В ближайшие месяцы NASA и Индийская организация космических исследований (ISRO) запустят на орбиту новый спутник для наблюдения за Землей под названием NISAR. Это аббревиатура, расшифровывающаяся как NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar, что отражает его ключевую технологию – радар с синтезированной апертурой. NISAR станет революционным инструментом, способным получать невероятно детализированные изображения земной поверхности. Его точность позволит фиксировать смещения даже небольших участков земли и льда размером в доли дюйма.
Уникальность NISAR заключается не только в детализации, но и в частоте наблюдений. Спутник будет сканировать практически всю твердую поверхность Земли с поразительной регулярностью – дважды каждые 12 дней. Эта высокая частота позволит ученым отслеживать динамические процессы, происходящие на нашей планете, в режиме, близком к реальному времени. В частности, NISAR будет пристально следить за деформацией земной коры до и после землетрясений, движением ледников и ледяных щитов, а также изменениями в экосистемах, включая рост лесов и вырубку лесных массивов.
Сердцем NISAR является технология радара с синтезированной апертурой (SAR). NASA стало пионером в применении SAR в космосе. Суть SAR заключается в объединении множества измерений, сделанных радаром по мере его движения над наблюдаемой территорией, для создания гораздо более четких изображений. Хотя SAR использует те же микроволны, что и обычные радары, его передовая обработка данных позволяет достичь беспрецедентно высокого разрешения.
Необходимость в технологии SAR обусловлена физическими ограничениями обычных радаров. Для достижения высокой детализации, например, для получения пикселей размером до 10 метров на поверхности Земли, традиционному радару, работающему в L-диапазоне, потребовалась бы антенна диаметром около 19 километров. Однако NISAR, благодаря технологии SAR, сможет достичь сопоставимого разрешения, используя антенну-рефлектор радара шириной всего 12 метров в развернутом состоянии – размер городского автобуса.
Чарльз Элачи, руководивший Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) с 2001 по 2016 год и стоявший у истоков космических SAR-миссий NASA, подчеркивал революционный потенциал этой технологии. «Радар с синтезированной апертурой позволяет нам очень точно уточнять детали», – отмечал Элачи. «Миссия NISAR откроет совершенно новую область для изучения нашей планеты как динамической системы». Сам Элачи начал свою карьеру в JPL в 1971 году, сразу после окончания Калифорнийского технологического института (Caltech), и одним из его первых проектов стала разработка радара для изучения поверхности Венеры.
Одним из ключевых преимуществ радарных систем является их способность вести наблюдения круглосуточно и при любых погодных условиях, проникая сквозь облака и темноту. Разработки Элачи и его команды в области радарных технологий легли в основу ряда успешных космических миссий, включая миссию «Магеллан» к Венере в 1989 году и многочисленные радарные миссии на борту космических шаттлов NASA.
Принцип работы орбитального радара напоминает работу радара в аэропорту. Антенна спутника посылает микроволновые импульсы в направлении Земли. Эти импульсы рассеиваются, сталкиваясь с различными объектами на поверхности, например, с вулканическим конусом. Затем антенна принимает отраженные сигналы, так называемые «эхо». Прибор измеряет силу сигнала, изменение его частоты, время возврата и количество отражений от поверхности. На основе этих данных можно определить наличие объекта, расстояние до него и скорость его движения. Однако, обычный радар, использующий только эти прямые измерения, не способен обеспечить достаточно высокое разрешение для получения четких изображений.
Технология SAR стала решением этой проблемы. Концепция синтезированной апертуры была разработана компанией Goodyear Aircraft Corp. еще в 1952 году. Как отмечает Пол Розен, научный руководитель проекта NISAR в JPL, «Это техника для создания изображений высокого разрешения из системы с низким разрешением». Секрет SAR заключается в использовании эффекта Доплера и сложной компьютерной обработке сигналов.
Эффект Доплера проявляется в небольших изменениях частоты возвращающихся сигналов из-за движения радара относительно поверхности Земли. Аналогичный эффект наблюдается, когда меняется высота тона сирены приближающейся или удаляющейся пожарной машины. Компьютерная обработка, применяемая в SAR, учитывает эти доплеровские сдвиги и объединяет эхо-сигналы, фокусируя их в четкое изображение. Траектория движения космического аппарата в данном случае действует как своего рода «линза», а компьютерная обработка выполняет функцию фокусировки, подобно линзе фотоаппарата.
Одним из мощных инструментов анализа данных SAR является интерферограмма. Интерферограмма – это композитное изображение, полученное путем объединения двух изображений, сделанных в разное время. Она позволяет визуализировать различия между этими изображениями, измеряя изменения в задержке эхо-сигналов. На интерферограмме изменения рельефа отображаются в виде многоцветных концентрических полос. Чем ближе расположены полосы друг к другу, тем больше смещение поверхности. Сейсмологи используют интерферограммы для измерения деформации земной поверхности после землетрясений.
Другим методом анализа данных SAR является поляриметрия. Поляриметрия измеряет вертикальную или горизонтальную ориентацию отраженных волн относительно переданных сигналов. Линейные структуры, такие как здания, отражают волны в той же ориентации, в которой они были переданы. Неровные объекты, например, кроны деревьев, отражают волны в различных ориентациях. Картирование различий в поляризации и силе сигнала позволяет идентифицировать различные типы земного покрова, что особенно полезно для изучения процессов вырубки лесов и наводнений.
Данные, которые соберет NISAR, окажут огромное влияние на понимание исследователями процессов, затрагивающих жизни миллиардов людей. Дипак Путреву, соруководитель научной группы ISRO в Космическом прикладном центре в Ахмедабаде, Индия, подчеркивает: «Эта миссия объединяет широкий спектр научных задач, направленных на достижение общей цели – изучение нашей меняющейся планеты и последствий стихийных бедствий». NISAR откроет новую эру в космическом наблюдении за Землей, предоставляя беспрецедентные возможности для изучения и понимания сложной динамики нашей планеты.
Изображение носит иллюстративный характер
Уникальность NISAR заключается не только в детализации, но и в частоте наблюдений. Спутник будет сканировать практически всю твердую поверхность Земли с поразительной регулярностью – дважды каждые 12 дней. Эта высокая частота позволит ученым отслеживать динамические процессы, происходящие на нашей планете, в режиме, близком к реальному времени. В частности, NISAR будет пристально следить за деформацией земной коры до и после землетрясений, движением ледников и ледяных щитов, а также изменениями в экосистемах, включая рост лесов и вырубку лесных массивов.
Сердцем NISAR является технология радара с синтезированной апертурой (SAR). NASA стало пионером в применении SAR в космосе. Суть SAR заключается в объединении множества измерений, сделанных радаром по мере его движения над наблюдаемой территорией, для создания гораздо более четких изображений. Хотя SAR использует те же микроволны, что и обычные радары, его передовая обработка данных позволяет достичь беспрецедентно высокого разрешения.
Необходимость в технологии SAR обусловлена физическими ограничениями обычных радаров. Для достижения высокой детализации, например, для получения пикселей размером до 10 метров на поверхности Земли, традиционному радару, работающему в L-диапазоне, потребовалась бы антенна диаметром около 19 километров. Однако NISAR, благодаря технологии SAR, сможет достичь сопоставимого разрешения, используя антенну-рефлектор радара шириной всего 12 метров в развернутом состоянии – размер городского автобуса.
Чарльз Элачи, руководивший Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) с 2001 по 2016 год и стоявший у истоков космических SAR-миссий NASA, подчеркивал революционный потенциал этой технологии. «Радар с синтезированной апертурой позволяет нам очень точно уточнять детали», – отмечал Элачи. «Миссия NISAR откроет совершенно новую область для изучения нашей планеты как динамической системы». Сам Элачи начал свою карьеру в JPL в 1971 году, сразу после окончания Калифорнийского технологического института (Caltech), и одним из его первых проектов стала разработка радара для изучения поверхности Венеры.
Одним из ключевых преимуществ радарных систем является их способность вести наблюдения круглосуточно и при любых погодных условиях, проникая сквозь облака и темноту. Разработки Элачи и его команды в области радарных технологий легли в основу ряда успешных космических миссий, включая миссию «Магеллан» к Венере в 1989 году и многочисленные радарные миссии на борту космических шаттлов NASA.
Принцип работы орбитального радара напоминает работу радара в аэропорту. Антенна спутника посылает микроволновые импульсы в направлении Земли. Эти импульсы рассеиваются, сталкиваясь с различными объектами на поверхности, например, с вулканическим конусом. Затем антенна принимает отраженные сигналы, так называемые «эхо». Прибор измеряет силу сигнала, изменение его частоты, время возврата и количество отражений от поверхности. На основе этих данных можно определить наличие объекта, расстояние до него и скорость его движения. Однако, обычный радар, использующий только эти прямые измерения, не способен обеспечить достаточно высокое разрешение для получения четких изображений.
Технология SAR стала решением этой проблемы. Концепция синтезированной апертуры была разработана компанией Goodyear Aircraft Corp. еще в 1952 году. Как отмечает Пол Розен, научный руководитель проекта NISAR в JPL, «Это техника для создания изображений высокого разрешения из системы с низким разрешением». Секрет SAR заключается в использовании эффекта Доплера и сложной компьютерной обработке сигналов.
Эффект Доплера проявляется в небольших изменениях частоты возвращающихся сигналов из-за движения радара относительно поверхности Земли. Аналогичный эффект наблюдается, когда меняется высота тона сирены приближающейся или удаляющейся пожарной машины. Компьютерная обработка, применяемая в SAR, учитывает эти доплеровские сдвиги и объединяет эхо-сигналы, фокусируя их в четкое изображение. Траектория движения космического аппарата в данном случае действует как своего рода «линза», а компьютерная обработка выполняет функцию фокусировки, подобно линзе фотоаппарата.
Одним из мощных инструментов анализа данных SAR является интерферограмма. Интерферограмма – это композитное изображение, полученное путем объединения двух изображений, сделанных в разное время. Она позволяет визуализировать различия между этими изображениями, измеряя изменения в задержке эхо-сигналов. На интерферограмме изменения рельефа отображаются в виде многоцветных концентрических полос. Чем ближе расположены полосы друг к другу, тем больше смещение поверхности. Сейсмологи используют интерферограммы для измерения деформации земной поверхности после землетрясений.
Другим методом анализа данных SAR является поляриметрия. Поляриметрия измеряет вертикальную или горизонтальную ориентацию отраженных волн относительно переданных сигналов. Линейные структуры, такие как здания, отражают волны в той же ориентации, в которой они были переданы. Неровные объекты, например, кроны деревьев, отражают волны в различных ориентациях. Картирование различий в поляризации и силе сигнала позволяет идентифицировать различные типы земного покрова, что особенно полезно для изучения процессов вырубки лесов и наводнений.
Данные, которые соберет NISAR, окажут огромное влияние на понимание исследователями процессов, затрагивающих жизни миллиардов людей. Дипак Путреву, соруководитель научной группы ISRO в Космическом прикладном центре в Ахмедабаде, Индия, подчеркивает: «Эта миссия объединяет широкий спектр научных задач, направленных на достижение общей цели – изучение нашей меняющейся планеты и последствий стихийных бедствий». NISAR откроет новую эру в космическом наблюдении за Землей, предоставляя беспрецедентные возможности для изучения и понимания сложной динамики нашей планеты.
