آشکارسازی اجرام فضایی با سنسورهای الکترواپتیکی

 در فرایند آشکارسازی اجرام فضایی با سنسورهای الکترواپتیکی دو استراتژی مطرح است که اولین استراتژی، آشکارسازی مبتنی بر انرژی بازتابشی هدف (Sunlit detection) و دومی آشکارسازی با استفاده از طیف مبتنی بر گسیل حرارتی هدف (آشکارسازی گرمایی) است.

 در سیستم‌های مستقر در زمین یکی از گزینه‌های رصد اجرام فضایی با استفاده ازطیف بازتابشی هدف در محدوده مرئی در شب، طیف بازتابشی هدف در محدوده مادون قرمز کوتاه در روز، طیف حرارتی هدف در محدوده مادون قرمز متوسط در شبانه روز و استفاده از طیف حرارتی در محدوده طول موج مادون قرمز بلند در شب مطرح است. متداولترین نوع آشکارسازی اپتیکی ماهواره‌ها استفاده از سنسورهایی با توان آشکارسازی در باند مرئی (0.4 تا 1 میکرومتر) است که در آن فرایند آشکارسازی با شرط در معرض تابش خورشید بودن هدف (sunlit) و قرار گرفتن سنسور در ناحیه شب (سایه زمین) به شکل موثری ممکن است. استفاده از باندهای مادون قرمز متوسط و بلند به دلیل پایین بودن سطح سیگنال هدف مختص ماهواره های لئو است.

 

مدهای اسکن فضا

 در یک سیستم مراقبت فضا باید متناسب با هدف سیستم (جستجو یا تعقیب)، طیف آشکارسازی (مرئی یا حرارتی)، مشخصات اهداف مورد علاقه و نیز امکانات و محدودیت‌های سخت افزاری یک یا چند مد اسکن انتخاب شود. یکی از مدهای کارآمد اسکن ، مد نجومی است و تلسکوپهایی که در این مد کار می کنند دارای سکوهای استوایی هستند.

در مد نجومی پس زمینه آسمان (ستارگان، کهکشان‌ها و سایر اجرام دوردست) در فریم‌های متوالی ثابت است ولی اجسام غیر‌ستاره‌ای یعنی اجسام مداری زمین (ماه و ماهواره‌ها) و دیگر اعضای منظومه شمسی (سیارات، سیارک‌ها، دنباله‌دارها) متحرک هستند و بسته به سرعت زاویه‌ای اجسام متحرک و زمان نوردهی فریم‌ها، این اجسام در هر فریم به صورت اهداف نقطه‌ای یا رگه‌های نورانی ظاهر می‌شوند. مد نجومی برای سیستم‌های  جستجو و تعقیب گزینه ایده آلی است و استفاده از آن در بسیاری از سیستم‌های اپتیکی مراقبت فضا عملکرد بالای این مد را برای انواع مدارها اثبات کرده است.

یکی دیگر از مدهای مطرح سنسور، مد ردیابی است که در این مد، سنسور یک الگوی اسکن هماهنگ با حرکت هدف را اجرا می‌کند بدین معنا که حرکت مکانیکی سنسور به گونه‌ای تنظیم می‌شود که اهداف مورد نظر به صورت چشمه‌های انرژی ایستا در فریم‌های پی‌درپی ثبت می‌شود. در این مد هدف روی سنسور ثابت است و پس‌زمینه متحرک است. این مد برای جستجوی اهداف مداری ژئو مفید است. نقش سیستم کنترل سکوی تلسکوپ، نشانه‌گیری تلسکوپ به سوی هدف مورد نظر است و یک وجه بسیار مهم عملکرد در یک سکو، دقت نشانه روی تلسکوپ به سوی هدف و دقت تعقیب آن است که به ترتیب با دو پارامتر کلیدی دقت نشانه‌روی و دقت ردیابی توصیف می‌شود.

 دقت نشانه روی بر حسب ثانیه، قوسی و دقت ردیابی برحسب ثانیه، قوسی برثانیه بیان می‌شود. با فناوری کنونی تلسکوپ‌هایی با دقت ردیابی در حد 0.001  ثانیه قوسی بر ثانیه و حتی بهتر از آن قابل دستیابی هستند اما دستیابی به دقت نشانه‌روی بیش از یک ثانیه قوسی بسیار دشوار است. برای ردیابی اهداف لئو حداقل سرعت 3 درجه بر ثانیه و شتاب 2 درجه بر ثانیه نیاز است.

مد سوم مد ایستا است که در این مد پس‌زمینه ستاره‌ای به آرامی در اسکن‌های متوالی جابجا می‌شود ولی هدف مداری با سرعت بیشتری از جهات مختلف میدان دید عبور می‌کنند.

 در فرایند آشکارسازی اجرام فضایی با سنسورهای الکترواپتیکی دو استراتژی مطرح است که اولین استراتژی، آشکارسازی مبتنی بر انرژی بازتابشی هدف و دومی آشکارسازی با استفاده از طیف مبتنی بر گسیل حرارتی هدف (آشکارسازی گرمایی) است.

مشاهده توسط سنسورهای اپتیکی

در یک سیستم مراقبت فضایی مشاهدات قابل انجام به وسیله سنسورهای اپتیکی شامل مشاهدات سینماتیکی (متریک) و مشاهدات شناسایی است که مشاهدات سینماتیکی شامل داده‌های متریک (شامل مکان زاویه‌ای و زمان) و مشاهدات شناسایی شامل فوتومتری و رادیومتری، طیف نگاری و تصویرنگاری هستند.

یک مشاهده متریک باید شامل اندازه‌گیری مکان زاویه‌ای هدف و زمان، به ازای حداقل 10 نقطه از مسیر هدف در مشاهدات follow-up و حداقل سه نقطه از مسیر هدف در مشاهدات search  باشد. در بحث مشاهدات شناسایی از سه نوع داده فوتومتریک مستقیما به‌عنوان پارامترهای شناسایی استفاده می‌شود. این داده‌ها قدر استاندارد در یک باند طیفی معین، الگوی تغییرات زمانی قدر ماهواره و خواص رنگی آن را در برمی‌گیرند. 

فوتومتری ماهواره‌ها اندازه‌گیری شار انرژی دریافتی از هدف و تغییرات زمانی آن در محدوده ناحیه مرئی و حوالی آن که معمولا با عنوان قدر بیان می‌شود را در بر می‌گیرد که این کار باید زمانی انجام شود که هدف در معرض نور خورشید قرار دارد و البته شرایط اندازه‌گیری از نظر تابش پس‌زمینه مطلوب باشد. شار فوتومتریک هدف مداری به مشخصات آن شامل ابعاد، شکل، دوران (اسپین) و خصوصیات سطحی (ضریب و خواص بازتابندگی) و البته فاصله، زاویه خورشید-هدف-سنسور یا به عبارتی به زاویه فاز بستگی دارد. بر این اساس دامنه شدت فوتومتریک یک هدف بیش از هر چیز دیگر به اندازه، شکل هندسی و جنس و ترکیب اجزای بیرونی آن بستگی دارد. اما الگوی تغییرات زمانی از یک سو به تغییر فاصله و زاویه فاز و از سوی دیگر به تغییر جهت‌گیری هدف نسبت به ناظر وابسته است. برای مثال ماهواره‌هایی که دارای پایدارسازی اسپینی هستند و سطح خارجی آنها همگن نیست یک الگوی تناوبی از کاهش و افزایش درخشندگی با زمان تناوب اسپین ماهواره از خود نشان می‌دهد.

تشخیص پایدار یا غیر پایدار بودن یک جسم مداری با تحلیل الگوی تغییرات زمانی قدر میسر است. اصلی‌ترین پارامتر اپتیکی شناسایی اجرام فضایی قدر استاندارد است که قدر استاندارد در فاصله 1000 کیلومتر و زاویه فاز 90 درجه محاسبه می‌شود. این پارامتر به نوعی نقش سطح مقطع راداری را دارد. از قدرهای استاندارد برای چندین ماهواره واقع در مدار لئو می‌توان به قدر استاندارد ISS ،5/1-، قدر استاندارد ماهواره SPOT5 : 4 ، Ofeq5: 6 ، ماهواره جاسوسی عکسبرداری USA-129 : 4 ، GPS واقع در مدار MEO : 5 اشاره کرد.

 

جدیدترین روش شناسایی

طیف سنجی نیز یکی از روش‌های نوین شناسایی اهداف مداری است که در سال‌های اخیر به آن توجه زیادی شده است و نتایج بسیار قابل توجهی را در راستای شناسایی و دسته‌بندی اجسام مداری زمین به بار آورده است. این روش یک ابزار با ارزش برای تعیین ترکیب جسم است. ماهواره‌ها دارای صفحات خورشیدی هستند لذا یک بازتابش قوی در ناحیه آبی طیف از خود نشان می‌دهند، در حالیکه اغلب اجسام مداری دیگر مانند بدنه راکت‌ها فاقد چنین ویژگی هستند. در مورد بدنه راکت‌ها افزایش نسبتا یکنواختی در شدت بازتابش از ناحیه آبی تا مادون قرمز دیده می‌شود.

 

دستیابی به بزرگنمایی

طیف سنجی اجسام مداری از نظر اجرا در مورد اهداف سریع لئو کار آسانی نیست. بهترین ابزار برای شناسایی اجرام فضایی تصویرنگاری ماهواره‌ها با رزولوشن بالا است که با این روش بسیاری از مشخصات جسم از قبیل ابعاد، شکل، پیکربندی و اجزای اصلی ماهواره و … مشخص می‌شود. به دلیل ابعاد کوچک ماهواره‌ها در مقایسه با اهداف نجومی و فاصله زیاد آنها (حداقل 400 کیلومتر) برای تصویرنگاری به تلسکوپ‌های بزرگی نیاز است و در مورد اهداف غیر لئو بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های موجود نیز جوابگوی بزرگنمایی مورد نیاز نیستند. از طرف دیگر اثرات مربوط به آشفتگی سیگنال اپتیکی در عبور از اتمسفر رزولوشن موثر تصاویر را محدود می‌سازد. این آشفتگی که به نوسانات دما و فشار وابسته است بیشترین تاثیر را در لایه‌های پایین جو با ارتفاع 20 کیلومتر ایجاد می‌کند، در نتیجه استقرار تلسکوپ در ارتفاعات یکی از فاکتورهای مهم برای بهبود این وضعیت است. به همین دلیل اغلب رصدخانه‌ها در ارتفاعات (نوعا بالاتر از 4000 متری از سطح دریا) ساخته می‌شوند. ارتفاع رصدخانه AMOS که دارای پیشرفته ترین تلسکوپهای شناسایی است به 3068 متر می‌رسد.

در حقیقت حرکت سریع ماهواره های لئو مشکلات مضاعفی را درتصویرنگاری با رزولوشن بالا ایجاد کرده است. زیرا تلسکوپ باید بتواند هدف خود را با سرعت قابل توجه که می‌تواند به دو درجه بر ثانیه بالغ شود و به شکلی بسیار هموار ردیابی نماید تا امکان عکسبرداری از آن فراهم شود.

امروزه روش‌های نسبتا موثری برای خنثی کردن اثر آشفتگی اپتیکی در اتمسفر هنگام تصویربرداری با رزولوشن بالا به کار می‌رود. اولین روش استفاده از فناوری اپتیک تطبیقی است که در آن سعی می‌شود با خنثی کردن آشفتگی ایجاد شده در جبهه موج دریافتی از هدف به وسیله یک ابزار اپتومکانیکی (آینه با قابلیت تغییر شکل) تصویر بهبود یافته‌ای در صفحه کانونی تشکیل شود. در روش دوم که تصویرنگاری اسپیکل نام دارد سعی بر آن است که با کاهش زمان نوردهی، آشفتگی در تصویر به شکل موثری کاهش یابد و با ترکیب چند فریم متوالی که در بازه زمانی بسیار کوتاه تهیه شده است تصویر دلخواه به دست آید.

در حال حاضر سه فناوری قابل توجه از آشکارسازهای آرایه ای شامل CCD، CMOS و هیبرید در ناحیه مرئی و حوالی آن وجود دارند. در هر سه نوع سنسور عنصر اصلی حساس به نور سیلیکون است ولی ساختار هر المان آشکارساز، ساختار آرایه و مکانیسم بازخوانی آن کم و بیش متفاوت است. در ناحیه مادون قرمز تنوع آشکارسازهای مورد توجه بسیار بیشتر از ناحیه مرئی است. فناوری MCT برای هر سه ناحیه مادون قرمز کوتاه و متوسط و بلند، فناوری InSb برای ناحیه مادون قرمز متوسط و فناوری Si:As برای مادون قرمز بلند استفاده می‌شود.

 

 

No tags for this post.