas med en noggrannhet som beror likfornigt på vågtalet. En frekvens- fördelning av detta slag är given av en progressionsfaktor n. som uttrycket det relativa avståndet mellan frekvenskomponen- terna. Vi får således 1z.s(1+n)1°°° = zoo vilket ger n = 2776 Hz/M2. Observera att frekvensfördelníngen endast är approximativt definierad av denna faktor. Frekvens- komponenterna måste utgöras av de till den geometriska serien närmast liggande exakta övertonerna av 30 kHz. Observera dess- utom att vissa trekvensintervall. beroende på mättillfället. kan komma att uteslutas om risk för interferens med lokal 10 15 20 25 30 35 456117 kortvågskommunikation föreligger. Progressionsfaktorn n kan uttryckas i spektraltätheten med vilken reflektivitetsrunk- tionen skattas. För CARABAS blir denna täthet 3 mm/m.

Flygplanshastigneten 120 m/s innebär att Doppler-breddningen svarar mot hastigheter lägre än 240 m/s. Den relativa Doppler- -breddningen blir därmed 1,6 Hz/MHz. Brusundertryckningen för en geoletrisk frekvensfördelning kan karakteriseras genom det frekvensoberoende förhållandet mellan Doppler-breddning och frekvensavstând. För CARABAS blir detta förhållande 1.6/2776 = = -32 dB.

Samplingsfrekvens i SAR-mod: Informationsbandbredden för CARABAS är betydligt lägre än signalbandbredden 190 Mz. Två sätt att definiera informa- tionsbandbredden leder till en övre och en undre gräns för erforderlig samplingsfrekvens. En närmare precisering av erforderlig samplingsfrekvens kräver en detaljerad analys.

En undre gräns för samplingsfrekvensen ges tydligtvis av antalet upplösningselement som per tidsenhet passerar tvärs flygplanet. Hed antagna värden på azimutupplösning. flygplane- hastighet och antal upplösningselement i avstândsled fås flödet 24 000 upplösningselement/s. Varje upplösningselement svarar mot ett obekant komplext reflektivitetsvärde. så för att samtliga dessa skall vara definierade av mätdata måste reella sanplar tas åtminstone med frekvensen 48 kHz.

En övre gräns för sanplingshastigheten erhålls ur följande resonemang. Doppler-breddningen svarar mot hastigheter lägre än 240 I/s. För den lägsta frekvensen 12.5 HH: blir den maxi- mala Doppler-breddningen därmed 20 Hz. För varje efterföljande högre frekvenskonponent växer Doppler-breddningen í proportion till frekvensen. dvs. geometriskt med progreseíonsfaktorn 0.002776. Den maximala informationsbandbredden utgörs av summan av dessa Doppler-bandbredder, tagen över samtliga 1000 trekvenskomponenter. Den välkända formeln för summan av en geometrisk serie ger informationsbandbredden 115 kHz. vilket 456117 '10 15 20 25 30 35 innebär att reella sample maximalt behöver tas ned en frekvens 230 kHz.

Den mottagna signalen lagras lämpligen logaritmiskt genom föregående omvandling. varvid 8 bitars (ett teckens) dynamik per sample torde vara tillräckligt. Informationshastigheten blir således av storleksordningen 0.4 - 2 Mbit/s. Som jämfö- relse kan nämnas att mätdata från SEASAT överfördes med has-' tigheten l00 Mbit/s. Flödet av upplösningselement tvärs SEASAT var 6 milj. element/s. Denna överföringshastighet svarar snarast mot de undre gränserna för samplíngs- och informa- tionshastigheter i CARABAS. Jämförelsen antyder att datare- gistrering knappast blir något problem. Konventionella data- band lagrar 1600 tecken/inch. Således krävs bandhastigheter mellan 30 och 150 inch/s för dataregistrering. De lägre has- tigheterna finns tillgängliga även i form av enklare databand- spelare.

Syntesgenerator: Den likformigt frekvensfördelade. mycket bredbandiga signal som definierats i det ovanstående kan förmodligen inte åstad- kommas med konventionella metoder för alstring av koherenta radarsignaler. Det är å andra sidan fullt möjligt att generera en sådan signal med digitala metoder, vilket här skall disku- ÉBIES _ Syntesgeneratorns uppbyggnad baseras pä ECL-logik. med vilken switch-frekvenser upp till 400 Hz är möjliga. Ett exempel på principiell uppbyggnad av generatorn är givet 1 fig. 2. Som framgår av figuren är generatorn styrd av en masteroscillator 8. Denna övervakar. via en databuss 9 (kallad fasövervakníngs- buss). ett antal frisvängande vippor l0 (kallade slavoscilla- torer). I exemplet fordras 250 sådana vippor. som var och en representerar en överton till 240 kHz i frekvensintervallet 200 - 100 Hz. Den från varje vippa utgående digitalt module- rade signalen frekvensdelas i vippor ll ytterligare i stegen 1:2. 1:4. 1:8. varvid de 1000 likformigt fördelade övertonerna Å till 30 kHz finns representerade i generatorns nätverk. Den ”n 10 15 20 25 30 35 , 456117 utgående signalen erhålles genom att det momentana digitala fasläget i lämpliga multipletter av punkter i nätverket adde- ras och översättes till en analog signal. Om digital addition sker i oktetter av punkter fordras 125 parallellt arbetande 8 bitars D/A-omvandlare 12. signalerna från dessa tas till ett distribuerar effektsteg 2 med förstärkare 13. Genom att varje förstärkare har ett väldefinierat. tillräckligt smalt. pass- band kan digitalt övertonsbrus filtreras bort.

Det krävs att slavoscillatorerna mellan två återställningar av fasövervakningsbussen endast driver brâkdelen av en period - säg l/l0:s period. Ju högre återställningsfrekvensen är, ju lägre krav ställs på frekvensstabiliteten nos slavoscillato- rerna. Den frekvens med vilken samtliga slavvippor kan åter- ställas utgörs av den största gemensamma delaren till vippor- nas egenfrekvenser. dvs. 240 kHz. Det följer att den relativa frekvensstabiliteten hos slavvipporna måste vara ca 0,000l (l:104).

Mottagare: Den relativt måttliga datalagringstakten kräver att mottagaren göres inherent smalbandig genom att anpassas till den retur- nerade signalens förväntade spektrum. Detta är t.ex. möjligt med en mottagaruppbyggnad enligt fig. 3. vilken är nära reci- prok till sändarens uppbyggnad. Mottagaren består av en upp- sättning förförstärkare 14, vilka tillsammans täcker frekvens- intervallet 12.5 - 200 Hz. Den så förstärkta och delvis frekvensuppdelade signalen nedblandas sedan i blandarsteg l5 med frekvenser ur sändarens nätverk 1. Det observeras att denna preliminära frekvensuppdelning måste vara tillräckligt fin (med andra ord minst fyra förförstärkare 14) för att problem med övertoner skall undvikas. Blandningsprodukterna lågpassfiltreras till de förväntade Doppler-breddningarna av respektive utsänd spektralkomponent. Således blir den informa- tionsbärande delen av den mottagna signalen representerad i de 1000 lågpassfiltrens 16 utgångar och kan där avsanplas med tidigare härledd frekvens. Avsamplingen styrs med en databuss 17 som. när så erfordras. endast avsamplar ett föreskrivet 456117 10 .15 20 25 30 35 10 urval av utgångarna. Detta kan vara önskvärt när signaler från yttre störkällor (t.ex. kommunikationsradio) återfinns i vissa utgångar.

Antenn i flygburen SAR-mod: Ovan har kort redogjorts för de tillämpningsbaserade skälen. varom mera i det följande. till att använda lågfrekventa sig- naler i koherent radar. En undre gräns för radarsignalens frekvensinnehåll sätts emellertid av antennens dimensioner. I flygburna tillämpningar är denna undre gräns given av flyg- planets karakteristiska dimensioner. specifikt i SAR-til1ämp- ningar blir situationen något mer komplicerad eftersom undre gränsfrekvensen genom antennstorleken också påverkar upplös- ningen i azimut (som nämnts ovan blir upplösningen ca l/4 av motsvarande våglängd). Det har med mikrovâgs-SAR ej gjorts några försök med. och är förmodligen ej heller praktiskt, att söka närma sig denna våglängdsberoende gräns för upplösning.

För CARABAS är upplösningen i azimut optimerad med avseende på undre gränsfrekvens. Som kommer att förklaras har denna i exemplet valts så att dimensionrna för en förlustfri antenn ej är större än att azimut-upplösning i paritet med mikrovâgs-SAR är möjlig. Dimensionerna är också sådana att antennsystemet kan bäras av ett mindre flygplan. Azimutupplösningen 5 m enligt exemplet erhålles med en antennapertur som utgör halva den längsta våglängden, dvs. 12 m. Även om det inte är helt riktigt att absolutbandbredden avgör den nomínella avståndsupplösningen. utgör bandbredden likväl ett väsentligt mätt på radar-prestanda. Om t.ex. den koherenta brusundertryckningen fixeras till ett visst givet värde. blir bandbredden direkt relaterad till nominell avståndsupplösning.

Bandbredden avgör också radarns täckningsförmâga i skattning av spektrala reflektivitetsegenskaper. Liksom den undre frekvensgränsen är dock bandbredden begränsad av huvudsakligen antenntekniska skäl. Bandintervallet 200 - 12.5 HH: bedömes vara vad som rimligen kan uppnås med ett flygplansburet antennsystem. 10 15 20 25 30 35 456117 11 Antenndirektiviteten i höjd- och sidled utgör ytterligare restriktioner på antennkonfigurationen. Eftersom apertur- sträckan 1 exemplet är 12 km och entydighetsavståndet är 5 km. måste antennloben ha en effektiv bredd i sidled överstigande 90 grader. Detta inverkar inte menligt på syntetisk antenn- gain. Däremot fordras en relativt smal lob i höjdled. Framför allt måste, för undvikande av mångtydigheter. framlbacklobför- hållandet vara högt. helst bättre än 20 dB. En tänkbar antenn- konfiguration. både med avseende på bandbredd och direktivi- tet. utgörs av en log-periodantenn. upphängd i flygplansstruk- turen enligt skissen i fig. 4. I en log-perlodantenn utsände strålningen av en viss våglängd från det till denna våglängd bäst avstämda antennelementet. Antennen utformas så att själva flygplansstrukturen på ett minimalt och. för olika våglängder. likformigt sätt påverkar antennegenskaperna. Enligt figuren utsände de lägsta frekvenserna från element liggande under flygkroppen. de mellanliggande rrekvenserna längs ena vingen. och de högsta frekvenserna från en antenndel liggande utanför själva vingspetsen.

Uppfinningen skiljer sig alltså från existerande radarsystem genom de låga frekvenser med vilket systemet arbetar. och framför allt genom den extremt stora relativa bandbredden.

Således har begreppet bärfrekvens över huvud taget ingen relevans för ett sådant system. Bandbredden 190 M2 enligt exemplet innebär att systemet ger en upplösning i avstàndsled i paritet med den icke-specklereducerade upplösningen hos mikrovågs-SAR (bärfrekvenser över l GHz). Den nedre frekvensen 12.5 HH: har valts så att dimensionerna för en förlustfri antenn ej är större än att en 2-dimensionell upplösning i paritet med mikrovågs-SAR är möjlig. Dímensionerna är också sådana att antennsystemet kan bäras av ett mindre flygplan med god driftsekonomi, t.ex. så som definieras i fig. 4.

Begreppet upplösning i den enkla våglangdsoberoende mening det använts här är av begränsat värde. I praktiken avgör frekvens- innehållet i den utsända strålningen i hög grad radarns till- lämpbarhet i olika mätsituationer. För CARABAS bibehålls abso- -456117 10 15 20 25 30 35 12 lutbandbredden. medan frekvenserna är ca hundra gånger lägre än för mikrovågsradar. De viktigaste skälen till att använda dessa låga frekvenser kommer nu att närmare utläggas.

CARABAS - teknisk¿vetenskaplig motivering: CARABAS utmärkes av att våglängderna i den utsända signalen sammanfaller med karakteristiska längder för de strukturer systemet skall klassificera. Detta innebär en optimal koppling mellan signal och struktur såväl med avseende på (i vid me- ning) signal/brusförhållande som på undertryckande av mångty- digheter associerade med radarsignalens periodicitet. Genom den extremt stora relativa bandbredden i CARABAS kan denna optimala koppling bibehållas för vitt skilda typer av struk- turer och mätobjekt. Det skall nu mera i detalj redovisas hur denna systemfilosofi gestaltar sig med avseende pâ: - speckle och information i radarbilder. - avbildning av underjordiska strukturer. - klassificering av sjötillstând.

Speckle uppträder vid radaravbildning med monokromatiska eller koherenta signaler. För varje diskret frekvenskomponent i en sådan signal gäller att om ojämnheterna i medeltal överstiger en halv våglängd är de stokastiska variationerna i komplex reflektivitet helt slumpmässiga från bildelement till bild- element. För en koherent signal utgör radarreturen summan av returerna för varje diskret frekvenskomponent. För varje bildelement erhålles denna summa således ur en uppsättning stokastiskt orienterade vektorer i det komplexa talplanet. I det fall ojämnheterna överstiger en halv våglängd inom hela bandbredden varierar fasen nos den resulterande vektorn helt slumpmässigt över bilden. Specklet säges då vara fullt utbil- dat. I detta fall kan bilden endast moduleras genom enveloppen för de stokastiska fluktuationerna i returens belopp. l fallet icke fullt utbildat speckle finns två informations- bärande kvantiteter (belopp och fas) fördelade över bilden.

Samtidigt som retursignalens informationsinnehåll på detta sätt ökar kan specklebruset kraftigt reduceras genom den 10 15 20 25 30 35 456 117 . 13 kontinuitet som en definierad fasgäng mellan bildelementen innebär.

Det följer av vad som sagts att radarbilder av naturlig miljö erhållna med mikrovågor knappast kan framställas på annat sätt än som speckle-envelopper. Detta innebär bl.a. att den fak- tiska lineära upplösningen i SAR-system är flera gånger lägre än det enskilda bildelementets storlek. Enligt uppfinningen däremot. blir entydighetslängden för den finskaliga topografin 12 m (halva våglängden för 12.5 MHz). vilket oftast understi- ger ojämnheterna inom varje bildelement i naturlig miljö. Sä- ledes kan radarbilder fasmoduleras med detta system, med den ökning av det enskilda bildelementets signifikans denna metod innebär.

Den utsända radarsignalen returneras i princip av varje dis- kontinuitet i rummets dielektriska egenskaper. Det är således möjligt att, förutom reflexer från den fasta markkonturen, erhålla reflexer från under markytan liggande diskontinui- teter. De omständigheter under vilka detta är möjligt beror väsentligen på markegenskaperna mätta i den utsända radarsig- nalens våglängder. Her precist: A. För att subterrestra strukturer signifikant skall bidra till radarreturen fordras att själva markytan bidrar relativt litet. Härav följer att markytan inom varje bildelement mäste vara väsentligen plan jämfört med våg- längden.

B. Radarsträlningen tränger ned i markytan till ett djup från en bråkdel av en våglängd till nägra våglängder.

Endast under extremt torra markförhållanden kan väsent- ligt större nedträngningsdjup erhållas.

Medan A och B utgör extrema restriktioner på användbarheten av mikrovägsradar för subterrestra observationer, är detta inte fallet för observationer utförda med ett radarsystem baserade på metervågor. Dels är kraven på markplanhet praktiskt taget alltid uppfyllda för detta väglängdsomräde. Vidare innebär B att man även under normala markfuktighetsbetingelser kan för- 456117 « 10 15 20 25 30 35 14 vänta sig en effektiv nedträngning av storleksordningen flera meter inom det radiofrekventa vâglängdsområdet.

Det har också enligt tidigare känd teknik visat sig praktiskt möjligt att bygga s.k. georadar. för användning under mark. I Sverige används sådana system av Institutionen för_teknisk geologi i Lund och av Sveriges Geologiska AB i Uppsala. Bägge systemen är av inkoherent impulstyp. där SGAB:s arbetar inom frekvensintervallet 10 - 50 Hz och har en räckvidd i berg- grund upp till 100 m. Att koherent teknik och då speciellt SAR kan användas för högupplösande avbildning av underjordiska strukturer verifierades av rymdskyttelexperimentet SIR-A över sahara-öknen. ökenmiljön uppfyller de extrema kraven på torr- het och planhet som krävs för att använda mikrovåglängder i detta sammanhang. Det finns all anledning att förmoda att ett radiofrekvent SAR-system enligt uppfinningen kan utnyttjas för underjordsobservation under betydligt allmännare miljöbeting- elser.

Oceanografi är ett av de mest lovande tillämpningarna av radarteknik inom fjärranalys. Kopplingen mellan havsytans kinematik och radarreflektivitet analyseras lämpligen spekt- ralt. Som en enkel men mycket grov approximation gäller att reflektiviteten för en viss given diskret frekvenskomponent av den utsända radarsignalen är proportionell mot spektralkompo- nenten med dubbla motsvarande vâgtal för havsytan. Till exem- pel, vid belysning av havsytan med centimetervâgor, beror returen på havsytans kapillärvågsstruktur. Som en korrektion till denna s.k. Bragg-spridning uppträder även icke lineära kopplingstermer. vilka såväl beror på förekomsten av kapíllär- vågor som på storskaliga vâgfenomen. De exakta mekanismerna bakom dessa kopplingar är sammansatta och svårbemästrade. vilket är väl känt från en omfattande litteratur. Likväl är det på grund av dessa som det överhuvudtaget är möjligt att påvisa gravitationsvågor av icke nära-kapillärvågsnatur med mikrovågsradar. B1.a. har D. Gjessing vid NTNF i Norge använt koherenta mikrovågsmetoder för klassificering av sjötillstånd och därvid utnyttjat Doppler-skiftet för att tillsammans med 10 15 20 25 30 35 456117 15 dispersionsrelationer öka den spektrala upplösningen i mät- ningen. Likaså skapar sjötillstånd (i huvudsak genom storska- liga variationer i kapillärvágsmönstret) en intermodulation i avbildningen av havsytan med mikrovågs-SAR. vilket påtagligt framgår i bilderna registrerade av SEASAT (den första SAR-be- styckade satelliten).

Det är uppenbart att. på grund av den komplicerade kopplingen mellan storskaliga ytfenomen och mikrovågor, endast mycket kvalitativa karakteriseringar av sjötillstånd är möjliga att uppnå med dessa. spridning av radíofrekventa elektromagnetiska vågor utgör en mer stabil bas för kvantitativa mätningar.

Bragg-spridning från gravitationsvågor av radiofrekvent strål- ning har använts av D. Barrick i CODAR-systemet. Detta system mäter Doppler-skiftet vid en diskret frekvens (25 MHz) i två antennpoaitioner. Utgående från dispersionsrelationen för fria gravitationsvågor kan systemet därigenom kartera havsströmmar. 1 enlighet med ovanstående principer returneras signalen en- ligt uppfinningen genom Bragg-spridning av havsvågsspektrat inom våglängdsintervallet 0,75 - 12 m. Längre våglängder påverkar returen genom icke lineära kopplingar, på samma sätt som i mikrovågsradar (dock med den skillnaden att dessa kopp- lingar inte involverar de instabila och kortlivade kapillär- vågorna). Ovan nämnda dispersionsrelation kan utnyttjas för att separera returer från olika delar av det 2-dimensionella havsvågspektrat i det mottagna l-dimensionella signalspektrat.

Med andra ord är det en naturlig förmodan att stora delar av den totala navsrörelsen kan karteras med CARABAS på ett betyd- ligt mer exakt sätt än vad som är fallet med mikrovågsmetoder.

Den följande upprâkningen understryker uppiinningens poten- tiella förmåga att ge mångskiktad information. T.ex. kan upp- finningen ur en och samma mätning ge information om såväl vegetationsskikt. jordlager och berggrund. Detta blir möjligt på grund av den stora relativa bandbredden. inom vilken de olika spektralkomponenterna har helt olika inträngníngs- och spridningsegenskaper. Hångskiktsinformation erhålles således '456 117 10 15 20 25 30 35 16 (till priset av reducerad nominell upplösning i varje skikt) genom att 1 efterföljande processering filtrera den mottagna signalen med lämpliga "passband“.

Iskartering: Klassificering av is med avseende på ålder. tjocklek och yt- struktur. Analys av råkförekomst genom med dessa associerade fas-anomalier i reflektivitetsfunktionen. Upptäckt av små djupt liggande isberg (growlers) genom strålningens olika reflektivitet för is och vatten. Sjöklotter kan därvid under- tryckas genom spektral subtraktion av dispersionsrelationer för havsvågor.

Topografisk kartering: Av samma skäl som gör uppfinningen speciellt lämpad för obser- vation av underjordiska strukturer. medger systemet observa- tion och fastställande av den fasta markkonturen i skogsklädda områden. Detta möjliggör t.ex. topografisk kartering av omrä- den där växtligheten är alltför omfattande för att fotogram- metriska metoder skall kunna tillämpas.

Ekonomisk kartering: Pâ grund av nedträngningen av den radiofrekventa strålningen i vegetations- och markskikten blir radarreturen vid uppfinning- en beroende av de inre dielektriska förhållandena i dessa skikt. Uppfinningen kan därför utnyttjas för att (med varie- rande grad av precision och entydighet) skatta miljöparametrar karakteristiska för dessa skikt. De parametrar som i första hand kan skattas berör fuktighet över och under mark. samt mark- och vegetationsskiktens biokemiska sammansättning.

Geologisk kartering: Avbildning av berggrundens ytstruktur. genom strålningens ned- trängning under vegetationsskikt och lösa jordlager. Denna typ av registrering företas vid uppfinningen i flygburen SAR-mod.

För maximal marknedträngning kan man använda en antenn an- bringad på eller under markytan. Således kan berggrundens inre struktur avbildas 2-dimensionellt genom SAR-teknik baserad på 10 15 20 25 30 35 456117 17 en dipolantenns rörelse längs ett borrhål. På grundval av sGAB:s erfarenheter kan räckvidder upp till 100 m förväntas.

Uppfinningen kan således finna användning för malmprospek- tering.

Kustbevakning: våglängderna som utnyttjas enligt uppfinningen ligger i ett område som möjliggör klassificering av fartyg genom fasrela- tioner mellan dominanta delreflektorer (master. bryggor etc.).

Dessa reflektorer har storlekar tillräckligt små för att spridningen av radiofrekvent strålning från var och en av dem skall vara närmast isotrop. Å andra sidan överstiger avståndet mellan dem minsta upplösningsavstånd vid exemplet enligt upp- finningen. Det följer att en viss fartygstyp kan ges en vä- sentligen unik signatur i termer av fasrelationer mellan far- tygets upplösningselement i radarbilden. Eftersom systemet arbetar koherent. är det även möjligt att genom Doppler-analys av fartygets qângegenskaper erhålla ytterligare signaturer.

Slutligen möjliggör spektral subtraktion reduktion av sjöklot- ter.

Militära tillämpningar: En rad sådana är tänkbara som en direkt följd av den radio- frekventa strålníngens förmåga att nedtränga i vegetation och mark. Som exempel kan nämnas spaning efter och klassificering av objekt under naturlig eller konstgjord mask, t.ex. fordon och vapenuppställningar i skydd av skog. maskerade stabsplat- ser, underjordiska installationer, viss minering osv. Man bör speciellt beakta möjligheten att erhålla resonant koppling mellan radarsignalen och för dessa objekt specifika metall- strukturer (med karakteristísk längd 0.75 - 12 m). För stabs- platser. exempelvis. kan resonant koppling ske till antenner för kommunikationsradio. men även till elektriska kablar. tältstag etc. För underjordiska strukturer kan koppling ske till t.ex. armering. Listan kan fortsättas.

Den ovan lämnade beskrivningen av radaranläggningen visar de olika funktionsenheterna uppbyggda som diskreta enheter. Fack- . _... '456 117 18 mannen på elektronikomrâdet inser att. ehuru en dylik uppbygg- nad är möjlig. det är fördelaktigt att uppbygga anläggningen med integrerade kretsar. Den i fig. 2 visade syntesgeneratorn kan således med stor fördel uppbyggas på grundval av en eller ett litet antal integrerade kretsar. upptagande vippor och oscillatorer sant D/A-omvandlare. Då dylika integrerade kret- sar ned dagens teknik kan erhållas "skräddarsydda" från ett antal olika tillverkare. finnes ej anledning att här ytterli- gare ingâ på deras detaljerade konstruktion.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 456117 1 9 èatèfšuššaé-

1. Förfaringssätt för att genomföra radaravbildning av ett område med undertryckande av speckle och inkluderande avbild- ning av strukturer som är dolda av dielektriska skikt, var- vid en rörlig enhet innefattande en sändare av radiovägor och en mottagare för mottagning av utsända och reflekterade radiovàgor förflyttas under möjligast konstanta förhållanden vad gäller höjd över området, kurs och hastighet, och sända- ren utsänder radiostrâlning, vars retro-reflex mottages i mottagaren och analyseras, k ä n n e t e c k n a t av att sändaren bringas att utsända radiovågor med flera olika disk- reta frekvenser, till ett antal överstigande 100, fördelade inom ett brett frekvensband, vars övre gränsfrekvens under- stiger 300 MHz och företrädesvis omspänner ett intervall mellan 12,5 och.200 MHz, varvid mottagaren har mot var och en av nämnda frekvenser svarande passband, anpassade till med hänsyn till rörelsen förväntade Dopplerskift.

2. Förfaringssätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att de olika frekvenserna fördelas inom sitt frekvens- intervall ungefärligen i geometrisk progression.

3. Förfaringssätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att frekvenserna utväljes som närmevärden till termerna i en geometrisk serie, vilka utgöres av exakta övertoner till en bestämd grundfrekvens.

4. Förfaringssätt enligt krav Å, k ä n n e t e c k n a t av att i mottagaren är anordnat ett blandarsteg för varje frekvens, vars utgång är kopplad till ett lâgpassfilter för varje frekvens, och vilkas utsignaler i sin tur är koppladevia en A/D-omvandlare (4) till en registrerings- anordning (5).

5. Radaranläggning för genomförande av förfaringssättet för radaravbildning av ett område med undertryckande av speckle och inkluderande avbildning av strukturer som är dolda av dielektriska skikt, enligt krav 1, omfattande en 10 15 20 25 30 456117 20 rörlig enhet såsom ett flygplan, försedd med en antennanlägg- ning (Pig. 4), en sändare (Fig. 2), en mottagare (Fig. 3) av- sedd att aktiveras för mottagning av retro-reflexer av från sändaren utsända signaler, sedan dessa utsänts, och en re- gistreringsanordning för mottagna signaler, k ä n n e t e.c k- n a d av att i sändaren ingår medel för utsändning av ett an- tal N, överstigande 100, radiofrekvenser inom ett frekvens- intervall med en övre gränsfrekvens understigande 300 MHz och företrädesvis mellan 12,5 och 200 MHz, vilka radiofrek- venser är fördelade med sina frekvenser ungefärligen i-geo- metrísk progression inom frekvensintervallet och utgörande exakta övertoner till en grundfrekvens bestämd av en master- oscillator (8), och i mottagaren ingår ett blandarsteg (15) för varje utsänd frekvens, vilka är kopplade till var sitt lågpassfilter (16), vilka är samplingsbart kopplade till en registreringsanordning (5).

6. Radaranläggning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att medlen för alstring av diskreta frekvenser innefattar en syntesgenerator (1) med en högstabiliserad oscillator (7, 8), ett antal frisvängande oscillatorer exempelvis vippor (10), med olika svängningsfrekvenser svarande mot övertoner till den högstabiliserade oscillatorns frekvens, en data- buss (9) kopplad mellan oscillatorn (7,8) och de frisvängande oscillatorerna för deras styrning till exakta frekvenser i förhållande till denna, till vipporna (10) kopplade binär- steg (11) i kaskader, vilka binärsteg och vippor är kopplade i olika kombinationer till ett antal digital-analog-omvand- lare (12) för åstadkommande av var sin av de N frekvenserna, och vilkas utgångar är gruppvis kopplade till ett antal ef- fektförstärkare (13) understigande antalet N.