Radar de apertura sintética inversa

El radar de apertura sintética inversa ( ISAR ) es una técnica de radar que utiliza imágenes de radar para generar una imagen bidimensional de alta resolución de un objetivo. Es análogo al SAR convencional , excepto que la tecnología ISAR utiliza el movimiento del objetivo en lugar del emisor para crear la apertura sintética . ^{[ 1 ]} Los radares ISAR desempeñan un papel importante a bordo de las aeronaves de patrulla marítima, ya que les proporcionan imágenes de radar de calidad suficiente para permitir su uso en el reconocimiento de objetivos . En situaciones donde otros radares muestran solo un único píxel brillante en movimiento no identificable, la imagen ISAR suele ser suficiente para discriminar entre diversos misiles, aeronaves militares y aeronaves civiles.

Las imágenes de la región objetivo producidas por ISAR pueden ser una herramienta útil para localizar regiones de dispersión en el objetivo. Las imágenes ISAR se generan a menudo rotando el objetivo y procesando las historias Doppler resultantes de los centros de dispersión. Si el objetivo rota en azimut a una velocidad constante en un ángulo pequeño, los dispersores se acercarán o alejarán del radar a una velocidad que depende únicamente de la posición transversal (la distancia normal a la línea de visión del radar con origen en el eje de rotación del objetivo). La rotación generará frecuencias Doppler dependientes de la posición transversal , que pueden ordenarse espacialmente mediante una transformada de Fourier . Para ángulos pequeños, una imagen ISAR es la transformada de Fourier bidimensional de la señal recibida en función de la frecuencia y el ángulo de aspecto del objetivo.

Si el objetivo se rota en ángulos grandes, el historial de frecuencia Doppler de un dispersor se vuelve no lineal, siguiendo una trayectoria de onda sinusoidal . Este historial Doppler no se puede procesar directamente mediante una transformada de Fourier debido al historial de frecuencia Doppler difuminado que resulta en la pérdida de resolución de rango transversal. El ángulo de rotación máximo que puede procesarse mediante una transformada de Fourier no modificada está determinado por la restricción de que el error de fase de apertura a través de la apertura sintetizada debe variar en menos de una cantidad especificada (arbitraria), por ejemplo, 45 grados. Esto ocurre cuando la apertura sintética al rango objetivo es menor que la requerida por el${\displaystyle {\frac {2D^{2}}{\lambda }}}$límite donde${\displaystyle D}$es la extensión lateral requerida del objetivo. En este punto, la apertura sintética se encuentra dentro de la región de campo cercano del objetivo y requiere enfoque. El enfoque se logra aplicando una corrección de fase a la apertura sintética.

El ISAR se utiliza en la vigilancia marítima para la clasificación de buques y otros objetos. En estas aplicaciones, el movimiento del objeto debido a la acción de las olas suele tener mayor relevancia que su rotación. Por ejemplo, una característica que se extiende mucho sobre la superficie de un buque, como un mástil, generará una respuesta sinusoidal alta que se identifica claramente en una imagen bidimensional. En ocasiones, las imágenes presentan una sorprendente similitud con un perfil visual, con el interesante efecto de que, a medida que el objeto se balancea hacia el receptor o se aleja de él, los retornos Doppler alternos provocan que el perfil oscile entre vertical e invertido. El ISAR para la vigilancia marítima fue desarrollado por Texas Instruments en colaboración con el Laboratorio de Investigación Naval y se convirtió en una capacidad importante de los aviones P-3 Orion y S-3B Viking de la Armada de los Estados Unidos .

También se han realizado investigaciones con sistemas ISAR terrestres. La dificultad de utilizar esta capacidad radica en que el movimiento del objeto es mucho menor en magnitud y, por lo general, menos periódico que en el caso marítimo.

Quizás la aplicación más impactante visualmente y científicamente convincente de ISAR sea la obtención de imágenes de asteroides en el espacio profundo. Un ejemplo particularmente bello es el asteroide 216 Kleopatra , conocido como "hueso de perro", que se encuentra aproximadamente un 20 % más lejos de la Tierra que el Sol. El asteroide tiene solo 96 kilómetros de ancho en su punto medio. Sin embargo, la imagen es nítida y parece una imagen óptica. Se ha dicho que esto es similar a usar un telescopio en Los Ángeles del tamaño del cristalino del ojo humano para fotografiar un automóvil en Nueva York. Por supuesto, el truco aquí es que el asteroide se presenta sobre un fondo muy disperso, lo que permite una considerable diferenciación.

En febrero de 2013, Indra Sistemas , una empresa tecnológica española, anunció el primer radar ISAR pasivo. Un radar pasivo se caracteriza por no emitir ningún tipo de radiación, es decir, utiliza las señales presentes en el entorno. En este caso, el radar utiliza señales de televisión digital terrestre como fuente de iluminación no cooperativa en el entorno. ^{[ 2 ]}

Los errores en el proceso de formación de imágenes ISAR generalmente dan como resultado errores de desenfoque y geometría en la imagen. Los errores de transformación ISAR incluyen:

• Movimiento desconocido del objetivo o de la antena: Un movimiento no modelado provocará que la imagen del objetivo se desenfoque y se posicione incorrectamente. Este error se controla mediante un diseño mecánico adecuado o mediante el uso de técnicas de autoenfoque . Este error se puede medir con el método de medición de fase de señal analítica descrito anteriormente.
• Errores de campo cercano vertical: A menos que se realice un ISAR 3D, la extensión vertical del objetivo perpendicular a la apertura sintética horizontal debe ajustarse al límite de campo lejano vertical. Los objetivos altos se desenfocarán y se desplazarán a posiciones incorrectas. La representación ISAR 2D de una región objetivo es una superficie plana.
• Retorno de lóbulos laterales integrados: La calidad de la imagen ISAR se degrada por los lóbulos laterales de compresión de alcance y azimut . Estos lóbulos se deben al truncamiento de datos y pueden reducirse mediante la aplicación de funciones de ventana adecuadas. Los lóbulos laterales pueden causar una degradación significativa de la imagen. En primer lugar, los picos de los lóbulos laterales más fuertes pueden provocar la aparición de una serie de objetivos progresivamente más débiles a ambos lados de un objetivo fuerte. En segundo lugar, la potencia combinada de todos los lóbulos laterales tiende a difuminar o borrar los detalles en áreas de baja RCS. En condiciones adversas, el nivel de lóbulos laterales integrados puede alcanzar un nivel 10 dB inferior al retorno máximo del objetivo.
• Errores de muestreo de frecuencia y acimut: La selección incorrecta de deltas de frecuencia o aspecto produce imágenes con aliasing , creando objetivos espurios. El programa SIM descrito anteriormente supervisa específicamente los errores de alienación, eliminando así esta fuente de error.
• Aberraciones de antena: Las aberraciones en la geometría se producen cuando la posición del centro de fase de la antena depende de su orientación o de la frecuencia de radiofrecuencia. Este error se suele controlar mediante el uso de antenas pequeñas y sencillas en bandas de frecuencia estrechas y a larga distancia. Las correcciones de primer orden para antenas con dispersión de frecuencia, como las logarítmicas periódicas, se pueden solucionar corrigiendo la fase de la señal recibida. La corrección total de las aberraciones se logra mediante la integración directa de la transformada ISAR utilizando la geometría aberrada.
• Dispersión del objetivo: Los objetivos dispersivos presentan una respuesta de fase no mínima, lo que provoca que su posición cambie con la frecuencia de radiofrecuencia (RF) . Ejemplos de objetivos dispersivos incluyen absorbentes de RF, cuya profundidad de absorción depende de la frecuencia, y diversas antenas, cuyo centro de fase también depende de la frecuencia. La formación de imágenes ISAR en onda continua (CW) o, en algunos casos, el preprocesamiento previo a una transformación ISAR FMCW pueden eliminar el desenfoque dispersivo de la imagen del objetivo.
• Trayectorias múltiples: Las reflexiones múltiples pueden provocar distorsiones en las imágenes ISAR, como las clásicas estelas de imágenes fantasma que dejan los tubos de escape de los aviones a reacción .

Los errores en la transformada ISAR inversa planar 2D incluyen:

• Errores en el modelado del bloqueo de imágenes: La transformada ISAR inversa actualmente asume que los dispersores se encuentran en una superficie plana y no pueden bloquear a otros dispersores.
• Errores en el modelado de trayectorias múltiples de imágenes: La transformada ISAR inversa actualmente no modela el entorno de trayectorias múltiples. Cabe destacar que las transformadas ISAR actuales tampoco procesan correctamente las trayectorias múltiples.

• Síntesis de apertura
• formación de haces
• detección heterodina óptica
• Arreglo de fase
• Sección transversal de radar
• radar de apertura sintética

• Radar de imágenes de apertura sintética inversa por Dan Slater, 1985
• Radar de imágenes de apertura sintética inversa por Dan Slater 1985 Archivado el 26-09-2020 en Wayback Machine
• Sistemas de imágenes de radar UWB 2D y 3D desarrollados en Geozondas
• Sistemas de radar avanzados