Лаборатория реактивного движения НАСА использовала радиолокационные данные, полученные спутником ЕКА Sentinel-1A до и после извержения вулкана Кальбуко в Чили в 2015 году, чтобы создать эту интерферограмму, показывающую деформацию суши. Цветные полосы к западу от вулкана указывают на опускание суши. NISAR предоставит аналогичные изображения. Фото: ЕКА/НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Когда в ближайшие месяцы НАСА и Индийской организации космических исследований (ISRO) запустят новый спутник Земли NISAR (NASA-ISRO Radar Synthetic Aperture Radar), он будет захватывать изображения поверхности Земли настолько детальные, что они покажут, насколько движутся небольшие участки земли и льда. , вплоть до долей дюйма.
Снимая почти все твердые поверхности Земли дважды каждые 12 дней, он сможет увидеть изгиб земной коры до и после стихийных бедствий, таких как землетрясения; он будет следить за движением ледников и ледяных щитов; и он будет отслеживать изменения экосистем, включая рост и обезлесение лесов.
Выдающиеся возможности миссии обусловлены технологией, указанной в ее названии: радаром с синтезированной апертурой (SAR). Впервые разработанный НАСА для использования в космосе, SAR объединяет несколько измерений, полученных во время пролетающего над головой радара, чтобы сделать сцену ниже более четкой. Он работает как обычный радар, который использует микроволны для обнаружения удаленных поверхностей и объектов, но усиливает обработку данных, чтобы выявить свойства и характеристики в высоком разрешении.
Чтобы получить такие детали без SAR, радиолокационным спутникам потребуются антенны, слишком огромные для запуска, не говоря уже о работе. Ширина отражателя антенны радара NISAR в развернутом состоянии равна ширине городского автобуса. Однако для того, чтобы прибор L-диапазона миссии, используя традиционные радиолокационные методы, мог отображать пиксели Земли размером до 30 футов (10 метров) в диаметре, он должен был бы иметь диаметр 12 миль (19 километров).
Радар с синтезированной апертурой «позволяет нам очень точно уточнять ситуацию», — сказал Чарльз Элачи, который руководил космическими миссиями SAR НАСА, а затем работал директором Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии с 2001 по 2016 год. «Миссия NISAR откроет совершенно новую сферу узнать о нашей планете как о динамической системе».
На изображениях SAR, подобных тем, которые сделает NISAR, показан растительный покров горы Окмок на острове Умнак на Аляске. Созданный на основе данных, полученных в августе 2011 года с помощью прибора UAVSAR НАСА, он является примером поляриметрии, которая измеряет ориентацию возвратных волн относительно ориентации передаваемых сигналов. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Как работает SAR
Элачи прибыл в Лабораторию реактивного движения в 1971 году после окончания Калифорнийского технологического института, присоединившись к группе инженеров, разрабатывающих радар для изучения поверхности Венеры. Тогда, как и сейчас, привлекательность радара была проста: он мог собирать данные днем и ночью и видеть сквозь облака. Работа команды привела к миссии Магеллана на Венеру в 1989 году и нескольким радиолокационным миссиям космического корабля НАСА.
Орбитальный радар работает по тем же принципам, что и радар слежения за самолетами в аэропорту. Космическая антенна излучает микроволновые импульсы в сторону Земли. Когда импульсы сталкиваются с чем-то — например, с вулканическим конусом — они рассеиваются. Антенна принимает те сигналы, которые отражаются обратно на прибор, который измеряет их силу, изменение частоты, время, необходимое для возвращения, и отражаются ли они от нескольких поверхностей, таких как здания.
Эта информация может помочь обнаружить присутствие объекта или поверхности, их расстояние и скорость, но разрешение слишком низкое для создания четкого изображения. Впервые разработанная Goodyear Aircraft Corp. в 1952 году, система SAR решает эту проблему.
«Это метод создания изображений с высоким разрешением из системы с низким разрешением», — сказал Пол Розен, научный сотрудник проекта NISAR в Лаборатории реактивного движения.
Во время движения радара его антенна непрерывно передает микроволны и принимает эхо-сигналы от поверхности. Поскольку прибор движется относительно Земли, частота обратных сигналов немного меняется. Это тот же эффект, который называется доплеровским сдвигом, который заставляет звук сирены повышаться при приближении пожарной машины, а затем падать при ее отъезде.
Компьютерная обработка этих сигналов подобна объективу фотоаппарата, который перенаправляет и фокусирует свет, чтобы получить четкую фотографию. При использовании SAR траектория космического корабля образует «линзу», а обработка корректируется с учетом доплеровских сдвигов, позволяя агрегировать эхосигналы в одно сфокусированное изображение.
В результате сотрудничества НАСА и Индийской организации космических исследований NISAR будет использовать радар с синтезированной апертурой, чтобы дать представление об изменениях на твердых поверхностях Земли, включая ледниковый покров Антарктики. Космический корабль, изображенный здесь по задумке художника, стартует из Индии. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Использование SAR
Одним из типов визуализации на основе SAR является интерферограмма, состоящая из двух изображений, снятых в разное время, которая выявляет различия путем измерения изменения задержки эхо-сигналов. Хотя для неподготовленного глаза они могут выглядеть как современное искусство, многоцветные концентрические полосы интерферограмм показывают, насколько далеко сместилась поверхность земли: чем ближе полосы, тем сильнее движение. Сейсмологи используют эти визуализации для измерения деформации земли в результате землетрясений.
Другой тип анализа SAR, называемый поляриметрией, измеряет вертикальную или горизонтальную ориентацию обратных волн относительно ориентации передаваемых сигналов. Волны, отскакивающие от линейных структур, таких как здания, имеют тенденцию возвращаться в той же ориентации, тогда как волны, отскакивающие от неровных объектов, таких как кроны деревьев, возвращаются в другой ориентации. Составляя карту различий и силу обратных сигналов, исследователи могут определить земной покров территории, что полезно для изучения вырубки лесов и наводнений.
Такой анализ является примером того, как NISAR поможет исследователям лучше понять процессы, которые затрагивают миллиарды жизней.
«Эта миссия включает в себя широкий спектр научных исследований для достижения общей цели — изучения нашей меняющейся планеты и последствий стихийных бедствий», — сказал Дипак Путреву, соруководитель научной группы ISRO в Центре космических приложений в Ахмедабаде, Индия.
