أخبار التقنية

يمكن أن يكون التصوير بالرادار هو المفتاح لرصد تغير المناخ


عندما كان طفلاً ، اكتشف ألبرتو موريرا شغفه بالإلكترونيات من مجموعات أدوات استكشاف العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات التي اشتراها له والده كل شهر. لم تعلمه هذه المجموعات عن الإلكترونيات فحسب ، بل علمته أيضًا الكيمياء والفيزياء.

مع تقدمه في السن ، بدأ هو وشقيقه في صنع الدوائر الإلكترونية الخاصة بهم. عندما كان موريرا في الخامسة عشرة من عمره ، قام الثنائي ببناء مكبرات صوت عالية الدقة ولوحات تحكم لإشارات النيون ، وبيعها إلى الشركات الصغيرة التي تستخدم مثل هذه الشاشات للإعلان عن أعمالها.

أدت هذه التجارب المبكرة في نهاية المطاف إلى مهنة ناجحة كمدير لميكرويفز ومعهد الرادار التابع لمركز الفضاء الألماني (DLR) ، في أوبربفافنهوفن ، بافاريا ، حيث طور زميل IEEE نظامًا فضائيًا لقياس التداخل ذي الفتحة الاصطناعية.

ألبرتو موريرا

بإذن من ألبرتو موريرا

صاحب العمل

معهد الرادار والموجات الدقيقة التابع لمركز الفضاء الألماني ، في Oberpfaffenhofen ، بافاريا

عنوان

مخرج

درجة الأعضاء

زميل

ألما ماتر

ساو خوسيه دوس كامبوس ، ساو خوسيه دوس كامبوس ، البرازيل ؛ وجامعة ميونخ التقنية

أنتج نظام InSAR خرائط ارتفاع رقمية لسطح الأرض بدقة ودقة لا مثيل لها. تعمل النماذج الآن كمعيار للعديد من التطبيقات الجيولوجية ، والاستشعار عن بعد ، والطبوغرافية ، والتجارية. تساعد تقنية موريرا أيضًا في تتبع آثار تغير المناخ.

عن “قيادته ومفاهيمه المبتكرة في تصميم ونشر واستخدام أنظمة الرادار المحمولة جواً والفضائية” ، حصل موريرا هذا العام على ميدالية IEEE Dennis J. Picard لتقنيات الرادار وتطبيقاتها. برعاية شركة Raytheon Technologies.

يقول موريرا إنه يتشرف بالحصول على “الجائزة الأكثر شهرة في مجال تقنيات الرادار وتطبيقاته”.

يقول: “إنه تقدير لـ 20 عامًا من العمل الجاد الذي بذلته أنا وفريقي في بحثنا”. “ما يجعل التكريم أكثر تميزًا هو أن الجائزة من IEEE.”

استخدام الرادار لرسم خريطة لسطح الأرض

قبل أن يطور موريرا وفريقه نظام InSAR في عام 2010 ، كانت أنظمة الرادار ذات الفتحة التركيبية هي أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا ، كما يقول. على عكس أنظمة التصوير البصري ، يمكن للأنظمة التي تستخدم SAR أن تخترق السحب والأمطار لالتقاط صور عالية الدقة للأرض من الفضاء. يمكن أن تعمل أيضًا في الليل.

يرسل هوائي على قمر صناعي في المدار إشارات موجات دقيقة نبضية إلى سطح الأرض أثناء مروره فوق التضاريس التي يتم رسم خرائط لها. ثم تنعكس الإشارات مرة أخرى إلى الهوائي ، مما يسمح للنظام بقياس المسافة بين الهوائي والنقطة على سطح الأرض حيث تنعكس الإشارة. باستخدام خوارزميات معالجة البيانات ، يتم الجمع بين الإشارات المنعكسة بطريقة يعمل بها الهوائي الاصطناعي المولَّد حسابيًا كما لو كان أكبر بكثير – مما يوفر دقة محسّنة. لهذا السبب يسمى النهج الفتحة الاصطناعية رادار.

“يوثق النظام التغييرات التي تحدث على الأرض ويسهل الاكتشاف المبكر للضرر الذي لا يمكن إصلاحه.”

أثناء قيادته لفريق بحث في DLR في أوائل التسعينيات ، رأى موريرا إمكانية استخدام المعلومات التي تم جمعها من هذه الأقمار الصناعية الرادارية للمساعدة في معالجة القضايا المجتمعية مثل التنمية المستدامة وأزمة المناخ. لكنه أراد أن يأخذ التكنولوجيا خطوة إلى الأمام ويستخدم رادار قياس التداخل ذي الفتحة الاصطناعية ، InSAR ، والذي أدرك أنه سيكون أكثر قوة.

توفر الأقمار الصناعية SAR صورًا ثنائية الأبعاد ، لكن InSAR يسمح بالتصوير ثلاثي الأبعاد لسطح الأرض ، مما يعني أنه يمكنك تعيين التضاريس ، وليس انعكاس الرادار فقط.

استغرق الأمر من موريرا وفريقه ما يقرب من 10 سنوات لتطوير نظام InSAR الخاص بهم ، وهو أول من استخدم قمرين صناعيين ، لكل منهما هوائي خاص به.

نهجهم يسمح بإنشاء خرائط الارتفاع. يدور القمران ، المسمى TerraSAR-X و TanDEM-X ، حول الأرض في مدارات دائرية تقريبًا ، وتتراوح المسافة بين الأقمار الصناعية من 150 إلى 500 متر في أي وقت. لتجنب الاصطدامات ، طور موريرا وفريقه مدارًا حلزونيًا مزدوجًا ؛ الأقمار الصناعية تتحرك على طول القطع الناقص ومفتاح حول بعضها البعض.

تتواصل الأقمار الصناعية مع بعضها البعض ومع المحطات الأرضية ، وترسل بيانات الارتفاع والموقع بحيث يمكن ضبط الفصل بينها للمساعدة في تجنب الاصطدامات.

يصدر كل قمر صناعي نبضات ميكروويف ويستقبل كل قمر إشارات متناثرة. على الرغم من أن الإشارات المبعثرة المرتدة التي يستقبلها كل قمر صناعي متطابقة تقريبًا ، إلا أنها تختلف قليلاً بسبب الأشكال الهندسية المختلفة للعرض. وتعتمد هذه الاختلافات في الإشارات المستقبلة على ارتفاع التضاريس ، مما يسمح بتحديد ارتفاع السطح. من خلال الجمع بين قياسات نفس المنطقة التي تم الحصول عليها في أوقات مختلفة لتشكيل مخططات تداخل ، يمكن للعلماء تحديد ما إذا كانت هناك تغييرات طفيفة في الارتفاع في المنطقة ، مثل ارتفاع مستويات سطح البحر أو إزالة الغابات ، خلال الفترة الزمنية الفاصلة.

تم استخدام نظام InSAR في مهمة TanDEM-X لعام 2010 الخاصة بـ DLR. كان هدفها هو إنشاء خريطة طبوغرافية للأرض بمسافة بكسل أفقية تبلغ 12 مترًا. بعد إطلاقه ، قام النظام بمسح سطح الأرض عدة مرات في خمس سنوات وجمع أكثر من 3000 تيرابايت من البيانات.

في سبتمبر 2016 ، تم إنتاج أول خريطة ارتفاع رقمية عالمية بدقة ارتفاع 2 متر. يقول موريرا إنه كان أكثر دقة 30 مرة من أي جهد سابق.

تُستخدم الأقمار الصناعية حاليًا لرصد التأثيرات البيئية ، وتحديداً إزالة الغابات وذوبان الجليد. يقول موريرا إن الأمل يكمن في أن الاكتشاف المبكر للضرر الذي لا يمكن إصلاحه يمكن أن يساعد العلماء في تحديد المكان المطلوب التدخل فيه.

يعمل هو وفريقه على تطوير نظام يستخدم المزيد من الأقمار الصناعية التي تطير في تشكيل قريب لتحسين البيانات المتاحة من التصوير بالرادار.

“من خلال جمع معلومات أكثر تفصيلاً ، يمكننا أن نفهم بشكل أفضل ، على سبيل المثال ، كيف تتغير الغابات داخليًا عن طريق تصوير كل طبقة” ، كما يقول ، مشيرًا إلى الطبقة الناشئة والمظلة وأرضية الغابة.

كما أنه يعمل على تطوير نظام رادار فضائي يستخدم التشكيل الرقمي للحزم لإنتاج صور لسطح الأرض بدقة مكانية أعلى في وقت أقل. يقول موريرا إن أنظمة الرادار تستغرق حاليًا حوالي 12 يومًا لإنتاج خريطة عالمية بدقة 20 مترًا ، لكن النظام الجديد سيكون قادرًا على القيام بذلك في ستة أيام بدقة 5 أمتار.

يمثل تشكيل الحزمة الرقمية نقلة نوعية لأنظمة SAR المحمولة في الفضاء. يتكون من هوائي مقسم إلى عدة أجزاء ، لكل منها قناة استقبال خاصة به ومحول تناظري إلى رقمي. يتم دمج القنوات بطريقة يمكن من خلالها حساب حزم الهوائيات المختلفة لاحقًا لزيادة رقعة الصورة وطول الفتحة الاصطناعية – مما يسمح باستبانة مكانية أعلى ، كما يقول موريرا. ويقول إنه يتوقع إطلاق ثلاثة أنظمة من هذا القبيل في غضون السنوات الخمس المقبلة.

مهنة مدى الحياة في DLR

حصل موريرا على درجتي البكالوريوس والماجستير في الهندسة الكهربائية من Instituto Tecnológico de Aeronáutica ، في ساو جوزيه دوس كامبوس ، البرازيل ، في عامي 1984 و 1986. وقرر متابعة الدكتوراه خارج البلاد بعد أن أخبره مستشار أطروحة الماجستير أن هناك المزيد من فرص البحث في مكان آخر.

موريرا حصل على الدكتوراه. في الهندسة في جامعة ميونيخ التقنية. كطالب دكتوراه ، أجرى بحثًا في DLR حول معالجة الرادار في الوقت الفعلي. من أجل رسالته ، ابتكر خوارزميات أنتجت صورًا عالية الدقة من أحد أنظمة الرادار المحمولة جواً الموجودة في DLR.

“إن عمل الطلاب والمهندسين معًا في مشاريع كبيرة هو حلم يتحقق.”

بعد تخرجه في عام 1993 ، خطط للعودة إلى البرازيل ، ولكن بدلاً من ذلك وافق على عرض ليصبح قائد مجموعة DLR. قاد موريرا فريقًا بحثيًا مكونًا من 10 أشخاص يعملون على تصميم ومعالجة البيانات المحمولة جواً وأنظمة الأقمار الصناعية. في عام 1996 تمت ترقيته إلى منصب كبير العلماء ومهندس في قسم تقنية البحث والإنقاذ بالمنظمة. عمل في هذا المنصب حتى عام 2001 ، عندما أصبح مديرًا لمعهد المايكرويف والرادار.

يقول: “اخترت المهنة المناسبة”. “لم أستطع أن أتخيل القيام بأي شيء بخلاف البحث والإلكترونيات.”

وهو أيضًا أستاذ للاستشعار عن بعد بالميكروويف في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا ، وكان مستشارًا للدكتوراه لأكثر من 50 طالبًا يعملون في مجال الأبحاث في مرافق DLR.

أحد الأجزاء المفضلة لديه عن كونه مديرًا وأستاذًا هو العمل مع طلابه ، حيث يقول: “أقضي حوالي 20 بالمائة من وقتي معهم. إن عمل الطلاب والمهندسين معًا في مشاريع واسعة النطاق هو حلم أصبح حقيقة. عندما بدأت مسيرتي المهنية لأول مرة في DLR ، لم أكن أدرك أن هذا التعاون سيكون قويًا للغاية “.

أهمية إنشاء شبكة IEEE

خلال الفترة التي قضاها كطالب دكتوراه تم تقديم موريرا إلى IEEE. قدم أول ورقة بحثية له في عام 1989 في الندوة الدولية لعلوم الأرض والاستشعار عن بعد ، في فانكوفر. أثناء حضوره المؤتمر الثاني ، كما يقول ، أدرك أنه من خلال عدم كونه عضوًا “فقد الكثير من الأشياء المهمة” مثل فرص التواصل ، لذلك انضم.

يقول إن IEEE لعبت دورًا مهمًا طوال حياته المهنية. قدم جميع أبحاثه في مؤتمرات IEEE ، ونشر أوراقًا في مجلات المنظمة. وهو عضو في IEEE Aerospace and Electronic Systems و IEEE Antennas and Propagation و IEEE Geoscience and Remote Sensing (GRSS) و IEEE Information Technology و IEEE Microwave Theory and Techniques و IEEE Signal Processing مجتمعات.

“أوصي بأن ينضم الجميع ليس فقط إلى IEEE ولكن أيضًا على الأقل في واحدة من مجتمعاتها” ، كما يقول ، واصفًا إياهم بـ “موطن أبحاثك”.

أسس قسم IEEE GRSS Germany في عام 2003 وشغل منصب رئيس الجمعية لعام 2010. متطوع نشط ، كان عضوًا في اللجنة الإدارية لـ IEEE GRSS وشغل منصب محرر مشارك من 2003 إلى 2007 لـ رسائل علوم الأرض والاستشعار عن بعد من IEEE. منذ عام 2005 كان محررًا مشاركًا في معاملات IEEE في علوم الأرض والاستشعار عن بعد.

من خلال عمله التطوعي ومشاركته في فعاليات IEEE ، كما يقول ، فقد تواصل مع أعضاء آخرين في مجالات مختلفة بما في ذلك تكنولوجيا الفضاء وعلوم الأرض والاستشعار عن بعد وتعاون معهم في المشاريع.

حصل على ميدالية IEEE Dennis J. Picard لتقنيات الرادار وتطبيقاتها في 5 مايو خلال قمة IEEE للرؤية والابتكار والتحديات وحفل التكريم الذي عقد في أتلانتا. الحدث متاح على IEEE.tv.

من مقالات موقعك

مقالات ذات صلة حول الويب


اكتشاف المزيد من عرب نيوز للتقنية

اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى

اكتشاف المزيد من عرب نيوز للتقنية

اشترك الآن للاستمرار في القراءة والحصول على حق الوصول إلى الأرشيف الكامل.

Continue reading