SAR (yapay açıklıklı radar) nedir?

50 yılı aşkın süredir arazi yapısının uzaktan görüntülenmesi için kullanılan yapay açıklık radarları (Synthetic Aperture Radar – SAR) hareketli radar algılama sistemleridir.

Görüşü kısıtlayabilen olumsuz hava koşullarından bağımsız olarak gece ve gündüz oldukça yüksek çözünürlüklü görüntü oluşturabilme yeteneği ile iklim değişimlerinin izlenmesi, askeri ve sivil haritalama, arazi örtüsünde ve yapısında oluşan değişikliklerin tespit edilmesi gibi pek çok uygulamada kullanılır. SAR sistemi uydu veya uçak gibi insanlı veya insansız bir hava platformu üzerine yerleştirilir.  SAR, radar teknolojisinin ulaştığı en ileri uygulamalardan biridir.

Bu teknolojiyi kısaca anlatmak çok kolay olmasa da, bu yazıda SAR görüntülemeye temel oluşturan kavramların açıklanması hedeflenmektedir.

Radar nedir, çözünürlük neye bağlıdır?

SAR bir radar sistemidir. Radar, radyo dalgaları kullanarak çevredeki nesneleri tespit etmeye çalışır. Radyo dalgaları boyları 0,5 cm ile 30.000 m arasında değişen elektromanyetik dalgalardır. Yine bir elektromanyetik dalga olan görünür ışığın dalga boyu, radyo dalgalarının dalga boylarından  çok daha küçüktür. İnsan gözü 380 – 750 nanometre aralığındaki elektromanyetik dalgaları algılayabilir, nanometre metrenin milyarda biridir.

Radar, radyo dalgalarını bir anten aracılığıyla ortama yayar. Elektromanyetik dalgalar herhangi bir nesneye çarptığında yansıyarak her yöne yayılır. Yansıyan dalgaların bir bölümü radara geri gelir ve radar yine bir anten aracılığı ile bu dalgaları algılar. Radar sinyallerinin çevredeki arazi yapılarından da yansıması sonucu, bu yapıların radar ekranında bir görüntüsü oluşur. Böyle bir radar ekranı görüntüsü Şekil 1’de verilmektedir. Arazi hakkında bilgi sağlayan bu tip görüntüler, radar görüntülemenin haritalamada kullanılma fikrinin ortaya çıkmasını sağlamıştır.^[1]Tomiyasu, K. (Mayıs 1978) “Tutorial review of synthetic-aperture radar (SAR) with applications to imaging of the ocean surface,” Proc. IEEE, vol. 66, no. 5.^[2]Moreira, A, Prats-Iraola, P., Younis, M., Krieger, G., Hajnsek, I. ve K. P. Papathanassiou (Mart 2013) “A tutorial on synthetic aperture radar,” IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, vol. 1, no. 1, s. 6-43.

Radar görüntüsü optik görüntüden birkaç temel noktada ayrılır.

• Optik görüntülemede ışık kaynağı görüntüleme sisteminin dışındadır. Güneş veya diğer ışık kaynaklarından gelen ışık, çevredeki nesnelerden yansıyarak kameranın merceğine gelir. Radarda ise kaynak radarın kendisidir. Radar, radyo dalgalarını kendisi üreterek ortama yayar ve nesnelerden yansıyarak geri gelen sinyalleri algılar.
• Optik görüntüde kullanılan mercekler görünür ışığın dalga boyuna göre çok büyüktür (10.000-100.000 kat). Bir merceğin çözünürlüğü (odaklama yeteneği) boyutunun dalga boyuna oranı ile belirlenir. Odaklanmamış görüntüler, ister optik, ister radar görüntüsü olsun, bulanıktır ve kullanılmaya uygun değildir. Radar görüntüleri için odaklamayı mercek yerine anten yapar, anten boyutu büyüdükçe çözünürlük artar. Tablo 1’de bilinen bazı optik görüntüleme ve radar sistemlerinin çözünürlükleri verilmektedir.  Radar antenlerinin boyutları, kullanılan dalga boyunun en fazla 100 katı civarında olabilir. Daha büyük antenlerin kullanılması fiziksel zorluklara neden olur.
• Optik görüntüde derinlik duygusu, paralaks ve perspektifle ortaya çıkar (ör. paralel demiryolu rayları perspektif görüntülerde uzaklarda birleşirler). Radarda ise uzaklık gönderilen dalganın gidiş-geliş süresi ile belirlenir. Bu durum radar görüntüsünde önemli farklar yaratır. Bizim duyularımızın çalışmasından tamamen farklı olduğu için, kafamızda canlandırmak pek kolay değildir. Sonuçlarını, matematiksel modellerimizle analiz ederek anlayabiliriz.

Radar görüntülemede en temel sorun, düşük çözünürlüktür. Radar görüntülemede optik görüntü çözünürlüğüne ulaşabilmek için, devasa antenler yapılması gerekir. Örneğin, X-bant olarak adlandırılan 8-12 GHz bandında dalga boyu 3 cm civarındadır. Optik görüntü çözünürlüğüne ulaşabilmek için anten boyutlarının 300-500 m civarında olması gerekir. Bu boyutta yekpare bir antenin gerçekleştirilmesi pratik olarak neredeyse imkânsızdır. Öte yandan, çok sayıda anteni bir araya getirerek büyük anten sistemleri oluşturmak mümkündür (bkz. Şekil 2 ve 3).

Bu yapılara anten dizileri denir.^[3]Hansen, C. (1998) Phased Array Antennas, New York: Wiley. Anten dizilerini, orkestra içinde çalan çok sayıda enstrümana benzetebiliriz. Bu çalgılar “uyum” içerisinde oldukları sürece daha güçlü bir ses oluşturabilirler, ama uyumsuz olurlarsa ortaya “kakofoni” çıkar. Uyum içinde çalışan anten dizileri, büyük boyutlu antenlere eşdeğer yapılar oluşturmanın bir yoludur.

SAR nedir?

SAR görüntüleme sistemi yüksek çözünürlüğe ulaşmak için büyük anten yerine anten dizisi kullanma fikrine dayanır.^[4]Curlander C. ve McDonough N. (1991)Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: Wiley. Ancak dizi, anten elemanlarının fiziksel olarak yan yana konumlandırılarak oluşturulması yerine tek bir antenin taşınması ile oluşturulur. Her elemanın, olması gereken konumuna sırayla taşınan anten, bu konumda bir radar sinyali gönderip yansıyan sinyali alarak kaydeder. Bütün dizi, tek antenin genelde bir hava aracı ile taşınmasıyla zaman içerisinde oluşturulur. Anten dizisinin kullandığı açıklık yapay olarak oluşturulduğu için bu sisteme yapay açıklıklı radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) adı verilir (Not: Anten terminolojisinde açıklık, antenin sinyalleri toplayabildiği alanı ifade eder).

Radar görüntüleme sistemini, gözlerimizde buzlu camdan yapılma bir gözlük ve kafamızın yanında duran bir el feneri ile karanlık bir odaya girdiğimizde oluşacak duruma benzetebiliriz. Sadece başımızı çevirdiğimiz yön aydınlanır ve ayrıntıları göremediğimiz için sadece büyük nesneleri algılayabiliriz. Öte yandan, bu nesnelere farklı noktalardan bakarak ne olduğunu anlamamız mümkün olabilir. Hatta buzlu camın ışığı nasıl kırdığını modelleyebilirsek, baktığımız nesnelerin ayrıntılı bir çizimini yapmak bile mümkün olabilir.

Yapay açıklıklı radar sistemlerinin işleyişi ve çözünürlük

Yapay açıklık radar sistemleri bir anten kullanır. Bu anten, taşıyıcı hava aracı üzerine, uzun ekseni uçuş yönüne paralel olacak şekilde yerleştirilir. Anten, uçuş doğrultusuna dik doğrultuda ve Şekil 5’de gösterildiği gibi yeryüzü ile $\phi$ açısı yaparak (bu yöne SAR terminolojisinde eğik menzil adı verilir), elektromanyetik enerji darbeleri (çok kısa süreli çok yüksek frekansta sinüs dalgaları) gönderir. Darbeler, yüzeyden saçılarak radara geri dönerler. Radara farklı uzaklıktaki objelerin yansımaları farklı zamanda geri gelirler. Geri dönen radar darbeleri üst üste binmediği sürece ayrıştırılabileceği kabul edilebilir.

Yüzey çözünürlüğü, görüntülenen yüzeydeki iki cismin ayrı ayrı görüntülenebilmesi için gerekli mesafedir.

Şekil 5’te hava aracının hareket yönü ve ona dik olan yönde iki ayrı çözünürlük  olduğu görülebilir.  Eğik menzildeki çözünürlük, uçağın hareket doğrultusuna dik yöndeki çözünürlüktür. Eğik menzilde çözünürlük radarın etkin darbe süresi (daha doğrusu bant genişliğinin tersi) ile orantılı olur. Daha basit bir anlatımla, radar darbesinin ön kenarının uzaktaki cisimden olan yansıması, darbenin arka kenarının yakındaki cisimden olan yansımasından daha geç gelirse, iki cisim ayırt edilebilir. Işık hızıyla ($c$) giden ve süresi $\tau$ olan bir radar darbesinin uzayda kapsadığı uzaklık $c\tau$ olur. Yansıma etkisi de hesaba katılınca uzaydaki iki noktanın ayırt edilebilmesi için birbirlerinden $\Delta R=c\tau/2$ kadar uzak olmaları gerektiği ortaya çıkar. Darbe süresinin tersi ise radarın kullandığı bant genişliğidir. Bu nedenle eğik menzil çözünürlüğünü $\Delta R_g=c/(2 B \sin \phi)$ olarak ifade etmek mümkündür ($B$ – bant genişliği).

Radarda darbe sıkıştırma denilen bir teknik kullanılarak etkin darbe süresi azaltılabilir, darbe süresi azalınca $B$ artar,  $\Delta R_g$ azalır yani eğik menzil çözünürlüğü artar. Örnek olarak, bant genişliği 10 MHz olan bir SAR sisteminin, 3km yükseklikte uçan bir hava aracından 10 km uzaklıktaki bir bölgeyi görüntülediği bir senaryoda, eğik menzildeki çözünürlük yaklaşık 16 m olacaktır.

Antenlerin farklı yönlerdeki ışıma karakteristikleri demetler şeklinde olur. Anten kuramına göre düşey boyutu $H$ olan ve  $\lambda$ dalga boyunda çalışan bir antenin düşey demet genişliği ($\theta_v$) yaklaşık $\lambda/H$ olur ve bu değer, sistemin eğik menzilde gördüğü izin şerit genişliğini (swath) belirler (bkz. Şekil 5 ve Şekil 6).

Yanca (azimuth) terimi, uçuş doğrultusuna paralel yönü tanımlar.  Radara aynı uzaklıktaki iki cismin yancada ayrıştırılabilmesi için aralarında, radar anteninin demet genişliğinin yarısından daha fazla açısal uzaklık olması gerekir. Dolayısıyla yanca çözünürlüğü demet genişliğinin yarısına eşittir. Yancadaki çözünürlüğün optik görüntüler gibi iyi olabilmesi için antenin olağanüstü geniş olması (büyük $D$) ve platformun görüntüleme yüzeyine yakın olması gerekir (küçük $R_m$). Anten uzunluğu $D=3 m$ olan ve X-bantta (dalga boyu $\lambda=3 cm$) çalışan bir SAR sisteminin $R_m=10 km$ uzaklıkta sağlayabileceği yanca çözünürlüğü yaklaşık

$\Delta a = \frac{\lambda}{2D}R_m=50 m$ olur. (Ayrıntılar için Şekil 6 incelenebilir).

SAR kavramının doğuşu 

1950lerin sonuna kadar radar haritalama sistemleri SLAR (side-looking airborne radar) kısaltmasıyla bilinen iki boyutlu görüntüleme sisteminden oluşuyordu.^[5]Jensen, H. et al. “Side-Looking Airborne Radar.” Scientific American 237 (1977): 84-95. Bu aslında talihsiz bir isimlendirmedir çünkü SAR sistemleri de genellikle yana bakar.  Oldukça büyük bir antenle bile ancak elde edilebilen düşük çözünürlükler, bu sistemlerin temel sorunuydu. Bu sorunu aşmanın yolunu 1951 yılında Carl Wiley buldu ve 1954 yılında buluşunun patentini aldı.^[6]Wiley, C. (Mayıs 1985)  “Synthetic aperture radars: A paradigm for technology evolution,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 21, no. 3, pp. 440–44. Wiley’nin buluşundaki temel fikir, küçük bir antenin değişik konumlarda kullanılması ile yapay bir dizi oluşturulması idi. Bunun gerçekleştirilebilmesi için ise, antenin farklı konumlarında alınan sinyaller arasındaki ilişki kaybedilmeden, yani faz uyumlu (coherent) olarak işlenmesi gerekliydi.  Bu fikir, Doppler demet daraltması (Doppler beam sharpening) olarak adlandırılmaktadır. Bu yaklaşımda yanca çözünürlüğü uzaklıktan bağımsız olarak antenin bu yöndeki boyunun yarısına kadar düşer. Pratikte bu değer 30-40 cm’ye kadar inebilir. 

SAR çeşitleri ve kullanım alanları

SAR fikri, hava ve uydu konuşlu radar görüntüleme sistemlerinde bir dönüm noktası oldu. SAR sistemlerinin ilk gelişimi (50-60’lı yıllar) askeri uygulamalar amacıyla olsa da daha sonra (70-80’li yıllar) yeryüzünün coğrafi, biyolojik ve fiziksel incelemeleri gibi sivil uygulamalarda da kullanıldı. Günümüzde kutup buzullarının, su kaynaklarının, ekinlerin ve ormanların gelişimlerinin izlenmesi, yeryüzü şekillerindeki değişimlerin takibi gibi uygulamalarda SAR görüntüleri kullanılmaktadır.^[7]Moreira, A., Prats-Iraola, P. , Younis, M., Krieger, G., Hajnsek I. ve Papathanassiou, K. P. “A tutorial on synthetic aperture radar,” IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, vol. 1, no. 1, pp. 6-43, March 2013.^[8]Nohutcu,M., Teke, K., Okay Ahi, G.(2022) Geomatik mühendisliği nedir?, sarkac.org

Günümüzdeki SAR uygulamalarında, farklı amaçlara uygun görüntüleme yöntemleri kullanılmaktadır.^[9]Soumekh, M. (1999) Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms. New York: Wiley.^[10]Richards, M. A. (2005) Fundamentals of Radar Signal Processing. Mc-Graw Hill. Bu yöntemleri kullanılan bir benzetmeye de yer vererek açıklamaya çalışalım:

Şerit görüntüleme (Stripmap SAR): Radar anteni SaLAR sistemlerinde olduğu gibi sürekli yana bakar ve hava aracının hareketi ile radar anteni şerit şeklinde bir bölgeyi aydınlatır. Burada aydınlatma terimi ışık tutmaktan daha genel bir anlamda kullanılmaktadır; aydınlatma, yüzeye elektromanyetik dalgalar gönderilmesidir; bu dalgalar ışık da olabilir, radar dalgaları da, Röntgen ışınları da.  Bu uygulama, geniş bir bölgenin taranması amacına yöneliktir. Karanlık bir odaya el feneri ile girip anahtarlarınızı aramaya çalıştığınızda ilk yapacağınız iş odayı genel olarak tarayıp anahtarların olabileceği bölgeyi belirlemektir.

Nokta görüntüleme (Spotlight SAR): Bu yöntemde hava aracı gene bir çizgi boyunca hareket eder fakat radar anteni döndürülerek demetinin sürekli aynı bölgeyi aydınlatması sağlanır. Karanlık odada masayı bulduktan sonra anahtarlarınızın masada olduğu düşüncesiyle el fenerini masa üzerine tutarak bu bölgeyi incelersiniz.

Dairesel SAR (Circular SAR, CSAR): Hava aracı görüntülenen bölgenin etrafında dairesel bir rota izlerken radar anteni bu bölgeyi sürekli olarak aydınlatır. Masanın etrafında dolaşarak farklı bakış noktalarından incelemek isteyebilirsiniz.

E-CSAR: Dairesel SAR görüntülemede olduğu gibi hava aracı görüntülenen bölge etrafında dairesel bir hareket yaparken farklı turlarda yüksekliğini de değiştirir. El fenerinin yüksekliğini değiştirerek gölgelerin değişmesini ve daha ayrıntılı inceleme yapmayı sağlayabilirsiniz. SAR sistemlerinde farklı yüksekliklerde yapılan ölçümler paralaks modeli ile birleştirilerek derinlik bilgisinin oluşturulmasını sağlar.

Çift antenle SAR (Monopulse SAR): Aralarında sabit bir uzaklıkla yerleştirilmiş iki anten kullanılır. İki gözümüzü kullanarak derinlik bilgisi oluşturmamıza benzer. Paralaks etkisi ile nesnelerin birbirlerine göre konumlarının ölçülmesi ve 3 boyutlu görüntü oluşturulması amacıyla kullanılır.

Polarimetrik SAR: Elektromanyetik dalgalarda elektrik alan vektörünün yönü, dalganın polarizasyonunu belirler. Birbirine dik iki yönde polarize dalgalar kullanılarak farklı görüntüler elde edilebilir. Bunun nedeni nesnelerin farklı polarizasyondaki dalgalara yansıtıcılığının farklı olmasıdır. Köprüler, binalar gibi yapılar ile buz kütleleri gibi düz yüzeylere sahip şekiller, bu yüzeylere gelen dalganın polarizasyonu ile aynı yönde ise daha fazla yansıtıcıdır. Orman gibi doğal yapılarda ise yansıtıcılık polarizasyonla çok değişmez. Bu yöntemi farklı renkte ışık kaynakları ile çevreyi incelemeye benzetebiliriz; mavi ışık altında mavi renkli cisimleri görmek zordur ama kırmızı ışıkta kolayca farkedilebilirler.

SAR görüntü oluşturma ve özellikleri

SAR görüntü oluşturma ilkesini anlamak için, sistemin aydınlattığı bölgede bir nokta düşünelim. Bu nokta hava aracının önündeyken aydınlatılmaya başlar ve radara olan uzaklığı giderek azalır. Hava aracı bu noktanın yanından geçtikten sonra ise giderek uzaklaşır ve radarın aydınlatma alanından çıkar. Noktanın hava aracına göreli hareketi bir hiperbol oluşturur. SAR sistemi bu hareket süresinde çok sayıda radar darbesi gönderir ve alır. Görüntülenen yüzey, sistemin aydınlattığı çok sayıda noktadan oluştuğu için yansıyan darbelerin hepsi birbirine karışmış olarak alınır. Ancak, görüntü alanındaki her nokta farklı bir hiperbol üzerinde hareket eder ve bu hareketi bildiğimiz için, her noktaya ait olan sinyalleri ayrıştırarak kendi içlerinde birleştirebiliriz. Bunun yapılabilmesi için hava aracının hareketinin yüksek doğrulukla (kullanılan dalga boyunun kabaca onda biri, X-bant için birkaç mm) bilinmesi gerekir. Elbette hava araçlarının bu doğrulukla hareket etmesi beklenemez. Bu nedenle hava aracının konumunun hassas olarak ölçülerek görüntü noktasının hareketinde gerekli düzeltmeler yapılır.

SAR görüntüsünde dikkat çeken ilk noktalardan biri, görüntünün benekli yapısıdır. Bu durum, faz uyumlu görüntülemede ortaya çıkan ortak bir etkidir. Görüntü pikselleri içerisinde bulunan çok sayıda saçıcıdan yansıyan sinyaller bazen eş fazlı olur ve sinyaller toplanarak yüksek güç oluşturur ve görüntüde parlak noktalar oluşturur. Aynı etkiyi, parlak bir yüzeyi lazer kalemi ile aydınlattığınızda da görebilirsiniz. Eş fazlı ışınlardan oluştuğu için lazer izi benekli olur. Bu etki düşük çözünürlüklü görüntülerde daha belirgindir (bkz. Şekil 7.a)

SAR sisteminde uzaklıklar, radar sinyallerinin gidip gelme süreleri ile belirlendiği için radar antenine eşit uzaklıktaki noktaların görüntüsü aynı yerde oluşur. Görüntü oluştururken kullanılan modelde bütün noktaların aynı düzlemde olduğu varsayımı yapılır. Bu nedenle, farklı yükseklikteki noktalar için geometrik bozulmalar oluşur.

Bir başka etki, eğik yüzeylerin görüntülenmesinde oluşur. Özellikle düşük açıyla görünen cisimlerde, radara yakın yüzeyler daha kısa görünür.

Günümüzde SAR geliştirme çalışmaları

Günümüzde çok sayıda uydu SAR sistemi görev yapıyor. Bu sistemlerdeki temel sorunlardan biri, yüksek çözünürlük ve görüntü genişliği arasındaki ilişki. Uygulamada, görüntü çözünürlüğü arttıkça iz genişliğinin azaltılması gerekiyor. Bu sorun, teorik bir sınırlama olmayıp, faz uyumlu işleme yapılabilen sistemlerde kullanılabilen bant genişliğinin teknolojik sınırı ile ilgili. Araştırmacılar teknolojinin daha geniş bant olanakları sağlamasını beklemek yerine, SAR görüntü oluşturma algoritmasını iyileştirerek bu sorunu aşmak üzerine çalışıyor.

Görüntülenen bölgedeki hareketli nesnelerin belirlenmesi de araştırma konuları arasındadır. Görüntülenen bölgede bulunan hareketli nesneler SAR görüntü oluşturma algoritmasında varsayılan hiperbolden farklı bir eğri üzerinde hareket ederler ve bu nedenle SAR görüntüsünde yatay çizgiler olarak belirirler. Aynı bölgeye ait kısa aralıkla (onlarca dakika ile birkaç saat) oluşturulan görüntülerin birlikte faz uyumlu olarak işlenmesi ile çok farklı bilgiye de ulaşılması mümkündür. Örneğin iki görüntüleme arasında bölgeden geçen bir aracın izi tespit edilebilir. Bu işleme faz uyumlu değişim tespiti (coherent change detection) adı verilir. SAR platformunun tek geçişi sırasında aynı bölgenin çok kısa aralıklı görüntüsü oluşturularak video SAR oluşturulması da son zamanlarda geliştirilen konulardan birisidir.

Türkiye’de üretilen SAR sistemleri

Türkiye’de ilk SAR sistemi tasarımına 2007 yılında ASELSAN tarafından, bir Savunma Sanayii Başkanlığı projesi olarak başlandı. İlk üretim örneği 2011 yılında tamamlandı ve gerçek zamanlı görev amaçlı test uçuşları yapıldı. Projenin ilk aşaması 2012’de tamamlanarak Savunma Sanayii Başkanlığı’na teslim edildi. Bu projenin çıktısı, SARPER radarı olarak Deniz Kuvvetleri’nin envanterine girdi.^[12]SARPER-Sentetik Açıklıklı Radar Bu radar, 30 cm görüntü çözünürlüğü sağlayabiliyor. ASELSAN ayrıca AESA SAR Podu isminde benzer çözünürlüğe sahip olan, aktif faz dizili anten kullanan, daha hafif ve kompakt bir SAR sistemi de geliştirdi. Meteksan Savunma şirketi tarafından geliştirilen MILSAR ise 1 m çözünürlükle görüntü üretebiliyor.^[13]Sünnetci, İ. (2021) Türkiye’de SAR/GMTI Radar Kabiliyetleri

Sencer Koç – ODTÜ Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü