السلف في الأنتينا المتعددة العناصر للاستشعار عن بعد ورصد الأرض

مقدمة إلى الأنتينا المتعددة العناصر

فالهوائيات المتعددة العناصر، التي يشار إليها في كثير من الأحيان على أنها صفائف هوائيات، هي نظم تجمع بين عناصر متعددة مشعة، أو أجهزة استنشاق، أو قرون، أو هياكل أخرى منسقة، وتتحكم في مرحلة وضخ الإشارة المزودة بكل عنصر، ويمكن لهذه الصفوف أن تتحول إلى أحواض ذات فتحات إلكترونية، وأن تُشكل أنماط إشعاعية، وتكيف مع الظروف التشغيلية المتغيرة دون وجود حركة آلية.

وفي مجال رصد الأرض، تعني القدرة على توجيه الشعاعات إلكترونياً أن السواتل أو المركبات الجوية غير المأهولة يمكن أن تمسح بسرعة مناطق كبيرة، وتركز على أهداف محددة، بل وتتتبع ظواهر متحركة مثل العواصف أو التيارات المحيطية، وهذا الانتقاد أمر حاسم بالنسبة للتطبيقات الحساسة من حيث التوقيت مثل الاستجابة للكوارث والرصد البيئي، وعلاوة على ذلك، فإن التصميمات المتعددة العناصر تتيح نظم الرادار ذي الفتحة الاصطناعية لتحقيق حل دقيق من خلال تركيبات الطويلة.

التطورات التكنولوجية الأخيرة

وقد شهد العقد الماضي تقدما ملحوظا في تكنولوجيا الهوائيات المتعددة العناصر، مدفوعا بتطورات في صناعة شبه الموصلات، وتجهيز الإشارات الرقمية، وعلم المواد، وقد جعلت هذه التطورات صفائف عالية الأداء أكثر سهولة وعملية بالنسبة لمجموعة أوسع من بعثات الاستشعار عن بعد، وتورد الفروع التالية تفاصيل الابتكارات الرئيسية التي تعيد تشكيل الميدان.

التطوير الرقمي المتقدم

وقد برزت عملية التضليل الرقمية كتقنية تحولية، وحلت محل شبكات التصفيق التدريجي الملغومة التي تجهز بشبكات قاعدية رقمية، وفي صفيفة رقمية للتصوير، يرتبط كل عنصر )أو دون التصوير( بمحو ِّل ساتلي مستقل من نوع " الميثوديوم إلى الشكل " ، مما يسمح برقمنة الإشارات المتلقاة وربطها بعلامات قياسية.

وقد أدت التحسينات الأخيرة في صفائف البوابات القابلة للبرمجة في الميدان، والأجهزة التي تستخدمها أجهزة الصنبور على أساس النظام إلى خفض استهلاك الطاقة وحجم نظم الـ دي بي إف، مما يجعلها قابلة للتطبيق بالنسبة لمجموعات صغيرة من الطرازات، فعلى سبيل المثال، تعتمد السواتل التابعة للشبكة الفضائية لأجهزة قياس المدار الثابت بالنسبة للأرض والسواتل " كابيلا " على أنواع الأشعة المتحركة بالأشعة دون الرقمية التي تُمكن من خلال نظام " .

التنميـة والإدماج

وقد أرغمت المصممات الهوائيات على تقليص أبعادها مع الحفاظ على الأداء، حيث تُستبدل صفائف المراحل التقليدية التي تستخدم الموجات الموجات المتحركة بمصفوفات من اللوحات المطبوعة، وعناصر متعددة الميكروبات، وأجهزة قياس الأشعة دون المكشوفة التي يمكن أن تُحزم بشكل كثيف.

هناك اتجاه ملحوظ آخر هو تطوير هياكل صفائف قابلة للانتشار، آليات التعبئة التي تحفزها الأوريغامي، وأجهزة الإلتهاب الذاتي، وأجهزة التحكم ذاتي تسمح بفتح موجات كبيرة خلال الإطلاق وتوسيع المدار،

الابتكارات المادية والمصنّعة

وتحتاج الهوائيات المتعددة العناصر العاملة في بيئة ضيقة من الفضاء أو الجو إلى مواد يمكن أن تصمد أمام درجات الحرارة القصوى، والفراغ، والإشعاع، والتآكل، كما أن التقدم المحرز في الآونة الأخيرة في المركبين المحررين بالكربون، والمواد المصفوفة بالسيراميين، والبوليمرات المتقدمة قد حسّنت الاستقرار الحراري وموثوقية هياكل الصفائف، كما أن التصنيع الإضافي (3D) قد دخل أيضا سلسلة إنتاجية ذات متطورة، مما يتيح سرعة الترسبات.

وتشكل الأمواج المميتة والواجهات المميتة حدوداً غريبة بدرجة أكبر، ففي حين أن الباحثين يمكن أن يخلقوا، بواسطة هياكل هندسية فرعية، مواد اصطناعية تظهر صدمات سلبية، أو استيعاب شبه الوحدة، أو أسطح متأصلة مصممة خصيصاً، ويمكن استخدامها في تصميم عدسات مدمجة تتقلص، أو في الحد من الانقسامات المتبادلة بين عناصر الصفوف، أو في سبيل المثال، إلى استخدام مواد مقياسية ذات طابع مزدوجة.

التكامل مع الاستخبارات الفنية

وقد أخذت المعلومات الاستخبارية الفنية والتعلم الآلي تدمجان بشكل متزايد في سلاسل التحكم وتجهيز الهوائيات المتعددة العناصر، ومن أكثر المجالات نشاطاً التأشيرات التكيُّفية: يمكن أن تتعلم الخوارزميات الترددات اللاسلكية في الموقع، وتكيف أنماط الشعاع لقمع التشويش، وتعقُّب الأهداف المتحركة، أو تعظيم البيانات عن طريق الربط التدريجي بين البرمجيات.

من ناحية البيانات، يمكن للتجهيز المعزز أن يبث ملاحظات متعددة من زوايا النظر المختلفة أو الاستقطابات التي يمكن أن تكون متاحة من خلال الطبيعة المتعددة الأبعاد للصفائف لاستخراج معلومات ذاتية عالية، وهذا يعني بالنسبة لملاحظة الأرض أن بيانات الرادار الخام أو المسافات الراديوية يمكن تحويلها إلى منتجات معيرة مثل خرائط رطب التربة، تقديرات الأحراج للكتلة الأحيائية، أو تركيزات الجليد البحري ذات الحد الأدنى من نماذج العمليات

تطبيقات الاستشعار عن بعد ورصد الأرض

وقد عززت التطورات التكنولوجية المذكورة أعلاه بشكل مباشر مجموعة واسعة من تطبيقات الاستشعار عن بعد، ولم تعد الهوائيات المتعددة العناصر مجرد عناصر؛ فهي عوامل تمكن من إيجاد قدرات جديدة للمراقبة تعالج التحديات البيئية والاجتماعية والعلمية الملحة، ونستكشف بالتفصيل مجالات التطبيقات الرئيسية.

Climate Monitoring and Atmospheric Science

ويتطلب تغير المناخ قياسات مستمرة على نطاق عالمي للتكوين الجوي، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والخصائص السحابية، وقد مكّنت الهوائيات المتعددة العناصر من مقاييس المايكرويف الدوائية السلبية، مثل أجهزة الموجات الدقيقة المتقدمة في مجال التكنولوجيا، وأجهزة قياس الجليد المزودة بمقياسات قياسية متطورة، وأجهزة قياسية متعددة الأبعاد، وأجهزة قياسية متطورة في مجال تكنولوجيا المعلومات ذات المقاييس ذات مقياسية عالية.

أجهزة الاستشعار النشطة مثل أجهزة الرادار المسبق تستفيد أيضاً من تكنولوجيا الأشعة المتحركة، وجهاز قياس التهوية العالمي، وأجهزة التهوية المزدوجة الترددية، وجهاز التهوية، وأجهزة التحلل الحرارية ذات الأشعة المتحركة، وأجهزة التحلل الحرارية ذات الأشعة المتحركة على مدار 245 كيلومتراً، مع حل دقيق، والنظم المستقبلية مثل فرقة الوصل الجوية المقترحة

إدارة الكوارث والاستجابة في حالات الطوارئ

وعندما يُحدث زلزال أو فيضانات أو حريق أو ضربات انسكاب النفط، يمكن للصور ذات التوقيت العالي الاستبانة أن تنقذ الأرواح وتخفض الخسائر الاقتصادية، حيث تتيح الهوائيات المتعددة العناصر مهمة سريعة لسواتل البحث العلمي: فبدلا من ساعات الانتظار أو أيام محطة أرضية لتحميل أوامر الانهيار الجديدة، يمكن للمشغلين استخدام الاختبار في إعادة تشغيل نفس الساتل في المدار المرحلي التالي.

أجهزة الاستطلاع ذات التردد العالي، وأجهزة الاستطلاع ذات السعة الاصطناعية على المدى الطويل، في الوقت نفسه، تفحص الناجين باستخدام رادار منخفض التصفيق، وقد قامت وزارة الأمن الداخلي باختبار نظاماً لا يقدر بثمن من الطاقة الكهربائية،

الزراعة

ويتطلب التغذية من السكان العالميين المتزايدين تحت ضغط المناخ رصدا فعالا لصحة المحاصيل ورطوبة التربة وموارد المياه، كما أن الهوائيات المتعددة العناصر على كل من من منصات السواتل والأعراق الجوية تتحول إلى الاستشعار عن بعد الزراعي، وعلى سبيل المثال، يستخدم مجرى الماء المرئي في جهاز الاستشعار عن بعد التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (Senstinel-1) مع وجود ترابط راداري مقسم على مراحل لرسم خرائط لرطوبة التربة في مكانية عالية (10 أمتار)

وتسمح الصور المتعددة الأطياف التي تستخدم في المركبات ذات النطاقات المتدرجة للوزن الخفيف الآن بخرائط حل مقياس فرعي للمؤشرات المتعلقة بالنباتات (مثلاً، NDVI، EVI) التي توجه الري باستخدام أسعار متغيرة وتطبيق الأسمدة، ويسمح إدماج هذه الأجهزة مع نظام الهوائي بالكشف عن التصفيات المسمومة على نحو مستقل، مع خفض مستوى الملاءمات التي يمكن الحصول عليها من قبل المفاعلات.

الأوقيانوغرافية والرصد البحري

المحيط يغطي أكثر من 70 في المائة من سطح الأرض، ومع ذلك فإن رصدها من الفضاء أمر صعب بسبب الغيوم والظلام والطبيعة الدينامية للتيارات والموجات، وهائيات متعددة العناصر على التوايت، وأجهزة الرش، وأجهزة البحث العلمي توفر قياسات حرجة، ويستخدم قياس طول الساتل " ستينيل - 3 " (Synthetic Aperture Radar Altimeter) على مراحل.

(أ) يمكن أن يُسترجع مواصفات الموجات ومياه الرياح من صور مساحات واسعة النطاق، والتصوير الرقمي المتقدم على بعثة راداراتسات للصيد في المحيطات، وينطوي على مضامين متزامنة من الاستقطابات وزوارق الارتفاع، وتحسين استرجاع سرعة الرياح، وارتفاع الموجات، وكشف الغطاء النباتي، وقد أظهر مشروع " مسح سطح المحيط "

تطبيقات ناشئة أخرى

وبالإضافة إلى أربعة عناصر كبيرة، فإن الهوائيات المتعددة العناصر تتيح قدرات جديدة للاستشعار عن بعد في مجال الحراجة (تقديرات الأحياء مع صفائف النطاقات P)، ورصد الغلاف الجوفي (سرعة صحائف الأيس كريم من منطقة الإنسـان مع صفائف مرحلية)، والتخطيط الحضري (3D Building mapping with multibaseline interferometry) وقدرة على الجمع بين نطاقات الترددات المتعددة (مثلاً، L, S, X) في صفائف واحدة متزامنة

الاتجاهات المستقبلية واتجاهات البحوث

ومع تزايد الطلب على المزيد من الحلول المكانية والزمنية والطيفية، يواصل مجتمع البحوث دفع حدود تكنولوجيا الهوائي المتعددة العناصر، ومن المرجح أن تحدد عدة مواضيع العقد المقبل للتنمية.

الهوائيات القابلة للثقة والمعرفة

وسيعاد تشكيل نظم الهوائيات في المستقبل ليس فقط في توجيه الشعاع بل في التردد والاستقطاب وشكل نمط الإشعاع، وسيتحقق ذلك من خلال مواد قابلة للتداول (المقاييس، والبلور، والمشغلات) والآليات المتعددة الأطراف التي تُدمج في الإطار المائي، ويمكن أن تتكيف صفائف قابلة للتداول مع مختلف مراحل البعثة، مثل المسح الواسع النطاق لأجهزة التبديل التي تتطلب معلومات دقيقة.

التضليل والتشتيت على المدار

يمكن أن تشكل مجموعة كبيرة من السواتل الصغيرة، المجهزة بصفوف مخفضة على مراحل، معاً فتحة موزعة عبر وصلات بين السواتل، وهذا المفهوم، الذي يسمى في كثير من الأحيان " الساتل الافتراضي " أو " السار الدوار " ، يجمع بين الإشارات من عدة منابر لتجميع هوائيات فعالة هائلة، مثل أهداف الدمج في المدار الأرضي المنخفض، و " بروبينات " .

Quantum and Metamaterial-Enhanced Arrays

ويجري استكشاف تقنيات الاستشعار الكمي، مثل أجهزة استقبال ذرات رنبرغ، على أنها أجهزة كشف مرنة للصفائف الهوائية، ويمكن أن يقيس عنصر الكمي الحقول الكهربائية ذات الأداء الضجيج شبه العقائدي، مما قد يؤدي إلى تحسين حساسية أجهزة قياس الترددات اللاسلكية حسب الحجم، وفي الوقت نفسه، فإن الأسطح الميتامية التي يمكن أن تتلاعب بصورة دينامية بالموجات الكهرومغنطيسية - مثلاً -

زيادة إمكانية الوصول إلى المنابر وكفاءتها

إن ترددات الاستشعار عن بعد أصبحت مكتظة، خاصة في فرقتي X وKO باستخدام العديد من نظم البحث السريع، وسرعان ما تكون عمليات التفكيك المتعددة العناصر في المستقبل تعمل عبر نطاقات أوسع (مثلاً، 500 ميغاهيرتز إلى 1 جيهرتز) لدعم أساليب الاستبانة العالية وتجنب التدخل، وترميم النطاقات الواسعة النطاق مثل فيفالدي أو تقنيات الضبط العالي

التكامل مع الشبكات غير الأرضية

وسيزداد عدد سواتل رصد الأرض جزءا من شبكات اتصالات أوسع نطاقا، وستتقاسم الترددات والهياكل الأساسية مع تركيبات من طراز 5G/6G، حيث أن نظم الاستشعار عن بعد التي يمكن أن تعالج في الوقت نفسه رادار رصد الأرض وصلات الاتصال (ما يسمى " التقارب في الترددات " ) هي مجال بحثي رئيسي، فعلى سبيل المثال يمكن للسواتل أن تستخدم صفيفة مرحلية لتقليل الصور عن طريق استخدام الليزر أو شبكة كا - إن - إس، مع جمع بيانات متزامنة.

خاتمة

وقد تطورت الهوائيات المتعددة العناصر من تجارب مختبرية متخصصة إلى العمود الفقري للاستشعار عن بعد الحديث ورصد الأرض، وقد أدى تقارب الأشعة الرقمية، والتقليل إلى أدنى حد، والمواد المتقدمة، والاستخبارات الاصطناعية إلى فتح مستويات جديدة من الأداء والمرونة، واليوم، فإن هذه الصفائح تمكن السواتل من رسم خرائط لرطوبة التربة على النطاق الميداني، وتعقّب الأعاصير في الوقت الحقيقي، ورصد إزالة الغابات مع إعادة النظر في جميع النظم اليومية منا.

لمزيد من القراءة عن آخر التطورات، انظر برامج رصد الأرض التابعة للإيسا ، ]NASA Earth Science Missions ، و]IEE Transactions on Antennas and Propagation لأوجه نظراء