Mikrodalga Uzaktan Algılama

Mikrodalga uzaktan algılama sistemleri çalışma prensiplerine göre aktif ve pasif mikrodalga algılama sistemleri olarak 2 ana gruba ayrılmaktadır. Aktif sistemler kendi yaydıkları enerji ile algılama yapan sistemler, pasif sistemler ise farklı kaynaklardan (örn. FM radyo yayınları, telsiz iletişim sinyalleri, vb.) ya da yeryüzünden doğal olarak yayımlanan mikrodalga enerjisini algılayan sistemlerdir. Aktif algılayıcı sistemlere örnek olarak radar sistemleri, pasif algılayıcı sistemlerine örnek olarak pasif mikrodalga radyometresi verilebilir.

Radar görüntüleme sistemlerinde kullanılan mikrodalga enerji, sistem tarafından gönderildiğinden Güneş ışığına gerek duyulmadan algılama yapılır. Diğer yandan mikrodalga ışınımı, buluta nüfuz edebildiğinden radar görüntüleme sistemleri ile gece veya gündüz, hemen hemen (küçük mikrodalga boylarında çok kuvvetli yağış durumu dışında) her türlü hava koşullarından bağımsız görüntü elde etmek mümkündür. Bu özelliği nedeniyle radar görüntüleme sistemleri özellikle bulut yoğunluğu fazla olan bölgelerde ve istenilen zamanda görüntü alınabilmesi nedeniyle birçok bilimsel araştırma ve uygulama çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Günümüzde uzaktan algılama amacıyla kullanılan dört temel mikrodalga algılama sistemi bulunmaktadır. Bunlar altimetre, radyometre, saçılım ölçer ve yapay açıklıklı radar sistemleridir.
Mikrodalga altimetre sistemleri, uzaktan algılama platformu ile yer yüzeyi arasındaki uzaklığı ölçmek amacıyla kullanılırlar. Görüntü vermeyen bu radar algılama sisteminde uzaklık ölçümü, nadir (yeryüzüne dik) doğrultuda vericiden gönderilen sinyalin (mikrodalga enerjisinin) alıcıya geri dönmesi için geçen süre belirlenerek yapılmaktadır. Platform yüksekliği yanı sıra okyanus yüzeyine ait baskın dalga yüksekliği, dalga sıklığı, vb. bilgiler de elde edilebilmektedir.

Mikrodalga radyometre sistemleri pasif görüntüleme radarları olup 1-1000 GHz bandı arasında çalışırlar. 1. Ünite’de anlatıldığı üzere mutlak sıfır (-273°C) sıcaklığın üzerindeki her cisim sıcaklığı ile orantılı şekilde mikrodalga ışıması yapmaktadır. Mikrodalga ışıma değeri, dalga boyuna, cismin sıcaklığına ve yayım parametresine bağlıdır.

Radyometrik sistemlere örnek olarak Tropik Yağış Ölçüm uydusu (Tropical Rainfall Measurement Mission, TRMM) üzerinde yer alan TRMM Mikrodalga Radarı (TRMM Microwave Imager, TMI) verilebilir.

Saçılım ölçer aktif bir mikrodalga algılama sistemidir ve yeryüzünün birim alandaki mikrodalga saçılım katsayısını ölçer. Saçılma katsayısı (σ0) noktasal hedefler için yansıtıcı yüzey alanı ile ilişkili olduğundan yansıtma yüzey alanı (radar cross section) olarak da tanımlanır.

Mikrodalga saçılım değerleri kullanılarak deniz yüzeyi üzerindeki rüzgâr yönü ve hızı hakkında bilgi edinilebilir. Bu amaçla rüzgârın etkisi ile su yüzeyinde oluşan küçük dalgaların saçılım değerleri farklı yönlerde kısa gözlem aralıkları ile toplanır. Farklı açılarda alınan ölçümler sayesinde rüzgârın hangi yönde estiği belirlenebilir.

En yaygın olarak kullanılan ve genelde SAR olarak bilinen Yapay Açıklıklı Radar sistemleri geliştirilmeden önce antenin gerçek açıklığı kullanılarak görüntüleme yapan Gerçek Açıklıklı (Real Aperture) veya Yan Bakışlı Radar (Side-Looking Radar) sistemleri olarak bilinen radar görüntüleme sistemleri kullanılmaktaydı. Ancak bu sistemde uçuş yönündeki mekânsal çözünürlük anten açıklığı ile ters orantılı olduğundan diğer bir ifade ile yüksek mekânsal çözünürlüklü görüntü alınamadığından yapay olarak radar anten açıklığının bir takım sayısal işlemler ile arttırılması sağlanmıştır. 1950’den bu yana kullanılan bu sistemde radar anteni önce istenilen anten açıklığı boyunca hareket ettirilerek belirli zaman aralıklarında ölçümler alınır ve daha sonra bu veriler eş zamanlı toplanarak yapay bir açıklık oluşturulur. Diğer bir ifade ile gerçek fiziksel açıklığa eş büyük bir yapay açıklık oluşturularak hava ve uzay platformlarına yerleştirilen radar sistemlerinde daha yüksek mekânsal çözünürlüklü görüntü alınabilmesi mümkün olmuştur.

SAR sistemleri gelen mikrodalga işaretinin hem faz hem de genlik bilgisini ölçmektedirler. Yapay açıklıklı radar görüntülerinde genlik, hedefin (yeryüzü cisimlerinin) elektriksel özelliklerine (veya nem içeriği) ve yüzeyin pürüzlülüğüne bağlıdır.

Yapay açıklıklı radarlar ile elde edilen faz bilgisi radar ile hedef arasındaki uzaklık ile ilişkilidir. Bu bilgiden yola çıkarak topoğrafik ölçümlerin yanı sıra yanardağ, deprem veya maden arama çalışmaları nedeniyle yer yüzeyinde oluşan çökme ve kabarmalar görüntülenebilmektedir.

Diğer optik sistemlerden farklı olarak yeryüzünü eğik olarak algılayan mikrodalga uzaktan algılama sistemleri kullanıldıkları amaçlara göre değiştirilebilen birçok temel parametreye sahiptir. Radar sistemlerinde temel sistem parametrelerinden biri kullanılan dalga boyudur. Günümüzde kullanılan birçok mikrodalga uydu sisteminde 30cm ile 3mm arasındaki dalga boyları kullanılmaktadır. Dalga boyu ile frekans birbirleri ile ters orantılı olup birbirlerinin yerine de kullanılırlar.

Radar dalga boyunun ayırt edilmesi istenen yüzey cisimlerinin boyutuna yakın olması gerekir. Diğer bir deyişle farklı uygulamalarda kullanılacak radar uydu verisi seçiminde ilgilenilen cisme yakınsayacak dalga boyunun dikkate alınması gerekir. Örneğin, 

• Kısa dalga boyları (Ka = 0.5 - 1 cm), çok küçük cisimler; örn. yağmur damlalarının algılanması
• Orta dalga boyları (X / C = 2 - 6 cm), küçük cisimler; örn. bitki örtüsü yapraklarının algılanması
• Uzun dalga boyları (L = 10 - 30 cm), büyük cisimler, örn. jeolojik yüzeylerin / ağaç gövde ve dallarının algılanması 

Yapay açıklıklı radarlar ile küçük bir antenle uçuş yönünde yüksek mekânsal çözünürlük elde etmek mümkün olsa da, uzaklık ayırma kabiliyeti (menzil çözünürlüğü) gerçek açıklıklı radarlar ile aynıdır.
Yapay açıklıklı radarlar yer yüzeyine belirli bir açı ile bakmak zorundadırlar. Çünkü yapay açıklık, görüntüdeki hedefin Doppler etkisinin gözlenmesi ile elde edilir. Dik (nadir) doğrultuda bakılması durumunda ise radarın sol ve sağ yanında bulunan hedefler özgün Doppler değerine sahip olacaktır. İstenmeyen bu durumun önüne geçebilmek ve her bir hedefin Doppler değerinin olmasını sağlamak amacıyla antene en azından anten açıklığı kadar bir açı verilir. Bu açıya radar bakış açısı denir. 

Yapay açıklıklı radarlar ile küçük bir antenle uçuş yönünde yüksek mekânsal çözünürlük elde etmek mümkün olsa da, uzaklık ayırma kabiliyeti (menzil çözünürlüğü) gerçek açıklıklı radarlar ile aynıdır.
Yapay açıklıklı radarlar yer yüzeyine belirli bir açı ile bakmak zorundadırlar. Çünkü yapay açıklık, görüntüdeki hedefin Doppler etkisinin gözlenmesi ile elde edilir. Dik (nadir) doğrultuda bakılması durumunda ise radarın sol ve sağ yanında bulunan hedefler özgün Doppler değerine sahip olacaktır. İstenmeyen bu durumun önüne geçebilmek ve her bir hedefin Doppler değerinin olmasını sağlamak amacıyla antene en azından anten açıklığı kadar bir açı verilir. Bu açıya radar bakış açısı denir.
Radar görüntüleme sistemlerinin diğer önemli bir sistem parametresi de gönderilen ve alınan işaretin polarizasyonudur. Polarizasyon, elektromanyetik dalganın elektrik alan vektör yönünü (veya gönderiliş biçimi) gösterir ve elektromanyetik dalgayı oluşturan elektrik alan yönünün yeryüzüne göre konumuna bakılarak belirlenir. Genelde 3 farklı polarizasyon türü vardır; (i) Düşey / Yatay Doğrusal Polarizasyon, (ii) Sağ / Sol Dairesel Polarizasyon, (iii) Sağ / Sol Eliptik Polarizasyon

Radar görüntülerinde radar sistemleri kadar görüntülenen alanın fiziksel özellikleri de önemlidir. Önemli hedef parametrelerinden birisi cisimlerden dönen geri yansıtım (backscattering) değeridir. Radar sistemlerinde alıcıya gelen güç, anten verimi, menzil, geliş açısı ve geri yansıtım değerine göre belirlenir.

Alıcıda elde edilen güç radar menzil çözünürlüğü içerisinde yer alan tüm alanların toplam değeridir. Yansıtma yüzey alanları radar menzil çözünürlüğünden küçük olan cisimlere nokta hedefler denir. Antenler, doğal oluşumlu köşeli yapılar ve köşeli yansıtıcılar noktasal hedeflere örnektir. Özel tasarlanan bazı nokta hedeflerin yansıtma yüzey alanı fiziksel yüzey alanlarından çok daha fazla olabilir. Köşeli yansıtıcılar yüksek yansıtma değerine sahip noktasal hedeflere örnektir.

Mikrodalga ışınlar bulutlara nüfuz edebildiği gibi dalga boyundan küçük cisimlerin belirli oranda altını görebilmesine penetrasyon, hedef yüzeyi ile en alt yansıtıcı yüzey arasındaki uzaklığa da penetrasyon derinliği denir. Penetrasyon derinliği dalga boyu ile doğrusal bir ilişkiye sahiptir ve bu nedenle penetrasyon olayı daha çok düşük frekanslı sistemler ile gözlenir. Örneğin P-bandında çalışan bir radar sistemi ile ormanlık alanlarda bitki örtüsünün altındaki yüzeyler algılanabilmektedir. Çıplak toprak yüzeylerinde penetrasyon kabiliyeti çok kurak topraklarda (örn. çöl toprağı) daha fazla olmaktadır.

Radar görüntüleri yeryüzündeki cisimlerden radara geri yansıyan mikrodalga enerjinin alıcı tarafından algılanması ile oluşur. Geri yansıyan mikrodalga enerjiye cismin dielektrik özelliği (nem miktarı) ve yüzey pürüzlülüğü etki etmektedir. Nem miktarı radar yansıtımını arttıran bir özelliktir. Özellikle uzun mikrodalga boylarında penetrasyon kabiliyeti yüksek olduğundan bu sayede yüzey altı su içeriği hakkında bilgi edinilebilmektedir. Yüzey pürüzlülüğü de radar yansıtımını arttıran bir özelliktir. Örneğin deniz gibi düz yüzeylerden radar alıcısına geri dönen yansıma tam yansıma (speküler) şeklinde olacaktır. Diğer bir ifade ile radar alıcısına dönen enerji çok düşük olacak ve hedef, görüntüde oldukça koyu renk tonunda gözükecektir. Deniz yüzeyindeki yüzey pürüzlülüğünün artması (küçük genlikli dalgaların oluşması nedeniyle) durumunda ise alıcıya beklenenden daha fazla enerji geri dönecektir. Bragg saçılması olarak adlandırılan bu etki özellikle SAR sistemleri ile deniz yüzeylerinin görüntülenmesinde önem taşımaktadır.  

Radar görüntüleri yeryüzündeki cisimlerden radara geri yansıyan mikrodalga enerjinin alıcı tarafından algılanması ile oluşur. Geri yansıyan mikrodalga enerjiye cismin dielektrik özelliği (nem miktarı) ve yüzey pürüzlülüğü etki etmektedir. Nem miktarı radar yansıtımını arttıran bir özelliktir. Özellikle uzun mikrodalga boylarında penetrasyon kabiliyeti yüksek olduğundan bu sayede yüzey altı su içeriği hakkında bilgi edinilebilmektedir. 

Radar görüntüleri yeryüzündeki cisimlerden radara geri yansıyan mikrodalga enerjinin alıcı tarafından algılanması ile oluşur. Geri yansıyan mikrodalga enerjiye cismin dielektrik özelliği (nem miktarı) ve yüzey pürüzlülüğü etki etmektedir. Yüzey pürüzlülüğü de radar yansıtımını arttıran bir özelliktir. Örneğin deniz gibi düz yüzeylerden radar alıcısına geri dönen yansıma tam yansıma (speküler) şeklinde olacaktır. Diğer bir ifade ile radar alıcısına dönen enerji çok düşük olacak ve hedef, görüntüde oldukça koyu renk tonunda gözükecektir. Deniz yüzeyindeki yüzey pürüzlülüğünün artması (küçük genlikli dalgaların oluşması nedeniyle) durumunda ise alıcıya beklenenden daha fazla enerji geri dönecektir. Bragg saçılması olarak adlandırılan bu etki özellikle SAR sistemleri ile deniz yüzeylerinin görüntülenmesinde önem taşımaktadır.  

Mikrodalga sistemleri ve alınan veriler kara, deniz ve atmosfer olaylarının incelenmesine yönelik birçok farklı uygulamada etkin olarak kullanılmaktadır.

Radar sistemleri meteorolojide özellikle kısa süreli hava durumu tahminlerinin yapılmasında ve şiddetli hava olaylarına karşı önlemlerin alınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Meteorolojik uydular üzerinde bulunan uydu-bazlı radar sistemlerinin yanı sıra yer-bazlı radar sistemleri de mevcuttur.
Meteorolojik amaçlı hava gözlem radarlarında ölçme, radardan gönderilen mikrodalga enerjinin havada asılı bulunan su zerreciklerine çarpıp radara geri dönmesi ile yapılmaktadır. Radarda ölçülen mikrodalga enerji havada asılı bulunan zerreciklerin türüne göre (yağmur, kar, dolu, vb.), ve şiddetine göre (hafif yağmur, sağanak, vb.) değişmektedir. Yansıyan mikrodalga enerjiden yola çıkılarak birim hacimde yer alan radar yansıtıcılık değeri (Z) ölçülür.

Nedeni ister doğal ister insan kaynaklı olsun iklim değişikliğinin yol açtığı değişikliklerin izlenmesi önem taşımaktadır. Uydular üzerinde bulunan radar altimetre sistemleri, radarın yeryüzünden yüksekliğini ölçebildiği gibi, uydunun uzaydaki konumu bilindiği için deniz yüksekliklerindeki değişimlerinin de ölçebilmektedir. İklim değişikliğinin yeryüzündeki etkileri bölgelere göre farklılık gösterse de, tüm dünyayı etkileyen bölgesel ve/veya global iklim değişimlerinin izlenmesi mümkün olmaktadır. Örneğin, sadece Akdeniz genelinde deniz seviyesi değişiklikleri izlenebileceği gibi, okyanus ve denizlerin ortalama yüksekliği alınarak global bir değer de elde edilebilir.
İklim, yeryüzünün herhangi bir yerinde hava koşullarının uzun yılların ortalaması alınarak belirlenir. Bu nedenle iklim değişikliklerinin incelenmesi için de uzun yıllar boyunca bilgilerin toplanması gerekir. Uzaktan algılama uydularının yaşam süreleri tasarımlarına göre değişmekle birlikte genellikle 3-10 yıl arasındadır. Dolayısıyla iklim değişikliği etkilerinin gözlenmesi için birden çok uzaktan algılama uydusundan alınan verilerin analizi gereklidir. 

Depremler fay hatları üzerinde tektonik hareketler nedeni ile biriken stresin aniden salıverilmesi ile oluşmaktadır. Deprem sırasında açığa çıkan güç yeryüzünde geniş alanları etkiler ve hatta bazen başka depremleri de tetikleyebilir. Yapay açıklıklı radar uyduları evre uyumlu radar sistemleri oldukları için yeryüzü hareketlerini geniş alanlarda hassasiyetle ölçebilirler. Evre uyumlu radarlarda yansıyan işaretin faz bilgisi büyük ölçüde hedef ile uydu arasındaki mesafeye, atmosferik koşullara ve hedefin elektromanyetik özelliklerine bağlıdır. Hedefin elektromanyetik özellikleri hedef yapısına (toprak, ağaç, telefon direği, ev, vb.) ve dış etkenlere (toprak nemliliği, yağış, rüzgâr, vb.) bağlı olmakla birlikte özellikle kısa süreler için sabit olduğu kabul edilir. Bu durumda iki SAR görüntüsünün fazlarının farkı alındığında elde edilen işaret, hedef ile uydu arasındaki mesafenin değişimini gösterir. ‹ki SAR görüntüsünün faz farkından elde edilen görüntüye interferometrik SAR (InSAR) görüntüsü denilir.

Evre uyumlu sistemler ile radara göre bağıl hızla hareket eden cisimlerden radara gelen ardışık faz işaretindeki frekans değişikliği gözlenebilir. Bu olaya Doppler etkisi denilir. Fazdaki bu değişim, hedef ile radar arasındaki uzaklığın sürekli değişmesine bağlı olarak ardışık mikrodalga işaretlerin farklı uzunlukta yol almasından kaynaklanır. Doppler etkisi nedeniyle hareketli bir hedeften yansıyan işaretin frekansı hedef ve alıcının hızına bağlı olarak değişmektedir.

Evre uyumlu (koherent) radar sisteminde her gönderilen radar işareti (darbesi) aynı faz bilgisini taşımaktadır. Bu sayede gelen işaretin fazı gönderilen işaretin fazı ile karşılaştırılabileceği gibi ardışık alınan işaretlerin fazları da birbiri ile karşılaştırılabilir.