سنجش از دور راداری

فناوری سنجش از دور در سال های اخیر بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از روش ها یا ماهیت های تصویر برداری راداری است. در مقاله سنجش از دور راداری به صورت جامع در مورد این نوع تصویر برداری، اصول آن، انواع آن از نظر آنتن، پلاریزه های مختلف و انواع باند های آن بحث شده است. این مقاله اصول سنجش از راه دور رادار، کاربردها، مزایا و محدودیت‌های آن را مورد بحث قرار می‌دهد.

سنجش از دور راداری

سنجش از دور رادار (RAdio Detection And Ranging-RADAR) فناوری است که برای به دست آوردن اطلاعات در مورد سطح زمین از طریق ارسال امواج الکترومغناطیسی از یک سیستم راداری و دریافت سیگنال هایی که از هدف منعکس می شود استفاده می شود.
فناوری رادار ابتدا برای کاربردهای نظامی توسعه داده شد، اما از آن زمان کاربردهای گسترده‌ای در زمینه های مختلف غیرنظامی مانند زمین‌شناسی، کشاورزی، هواشناسی و نظارت بر محیط زیست یافت. سنجش از دور رادار به ابزاری ضروری برای رصد زمین تبدیل شده است و دانشمندان را قادر می سازد تا سطح زمین را با جزئیات بی سابقه ای مطالعه کنند.

معرفی باندها و طول موج راداری

سنجش از دور راداری در بخش ماکروویو امواج الکترومغناطیس و محدوده طول موج 1 سانتی متر تا 1 متر (معادل GHz 0.3 تا GHz 300) را پوشش می‌دهد. در این محدوده باندهای مختلفی قرار خواهد گرفت که در ادامه این باند ها را ارائه خواهیم داد و ویژگی کلی هر کدام از این محدوده ها ارائه شده است.

• باندهای Ka، K و Ku: طول موج‌های بسیار کوتاهی که در سیستم‌های رادار اولیه هوابرد استفاده می‌شوند، اما امروزه غیرمعمول هستند.
• X-band: به طور گسترده در سیستم های هوابرد برای شناسایی نظامی و نقشه برداری از زمین استفاده می شود.
• باند C: رایج در بسیاری از سیستم های تحقیقاتی هوابرد (CCRS Convair-580 و NASA AirSAR) و سیستم های فضایی (از جمله ERS-1 و 2 و RADARSAT).
• باند S: در ماهواره روسی ALMAZ استفاده می شود.
• باند L: روی ماهواره های SEASAT آمریکا و ژاپنی JERS-1 و سیستم هوابرد ناسا استفاده می شود.
• باند P: طولانی ترین طول موج راداری، مورد استفاده در سیستم تحقیقاتی آزمایشی هوابرد ناسا کاربرد دارد.

لازم به ذکر است که تصاویر ثبت شده از یک تارگت در باند‌های مختلف منجر به ایجاد تصویر متفاوت می‌شود. این به دلیل روش‌های مختلف تعامل انرژی رادار با تارگت است.

اصول اولیه سنجش از دور راداری

سنجش از راه دور رادار بر اساس اصل انتقال سیگنال مایکروویو به سمت هدف و دریافت سیگنال منعکس شده کار می‌کند. سیستم رادار از یک فرستنده، یک آنتن و یک گیرنده و ثبت کننده تشکیل شده است. فرستنده یک موج الکترومغناطیسی تولید می کند و آن را از طریق آنتن به هدف می فرستد.
موج الکترومغناطیسی از جو عبور می‌کند و با هدف تعامل دارد. مقداری از انرژی توسط هدف جذب می شود و انرژی باقی مانده به سمت آنتن منعکس می شود. سیگنال منعکس شده توسط آنتن دریافت می شود و سپس توسط گیرنده دریافت می شود. در نهایت بعد ار فیلتر و تقویت امواج به سوی ثبت‌کننده هدایت می‌شود.
ثبت‌کننده انرژی‌های دریافتی را بر روی وسایل نگهداری داده ذخیره می‌کند. هرچه میزان انرژی بازگشتی از هدف بیشتر باشد بر روی تصویر روشنتر دیده می‌شود. بر عکس هرچه انرژی بازگشتی از هدف کمتر باشد بر روی تصویر تیره‌تر دیده می‌شود.

خواص سیگنال منعکس شده به خواص فیزیکی هدف مانند ترکیب، ساختار و زبری سطح آن بستگی دارد. سیستم رادار می تواند تاخیر زمانی بین پالس‌های ارسالی و انرژی دریافتی و همچنین دامنه و فاز سیگنال منعکس شده را اندازه گیری کند. تأخیر زمانی مربوط به فاصله بین سیستم رادار و هدف است، در حالی که دامنه و فاز اطلاعاتی در مورد ویژگی های فیزیکی هدف ارائه می دهد.

انواع سیستم تصویر برداری راداری

در تصاویر راداری از نوع روش برای جمع اوری و ارسال اطلاعات استفاده میشود. بسته به نوع سیستم تصویر برداری ویژگی های مختلف مانند دیافراگم و طول آنتن و خیلی دیگر از موارد تقسیم بندی میشود. سیستم تصویربرداری راداری شامل دو بخش عمده می‌باشد:

1. رادار با آنتن واقعی (Real Aperture Radar)؛ RAR
2. رادار با آنتن مصنوعی(Synthetic Aperture Radar)؛ SAR

رادار با آنتن واقعی

رادار آنتن واقعی (RAR) نوعی سیستم راداری است که از آنتن فیزیکی برای ایجاد تصویری با وضوح بالا از یک هدف استفاده می کند و برخلاف سیستم SAR نیاز به پردازش‌های اضافه ندارد. RAR با ارسال سیگنال راداری به سمت هدف کار می کند و سپس سیگنال بازتابی را دریافت می کند که از هدف باز می‌گردد. با اندازه‌گیری تاخیر زمانی و تغییر فاز سیگنال منعکس شده، RAR می تواند فاصله و جهت هدف را تعیین کند. این سیستم روی هواپیماها نصب می‌شود.

ویژگی کلیدی RAR این است که دیافراگم آنتن از نظر فیزیکی بزرگ است، که اجازه می دهد تا وضوح زاویه‌ای بالایی در سیگنال دریافتی داشته باشید. این بدان معنی است که جزئیات کوچک در هدف را می توان با دقت بالا به تصویر تبدیل کرد. با این حال، این بدان معناست که RAR میدان دید باریکی دارد و به طور کلی محدود به تصویربرداری تنها بخش کوچکی از هدف در یک زمان است.

 

RAR طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله در شناسایی نظامی، سنجش از دور، و نقشه برداری زمین شناسی دارد. در کاربردهای نظامی، RAR اغلب برای شناسایی و ردیابی اهداف روی زمین یا هوا استفاده می شود. در کاربردهای سنجش از دور، RAR برای نقشه برداری از سطح زمین، اندازه گیری ارتفاع سطح دریا و تشخیص نشت نفت استفاده می شود. در نقشه برداری زمین‌شناسی می‌توان از RAR برای ترسیم ساختار زیرسطحی زمین از جمله ذخایر معدنی و مخازن نفت و گاز استفاده کرد.

رادار با آنتن مصنوعی

رادار دیافراگم مصنوعی (SAR) نوعی سیستم راداری است که از یک سری الگوریتم‌های پیچیده و تکنیک‌های پردازش سیگنال برای ایجاد تصاویری با وضوح بالا از اهداف روی زمین، حتی در شرایط نامساعد جوی یا در شب استفاده می‌کند. سیستم SAR معمولا در ماهواره‌ها یا فضاپیماها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

SAR با ارسال سیگنال راداری به سمت هدف کار می کند و سپس سیگنال منعکس شده را دریافت می کند که از هدف باز می گردد. آنتن مورد استفاده در SAR معمولاً کوچک است، اما با پردازش داده‌های جمع‌آوری‌شده از چندین سیگنال رادار، SAR می‌تواند دیافراگم آنتن بسیار بزرگ‌تری را شبیه‌سازی کند. این دیافراگم مصنوعی اجازه می دهد تا تصویری با وضوح بالا از هدف حتی از راه دور ایجاد شود.

تصویر SAR با ترکیب و پردازش داده های جمع آوری شده از چندین سیگنال رادار ایجاد می شود. این پردازش شامل تصحیح عواملی مانند حرکت آنتن، انحنای زمین و اثرات جو است. تصویر به دست آمده یک نمایش دو بعدی از هدف با وضوح و جزئیات بالا است.

SAR طیف گسترده ای از کاربردها از جمله در شناسایی نظامی، رصد زمین و مدیریت بلایا دارد. در کاربردهای نظامی، SAR اغلب برای شناسایی و ردیابی اهداف متحرک مانند وسایل نقلیه و کشتی ها استفاده می شود. در رصد زمین، SAR می تواند برای نقشه برداری و نظارت بر سطح زمین، از جمله تغییرات کاربری زمین، جریان های اقیانوسی و بلایای طبیعی مانند زلزله و سیل استفاده شود. در مدیریت بلایا، SAR می تواند برای شناسایی و نظارت بر آسیب به زیرساخت ها و کمک به تلاش های نجات و بازیابی استفاده شود.

پلاریزاسیون

پلاریزاسیون یکی از مفاهیم مهم در تصاویر راداری است که به معنای تعیین جهت یا قطبیت موج‌های راداری است. در حقیقت، پلاریزاسیون به تعیین جهت امواج الکترومغناطیسی موجود در سیگنال راداری اشاره دارد که با استفاده از آن می‌توان اطلاعات مفیدی درباره خصوصیات محیط تحت پوشش را از قبیل ساختار، بافت و خصوصیات سطحی آنها به‌دست آورد.

در تصاویر راداری، سیگنال‌های الکترومغناطیسی از سیستم رادار به سمت محیطی که قرار است تحت پوشش قرار بگیرد، منعکس می‌شوند. پلاریزاسیون سیگنال راداری به معنای تعیین جهت حرکت این سیگنال در فضا و تعیین قطبیت آن است. در واقع، پلاریزاسیون به ما کمک می‌کند تا بتوانیم تفاوت‌های جزئی در بافت و خصوصیات سطحی محیط تحت پوشش را تشخیص دهیم و برای کاربردهای مختلف مانند تصویربرداری از مناطق دشوار دستگاهی، نظارت و کنترل زمینی، تعیین نقشه‌های دقیق از جاده‌ها و مسیرهای حمل‌و‌نقل، تعیین موقعیت برخی شیء‌ها و اشیاء در محیط، استفاده کنیم.

انواع پلاریزاسیون

در عمل، پلاریزاسیون راداری شامل تعیین دو وضعیت مختلف است: پلاریزاسیون عمودی (Vertical Polarization) و پلاریزاسیون افقی (Horizontal Polarization). به‌عنوان مثال، در پلاریزاسیون عمودی، سیگنال راداری در جهت عمودی به سطح زمین ارسال و دریافت می‌شود. این نوع پلاریزاسیون برای تشخیص و جداسازی ساختارهای کوچک مانند درختان، گیاهان، ساختمان‌ها و موانع کوچک‌تر استفاده می‌شود. اما در پلاریزاسیون افقی، سیگنال در جهت افقی به سطح زمین ارسال و دریافت می‌شود و برای تشخیص و جداسازی سطوح صاف و بزرگ‌تر مانند دریا، بیابان‌ها و فضاهای خالی استفاده می‌شود.

همچنین، می‌توان به صورت ترکیبی از دو پلاریزاسیون عمودی و افقی بهره برد و پلاریزاسیون میله‌ای (Cross Polarization) را تولید کرد. در این روش، سیگنال راداری همزمان به دو جهت عمودی و افقی به سطح زمین ارسال و دریافت می‌شود. تصاویر راداری دارای چهار پلاریزاسیون استاندارد است که شامل:

VH: برای انتقال عمودی و دریافت افقی،
HV: برای ارسال افقی و دریافت عمودی،
VV: برای ارسال عمودی و دریافت عمودی و
HH: برای ارسال افقی و دریافت افقی.

حرف اول پلاریزاسیون ارسالی و حرف دوم پلارسزاسیون دریافتی را نشان می‌دهند.

در کل، پلاریزاسیون در تصاویر راداری یک ابزار مهم است که به ما کمک می‌کند تا با استفاده از تفاوت‌های جزئی در بافت و خصوصیات سطحی محیط تحت پوشش، اطلاعات بیشتری را دریافت کنیم و به صورت دقیق‌تری در مورد محیطی که قرار است تحت پوشش قرار گیرد، اطلاعاتی را به‌دست آوریم.

اعوجاج هندسی در تصاویر راداری

سیستم تصویربرداری راداری به صورت مایل فاصله سنجنده تا تارگت را اندازهگیری می‌کند. به دلیل این هندسه تصویربرداری، تصاویر راداری دارای چند نوع اعوجاج هندسی هستند که در ادامه به معرفی مهمترین آن‌ها پرداخته می‌شود.

•  کوتاه شدگی،
•  سایه‌های راداری و
•  وارونگی

کاربردهای سنجش از راه دور رادار

سنجش از دور رادار کاربردهای متعددی در زمینه های مختلف دارد. برخی از کاربردهای مهم سنجش از راه دور راداری در زیر مورد بحث قرار گرفته است:

کشاورزی

سنجش از راه دور رادار در کشاورزی برای نظارت بر رشد و سلامت محصول استفاده می شود. می تواند تغییرات در رشد و نمو محصول، رطوبت خاک و تنش گیاه را تشخیص دهد. از این اطلاعات می توان برای بهینه سازی روش های آبیاری، کوددهی و مدیریت آفات استفاده کرد.

 

زمین شناسی

سنجش از دور رادار در زمین شناسی برای مطالعه سطح و زیر سطح زمین استفاده می شود. می تواند ویژگی های زمین شناسی مانند گسل ها، چین خوردگی ها و شکستگی ها را تشخیص دهد. همچنین برای نقشه برداری ساختارهای زمین شناسی مانند لایه های سنگی و حوضه های رسوبی استفاده می شود.

 

محیط زیست

سنجش از دور رادار در پایش محیطی برای مطالعه بلایای طبیعی مانند سیل، طوفان و زلزله استفاده می شود. همچنین می توان از آن برای نظارت بر آلودگی، جنگل زدایی و تغییرات کاربری زمین استفاده کرد.

 

 هواشناسی

سنجش از دور رادار در هواشناسی برای مطالعه الگوهای آب و هوا، مانند بارش، پوشش ابر و سرعت باد استفاده می شود. همچنین می توان از آن برای پیش بینی رویدادهای آب و هوایی شدید مانند طوفان های تندری و گردباد استفاده کرد.

دفاع

سنجش از راه دور رادار در دفاع برای اهداف شناسایی و نظارت استفاده می شود. می تواند اهداف متحرک مانند هواپیما، کشتی و وسایل نقلیه را شناسایی و ردیابی کند.

 سیلاب

یکی از کاربردهای بسیار خوب راداری شناسایی مناطق سیلابی است. برای این منظور میتوانید آموزش شناسایی مناطق سیلابی با سنتینل 1 در ارث انجین را مشاهده بفرمایید.

مزایای سنجش از راه دور رادار

سنجش از راه دور رادار نسبت به سایر فناوری های سنجش از راه دور مانند سنجش از دور اپتیک مزایای متعددی دارد. برخی از مزایا عبارتند از:

قابل استفاده در شرایط جوی مختلف

سنجش از راه دور رادار می تواند در همه شرایط آب و هوایی مانند باران، برف، مه و تاریکی عمل کند. این به این دلیل است که سیگنال های مایکروویو مورد استفاده توسط رادار می توانند از پوشش ابرها و سایر شرایط جوی نفوذ کنند.

 عملکرد روز و شب

سنجش از راه دور فعال می تواند هم در روز و هم در شب کار کند، برخلاف سنجش از راه دور اپتیک، که برای کار کردن به نور خورشید نیاز دارد.

 قابلیت نفوذ

سنجش از راه دور رادار می تواند از طریق پوشش گیاهی، خاک و سایر مواد غیر فلزی نفوذ کند. این به آن اجازه می دهد تا سطح زیرین را مطالعه کند، که با سنجش از دور نوری امکان پذیر نیست.

تصویربرداری با وضوح بالا

سنجش از راه دور رادار می تواند تصاویری با وضوح بالا با اندازه پیکسل از چند متر تا چند سانتی متر تولید کند. این امکان نقشه برداری و تجزیه و تحلیل دقیق از سطح زمین را فراهم می کند.

در این مقاله ما در مدرسه سنجش از دور سعی کردیم که به صورت خیلی کلی در مورد سنجش از دور و کاربرد های آن مطالبی ارائه دهیم، اگر با انواع تصاویر راداری آشنایی ندارید توصیه خواهیم کرد که مقاله معرفی 6 ماهواره راداری پر کاربرد را مطالعه کنید. سنجش از دور راداری به نسبت سنجش از دور اپتیک پیچیدگی های بیشتری دارد. شاید یکی از مانع های بزرگ آن نبود تصاویر رایگان می باشد.

نویسنده مقاله: مهندس پریا فرزام، کارشناس سنجش از دور