SAR (tutka)

SAR-kuva Kirtlandin lentotukikohdan golfkentän klubitalosta.

SAR-tutka-nimitys tulee engl. sanoista synthetic-aperture radar, synteettisen apertuurin tutka eli suuren laskennallisen läpimitan tutka. Liikkuvan tutkan antennin koko on tehtävän mittauksen kannalta paljon suurempi kuin tutkan fyysinen antenni, ts. tutkan apertuuri on synteettinen. Tyypillisesti synteettisen tutkan antennin "koko" vastaa satoja metrejä luonnossa.

Tutkan antenni luodaan virtuaalisesti lentokoneen (tai esim. lennokin) tai satelliitin liikkeellä. Erilliset kaiut tallennetaan muistiin ja käsitellään yhdessä aivan kuin ne olisi mitattu suuresta antennista. Tällöin tästä synteettisestä antennista voi tulla hyvin suuren vahvistuksen omaava ja tarkka.

SAR-periaate.

Synteettinen antenni muodostuu siitä, että lentokone tai alusta, jossa tutka on, liikkuu ja pulssitutka lähettää koko ajan lyhyitä pulsseja. Jokainen pulssi edustaa antennielementtiä ja pulssien lukumäärä antennin pituutta. Syntyy näennäinen monen antennielementin ryhmä.

Tarkkuus syntyy siitä, että voidaan käyttää hyvin lyhyttä pulssin pituutta (toinen x/y-elementti on pulssin pituus) ilman, että pulssin vastaavasti pieni energia haittaa tutkan etäisyysulottuvuutta, koska pulssit integroidaan muistista "päällekkäin" ja ne kasvavat voimakkuudeltaan. Vaikutus muistuttaa suuren aukon (aperture) vaikutusta valokuvauksessa. (Tästä johtuu SAR-tutkan nimi.) Tarkkuuteen vaikuttaa myös keilan leveys (toinen x/y-elementti on keilan leveys). Hyvin kapea keila saadaan näennäisesti suurella antennilla. Lopputuloksena saadaan tarkkuudeltaan ja resoluutioltaan lähes valokuvamaisia kuvia.

SAR vaatii nykyisessä muodossaan hyvin suurta laskentakapasiteettia erillisten kaikujen yhdistämiseen eli synteettisen antennin muodostamiseen. Muistin määrä ja laskentakapasiteetti määräävät synteettisen antennin näennäisen pituuden ja siksi myös koko järjestelmän resoluution.

SLAR- ja SAR-tutkat kehitettiin toisen maailmansodan jälkeen Yhdysvalloissa tiedustelun tarkoituksiin. Sittemmin SAR-tutka on otettu käyttöön mm. ympäristön ja metsien kaukokartoituksessa esim. helikoptereissa ja satelliiteissa. Satelliiteissa SAR-tutkia on maapallon kaukokartoituksen lisäksi käytetty myös planeettaluotaimissa, kuten Venusta tutkineessa Magellanissa.

Tiedustelukäyttö

SAR-tutkia on ensin käytetty tiedustelulentokoneissa, kuten Lockheed SR-71, jossa tutka katsoi lentosuuntaansa nähden sivuun (SLAR-tutka; engl. side-looking airborne radar, suomeksi sivukulmatutka). SLAR-tutkan keila on korkea pystysuunnassa ja kapea koneen lentosuunnassa. SLAR-tutkassa suuri antenni on kuitenkin fyysinen, eli koneen sivun osan pituinen. Tällainen SLAR-tutka ei yksinään pysty samaan tarkkuuteen kuin varsinainen SAR-tutka.

SAR-tutkat ovat muutos nykyaikaisessa sodankäynnissä, koska tutka näkee yleisesti yöllä, pilvien läpi ja huonossa säässä (sade) ja suhteellisen tarkasti. Tämä paljastaa mm. vihollisen yöllä tai huonon lentosään aikana tekemät joukkojen siirrot. Merkittävä SAR-tutkasovellutus on amerikkalainen JSTARS-kone.

Satelliittikaukokartoitus

Koska pilvipeite on este avaruudesta tehtäville kaukohavainnoille, SAR-tutka on tullut suosituksi satelliittien kuvauslaitteeksi. Sen ongelma on 600–900 km:n kiertoradalta kuvattaessa heikko resoluutio.

SAR-tutkat satelliiteissa otti ensin käyttöön Yhdysvallat. ESAlla SAR-tutkia on ollut 1980-luvulla kehitetystä ERS-1-satelliitista lähtien. 2000-luvulla SAR-tutka on käytössä osassa kiinalaisista Yaogan-satelliiteista, Saksan TerraSAR-X- ja SAR-Lupe-satelliiteissa, Italian COSMO-Skymed-satelliiteissa jne. Länsimaiset satelliitit ovat yleensä "kaksikäyttöisiä" eli myös sotilaalliseen käyttöön tarkoitettuja, ja länsimaat epäilevät mm. Kiinan toimivan samoin. EU:n kehittelemässä GMES Sentinel 1 -satelliittiperheessä on aikanaan SAR-tutka.

Suomalaisen satelliittiyrityksen kehittämä Iceye X1 -tutkasatelliitti käyttää SAR-tutkaa.^[1]

Kirjallisuutta

• J. C. Curlander, R. N. McDonough: Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: Wiley, 1991. ISBN 978-0-471-85770-9 (englanniksi)
• W. G. Carrara, R. S. Goodman, R. M. Majewski: Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Algorithms. Boston: Artech House, 1995. ISBN 0-89006-728-7 (englanniksi)
• C. V. Jakowatz, D. E. Wahl, P. H. Eichel, D. C. Ghiglia, P. A. Thompson: Spotlight-Mode Synthetic Aperture Radar: A Signal Processing Approach. Springer, 1996. ISBN 978-1-4612-8573-1 (englanniksi)
• M. Soumekh: Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms. New York: Wiley, 1999. ISBN 0-471-29706-2 (englanniksi)

Aiheesta muualla

• SAR-tutkien kehittäjän (Sandian kansallinen laboratorio) sivut (englanniksi)
• SLAR-tutkan toiminnasta (englanniksi)
• Tutkatekniikkaa (ml. SAR ja SLAR) (englanniksi)
• Julkaisu SAR-tutkan liikekompensaatiomenetelmistä (suomeksi)

Lähteet

1. Matti Keränen: Suomalainen tutkasatelliitti lähetti ensimmäisen kuvan - "pelkästään tämä kuva tekee missiosta onnistuneen" Tekniikka & talous. 17.1.2018. Viitattu 17.1.2018. suomeksi