ماهواره‌های راداری سطحی جدید از فناوری فضایی را به ایران می‌آورند

به گزارش خبرگزاری آنا؛ حسن سالاریه، رئیس سازمان فضایی ایران، روز ۲۷ خرداد ماه در گفت‌وگویی رسانه‌ای از استمرار روند ساخت نخستین ماهواره راداری کشور خبر داد و گفت که از این ماهواره به‌زودی رونمایی خواهد شد. این رویداد، ایران را در جمع کشور‌های محدودی قرار می‌دهد که توان تولید ماهواره‌های مجهز به فناوری پیشرفته «رادار روزنه ترکیبی» (سار) را دارند.

این فناوری که به عنوان یکی از پیچیده‌ترین دستاورد‌های حوزه سنجش از دور شناخته می‌شود، افق‌های تصویربرداری فضایی را متحول کرده است و امکاناتی را فراهم می‌آورد که تا پیش از این برای بشر دور از ذهن بود.

فناوری «سار»؛ تصویربرداری فضایی در هر شرایط آب‌وهوایی

برای درک اهمیت این دستاورد، نخست باید با تفاوت بنیادین ماهواره‌های راداری با نمونه‌های معمولی آشنا شد. ماهواره‌های اپتیک یا نوری که سال‌هاست برای تصویربرداری از زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند، صرفاً نور بازتابیده از خورشید را جذب می‌کنند و بر اساس آن تصویر تولید می‌کنند.

این وابستگی ذاتی به منبع نور خارجی، محدودیت‌های جدی برای این ماهواره‌ها ایجاد می‌کند. در شب، زمانی که خورشید در افق غایب است، این ماهواره‌ها عملاً کور می‌شوند. همچنین در روز‌های ابری، بارانی یا همراه با گردوغبار، ابر‌ها و ذرات معلق در جو مانع از رسیدن نور به سطح زمین و بازگشت آن می‌شوند و تصاویر گرفته‌شده کیفیت خود را از دست می‌دهند یا اصلاً قابل استفاده نیستند. 

ماهواره‌های راداری چنین محدودیت‌هایی ندارند؛ چراکه خودشان منبع تولید نور یا به عبارت دقیق‌تر امواج رادیویی هستند. این ماهواره‌ها با تکیه بر فناوری رادار، امواج مایکروویو را به سمت زمین می‌فرستند و سپس بازتاب این امواج از اجسام مختلف را دریافت کرده و بر اساس آن تصویر تولید می‌کنند. بر اساس توضیح ناسا، «اصل اساسی هر رادار تصویربرداری، گسیل یک سیگنال الکترومغناطیسی به سمت یک سطح و ثبت مقدار سیگنالی است که بازمی‌گردد یا "پس‌پراکنده" می‌شود و همچنین تأخیر زمانی آن». تصویر راداری نهایی از قدرت و تأخیر زمانی سیگنال بازگشتی ساخته می‌شود که عمدتاً به زبری و خواص رسانایی الکتریکی سطح مشاهده‌شده و فاصله آن از رادار مداری بستگی دارد.

مکانیزم کاری این ماهواره‌ها بر پایه اصول کلی رادار استوار است؛ به این معنا که آنتن رادار، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس مشخصی را به سمت هدف گسیل می‌کند و سپس بازتاب این امواج از اشیاء موجود بر روی زمین را دریافت می‌نماید. در رادار‌های روزنه ترکیبی (سار)، این فرایند با سرعتی بسیار بالا و در دفعات متعدد تکرار می‌شود و داده‌های خام حاصل از بازتاب امواج، با استفاده از الگوریتم‌های پردازشی ویژه، به تصاویری دو بعدی و حتی سه‌بعدی تبدیل می‌شوند.

تکنیک «روزنه ترکیبی»؛ آنتن مجازی ۱۰ کیلومتری در مدار

آنچه این فناوری را از سایر سامانه‌های راداری متمایز می‌کند، استفاده از تکنیک «روزنه ترکیبی» یا «آنتن مجازی» است. در این روش، به جای استفاده از یک آنتن فیزیکی بسیار بزرگ، از حرکت ماهواره در مدار خود برای شبیه‌سازی یک آنتن بزرگ‌تر استفاده می‌شود. 

ناسا این فرایند را اینگونه توضیح می‌دهد: «تکنیک‌های سار از این واقعیت بهره می‌برند که رادار در مدار در حال حرکت است تا یک آنتن مجازی ۱۰ کیلومتری را از یک آنتن فیزیکی ۱۰ متری در جهت پرواز ترکیب کند. با جبران تاریخچه فاز هر پالس ثبت‌شده برای یک نقطه، می‌توان سیگنال را از طریق پردازش رایانه‌ای متمرکز کرد - و یک "روزنه ترکیبی" به جای یک روزنه واقعی محدود ایجاد کرد». این ویژگی باعث می‌شود که ماهواره‌های سار با آنتنی نسبتاً کوچک، به دقتی دست یابند که پیش‌ازاین تنها با آنتن‌های غول‌پیکر و غیرقابل حمل در فضا امکان‌پذیر بود.

«روزنه ترکیبی روشی است که برای بهبود تفکیک‌پذیری رادار در جهت آزیموت یا به‌طور دقیق‌تر، در جهت بردار سرعت سکو به کار می‌رود. این تفکیک‌پذیری را می‌توان با آنچه که توسط یک آنتن فیزیکی بسیار بزرگ به دست می‌آید مقایسه کرد». یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز ماهواره‌های سار استقلال تفکیک‌پذیری از طول‌موج، سرعت سکو و فاصله تا هدف است.

این نوع ماهواره‌ها قادر به تفکیک‌پذیری از طول‌موج مستقل هستند. ماهواره‌های رادار می‌توانند در هر فرکانسی ارسال کند؛ انتخاب فرکانس با معیار‌هایی غیر از تفکیک‌پذیری در راستای عرضی تعیین می‌شود. از سرعت سکو مستقل است این معنا را می‌دهد که رادار می‌تواند یا بر روی یک هلیکوپتر با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه یا یک ماهواره با سرعت ۷۵۰۰ متر بر ثانیه عمل کند. معنای استقلال از فاصله، این است که حتی در فواصل صد‌ها کیلومتر نیز می‌توان به تفکیک‌پذیری بسیار بالایی دست یافت».

تاریخچه ۷۰سالهٔ سار و باشگاه محدود تولیدکنندگان جهانی

تاریخچه پیدایش این فناوری به دهه ۱۹۵۰ میلادی بازمی‌گردد. بر اساس منابع معتبر علمی، «اصل سار در سال ۱۹۵۱ در آمریکا در شرکت گودیر توسط کارل وایلی پایه‌گذاری شد و کاربرد‌های آن در رادار‌های هوایی بلافاصله دنبال شد. در اروپا، اولین مطالعات توسط شرکت CSF در فرانسه در سال ۱۹۶۰ انجام شد و یک آزمایش پروازی در سال ۱۹۶۴ اجرا گردید.

سیستم Raphaël TH که از اواخر دهه ۸۰ توسط نیروی هوایی فرانسه استفاده می‌شد، تا به امروز تنها سیستم نظامی عملیاتی از این نوع در اروپا باقی مانده است». با گذشت زمان و پیشرفت علوم رایانه و پردازش سیگنال، این ایده به تدریج به مرحله عمل نزدیک شد و در دهه‌های بعد، نخستین سامانه‌های عملیاتی سار بر روی هواپیما‌ها و سپس ماهواره‌ها نصب شدند. امروزه این فناوری از انحصار نظامی خارج شده و به یکی از ابزار‌های کلیدی در علوم زمین، مدیریت بلایا، کشاورزی دقیق و پایش محیط زیست تبدیل شده است. اما همچنان ساخت و پرتاب ماهواره‌های مجهز به سار به دلیل پیچیدگی‌های فنی و هزینه‌های بالا، در انحصار تعداد محدودی از کشور‌ها قرار دارد.

بر اساس گزارش‌های منتشرشده، کشور‌های اروپایی مانند فرانسه (با ماهواره CSO)، آلمان (با ماهواره سارah)، اسپانیا (با ماهواره PAZ) و ایتالیا (با سیستم COSMO-SkyMed نسل دوم) دارای قابلیت‌های سنجش از دور هستند. همچنین شرکت فنلاندی ICEYE به عنوان یک تولیدکننده کلیدی، با کشور‌های متعددی از جمله لهستان، پرتغال، یونان، هلند، سوئد، آلمان و فنلاند برای تأمین ماهواره‌های سار قرارداد امضا کرده است. این کشور‌ها در کنار آمریکا، روسیه، چین، ژاپن، کانادا و اسرائیل، باشگاه محدود تولیدکنندگان این فناوری پیشرفته را تشکیل می‌دهند.

از سیل و زلزله تا پایش فرونشست؛ کاربرد‌های راهبردی سار

کاربرد‌های گسترده این ماهواره‌ها، آنها را به یکی از ارزش‌مندترین ابزار‌های سنجش از دور تبدیل کرده است. در حوزه مدیریت بلایای طبیعی، ماهواره‌های سار نقشی حیاتی ایفا می‌کنند. در جریان وقوع سیل‌های ویرانگر، زمانی که ابر‌ها و باران شدید، دید ماهواره‌های نوری را مسدود می‌کنند، ماهواره‌های راداری می‌توانند به راحتی از منطقه سیل‌زده تصویربرداری کنند و وسعت دقیق آب‌گرفتگی را نشان دهند؛ چراکه آب، امواج رادار را به‌گونه‌ای بازتاب می‌دهد که در تصاویر نهایی به‌خوبی قابل‌تشخیص است.

همچنین پس از وقوع زمین‌لرزه‌های شدید، تصاویر راداری به کمک تکنیکی به نام تداخل‌سنجی (Inسار) می‌توانند میزان جابه‌جایی پوسته زمین را با دقت میلی‌متر اندازه‌گیری کنند و به تیم‌های امدادی در ارزیابی خسارات و برنامه‌ریزی برای عملیات نجات کمک نمایند. در کشاورزی و مدیریت منابع آب، این ماهواره‌ها با اندازه‌گیری رطوبت خاک، به کشاورزان و کارشناسان منابع طبیعی کمک می‌کنند تا بتوانند الگوی آبیاری مزارع را بهینه‌سازی کرده و از هدررفت آب جلوگیری کنند. همچنین پایش رشد گیاهان و برآورد میزان محصول، از دیگر کاربرد‌های مهم این فناوری در حوزه امنیت غذایی است.

علاوه بر این، ماهواره‌های راداری در پایش محیط زیست و تغییرات اقلیمی نیز کاربرد‌های گسترده‌ای دارند.

تشخیص نشت نفت از کشتی‌ها و سکو‌های نفتی در دریا، پایش فرسایش سواحل، ردیابی حرکت یخچال‌های طبیعی و بررسی تغییرات سطح آب دریاها، همگی با استفاده از تصاویر سار امکان‌پذیر است. در حوزه زیرساخت‌های شهری و عمرانی، این ماهواره‌ها برای پایش پایداری سدها، پل‌ها، خطوط لوله نفت و گاز و ساختمان‌های بلندمرتبه مورد استفاده قرار می‌گیرند. با مقایسه تصاویر راداری در بازه‌های زمانی مختلف، مهندسان می‌توانند کوچک‌ترین جابه‌جایی‌های میلی‌متری در این سازه‌ها را شناسایی کرده و پیش از وقوع حوادث ناگوار، نسبت به تعمیر و ترمیم آنها اقدام کنند.

ارزآوری و قطع وابستگی به داده‌های خارجی در گرو بومی‌سازی سار

آناتک در ادامه اهمیت دستیابی ایران به فناوری ماهواره‌های راداری را بررسی ‌می‌کند. باید گفت ورود ایران به جمع تولیدکنندگان ماهواره‌های راداری، مزایای تجاری و اقتصادی قابل‌توجهی را به همراه خواهد داشت.

امروزه بازار تصاویر ماهواره‌ای راداری، بازاری میلیارد دلاری است و کشور‌های بسیاری به دلیل نداشتن این فناوری، ناچارند تصاویر مورد نیاز خود را از کشور‌های معدود تولیدکننده با قیمت‌های گزاف خریداری کنند. با بومی‌سازی این فناوری، ایران علاوه بر اینکه نیاز داخلی خود را مرتفع می‌سازد، این امکان را پیدا خواهد کرد که به یکی از صادرکنندگان این تصاویر در منطقه و جهان تبدیل شود و ارزآوری قابل‌توجهی برای کشور به ارمغان آورد. همچنین دسترسی رایگان یا کم‌هزینه به تصاویر راداری، می‌تواند وابستگی دستگاه‌های اجرایی و مراکز علمی کشور به داده‌های خارجی را به حداقل برساند.

این دستاورد اما فراتر از منافع اقتصادی، تأثیرات مستقیم و ملموسی بر زندگی مردم عادی نیز خواهد داشت. رئیس سازمان قضایی ایران، چندی پیش با اشاره به اهمیت صنعت فضایی، بر ضرورت سرمایه‌گذاری در این حوزه و بهره‌مندی از ظرفیت‌های آن برای حل مشکلات کشور تأکید کرد. این تأکید، دقیقاً به همان کارکرد‌های عملیاتی و مردمی ماهواره‌های راداری اشاره دارد. به عنوان مثال، در حوزه مدیریت بحران و بلایای طبیعی که هر ساله جان و مال بسیاری از هموطنان را تهدید می‌کند، در اختیار داشتن ماهواره راداری به سازمان مدیریت بحران کشور این امکان را می‌دهد تا در زمان وقوع سیل یا زلزله، بدون نیاز به انتظار برای هوای صاف و با دقت بالا، از مناطق آسیب‌دیده تصویربرداری کرده و به سرعت نسبت به توزیع امکانات امدادی و ارزیابی خسارت اقدام نماید.

این فناوری در بخش کشاورزی نیز می‌تواند به مدیریت بهینه منابع آبی کمک شایانی کند. با توجه به بحران کم‌آبی که کشور با آن دست‌وپنجه نرم می‌کند، تصاویر راداری می‌توانند رطوبت خاک مزارع را با دقت بالایی اندازه‌گیری کنند و به کشاورزان نشان دهند که کدام بخش از مزرعه نیاز به آبیاری دارد و کدام بخش خیر. این امر می‌تواند به کاهش هدررفت آب، افزایش بهره‌وری محصولات کشاورزی و در نتیجه افزایش درآمد کشاورزان منجر شود که ارتباط مستقیمی با معیشت مردم دارد.

سرمایه‌گذاری برای امنیت و رفاه ملی با ماهواره‌های راداری

همچنین پایش فرونشست زمین در مناطق مختلف کشور، به ویژه در اطراف شهر‌های بزرگ و دشت‌های کشاورزی، یکی از دغدغه‌های مهم زیستی است که با استفاده از داده‌های ماهواره‌های راداری می‌توان به‌خوبی آن را پایش کرده و نسبت به جلوگیری از بحران‌های احتمالی آتی برنامه‌ریزی کرد.

ساخت ماهواره راداری، یک گام فراتر از یک موفقیت صرفاً علمی و فناورانه است؛ این پروژه به نوعی سرمایه‌گذاری برای امنیت، آرامش و رفاه بیشتر مردم ایران به شمار می‌رود. با کاهش وابستگی به تصاویر خارجی و دسترسی به داده‌های دقیق و به‌هنگام در حوزه‌های مختلف، بسیاری از گره‌های مدیریتی و برنامه‌ریزی در کشور گشوده خواهد شد.