Geri Dön

İki boyutlu kompleks kafes yapısı ile yüksek çözünürlüklü ters yapay açıklıklı radar görüntüleme

High resolution inverse synthetic aperture radar imaging by two dimensional complex lattice structure

  1. Tez No: 104269
  2. Yazar: IŞIN ERER YAZGAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AHMET HAMDİ KAYRAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2001
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 108

Özet

İKİ BOYUTLU KOMPLEKS KAFES YAPISI İLE YÜKSEK ÇÖZÜNÜRLÜKLÜ TERS YAPAY AÇIKLIKLI RADAR GÖRÜNTÜLEME ÖZET Klasik radar görüntüleme yöntemleri 2-B kartezyen geri saçılan alan verisinin 2-B ters Fourier dönüşüne ya da 1-B kutupsal frekans cevabının 1-B ters Fourier dönüşümünün geri izdüşüm algoritması ile birlikte kullanılmasına dayanır. Bu yöntemlerde, menzil çözünürlüğü radarın taradığı frekans bandı genişliği ile orantılıdır ve çapraz menzil çözünürlüğü de gözlem açısı aralığı ile ters orantılıdır. Bu nedenle, istenilen çözünürlüğe ulaşabilmek için radar geniş bir frekans bandına sahip olmalı ve hedef geniş bir gözlem açı aralığında incelenmelidir. Ancak, pek çok uygulamada radar sisteminin frekans bandı sınırlıdır ve hedef istenilen açı aralığında izlenemeyebilir. Bu sınırlamalar düşük çözünürlüklü radar görüntüleri elde edilmesine neden olur. Bir hedefin yüksek çözünürlüklü radar görüntüsünün oluşturulabilmesi için, sınırlı sayıda ölçüm verisine modern spektral kestirim tekniklerinin uygulanabildiği bilinmektedir. Bu teknikler arasında doğrusal öngörü yöntemi önemli yer tutar. Bu konudaki ilk çalışmalar 1-B öngörü tekniklerinin geri izdüşüm algoritması ya da bibrit tekniklerle kullanılması veya 2-B öngörü denklemlerinin en küçük kareler yaklaşımı ile çözülmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. En küçük kareler yaklaşımı her öngörü derecesi için iki adet denklem sisteminin çözülmesini gerektirir ve ölçüm sisteminden kaynaklanan gürültüye yüksek oranda duyarlıdır. Bu tez çalışmasında, en küçük kareler yaklaşımının sakıncalarını ortadan kaldırmak için yüksek çözünürlüklü yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem, 2-B geri saçılan alan verisinin, bu tezde kompleks formu ilk defa tanımlanan 2-B dik kafes yapısı ile 2-B modellenmesine dayanmaktadır. Sözde ters alma (pseudo-inverse) teknikleri ile iki ayn denklem sisteminin çözülmesi yerine geri saçılan alan verisini dört çeyrek düzlemde modellemek için tek bir özyinelemeli kafes yapısı kullanılmıştır. Önerilen yöntem, Burg yönteminin 2-B genelleştirilmesi olarak düşünülebilir. Yüksek frekans bölgesinde, bir radar hedefinin sonlu sayıda saçıcı merkezin ve bu merkezler arası girişimlerin toplamı şeklinde temsil edilebileceği yaklaşımı çeşitli araştırmalarda kullanılmıştır. Bu yaklaşımda bir hedeften geri saçılan toplam işaret, her bir saçıcı merkezden geri saçılan kompleks işaretlerin toplamı olarak ifade edilebilir. K adet ayrık saçıcı merkezden oluşan bir hedef için görüntüleme sisteminin geometrisi Şekil. 1 de verilmiştir.çapraz menzil hedef geliş açısı \ menzil ^L Referans noktası Şekil 1 Görüntüleme sisteminin geometrisi Hedeften geri saçılan toplam alan, K I *=1 G(*ı,*2) = ÎG*(0,0)z*;^ +v(kl,k2) (D verilebilir. Burada Gk(0,0) konumsal frekans başlangıç değerleri için k. saçıcı merkezden geri saçılan alanı, v(kx,k2) ise ölçüm gürültüsünü göstermektedir -jtnlctfxxic _ j4xlc&fyyk xk e' '“ ”“”*, zyk =e ~'~~ alınmıştır. Bu tez çalışmasında, durağan ve özbağlanımlı varsayılan 2-B geri saçılan alan verisinin modellenmesi için 2-B kafes yapısının kullanılması önerilmiştir. 2-B geri saçılan alan verisi G(kx,k2) komşu örnek noktaların doğrusal bileşimi ile öngörülmüştür. İndislemeyi basitleştirmek için, 2-B destek bölgesi içindeki noktalar yatay ve düşey yönler kullanılarak 1-B dizi şeklinde sıralanır. Gp.q(kx,k2) = [G{(kx,k2)-p) G((kl,k2)-p-l)-G((kl,k2)-q)Y (2) G((kx,k2) -i), G{kx,k2) den / eleman sonra gelen örneği göstermektedir. Destek bölgesindeki sıfinncı örneğin kendinden önceki m örnek değeri kullanılarak öngörülmesi durumunda yapılan ileri yönde öngörü hatası, f(k“k2) = aTG0JkI,k2) (3) olarak tanımlanır ve öngörü destek bölgesindeki m inci örneğin kendinden sonraki m örnek cinsinden tanımlanması durumunda yapılan geri yönde öngörü hatası, ı- Jm>Tl b,:,(kl,k2)=g-\) J p-n (6) p = l,2,...,M ve n = l,2,...,p bağıntısı ile verilir. İleri ve geri yönde yansıma katsayıları TJ,n) ve r(,n), öngörü hata °p J p-n alanlarım öngörü süzgeç katsayılarına göre enküçükleştirerek bulunur. A%”)(zl,z2) ve G^"° (z,, z2 ) birinci ve ikinci çeyrek düzlem destekli öngörü süzgeçlerinin hata aktarım işlevlerini gösterir ve aşağıdaki gibi verilir. 1 fp-n *(«)* (7) p = l,2,...,M ve n = l,2,...,p Bu tez çalışmasında yüksek çözünürlüklü Ters yapay açıklıklı radar görüntüleme için iki yeni yöntem önerilmiştir. İlk yöntem güç spekturumuna dayanmaktadır. Oluşturulan hata aktarım işlevlerinin sıfirlannın saçıcı merkezlerin konumlarına karşı geldiği gösterilebilir. Bu durumda radar görüntüsü, birinci ve ikinci çeyrek düzlem modeller birleştirilerek, p0p(x>y) = 1 A^iz^f +\G^)(zi,z2)\ (8) ya da simetrik olmayan yan düzlem model kullanılarak, 1 PjsHpfoy)**- 4m(*ı>*7) (9) xıışeklinde tanımlanan fonksiyonların çizdirilmesiyle oluşturulur. Bu ifâdede z, = ej4xlc&fxX, z2 = e}**lc&fyy ve M = (I + 1)2 - 1 destek bölgesi içindeki eleman sayısıdır. Hesaplama adımında, (x,y) hedefin bir saçıcı merkezi ile karşılaştığında, payda terimi çok küçük değer alır, P (x, y) fonksiyonu tepe değer oluşturur. Yukarıda açıklanan yöntem ile genlik bilgisi bulunamadığı için, geliştirilen ikinci yöntemde ölçüm bölgesi dışındaki verinin 2-B kafes yapısı kullanılarak 2-B olarak modellenmesi önerilmiştir. Bu yöntemde süzgeçlerin kararlılığı garanti edilemediğinden kararlılığı sağlayacak şekilde katsayıların değiştirilmesi gerekir. Bu değiştirilmiş katsayılar 2-B geri saçılan alan verisinin 2-B genişletilmesi için kuUanılmıştır. Genişletilmiş veri matrisinin 2-B ters Fourier dönüşümü alınarak, yüksek çözünürlüklü IS AR görüntüsü elde edilmiştir. Önerilen algoritma geri saçılan alanların 2-B genişletilmesine dayanmaktadır. Oysa klasik genişletme algoritmaları verinin, konumsal frekans uzayında (fx,fy) için aynştılabilir olmasından yararlanarak veri matrisinin satır ve sütunlarını ayrı ayrı işler. Önerilen yöntem nokta saçıcı modeliyle tanımlanamayacak karmaşık hedefler için daha gerçekçi sonuçlar verir. İşlem yükü verinin büyüklüğüne yada genişletme faktörüne bağlı değildir. Daha da önemlisi, önerilen yöntem genlik bilgisini korur ve gürültüden etkilenmez. Yapay ve deneysel veri için elde edilen sonuçlar, bu tez çalışmasında önerilen yüksek çözünürlüklü görüntüleme algoritmalarının hem menzil hem de çapraz menzil için iyileştirme sağladığım göstermiştir. xuı

Özet (Çeviri)

HIGH RESOLUTION INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGING BY TWO DIMENSIONAL COMPLEX LATTICE STRUCTURE SUMMARY Classical radar imaging methods are based on 2-D inverse Fourier transform (IFT) of 2-D Cartesian backscattered data or on the use of a backprojection algorithm combined with Î-D inverse Fourier transform of the the polar frequency data. In these methods, the range resolution is inversely proportional with the bandwidth and the cross-range resolution is inversely proportional with the observed angular sector. To achieve the desired resolution, therefore, the radar should have a large bandwidth and the target should be observed over a large angular sector. However, in many practical applications, the radar system has a limited frequency band and the target can not be observed over the desired angular sector. These limitations lead to radar images with low resolution. It is well known that a high resolution radar image of a target can be generated by applying modem spectral estimation techniques to the measured limited data. Among these techniques, linear prediction methods take an important place. Earlier research that has been carried out in this area, was focused mainly on the use of 1-D prediction techniques combined with backprojection algorithm and hybrid methods, or the solution of 2-D linear prediction equations in the least square sense. The least square approach needs the solution of two different sets of equations for each prediction order and is highly sensitive to the measurement noise. In this thesis, a new high resolution method to overcome the difficulties of the least- square approach is proposed. The proposed method is based on 2-D modeling of the 2-D backscattered data using a 2-D orthogonal lattice filter which is defined in the complex form for the first time in this thesis. Instead of solving two different sets of linear equations by pseudo-inverse matrix inversion techniques, a single autoregressive lattice structure is used to model the backscattered data for four quarters. The proposed method can be considered as the generalization of the well- known Burg method to 2-D case. In the high frequency region, a radar target can be considered as a collection of a finite number of scattering centers and scattering centers interactions. This approach was used in quite a number of research studies. The coherent scattered signal from such a target can be represented as the sum of complex scattered signals from each scattering center. The geometry of the imaging system for a target represented by K discrete scattering centers is shown in Figure 1. xivrange) k* scattering center (Xk,yt) Target area incident wavefront \ x (range) Reference point Fig.l Geometry of the imaging system The total backscattered field from this target is given as, K I G(*l'*2> = £ 0,(0,0)^ +V(fc.^2) (D where Gk (0,0) is the scattered field for the Ath scattering center at initial Cartesian frequencies, v(Jcx,k2) is the measurement noise and zXk = eJ4z/câ*xXk, zyk =eJ * c yn. In this thesis, a 2-D lattice structure for the modeling of 2-D backscattered radar data is proposed, assuming that the 2-D backscattered fields constitute a stationary and autoregressive process. 2-D backscattered field G(kx,k2) is predicted by a linear combination of its neighboring samples. To make indexing simple, the elements in the 2-D prediction region are ordered into 1-D array. The indexing in the prediction region is defined as GM(*“*2) = [G((*”*2)-P) GUbM-p-iy-GUkM-qjf (2) with G({kx,k2)-i) denoting the ith element behind G{kx,k2). The forward prediction error associated with the prediction of the zeroth sample from the previous m samples within the prediction region is defined as = »Wl /r(kl,k2) = ar'G0,m(kl,k2) (3) and the backward prediction error associated with the prediction of the /nth sample from the m samples prior to it in the prediction region is given as - «(“.>7”/ br(kl,k2)=grG0^kl,k2) (4) XVwhere al0m) and gT are the tap weight coefficients of the forward and backward prediction error filters. In the definition of forward and backward prediction error fields, the superscript will be considered to be the order of the error filters, i.e., the number of the points in the prediction region. On the other hand, the subscript denotes the number of the element to be predicted in the indexing scheme. The total backscattered field G{kx,k2) is used as an input of the 2-D orthogonal lattice structure for 1 < kx,k2 (z"z2)(+){}(z,.z3){ (8) or by asymmetric half plane model as, PASHp(x^y) = 1 i an (9) -^0 (Z1»Z2) xviwhere z, =eJAx,t6f*, z2 = eJ4*,c&fyy and M = (Z + 1)2 -1 is the number of points in the prediction support. In the computation step, when (x,y) coincides with a scattering center of the target, the denominator will become small, then the image function PQP(x,y) will have high peaks at the positions of the target scattering centers. As the method described above does not provide amplitude information, in the second method, the available data is extrapolated using 2-D orthogonal lattice predictors. As this technique does not guarantee a stable prediction filter, the prediction parameters should be modified to ensure the stability. These modified parameters are used for 2-D extrapolation of 2-D Cartesian backscattered data. Then, high resolution Inverse synthetic aperture radar (ISAR) image is obtained by 2-D inverse Fourier transform of the extended data matrix. The proposed algorithm is based on 2-D extrapolation of the backscattered data, while other existing algorithms extrapolate range or cross- range profiles separately due to the separability assumption of the input data. The proposed method will provide more reliable results for the experimental and real world targets, which cannot be described by point target model. The complexity decreases considerably as data size or extrapolation factor increases. Moreover, this method preserves amplitude information and is not effected by noise. Results obtained for simulated and experimental targets show that high resolution algorithms proposed in this study provide an enhancement in resolution both for range and cross-range. xvu

Benzer Tezler

  1. Tez No

    292334

    Fundamental solitons in complex two dimensional lattices

    İki boyutlu kompleks kafes (latis) içinde temel solitonlar

    MAHMUT BAĞCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Matematikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Matematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NALAN ANTAR

    YRD. DOÇ. DR. İLKAY BAKIRTAŞ AKAR

  2. Tez No

    474928

    From supramolecular chemistry to fundamental organic chemistry: Bis-rosette nanotubes and novel molecular frameworks

    Supramoleküler kimyadan temel organik kimyaya: İkili rozet nanotüpler ve yeni moleküler yapılar

    CANSU İĞCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ

  3. Tez No

    688553

    An experimental study on contactless support structures for laser powder bed fusion process

    Lazer toz yatak ergitme prosesi için kullanılan temassız destek yapılarının üzerine deneysel bir çalışma

    ALİCAN ÇELİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ŞEREF SÖNMEZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA

  4. Tez No

    129436

    Comparative analyses of artificial kidney membranes and influences of in vivo utilization on their properties of the materials and hemodialysis treatment

    Yapay böbrek membranlarının ve in vivo kullanımlarının hemodiyaliz tedavisi ve performansları üzerindeki tesirlerinin mukayeseli analizleri

    BURUK ARMAĞAN KONDUK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Tıbbi BiyolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Tıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. A. HİKMET ÜÇIŞIK

  5. Tez No

    39115

    Rastgele alanların ar modellemesi için dik kafes süzgeci ve spektrum kestirimine uygulanması

    Two-dimensional orthogonal lattice structures for autoregressive modeling of random fields and its use in spectrum estimation

    SEDAT TÜRE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. AHMET H. KAYRAN

Geri Dön