Ay Tabanlı Sentetik Açıklıklı Radar (MBSAR-Moon Based SAR)
Ay Tabanlı/Merkezli Sentetik Açıklıklı Radar (MBSAR-Moon Based Synthetic Aperture Radar ), Dünya gözlemi için benzersiz bir bakış açısı ve içgörüler sunan yeni bir kavramdır. Geleneksel hava veya uzay tabanlı bir SAR sisteminin aksine, (MBSAR) ay yüzeyinde çalışır ve dönen Dünya’yı önemli bir mesafeden gözlemleme olanağı sağlar.
MBSAR, Dünya-Ay mesafesinden yararlanarak geniş bir ışın izi yaratır ve Dünya-Ay göreceli hareketini sentezleyerek önemli bir açıklık oluşturur, böylece büyük alan genişliği ile yüksek çözünürlüklü bir görüntüleme sağlar. MBSAR etkili bir şekilde Dünya gözlem yeteneğimizi geliştirir.
Dünya gözlemi için bir uzaktan algılama platformu olarak Ay’ı kullanma fikri, son yıllardaki Ay keşifleri ve uygulamalarına artan ilgi ile gelişmiştir. Aktif bir sensör olarak, Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) teknolojisi, atmosfer, arazi ve okyanusta meydana gelen değişiklikleri tespit edebilir.
Uzay tabanlı SAR sistemlerine ek olarak Ay tabanlı SAR, Dünya’yı izleme ve anlama yeteneğimizi genişletir. Ay tabanlı SAR kullanarak, Ay-Dünya gözlem geometrisini, genel parametreleri, görüntü odaklamayı ve perspektifleri açıklayabiliriz. Gezegen ve Dünya bilimleriyle ilgilenenler için temel bir referans haline gelebilir.
Olası (Potansiyel) Bazı Özellikler
- Ay’ı Dünya gözlemi için bir uzaktan algılama platformu olarak kullanmak.
- Ay tabanlı SAR kullanarak, kısa bir sürede yüksek mekansal çözünürlük elde etmek.
- Ay tabanlı SAR için yeni gözlem geometrisi, menzil ve sinyal modelleri, iki boyutlu sinyal spektrumu ve odaklama algoritmaları oluşturmak.
- Sinyal teknolojilerindeki faz hatalarının detaylı analizini yapmak.
- Küresel vaka çalışmaları ve ileri araştırmalar için yeni kavramsal fikirler.
Neden Ay Tabanlı SAR?
Günümüzde, uzay tabanlı SAR sürekli olarak Dünya’nın yüzeyini haritalamaktadır. Ancak, SAR teknolojileri, çeşitli uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için bazı daha ileri gelişmelere ihtiyaç duymaktadır. Bu durumu iki uçlu ‘küçük’ ve ‘büyük kutuplardan oluşan bir merkez/çekirdek gibi düşünebiliriz.
Küçük kutup, yerdeki nesneleri tespit etmek ve uzaktan algılama verileriyle yüzey parametreleri için belirleyici olan mekansal çözünürlüğün artırılması ile ilgilidir. Büyük kutup ise Dünya yüzeyini etkin bir şekilde izlemek için gereken önemli mekansal ve zamansal kapsama performansına ilişkindir.
Bu yeni bakış açısı, Dünya’yı bir bütün olarak gören bilimsel ilerlemelerle daha fazla önem kazanmaktadır. SAR sisteminin kapsama genişliğini ve mekansal-zamansal çözünürlüğünü aynı anda arttırmak, bağlantılı sistemler tarafından oluşan jeobilim (yer bilimi) zorluklarını etkili bir şekilde aşmaya yardımcı olabilir.
Mevcut uzay tabanlı SAR, mekansal ve zamansal kapsama ile ilgili bazı kısıtlamalar getirmektedir, bu da bazı veri uygulamalarını çeşitli açılardan zorlaştırmaktadır.
Uzay Tabanlı SAR’ın Bazı Kısıtlamaları
Araştırma görevlerinin çoğu, zamansal ve mekansal sürekliliği tutarlı bir düzeyde korurken, Dünya çevresini kaplayan SAR sensörlerinden bazı jeoparametreler elde etmeyi gerektirir. Mevcut uzay tabanlı SAR görevleri, bu gereksinimleri karşılama zorluğuyla karşı karşıyadır, çünkü azimutal çözünürlük ile kapsama genişliği arasında bir sorun yaşarlar.
Farklı SAR görüntüleme modları, kapsama ve çözünürlük arasında bir denge sağlamak için önerilmiştir, ancak hiçbiri aynı anda hem geniş kapsam hem de yüksek mekansal çözünürlüğü elde edemez. Dünya alçak yörüngesi (LEO-Low Earth Orbit) nedeniyle, uzay tabanlı SAR’ın sürekli tekrar eden ziyaret periyodu, birkaç gün ile onlarca gün arasında değişebilir. Bu kaba zamansal çözünürlük, kapsama-çözünürlük kısıtlamasıyla birleştiğinde, yüksek çözünürlük gerektiren bazı uygulamaları sınırlar. Bu uygulamalardan bazıları aşağıda listelenmiştir:
- Felaketlere Hızlı Yanıt Verme.
- Ekosistem Bozulmasını İzleme.
- Buzul ve Buz tabakasını İzleme.
- Permafrost (Donmuş Toprak) İzleme.
- Okyanus ve Deniz Ortamını İzleme.
Felaketlere Hızlı Yanıt Verme
Sel, deprem gibi olaylarda, petrol sızıntılarında hızlı tespit ve çabuk tepki verilmesi çok önemlidir. Bu gibi kullanım durumları, saatlerden günlere kadar olan zamansal çözünürlükte daha sıkı izleme ve daha geniş kapsam gerektirir.
Uzay tabanlı SAR sistemlerinin ardışık uçuşları arasındaki süreler ve dar izleme genişlikleri, uzay tabanlı SAR sistemlerinin geniş bölgelerdeki olayları hızlı bir şekilde tespit etme ve yanıt verme kapasitelerini kısıtlar.
Bu kısıtlamalar, bugün mevcut olan çoğu SAR sisteminin acil durumlara hızlı, zamanında ve etkili yanıtlar verme konusunda zorluk çekmesinin nedeni olabilir. Bu deprem, kasırgalar veya volkanik patlamaların ardından hasarın değerlendirilmesi gibi durumlarda geçerlidir. Bu bağlamda, uzay tabanlı SAR sistemleri, felaketlere hızlı yanıt verirken en uygun çözüm olmayabilir.
Ekosistem Bozulmasını İzleme
Ekolojik bozulma ve ormanlardaki ağaçların kesilmesi gibi olaylar, yüksek çözünürlüklü, geniş alanı kapsayan SAR görüntülemeleri ve sık uydu ziyaretlerini gerektirir. Örneğin, orman bozulmasını tespit etmek ve yeni değişiklikleri yakalamak için sık izleme yapmak gerekir.
Bununla birlikte, mevcut SAR sistemleri, geniş kapsama ve yüksek zamansal çözünürlük elde etme konusunda bazı zorluklar yaşar. Sonuç olarak, algılanması gereken birçok illegal ağaç kesimi veya orman açma vakası tespit edilemeyebilir. Daha yüksek mekansal çözünürlük elde edilirse, küçük ölçekli orman kaybını tespit etmede son derece faydalı olabilir.
Buzul ve Buz tabakasını İzleme
Buzulların hareketini ve erime hızlarını abrazyon (aşınma) mevsimi boyunca sürekli olarak izlemek için düzenli ve tekrarlayan gözlemler gereklidir. Buzul bölgelerinde meydana gelen hızlı değişiklikleri doğru bir şekilde izlemek için, yüksek zamansal çözünürlüğe ve geniş kapsamı olan SAR görüntülemelerinden yararlanmak esastır. SAR interferometrisi ile hızlı hareket eden buzul akışı izlenebilir.
Bu bağlamda, mevcut uzay tabanlı SAR’ın zamansal çözünürlüğü, buzul dinamiklerini yakalamak için genellikle yetersizdir. Dahası, izleme genişliği gibi parametreler buz tabakaları ve buz alanlarının geniş kapsama alanlarını sınırlar. Uzun tekrar ziyaret süreleri sonucu, operasyonel buz izleme ve tahmininin olmadığı zamanlarda, bazı buz dinamikleri gözden kaçabilir. Uzun zaman aralıkları ve seyrek bilgi edinilmesi genellikle ölçüm doğruluğunu düşürür.
Permafrost (Donmuş Toprak) İzleme
Permafrostun izlenmesi, Arktik ve benzeri bölgelerde iklim değişikliğinin etkilerini incelemek ve anlamak için hayati öneme sahiptir. Bunu yaparken, permafrost izleme aralığı oldukça kısa olduğu için, sık ziyaretlerle yüksek mekansal çözünürlüklü SAR kullanmak gereklidir. Bu zaman diliminde, permafrost kapsamındaki değişiklikleri yakalamak için SAR sistemlerinin yüksek mekansal çözünürlük sağlaması ve iyi bir izleme genişliğine sahip olması gerekmektedir.
Böyle bir sisteme sahip olmak, iklim değişikliğinin permafrost üzerindeki etkilerini ve buna bağlı ekolojik sistemler üzerindeki etkilerini (özellikle geçici yaz mevsiminde) daha iyi anlamamıza yardımcı olacaktır. Ne yazık ki, bugünün uzay tabanlı SAR sistemlerinin çoğu, böyle bir gözlemi desteklemede zorluklarla karşılaşmaktadır.
Okyanus ve Deniz Ortamını İzleme
Deniz çevresinin izlenmesi, fiziksel, kimyasal ve biyolojik bazı parametrelerin yanı sıra deniz kirliliği, felaketler ve iklim değişikliği gibi unsurların gözlenmesinide içerir. Deniz çevresinin durumunu ve değişikliklerini doğru bir şekilde göstermek için yüksek mekansal çözünürlük ve sürekli izleme gereklidir. Ayrıca, okyanus üzerindeki rüzgar alanlarının tahmin edilmesi (rüzgar hızları ve yönleri açısından) daha sık görüntüleme gerektirir.
Ancak, uzay tabanlı SAR sistemlerinin uzun tekrar ziyaret süreleri ve dar izleme alanları, operasyonel izleme için bazı kullanımları engeller. Özellikle, yüksek mekansal ve zamansal çözünürlük verisi elde etme yeteneğini sınırlar. Geçici bazı süreçleri veya yüksek frekanslı çevresel değişim sinyallerini tespit etmeyi engeller. Bu da çevresel değişiklikler veya yerel deniz alanlarındaki acil durumları kaçırma ve kritik bilgi eksikliğine neden olabilir. (Ör: Tsunami)
Yukarıdakilere ek olarak, uzay tabanlı SAR’ın kesintili gözlemi ve sınırlı operasyonel ömrü, belirli coğrafi konumlarda, deniz çevresindeki uzun vadeli yavaş değişimleri izlemeyi kısıtlar. Düşük mekansal çözünürlük, deniz çevresindeki küçük ölçekli değişiklikleri veya detayları yakalamayı zor veya imkansız hale getirir. Deniz çevresinin izlenmesini geliştirmek için, yüksek hassasiyetli ve uzun ömürlü, geniş kapsama ve tatmin edici mekansal çözünürlüğe sahip SAR zaman serilerinin bulunması hayati önem taşır.
Potansiyel Çözümler
Uzay tabanlı bir SAR ile veri toplarken yüksek azimutal çözünürlük ile izleme genişliğini aynı anda elde etmek son derece zordur. İki faktör arasında bir denge söz konusudur ve birini optimize etmek diğerinin maliyetinin artmasına neden olabilir. Bu arada, zamansal çözünürlük dahi LEO (Alçak Yörünge) yüksekliğine tabidir ve hedef bölgenin daha az sıklıkta tekrar ziyaret edilmesine neden olur, bu da dinamik jeofenomenleri (yer ile ilgili olguları) izlemeyi zorlaştırır. Uzay tabanlı SAR’ın Dünya gözlemi için getirdiği kısıtlamaları aşmak için, dağıtılmış uzay tabanlı bir SAR sistemi veya yüksek yörünge SAR sistemi kullanılabilir.
Dağıtılmış bir SAR sistemini uygulamak, birden çok uyduyu içeren bir yıldız takımını kullanma fikrine dayanır. Bu yaklaşım, yüksek güvenilirlik, uygulanabilirlik ve maliyet etkinliği ile karakterizedir. Ayrıca, dağıtılmış SAR sistemleri, mevcut uzay tabanlı SAR sistemleri ile iş birliği yapma potansiyelinede sahiptir. Dünya gözlem performansını artırmak için, özellikle yeni başlatılan veya yaklaşan uzay tabanlı SAR görevleri, uydu yıldız takımları ve gelişmiş görüntüleme modlarını birbirine entegre etmektedirler.
Diğer yandan, dağıtılmış SAR’ın bir uydu takımı üzerine konuşlanması, potansiyel olarak sistem senkronizasyonu, uydu-arası ve uydu-yer istasyonu ile iletişimleri, formasyon tasarımı ve göreli navigasyon, veri toplama ve sinyal işleme gibi beklenmedik bazı teknik karmaşıklıklara neden olabilir. Dağıtılmış SAR’daki bir diğer zorluk, mekansal ve zamansal kapsama performansıyla ilgilidir. Özellikle, dağıtılmış SAR’ın kapsama alanındaki zamansal tutarlılığı ve mekansal sürekliliği sağlamak hala zor bir görevdir. Bu bağlamda, böyle bir sistem, dinamik ve büyük ölçekli jeofenomenleri gözlemlemek için uygun değildir. Bu nedenle, dağıtılmış SAR teknolojisinde yeni bir çığır açmak gerekmektedir.
Bu durumda Dünya gözlemi için yüksek yörünge SAR’ı kullanmak, bir alternatif olabilir. Böylece sürdürülebilir bir sürede geniş bir bölgenin kesintisiz izlenmesini sağlamak mümkün olur. Yörünge yüksekliği arttıkça, hem izleme genişliği hem de azimutal çözünürlük arasındaki denge daha esnek hale gelir çünkü her ikisini de sınırlayan eşik artar. Yüksek bir irtifada dönen bir platforma SAR yerleştirerek, yüksek mekansal çözünürlük ve geniş izleme görüntülemesi aynı anda elde edilebilir. Böylece gözlenen bölgenin mekansal ve zamansal uyumluluğu sağlanır. Yüksek yörünge aynı zamanda tatmin edici zamansal çözünürlüğe sahip veriler üretme avantajı sağlar.
Yüksek yörünge SAR sistemine bir örnek vermek gerekirse bu, yaklaşık 36.000 km yükseklikte, eğik bir jeosenkron (yer ile uyumlu) yörüngede çalışan Geosynchronous Earth Orbit (GEO) SAR olur. GEO SAR, yüksek zamansal çözünürlüğe sahip geniş bir kapsama alanına sahiptir, bu da Dünya gözleminin daha kısa bir tekrar ziyaret süresi ile gerçekleştirilmesine olanak tanır.
GEO SAR, avantajlarına rağmen, gereken büyük anten yapısı, bu yapay uyduya büyük bir ağırlık yükü getirir, çünkü uydunun taşıma kapasitesi genellikle sınırlıdır. Dahası, GEO SAR’ın yalnızca Dünya’nın kısmi bir görünümünü elde edebileceği, Dünya’nın büyük bir kısmının gözlemlenemez olarak kaldığı belirtilmelidir. Bu nedenle, GEO SAR gelecekte umut verici bir teknolojiyi temsil etse de, daha verimli bir yüksek yörünge SAR sisteminin geliştirilmesi süreci devam etmektedir.
Yeni Ay keşifleriyle küresel ilginin yeniden artması, sürdürülebilir bir Ay üssü kurma ihtiyacını kaçınılmaz bir trend olarak ortaya çıkmıştır. Ay üssü kurma, Dünya gözlemi için radarın, Moon-Based SAR (MBSAR) olarak adlandırılan bir formu olan MBSAR’ın kullanımına duyulan merakı daha da artırmıştır.
Yapay uydu platformlarının aksine, Ay, büyük antenlerin kurulumuyla ilgili birçok kısıtlamanın olmadığı bir ortam sunar. Bu açıdan MBSAR, izleme genişliği ile Dünya’yı daha iyi inceleme gücüne sahiptir. Ayrıca, Ay ve Dünya arasındaki göreli hareket sayesinde, Ay tabanına yerleştirilen sensörler (radar dahil) Dünya’yı kapsamlı bir şekilde izleyebilirken, aynı noktayı daha kısa bir süre içinde (yaklaşık 24.8 saat) tekrar ziyaret edebilir.
Kaynak:
Moon-Based Synthetic Aperture Radar: A Signal Processing Prospect
