‮رادارُ الفتحة الاِصطناعية (RAS) ‭

رادارُ الفتحة الاِصطناعية (أو SAR) هو أكثر أنواع أنظمة الرادار شيوعًا المُستَخدمة في الاِستِشعارِ عن بُعدٍ والتي يمكنها إنتاجَ صورًا مشابهة للصور مُتعدّدة الأطياف التي ناقشناها في الأسبوع الثالث (3). على الرغم من أن SAR هو موضوعٌ رائعٌ إلا أنه أيضًا تقني جداً لذا لن نتمكن من تقديمه إلا لفترةٍ وجيزة في هذا الفصل الدراسي .

تطلقُ الأقمار الصناعية لِ SAR شُعاعًا واسعًا من موجات الراديو على الأرضِ بزاويةِ أثناء دورانها . يؤدي هذا إلى إبقاءِ أيّ جزءٍ من سطح الأرض مرئياً على مدى فترة زمنية طويلة ، ويحاكي بذكاءٍ وجودَ هوائي (أنتّينا antenna) طويل جدًا لقياسِ الإشارة المُنعكِسةِ من السطحِ . إنّ الهندسةَ الدقيقة صعبٌ اِستِيعابِها ، لذلك لا تقلقْ كثيرًا بشأنها إذ إنها تشبهُ إلى حد ما رميَ كرة على الحائط بزاويةٍ ثُمَّ التقدُّم إلى جانب واحد للإمساكِ بِها ولكن يتمُ إلقاءُ الكثيرَ من الكُراتِ دُفعةً واحدة .

_{ستبقى البحيرةُ الزرقاء الصغيرة في شُعاع الراديو لفترة ٍمن الوقت بينما يطيرُ القمر الصناعي على طول مداره ويستقبِلُ ويعالجُ باِستمرارٍ الإشارة التي تنعكسُ عليه . تُحاكي هذه الفتحة الاِصطناعية هوائياتَ (أنتّينا) بطولِ عدة آلافٍ من الأمتار . بترخيصٍ من ويليام ديدمان .}

يتُّمُ اِستِخدامُ أطوال موجية راديوية مُختلفة بِواسطةِ أقمار رادار الفتحة الصناعية المُختلفة . تنتجُ الأطوال الموجية الأقصر صورًا عالية الدقة ، لكن يُمكن للأطوال الموجية الأطول اِختراقَ الغطاء النباتي والجليد وحتى التربة . كما يُمكنُ لجميع الرادارات اِختراقَ السحابة وبالتالي يمكنُ دائمًا اِلتقاطُ صوراً واضحةً بغضِ النظر عن الظروف الجوية . نظرًا لأن أقمار رادار الفتحة الصناعية (SAR) لا تعتمد على إشعاعِ الشمس فإنّه يُمكنها أيضًا اِلتقاطَ الصور باِستمرارٍ حتى في فترة الليل .

_{تستخدمُ أنواعٌ مختلفة من SAR أطوال موجية مختلفة إذ تنتج الأطوال الموجية الأقصر بياناتً عالية الدقة ولكنها لا تستطيع اِختراق العديد من المواد . اِستِناداً إلى صورةٍ مُقدّمة من وكالة ناسا .}

نظرًا لأن الإشارة التي يتم إطلاقها واِنعكاسها على سطح الأرض هي إشعاع راديو/ميكروويف فإن الاِستِشعار عن بُعدٍ بالـ SAR لا ينتجْ صورًا ملونة يمكن التعرُّف عليها. يُمكنُ بدلاً من ذلك عرضُ مُختلَفَ المُكونات المُتنَوعة للإشارة المُرتّدة المُعالَجة في صور RGB كحُزمٍ تمامًا مثل الصور مُتعدِّدة الأطياف التي نظرنا إليها الأسبوع الماضي.

_{صورة SAR (في الأعلى) وصورة باللون الطبيعي (في الأسفل) للمنطقةِ المُحيطة بـِمدينة أوبار المفقودة . يمكنُ رؤية المسارات الوردية في صورة الرادار المؤدية إلى المُستوطنة الصحراوية التي كما تقول الأسطورة أنّها كانتْ موطنَ ملِكة سبأ . بِترخيصٍ من وكالة ناسا .}

لفهمِ صور رادارُ الفتحة الاِصطناعية (SAR) هذه بشكلٍ أفضل سنُلقي نظرةً على Sentinel-1 وهي مَهمَةٌ واحِدةٌ مُحدّدة من مَهام SAR بمزيدٍ من التفصيلِ .

سنتنيل -1

Sentinel-1 هو برنامجُ SAR التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA). يتكون من قمرين صناعيين هما Sentinel-1A و 1B والذين تمَّ إطلاقهما في عامي 2014 و 2016 . يمكنُ لِهذين القمرين معًا رسمَ خريطة للأرض بأكملها في ستة أيام ويعملان بغض النظر عن الوقت من اليوم أو الظروف الجوية. كما يُمكنُ لوكالة الفضاء الأوربية كما هو الحال مع بيانات الاِستِشعار عن بُعدٍ الأخرى تحميلَ بيانات Sentinel-1 من مركز Copernicus Science Hub الذي اِستخدمناه لتحميلِ صور Sentinel-2 في الأسبوع الثاني (2).

_{أحدُ الأقمارُ الصناعية Sentinel-1. بِترخيصٍ من وكالة الفضاء الأوروبية .}

تحتوي أقمارُ Sentinel-1 الصناعية على أوضاعٍ مُختلِفة لجمعِ البيانات ، ولكن الأكثر شيوعًا لها هي دِقةٌ تبلغُ حوالي 10 أمتارٍ . يتُّمُ مثل معظم أنظمة رادار الفتحة الاصطناعية (SAR) إرسالَ إشارة موجة الراديو Sentinel-1 في اِتجاهٍ مُعيّن فيما يتعلّقُ بالقمرِ الصناعي وهذا ما يُسمى “الاِستِقطاب” والذي يُمكنُ أن يكون إما عموديًا أو أفقيًا . تتطابقُ موجةُ الإشارة العائدة مع الإشارةِ الصادِرة أو سيتمُ تحويلُها إلى الاِستقطاب المُعاكِس. يُشارُ إلى ذلك عادةً من خلال زوجٍ من الأحرف (إما V للعمودي أو H للأفقي) مع الاِستِقطاب الصادر المكتوب أولاً وإشارة الاِستِقطاب المُستَقبلة ثانِياً .

Sentinel-1 إرسال/تلّقي الاِستِقطاب

هذه هي الطريقة التي يتمُ بها تفسيرُ صور َ رادار الفتحة الاصطناعية (SAR) حيث تتبدّدُ الأسطُحُ المُختلفة وتعكسُ إشارة SAR بطرقٍ مُختلفة. إنّ أسهلَ طريقة لإظهارِ هذه العملية هي مع بعضِ الأمثلة .

_{حُزمة Sentinel-1 VV (في الأعلى) ومركبات الألوان الحقيقية Sentinel-2 (في الأسفل) من عام 2022 . بترخيصٍ من وكالةِ الفضاء الأوروبية .}

فيما يلي مُركّبان لصورِ الأقمار الصناعية لِمدينةِ بيروت وهما صورةُ ألوان حقيقية من Sentinel-2 أدناه ومُخطّطُ إشارة Sentinel-1 VV أعلاه . يُمكنك بِمقارنة هذين المُركّبَين أن ترى أنّ الأسطُحَ المُختلفة تستجيبُ بشكلٍ مُختلِفٍ تمامًا لإشارة الرادار من القمر الصناعي Sentinel-1. لاتعكِسْ الأسطح المُستوية مثل البحر والطرق المُعبّدة على سبيل المثال المُدرّجات في مطار بيروت في أسفل يسار الصورة أياً من الإشارة العائدة تقريبًا وتظهرُ مُظلمةً ، بينما تعكسُ المباني ذلك بقوةٍ كبيرة وبالتالي تبدو مُشرقةً . تعطي الأراضي غير المستوية ومناطق الغطاء النباتي اِستجابةً ضعيفة (أُنظُر إلى الحدائق في المدينة والأرض الجرداء حول مدارج المطار). كما وتكون الاِستجابةُ من الجبال الصخرية أقوى قليلاً ولكنها تختلِفُ وِفقًا لِشِدّةِ الاِنحدار والاِتجاه الذي يواجهه المُنحَدر .

_{مُخطّطُ حُزمةُ Sentinel-1 VH من عام 2022. بِترخيصٍ من وكالة الفضاء الأوروبية.}

تُظهِرُ هذه الصور قوةَ إشارة VH وهذا هو الإشعاع الذي غيّر اِستِقطابه من رأسي إلى أفقي . تميلُ الأسطُح الخشنة جداً بشكلٍ عامٍ إلى تبديل اِستِقطاب الإشارة بشكلٍ أكبرٍ . ويمكنك الرؤيةُ من خِلال الصورِ أن النمطَ العام متشابهٌ لكن الاِستجابةَ من المباني أضعفُ قليلاً لأنها تميلُ إلى عكسِ الإشارة مرة أخرى دون تغيير الاِستِقطاب. كما تكون الأرض الجرداء ومناطق الغطاء النباتي أقوى قليلاً حيث من المُرجّح أن تغيّر هذه الأسطح إشارتها .

_{مُخطّطُ Sentinel-1 VV / VH من عام 2022. بِترخيصٍ من وكالة الفضاء الأوروبية.}

تتمثّلُ إحدى طرق رؤية ذلك بشكل أكثر وضوحًا في تقسيم قيم VV على قيم VH ثم رسم النتيجة . ونظرًا لِميلِ إشارة VV إلى أن تكون أقوى من إشارة VH فيما يتعلقُ بِالمباني فإنها تلمعُ باللون الأبيض. ويبدو العكسُ صحيحاً بالنسبة للأرض الجرداء ومناطق الغطاء النباتي إذ أنها تبدو أكثر ظلمة . إنظُر كم هو سهلٌ تمييزَ مناطق السكن البشري عن الصخور الجرداء في الجبال خلف المدينة في المُخطّطِ S1 مقارنةً بالصورةِ المُلونة الحقيقية S2 .

_{يتكونُ مُخطّطُ Sentinel-1 RGB من الصور الثلاث أعلاه (في الأعلى) ومُركّبُ اللون الحقيقي Sentinel-2 (في الأسفل) من عام 2022. بترخيصٍ من وكالة الفضاء الأوروبية .}

يمكننا اِستخدامَ هذه المُخطّطات الثلاثة كحُزمٍ في مركب RGB تمامًا كما نفعل مع الصور مُتعدِّدة الأطياف . من السهل رُؤيةُ كيف يمكننا اِستِخدامَ هذا النوع من البيانات لرسمِ خريطة للمظاهِر ِالطبيعية أو حتى العثور على مواقع أثرية .

_{يُظهِرُ مُركّبُ Sentinel-1 RGB لجزءٍ من شمال العراق تنوعًا موسِميًا ، إذ أنّ الأحمر هو الشتاء والأخضر هو الربيع والأزرق هو الصيف . بِترخيصٍ من وكالة الفضاء الأوروبية.}

هناك الكثير من الطرق لعرضِ S1 وبيانات SAR الأخرى مرئياً . يرسمُ هذا المثال من شمال العراق إشارةَ VV من أوقات مختلفة من السنةِ . تُشكِّلُ البيانات من أشهر الشتاء الحُزمة الحمراء والربيع الحُزمة الخضراء والصيف الحُزمة الزرقاء . توجدُ معظم المحاصيل في الحقل في فصلِ الشتاءِ وتعكِسُ هذه المحاصيل الإشارةَ بشكلٍ أفضل من الأرض الجرداء لذلك تبدو الحقول حمراء . كما يبدو أنّ مناطق الأهوار تَعكِسُ الإشارة بشكلٍ أفضل في الربيع والصيف وهذا ربما بِسببِ نمو المزيد من النباتات في الماء خلال هذا الجزء من العامِ لذلك تظهرُ هذه المناطق باللون الأزرق المُخضّرِ .

هل تلاحِظُ الأشكال السوداء غير المُنتَظمة في الحقول ، فهذه هي تلالُ اِستيطان قديمة. هل يمكنك رُؤيةَ بناء منازل حديثة فوق أيّ منها ؟ تعكِسُ المباني إشارةَ الرادار بشكلٍ أفضلٍ بكثير من التِلال بحيث تظهر على أنها نقاطٌ ساخنة أكثر سطوعاً .

لقد خدشنا سطحَ رادار الفتحة الاصطناعية فقط ولكن يجبُ علينا الآن المُضي قُدمًا للنظرِ في كيفية اِستِخدامِ بيانات الاِرتفاع المُشتّقة من الرادار في علم الآثار .