كاميرات الفضاء: "عيون" الأقمار الصناعية في الفضاء

 المكونات الأساسية لكاميرا الفضاء

▲ جهاز تصوير هايانغ-1 رباعي النطاقات بتقنية CCD

تتكون كاميرا الفضاء عموماً من الأجزاء التالية:

1. العدسة الشيئية: تتكون من أنظمة وهياكل بصرية. وتختلف أنواع الأنظمة البصرية باختلاف الهياكل، مثل الأنظمة الانكسارية، والانكسارية، والعاكسة. ويتكون النظام البصري عمومًا من مكونات بصرية متعددة، مثل نافذة الكاميرا، والعدسة، والمرآة، والمرشح، والموشور، وغيرها.

2. نظام دائرة الكشف والاستقبال: يقوم الكاشف الضوئي بتحويل الإشارات الكهروضوئية، وتضخيم الإشارة، والمعالجة، والعرض، والتخزين، وأجهزة التعليق، ويتكون بشكل عام من كواشف ضوئية، ودوائر، ومكونات تثبيت ميكانيكية.

3. الهيكل الميكانيكي: بما في ذلك الغلاف، ومكونات المستوى البؤري، والنقل الميكانيكي، والفتحة، ودرع الضوء، وما إلى ذلك.

4. جهاز التحكم الحراري: يتكون بشكل عام من طلاء التحكم الحراري، وفيلم العزل الحراري، ومادة تغيير الطور، وأنبوب حراري، وكابل توصيل حراري، ومشع، وسخان، وجهاز تحكم في درجة الحرارة، وما إلى ذلك. ويشمل التحكم الحراري النشط والتحكم الحراري السلبي.

5. وحدة التحكم ومعالجة المعلومات: تتحكم في الحصول على بيانات الصورة وتخزينها ومعالجتها أو ترميزها؛ وتتحكم في أنظمة المؤازرة المختلفة مثل نقل الفيلم والتركيز والمعايرة وضبط التعريض الضوئي وتعويض إزاحة الصورة؛ وتدخل البيانات إلى جهاز التعليق؛ وتراقب حالة عمل كل مكون؛ وترسل معلومات الأعطال إلى مركز التحكم الأرضي.

 تصنيف كاميرات الفضاء

▲مطياف الأشعة تحت الحمراء FY-3

توجد أنواع عديدة من كاميرات الفضاء، مثل كاميرات الاستطلاع، وكاميرات المسح (المعروفة أيضًا بكاميرات رسم الخرائط)، والكاميرات متعددة الأطياف التي تستخدم الفيلم كوسيلة لنقل المعلومات؛ وكاميرات CCD، والماسحات الضوئية متعددة الأطياف، وأجهزة قياس الطيف التصويرية التي تستخدم كاشفات كهروضوئية كمستقبلات. وتُعرف هذه المستشعرات الفضائية عن بُعد مجتمعةً باسم كاميرات الفضاء.

• مصنفة حسب القطاع الطيفي

يمكن تصنيف الكاميرات إلى كاميرات فوق بنفسجية، وكاميرات ضوء مرئي، وكاميرات تحت حمراء، وكاميرات ليزر نشطة، بالإضافة إلى كاميرات بانكروماتية وكاميرات متعددة الأطياف، وأجهزة قياس الطيف التصويري. ويمكن تصنيف الأخيرة بدورها إلى كاميرات فائقة الطيف وكاميرات فائقة الطيف بناءً على الدقة الطيفية.

حالياً، تعد أجهزة قياس الطيف التصويري الأكثر شيوعاً هي الأنواع التشتتية والتداخلية، بينما تشمل نقاط البحث الساخنة الحالية الأنواع المرشحة والأنواع الحسابية.

▲مطياف التصوير متوسط ​​الدقة FY-3

• وفقًا لهدف التصوير 

استنادًا إلى الهدف المراد تصويره، يمكن تقسيم كاميرات الفضاء إلى فئتين: كاميرات تصوّر مناطق وكاميرات تصوّر نقاطًا. على سبيل المثال، كاميرات رصد المعالم الأرضية (والتي تُعرف مجتمعةً بكاميرات الاستطلاع ورسم الخرائط والموارد) والكاميرات التي ترصد القمر والكواكب والشمس هي كاميرات تصوّر مناطق، بينما كاميرات النجوم أو مستشعرات النجوم تصوّر النجوم (مصادر الضوء النقطية) على الكرة السماوية باستثناء الشمس.

• بحسب مصدر إشارة الكشف  

تُصنّف كاميرات الفضاء، بناءً على مصدر الإشارة المُكتشفة، إلى فئتين: نشطة وسلبية. تستخدم تقنية الاستشعار عن بُعد النشطة مصدر إشعاع كهرومغناطيسي مُصنّع لإضاءة الهدف، ثم تُحدّد هويته من خلال استقبال خصائص الموجات الكهرومغناطيسية المنعكسة منه. أما تقنية الاستشعار عن بُعد السلبية، فلا تتطلب إشعاعًا صناعيًا لإضاءة الهدف، بل تستخدم مصادر طبيعية (مثل ضوء الشمس، والإشعاع الكوني، والأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام نتيجة امتصاصها للطاقة الشمسية) لقياس الموجات الكهرومغناطيسية المنعكسة أو المُشعّة من الهدف، وبذلك تُحقق غرض الاستشعار عن بُعد.

• باستخدام 

يمكن تقسيم كاميرات الفضاء إلى نوعين حسب الغرض منها. النوع الأول هو كاميرا فضائية تراقب الأرض، وتُعرف أيضًا بكاميرا الأجسام الأرضية، مثل تلك المستخدمة في دراسة خصائص الأهداف الأرضية، والجيولوجيا، والتضاريس، والاستطلاع العسكري، ورسم الخرائط وتحديد المواقع، والرصد الجوي والمحيطي، وما إلى ذلك. أما النوع الثاني فهو كاميرا تبحث عن الأهداف الفضائية وتلتقطها وتتتبعها وتراقبها على منصة فضائية، مثل تلك المستخدمة في الرصد الفلكي في الفضاء، وفي قياس وتوجيه الأقمار الصناعية الاعتراضية (أو الأسلحة الحركية).

 تطبيقات وممارسات كاميرات الفضاء

▲ تُستخدم الكاميرات الفضائية على نطاق واسع في مجال الاستشعار عن بعد.

طُوّرت أول كاميرا فضائية لبلادي من قِبل الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء ابتداءً من عام 1967. أُطلقت إلى الفضاء في 26 نوفمبر 1975، على متن أول قمر صناعي صيني قابل للاستعادة، "جيان بينغ-1"، وعادت إلى الأرض بعد ثلاثة أيام. وبذلك أصبحت بلادي ثالث دولة، بعد الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة، تمتلك كاميرا لمراقبة الأرض.

تُعدّ حمولة "جيان بينغ-1" البصرية الفضائية كاميرا تعمل بالضوء المرئي تُستخدم في عمليات المسح. يبلغ طولها البؤري 850 مم، وتستخدم فيلمًا بطول 2000 متر لتخزين المعلومات، وعرض الفيلم 225 مم، وحجم الإطار 198 مم × 1780 مم. تصل دقة البكسل الأرضية للكاميرا إلى 10 أمتار إلى 5 أمتار.

• كاميرا فضائية لرصد الأرصاد الجوية 

يحمل القمر الصناعي الصيني للأرصاد الجوية FY-1 مقياس إشعاع متعدد القنوات، قادر أيضاً على رصد لون المحيط، بدقة تصل إلى 1.1 كيلومتر. ويحتوي جهاز VISSR المحمول على هذا القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض على مرآة بزاوية 45 درجة على المحور الرئيسي للنظام البصري، ولكنه يحقق المسح من الشرق إلى الغرب عن طريق دوران القمر الصناعي، بينما يتم المسح من الشمال إلى الجنوب عن طريق حركة مرآة المسح من الشمال إلى الجنوب.

يُحقق جهاز التصوير المرئي والأشعة تحت الحمراء في القمر الصناعي الصيني للأرصاد الجوية FY-2 مسحًا من الشمال إلى الجنوب باستخدام آلية تمرير التلسكوب. تبلغ دقة قنوات الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة 1.25 كيلومتر، بينما تبلغ دقة قنوات الأشعة تحت الحمراء الحرارية وبخار الماء 5 كيلومترات.

• كاميرا فضائية لرصد الموارد

في عام 1999، أُطلق بنجاح القمر الصناعي الصيني البرازيلي لموارد الأرض (CBERS)، حاملاً كاميرا CCD ذات خمسة نطاقات، وماسحًا ضوئيًا بالأشعة تحت الحمراء بأربعة نطاقات، وجهاز تصوير واسع المجال بنطاقين. عمل القمر الصناعي زييوان-1 01 في مداره لأكثر من ثلاث سنوات، بمسح ضوئي يمتد على مسافة 113 كيلومترًا، وتمتع بقدرات عالية السرعة لنقل بيانات الأرض في الوقت الفعلي، موفرًا بيانات فعالة تغطي أكثر من مليون كيلومتر مربع سنويًا.

بعد أكثر من عشرين عامًا من التطوير، استقبلت عائلة أقمار ZY-1 في 26 ديسمبر 2021 عضوها التاسع، ZY-1 06. يُجهز هذا القمر الصناعي بكاميرات مرئية وقريبة من الأشعة تحت الحمراء، بالإضافة إلى كاميرا فائقة الطيف، كما أُضيفت إليه كاميرا جديدة تعمل بالأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، مما يُمكّن من رصد الأرض في جميع الأحوال الجوية. تتميز الكاميرا المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء بدقة أحادية اللون تبلغ 2.5 متر ودقة متعددة الأطياف تبلغ 10 أمتار، وهي قادرة على تحديد أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة بين الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، وتمييز شكل وحجم وبعض ألوان الأهداف المرصودة.

• كاميرا فضائية لقياس لون المحيط 

يُعدّ الماسح الضوئي لألوان المحيطات الذي يحمله القمر الصناعي الصيني HY-1 كاميرا فضائية ماسحة للمرآة بزاوية 45 درجة، مزودة بعشر قنوات، من بينها قناتان للأشعة تحت الحمراء الحرارية، وبدقة تصل إلى 1.1 كيلومتر. كما يحمل القمر الصناعي كاميرا فضائية أخرى من نوع CCD رباعية النطاقات، تستخدم تصميم المسح الخطي CCD، بدقة تصل إلى 250 مترًا.

مع التطورات التكنولوجية المتواصلة، تتحسن الدقة الزمنية والمكانية لكاميرات الفضاء باستمرار. ويتجه أداؤها في الكشف البصري نحو دقة مكانية وطيفية وزمنية عالية. وتتطور الأهداف التي يمكنها استهدافها من هدف واحد إلى أهداف متعددة، ومن أهداف بسيطة إلى أهداف معقدة، كما أنها تزداد تكاملاً وخفة وزناً وذكاءً وتعدداً في الوظائف. ويتزايد دورها في الاستطلاع والكشف في الفضاء أهميةً، إذ تُشكل منصةً أساسيةً وضمانةً لعمليات الفضاء الجوي المتكاملة. ويُعتقد أنه مع الظهور المستمر لتقنيات جديدة والتحديث الدائم لأساليب الكشف، ستتسع آفاق استخدام كاميرات الفضاء، لتصبح اتجاهاً رئيسياً في تطوير التقنيات المتقدمة في مختلف البلدان.

(المراجع: الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء: اتجاهات تطوير الحمولات البصرية الفضائية للقرن الحادي والعشرين؛ وانغ جينتانغ وتشن شيبينغ: مقدمة في تصميم واختبار كاميرات الفضاء)