Cơ sở viễn thám-Chương 6

Chia sẻ: Tdhunre Td | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

341
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sóng radar còn gọi là vi sóng (micowave), là một dải sóng của quang phổ điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 1mm đến 1m được dùng trong viễn thám (cả từ vệ tinh và máy bay). Radar (Radio Dectection And Ranging) là khái niệm dùng để phát hiện và xác định vị trí của các đối tượng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cơ sở viễn thám-Chương 6

Ch−¬ng 6 ViÔn th¸m radar 6.1. Kh¸i niÖm vÒ viÔn th¸m radar 6.1.1. Kh¸i niÖm chung Sãng radar cßn gäi lµ vi sãng (micowave), lµ mét d¶i sãng cña quang phæ ®iÖn tõ, cã b−íc sãng trong kho¶ng tõ 1mm ®Õn 1m ®−îc dïng trong viÔn th¸m (c¶ tõ vÖ tinh vµ m¸y bay). Radar (Radio Dectection And Ranging) lµ kh¸i niÖm dïng ®Ó ph¸t hiÖn vµ x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña c¸c ®èi t−îng. Ph−¬ng ph¸p ¸p dông lµ ph¸t ra nh÷ng xung n¨ng l−îng vi sãngtheo mét h−íng quan t©m råi ghi l¹i c−êng ®é cña nh÷ng xung ph¶n håi l¹i (hay väng l¹i) tõ c¸c ®èi t−îng, theo hÖ thèng tr−êng nh×n cña thiÕt bÞ. HÖ thèng radar cã thÓ t¹o h×nh ¶nh hoÆc kh«ng t¹o h×nh ¶nh mµ b»ng c¸c gi¸ trÞ sè ®o. Mét l−îng lín c¸c th«ng tin hiÖn nay vÒ m«i tr−êng vµ tµi nguyªn ®−îc thu nhËn bëi bé c¶m ho¹t ®éng trªn d¶i phæ cña sãng radar. ViÔn th¸m sãng radar kh«ng nh÷ng chØ sö dông trong lÜnh vùc qu©n sù nh− tr−íc ®©y mµ ngµy cµng ®−îc øng dông réng r·i trong nghiªn cøu m«i tr−êng cña tr¸i ®Êt, phôc vô cho khoa häc vµ môc ®Ých hßa b×nh. C«ng nghÖ radar sö dông nguån sãng dµi siªu tÇn, ®−îc ph¸t ra tõ mét anten vµ thu nhËn sãng ph¶n håi, lµ mét ph−¬ng tiÖn h÷u hiÖu cña n¨ng l−îng nh©n t¹o, kh«ng cßn phô thuéc vµo n¨ng l−îng mÆt trêi nªn cã thÓ nghiªn cøu m«i tr−êng trong mäi lóc vµ mäi thêi tiÕt. Ngoµi ra, ®Æc tÝnh cña sãng radar lµ kh«ng bÞ ¶nh h−ëng cña m©y phñ, chóng cã kh¶ n¨ng xuyªn m©y vµ thËm chÝ xuyªn vµo mét líp máng cña th¹ch quyÓn gãp phÇn tÝch cùc vµo viÖc nghiªn cøu c¸c ®èi t−îng d−íi líp phñ thùc vËt. Trong c«ng nghÖ viÔn th¸m sãng radar cã hai hÖ viÔn th¸m thu ¶nh víi sãng radar: HÖ viÔn th¸m sö dông nguån n¨ng l−îng sãng radar chñ ®éng, do nguån n¨ng l−îng tõ anten t¹o ra vµ thu sãng ph¶n håi gäi lµ hÖ radarchñ ®éng ( active )vµ hÖ thu n¨ng l−îng sãng radar ph¸t x¹ tù nhiªn tõ mét vËt trªn mÆt ®Êt gäi lµ viÔn th¸m radar thô ®éng( passive). Ngoµi ra, c¸c hÖ radar cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tÝnh nh− radar t¹o ¶nh vµ radar kh«ng t¹o ¶nh. Radar cßn ®−îc dïng ®Ó ®o vËn tèc chuyÓn ®éng cña vËt, vËn tèc giã. C¸c thiÕt bÞ viÔn th¸m radar cã thÓ ®−îc ®Æt trªn mÆt ®Êt, m¸y bay, hoÆc trªn vÖ tinh. 6.1.2. C¸c kªnh phæ chÝnh sö dông trong radar Sãng radar lµ sãng siªu tÇn víi b−íc sãng dµi. T−¬ng quan gi÷a tÇn suÊt vµ b−íc sãng ®−îc diÔn t¶ b»ng c«ng thøc: 89
C = λτ trong ®ã: C - vËn tèc cña bøc x¹ ®iÖn tõ hay vËn tèc cña ¸nh s¸ng = 3.108m; λ - b−íc sãng; τ - tÇn sè (sè lÇn xung trong mét gi©y). B¶ng 6.1 liÖt kª c¸c kªnh sö dông trong radar vµ b−íc sãng λ cïng tÇn sè cña chïm xung. Kh¶ n¨ng ®©m xuyªn cña tia radar tØ lÖ nghÞch víi ®é dµi b−íc song cña tia B¶ng 6.1: B−íc sãng vµ chu kú sãng dïng trong viÔn th¸m Kªnh B−íc sãng λ (cm) TÇn sè τ (MHz) Ka (0.86cm) 0.8 - 1.1 40.000 - 26.500 K 1.1 - 1.7 26.500 - 18.000 Ku 1.7 - 2.4 18.000 - 125.000 X (3 vµ 3.2 cm) 2.4 - 3.8 125.000 - 8.000 C 3.8 - 7.5 8.000 - 4.000 S 7.5 - 15 4.000 - 2.000 L (25cm) 15 - 30 2.000 - 1.000 P 30 - 100 1.000 - 3.000 6.1.3. C¸c øng dông chÝnh cña radar C¸c øng dông cña radar cã thÓ dïng trong c¸c môc ®Ých sau: - X¸c ®Þnh ®é Èm vµ vïng lôt. V¹ch ranh giíi tuyÕt vµ b¨ng, ®o ®é s©u cña tuyÕt. - X¸c ®Þnh th«ng sè cña ®Êt trång, cÊu tróc ®Þa chÊt, c¸c thanh t¹o kim lo¹i vµ kho¸ng s¶n, t×m kiÕm n−íc ngÇm.. - T×m ®èi t−îng n»m s©u d−íi mÆt ®Êt - H−íng dÉn ®−êng bay trong ngµnh hµng kh«ng. - VÏ b¶n ®å ®Þa h×nh víi ®é chÝnh x¸c cao - VÏ mÆt c¾t nhiÖt ®é quyÓn khÝ - §o ®é bèc h¬i n−íc trong khÝ quyÓn - §o hµm l−îng n−íc trªn ®¸m m©y - §o ®é cao ®Þa h×nh, ®é s©u ®¸y biÓn. - VÏ b¶n ®å thµnh t¹o cña s«ng vµ biÕn ®éng ®−êng bê. Víi c¸c d¶i sãng radar kh¸c nhau sÏ cã nh÷ng øng dông kh¸c nhau. 90
B¶ng 6.2: C¸c øng dông cña c¸c kªnh sãng radar TÇn sè øng dông 0,4-1,6 GHz Xuyªn qua ®Êt, thu th«ng tin vÒ c¸c vËt gÇn mÆt ®Êt, th«ng tin vÒ ®é Èm trong kh«ng khÝ vµ mÆt ®Êt. 1,4-15 GHz Th«ng tin vÒ c¸c vïng thêi tiÕt, th«ng tin ®Æc tÝnh bÒ mÆt 15-22 GHz Nghiªn cøu ®¹i d−¬ng. §o nhiÖt ®é bÒ mÆt, ®é gå ghÒ vµ ®é muèi cña n−íc biÓn 22GHz X¸c ®Þnh th«ng tin vÒ h¬i n−íc t¹i quyÓn khÝ, b»ng viÖc sö dông xung cã tÇn sè 22,235 GHz 60 GHz X¸c ®Þnh mÆt c¾t nhiÖt ®é cña quyÓn khÝ 35,94,135 vµ Cã ®é ph©n gi¶i kh«ng gian cao víi kÝch th−íc anten nhá sö 225 GHz dông ®Ó nghiªn cøu c¸c th«ng sè kh¸c cña khÝ quyÓn 6.1.4.C¸c lo¹i viÔn th¸m radar Cã hai d¹ng viÔn th¸m radar hµng kh«ng vµ tõ vò trô, mÆt kh¸c, cã thÓ chia ra hai lo¹i: radar chñ ®éng (nÕu nguån ph¸t ra tõ thiÕt bÞ viÔn th¸m ) vµ radar thô ®éng(nÕu nguån lµ n¨ng l−îng mÆt trêi ). Radar- cÊu t¹o tõ tËp hîp Radio Detection and Ranging: lµ kh¸i niÖm sö dông cho d¶i sãng, cã b−íc sãng tõ 1mm ®Õn 1m, gäi lµ Microwave ( vi sãng ). Nh− vËy, b−íc sãng cña vi sãng lín gÊp kho¶ng 2.500.000 lÇn b−íc sãng ¸nh s¸ng. HiÖn nay, viÔn th¸m sö dông sãng radar lµ viÔn th¸m chñ ®éng víi nguån ph¸t riªng. Sãng radar cã thÓ truyÒn qua mäi ®iÒu kiÖn cña khÝ quyÓn: s−¬ng mï, m−a nhÑ, tuyÕt vµ khãi. §Æc ®iÓm ph¶n x¹ hoÆc truyÒn qua cña vi sãng tõ c¸c ®èi t−îng trªn mÆt ®Êt kh«ng cã liªn hÖ trùc tiÕp víi nh÷ng ®Æc ®iÓm cña ®èi t−îng ë d¶i sãng nh×n thÊy hoÆc hång ngo¹i. VÝ dô mét ®èi t−îng cã thÓ lµ th« ë vïng nh×n thÊy song l¹i lµ nh½n ë vïng vi sãng . ViÔn th¸m sãng radar cung cÊp mét h×nh ¶nh kh¸c biÖt víi h×nh ¶nh chôp b»ng ¸nh s¸ng nh×n thÊy hoÆc hång ngo¹i nhiÖt. Trong viÔn th¸m, c¸c h×nh ¶nh radar ®−îc thu cã thÓ tõ vÖ tinh hoÆc m¸y bay, song phÇn lín ®Òu theo nguyªn t¾c chôp nh×n bªn s−ên tõ vÖ tinh (Side Looking Radar - SLR) hoÆc bªn s−êng m¸y bay (Side Looking Airbone Radar - SLAR). Ngoµi ra cßn cã ph−¬ng ph¸p quÐt Radar cã ®é më ®ång thêi ( synthetic aperturre radar-SAR ), quÐt Radar t¹o ¶nh d¹ng ®ãng më ( shutle imaging radar- SIR ).. 6.2. Qu¸ tr×nh thu tÝn hiÖu radar 6.2.1. CÊu t¹o cña mét hÖ radar ®¬n gi¶n CÊu t¹o chung cña mét hÖ thèng Radar bao gåm c¸c bé phËn chÝnh sau: 91
H−íng b¾n H×nh 6.1: CÊu t¹o vµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña Radar - ¨ng ten radar cã nhiÖm vô ph¸t vµ thu tÝn hiÖu Radar. - Bé phËn ph¸t tia Radar (®Æt trªn m¸y bay) - Bé phËn thu tÝn hiÖu ph¶n håi tõ vËt l¹i ®−îc chÝnh anten thu nhËn vµ truyÒn vµo theo hÖ thèng xö lý. - Bé phËn t¸ch tÝn hiÖu radar - Bé phËn chuyÓn ®æi tÝn hiÖu Radar trë vÒ thµnh h×nh ¶nh - Mµn h×nh hiÓn thÞ h×nh ¶nh Mét hÖ radar ®¬n gi¶n mang chïm xung t¹o nªn bëi mét m¸y nèi víi mét anten. Chïm xung do anten ph¸t theo h−íng tíi vËt thÓ vµ chïm tia ph¶n håi l¹i ®−îc anten thu ë thêi ®iÓm muén h¬n so víi thêi ®iÓm ph¸t xung. HÖ anten radar sö dông mét anten thu vµ ph¸t t¹i mét vÞ trÝ gäi lµ hÖ radar ®¬n. NÕu mét hÖ ra®ar ph¸t sãng b»ng mét anten vµ thu sãng ph¶n håi b»ng anten kh¸c th× hÖ ®ã gäi lµ mét hÖ radar kÐp. H×nh 6.1 minh ho¹ cÊu tróc c¬ b¶n cña mét hÖ radar. Khi sãng qua anten sÏ ®−îc mét bé chØnh (duplexer) ®iÒu chØnh. Bé phËn kiÓm tra (control) sÏ ®iÒu hµnh ho¹t ®éng cña radar. TÝn hiÖu ®Çu ra sÏ vµo bé phËn kiÓm tra cµ chuyÓn ®æi thµnh h×nh ¶nh (CRT) vµ ghi h×nh ¶nh thµnh phim hoÆc d÷ liÖu b¨ng tõ. 6.2.2. Qu¸ tr×nh vËn hµnh cña hÖ thèng t¹o ¶nh Radar C¸c th«ng sè ®o ®−îc cña viÔn th¸m radar gåm: n¨ng l−îng, thêi gian, kho¶ng c¸ch tõ thiÕt bÞ tíi ®èi t−îng vµ mèi quan hÖ nh− sau: SR=Ct/2 92
trong ®ã: SR: kho¶ng c¸ch gi÷a thiÕt bÞ vµ ®èi t−îng; C: tèc ®é ¸nh s¸ng (3.108 m/s); t: thêi gian truyÒn ®i vµ ph¶n x¹ l¹i thiÕt bÞ thu (s). ViÖc thu tÝn hiÖu radar ®−îc thùc hiÖn nh− sau: - Anten cã chøc n¨ng thu liªn tôc c¸c tÝn hiÖu theo h−íng bay vµ tèc ®é bay cña thiÕt bÞ mang (m¸y bay hoÆc vÖ tinh). - Mçi xung tÝn hiÖu ®−îc truyÒn ®i ®Õn ®èi t−îng vµ ®−îc ph¶n håi trë vÒ, c¸c ®èi t−îng nµy xuÊt hiÖn däc theo kho¶ng réng cña chïm tia radar. C¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc anten thu vµ xö lý thµnh tÝn hiÖu c−êng ®é vµ thêi gian trªn b¨ng tõ. - C¸c tÝn hiÖu ®−îc chuyÓn thµnh s¶n phÈm h×nh ¶nh vµ ghi l¹i thµnh phim. C¸c tÝn hiÖu ®−îc chuyÓn ®æi thµnh mËt ®é cña tõng ®−êng quÐt, khi hiÖn s¸ng th× thµnh c¸c ®−êng trªn phim ,trªn ®ã cã c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau vÒ ®é s¸ng, gi¸ trÞ nµy liªn quan ®Õn c−êng ®é cña c¸c xung tÝn hiÖu radar thu ®−îc. TÝn hiÖu radar cã thÓ ®−îc thu tõ mét phÝa hoÆc 2 phÝa s−ên cña thiÕt bÞ. HÖ radar nh×n xiªn l¾p trªn m¸y bay ®−îc viÕt t¾t lµ SLAR (Side Looking Airborne Radar). Ho¹t ®éng cña hÖ thèng lµ: mét chïm xung phãng tõ radar ®Æt trªn m¸y bay vµ tÝn hiÖu ph¶n håi tõ vËt l¹i ®−îc chÝnh radar nµy thu nhËn b»ng hÖ thèng anten vµ thiÕt bÞ thu råi truyÒn vµo theo hÖ th«ng xö lý (h×nh 6.2). Chïm xung tõ m¸y bay TÝn hiÖu ph¶n håi tõ c©y TÝn hiÖu ph¶n håi tõ nhμ (a) TÝn hiÖu ph¶n håi tõ nhµ §é lín TÝn hiÖu ph¶n håi tõ c©y cña xung (b) H×nh 6.2: Nguyªn lý ho¹t ®éng cña mét hÖ SLAR: a- TruyÒn mét xung radar víi tr−êng sãng trong kho¶ng thêi gian tõ 1-17, b- kÕt qu¶ tia ph¶n håi radar 93
6.3. §Æc ®iÓm cña ¶nh radar 6.3.1.§é ph©n gi¶i kh«ng gian cña hÖ thèng thu ¶nh radar ¶nh radar cã 2 kh¸i niÖm vÒ ®é ph©n gi¶i: §é ph©n gi¶i cña mét ¶nh radar trªn mÆt ®Êt phô thuéc vµo ®é dµi cña xung vµ ®é réng cña chïm anten. Cã hai kh¸i niÖm chÝnh vÒ ph©n gi¶i kh«ng gian, lµ ph©n gi¶i theo h−íng b¾n (range resolution) vµ ph©n gi¶i theo ph−¬ng vÞ (azimuth resolution). Ngoµi ra, cßn cã kh¸i niÖm vÒ ®é ph©n gi¶i mÆt ®Êt cña ¶nh radar. a. §é ph©n gi¶i theo h−íng b¾n (range resolution) Ph©n gi¶i theo h−íng b¾n lµ kh¶ n¨ng ph©n c¸ch hai ®èi t−îng kh«ng gian n»m gÇn nhau theo h−íng b¾n tia radar. §iÒu nµy ®¹t ®−îc khi tÝn hiÖu ph¶n håi cña tÊt c¶ c¸c phÇn trªn hai vËt sÏ thu nhËn bëi anten sÏ ph¶i ph©n c¸ch nhau. Gãc Ðp Gãc H−íng b¾n b¾n Ph©n gi¶i mÆt ®Êt Ph©n gi¶i theo h−íng b¾n =1/2®é dµi xung H×nh 6.3: §é ph©n gi¶i theo h−íng b¾n BÊt kú sù chång tÝn hiÖu tõ hai vËt sÏ g©y ra hiÖn t−îng mê ¶o. HiÖn t−îng nµy ®−îc minh häa trªn h×nh 6.3. Ph©n gi¶i theo h−íng b¾n phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch tõ m¸y bay vµ ®èi t−îng. R(r)®−îc x¸c ®Þnh bëi thêi gian cña xung truyÒn n¨ng l−îng vµ b»ng nöa ®é dµi cña xung. §é ph©n gi¶i theo h−íng b¾n ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: τ c R ( r ) = 2 cos θ d trong ®ã: R(r) : lµ ph©n gi¶i theo h−íng b¾n; c: lµ vËn tèc ¸nh s¸ng, vµ θd lµ gãc Ðp. τ: lµ thêi gian cho mét ®é dµi cña mét xung; 94
§èi víi gãc Ðp ®−îc ®o b»ng 50 ®é, mét xung cã ®é dµi thêi gian τ = 0.1 x 10-6 s th× ®é ph©n gi¶i theo h−íng b¾n Rr sÏ lµ: Rr = (0.1 × 10 −6 ) ( ) sec × 3 × 10 8 sec −1 . m) 2 cos 50 0 0.3 × 10 −2 m R(r ) = = 23m 2 × 0.64 Tuy nhiªn, hiÖn t−îng ph©n gi¶i ph©n vÞ chØ ®−îc biÓu hiÖn râ trªn ¶nh mét khi ®èi t−îng cã kÝch th−íc ®ñ lín vµ cßn phô thuéc vµo gãc b¾n hoÆc gãc Ðp cña tia radar. VÝ dô, víi tr−êng hîp gãc Ðp =50 0 th× c¸c ®èi t−îng cã ®−îc sù ph©n gi¶i khi chóng cã sù ph©n c¸ch > 23 m theo h−íng b¾n. H×nh 6.4 minh ho¹ cho ®é ph©n gi¶i cña radar theo h−íng b¾n tia radar. Khi vËt cã sù ph©n c¸ch ®ñ lín th× ®é ph©n gi¶i theo h−uíng b¾n ®−îc thÓ hiÖn trªn mÆt ®Êt, lóc ®ã gäi lµ ®é ph©n gi¶i mÆt ®Êt (h×nh 6.3). anten Gãc Ðp ϒ ®é dµi xung A vµ B kh«ng τ ph©n gi¶i VËt C vµ D ph©n gi¶i H−íng b¾n H×nh 6.4: C¸c ®èi t−îng cã sù ph©n gi¶i theo h−íng b¾n kh¸c nhau b. §é ph©n gi¶i ph−¬ng vÞ (azimuth resolution) §é ph©n gi¶i ph−¬ng vÞ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ®é réng cña d¶i quÐt tia radar (ra) vµ x¸c ®Þnh b»ng sù liªn hÖ gi÷a gãc ph−¬ng vÞ cña tia β do anten ph¸t ra vµ ®é ph©n gi¶i theo h−íng b¾n trªn mÆt ®Êt (h×nh 6.5). Ra=0,7RG. β ë ®©y: RG: Kho¶ng c¸ch theo h−íng b¾n trªn mÆt ®Êt. β: gãc ph−¬ng vÞ cña tia radar, ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: 95
λ β= AL trong ®ã: λ - b−íc sãng cña tia. AL - ®é réng cña anten. VÝ dô: RG=8 km, λ= 3,0cm, Al=500cm th× Ra=0,7(8 km . 3,0 Cm)/500 cm =33,6 m Th«ng th−êng, anten cã ®é réng kh¸ lín (tíi vµi mÐt), ng−êi ta ph¶i c¶i tiÕn ®Ó lµm gi¶m kÝch th−íc anten b»ng ph−¬ng ph¸p t¹o ®é më tæng hîp (synthetic apperture Radar - SAR). Dùa theo nguyªn lý dÞch chuyÓn tÇn sè cña hiÖu øng Doppler. anten Bθ Ph−¬ng vÞ S tÇm gÇn = 8 km S TÇm xa = 20 km TÇm gÇn §é réng xung, gãc β Vïng phñ cña (radian) chïm radar Ra TÇm xa H×nh 6.5: Ph©n gi¶i ph−¬ng vÞ ®o bëi kho¶ng c¸ch cña cung x¸c ®Þnh ®é réng cña chïm theo gãc Bθ t¹i anten, hoÆc gãc β t¹i mÆt ®Êt 6.3.2. Nh÷ng ®Æc ®iÓm mÐo h×nh häc cña ¶nh radar 6.3.2.1. Sù mÐo hÖ thèng cña ¶nh (Image distortion) Sù mÐo cña ¶nh radar cã nhiÒu lo¹i vµ phô thuéc vµo h−íng b¾n cña tia radar, ¶nh radar SLAR cã thÓ ®−îc ghi theo hai hÖ thèng: - Ghi ¶nh däc theo h−íng b¾n cña tia (Slant range image). - Ghi ¶nh däc bÒ mÆt ®Êt theo h−íng b¾n cña tia (Ground range image) Nh− vËy, trªn h×nh ¶nh thu theo h−íng b¾n, kÝch th−íc cña c¸c ®èi t−îng bÞ mÐo ®i theo xu h−íng cµng xa h−íng b¾n, h×nh ¶nh cña ®èi t−îng cµng bÞ kÐo dµi h¬n. Ngoµi th«ng sè vÒ ®é cao m¸y bay hoÆc vÖ tinh, c¸c gi¸ trÞ GR vµ SR thùc trªn ¶nh cßn phô thuéc vµo nh÷ng th«ng sè kh¸c cña hÖ thèng t¹o ¶nh. V× vËy ®èi víi ¶nh radar, viÖc n¾n chØnh h×nh häc ®ßi hái ph¶i dùa vµo nhiÒu th«ng sè ®Ó tÝnh to¸n. 96
6.3.2.2. §é lÖch cña ®Þa h×nh (Relief Displacement) Kh«ng gièng nh− ¶nh m¸y bay, h−íng lÖch cña ®Þa h×nh trªn ¶nh radar l¹i phô thuéc vµo h−íng bay vµ h−íng b¾n cña tia vµ gãc Ðp cña tia. Trªn ¶nh radar, c¸c ®èi t−îng cã chiÒu cao lín h¬n th× ®Ønh cña chóng ®Òu cã xu h−íng tiÕn g¾n tíi h−íng ®−êng bay h¬n lµ phÇn ®¸y cña ®èi t−îng cßn phÇn thÊp cña ®Þa h×nh cã xu h−íng n»m ë xa ®−êng bay h¬n. 6.3.3. Bãng trªn ¶nh radar ( Shadown) Do tia radar phãng ra nh×n nghiªng mét phÝa so víi ®Þa h×nh, phÇn s−ên ph¬i ra phÝa tia chiÕu tíi sÏ cã sù ph¶n håi l¹i. ë phÇn sau cña ®èi t−îng, kh«ng cã sù ph¶n håi trë vÒ cña tia radar, nªn kh«ng cã tÝn hiÖu. Khu vùc ®ã trªn ¶nh cã mµu ®en vµ ®−îc gäi lµ khu vùc bãng radar. Cã hai yÕu tè chi phèi ®é dµi cña bãng trong ¶nh radar : - §èi t−îng cã sù chªnh cao t−¬ng ®èi víi ®¸y th× bãng cµng dµi. - Cµng xa h−íng bay (gãc Ðp cµng nhá) th× bãng cµng dµi. C¸c tia t−¬ng øng víi gãc Ðp kh¸c nhau th× cã ®é dµi bãng kh¸c nhau. Gãc Ðp MÆt c¾t cña h−íng b¾n gãc Ðp kh¸c nhau Nh×n gÇn Nh×n xa H×nh 6.6: C¸c gãc Ðp kh¸c nhau vµ bãng t−¬ng øng cña ®èi t−îng trªn ¶nh radar 6.3.4. §é nh¸m bÒ mÆt cña ¶nh radar Lµ th«ng sè quan träng cña ¶nh radar. §Ó ph©n biÖt c¸c ®èi t−îng ®é nh¸m ®−îc x¸c ®Þnh theo tiªu chuÈn Reileigh. - BÒ mÆt ®−îc coi lµ gå ghÒ (nh¸m ) khi: 97
λ h> 8 sin γ trong ®ã: h - ®é cao cña ®èi t−îng BÒ mÆt λ - lµ b−íc sãng rÊt nh¸m γ - gãc Ðp - BÒ mÆt ®−îc coi lµ nh½n ®èi víi mét b−íc sãng (λ) khi h< 1Cm λ h< 8. sin γ BÒ mÆt nh¸m VÝ dô: Víi Seasat, γ = 45° vµ trung b×nh h=5,7 Cm λ = 3,1cm. khi ®ã, h < 0.53cm. - Theo Peak vµ Oliver ( 1971 ) bÒ mÆt lµ th« nÕu: BÒ mÆt λ h> nh½n 4.4 sin γ h>5,7 Cm vÝ dô : 23,5 H×nh 6.7. HiÖn t−îng ph¶n x¹ tia h> 4,4 sin 70 0 radar víi λ = 23,5 Cm vµ gãc Ðp lµ 0 700 t¹i c¸c bÒ mÆt cã ®é nh¸m sin 70 = 0,94 kh¸c nhau ( ®èi t−îng cã ®é cao khi ®ã, h > 5,7Cm. kh¸c nhau ) . BÒ mÆt lµ nh½n nÕu : λ 23,5 23,5 h< vÝ dô : h < = nh− vËy: h < 1 cm. 25. sin γ 25. sin 70 0 25.0,94 BÒ mÆt cã ®é cao h n»m ë gi÷a 2 gi¸ trÞ ®ã gäi lµ bÒ mÆt trung b×nh. B¶ng 6.3: ChØ tiªu chung cña bÒ mÆt víi c¸c band radar víi gãc Ðp 40° Tiªu chuÈn K band (λ =0.86cm) X band (λ = 3cm) L band (λ = 25cm), nh¸m γ = 400 γ = 400 γ = 400 Nh½n h < 0.05cm h < 0.19cm h < 1.46cm Trung b×nh h = 0.05 - 0.30cm h = 0.19 - 1.06cm h = 1.41 - 8.04cm Th« h > 0.30cm h > 1.06cm h > 8.35cm 98
Nh− vËy, víi gi¸ trÞ ®é cao cña ®Þa h×nh ®o ®−îc th× ®Þa h×nh cã thÓ cã ®é nh¸m kh¸c nhau ®èi víi c¸c d¶i sãng radar kh¸c nhau (h×nh 6.7). 6.3.5.HiÖu øng ph¶n x¹ gãc (coner reflect) Lµ hiÖn t−äng tia radar chiÕu tíi c¸c vËt cã ®é nh¸m lín. Tia Radar tíi ®−îc ph¶n x¹ t¹i vÞ trÝ gãc cña ®èi t−îng vµ n¨ng l−îng radar ph¶n håi trë vÒ lµ cùc ®¹i (h×nh 6.8). ¶nh band K ¶nh band L H×nh 6.8: M« pháng ®é nh¸m trªn ¶nh radar vµ hiÖu øng ph¶n x¹ gãc cña tia radar. HiÖn t−îng ph¶n x¹ gãc x¶y ra phô thuéc vµo ®é nh¸m cña ®èi t−îng, nghÜa lµ phô thuéc vµo c¶ chiÒu cao cña ®èi t−îng vµ b−íc sãng cña tia Radar (h×nh 6.7). NghÜa lµ cã ®èi t−îng thÓ hiÖn ph¶n x¹ gãc víi band sãng ng¾n h¬n cña tia radar (band K) song l¹i ph¶n x¹ gãc yÕu ë band sãng radar dµi h¬n (band L). 6.3.6. Kh¶ n¨ng t¹o ¶nh lËp thÓ cña ¶nh radar Hai ¶nh radar chôp ë hai gãc Ðp kh¸c nhau cïng h−íng bay hoÆc tõ hai h−íng ng−îc nhau hoÆc tõ 2 ®é cao kh¸c nhau sÏ cho kh¶ n¨ng t¹o ¶nh lËp thÓ. ViÖc nh×n h×nh ¶nh lËp thÓ ®−îc thùc hiÖn theo nguyªn t¾c nh×n lËp thÓ cña ¶nh hµng kh«ng th«ng th−êng. Bªn c¹nh ®ã, còng cã thÓ t¹o ¶nh radar lËp thÓ theo nguyªn t¾c giao thoa sãng ph¶n håi, víi n¨ng l−îng lµ hµm cña b−íc sãng radar vµ thêi gian truyÒn (h×nh 6.9). Ph−¬ng ph¸p nµy®−îc thùc hiÖn phæ biÕn h¬n trong kü thuËt ¶nh radar vµ cho ®é chÝnh x¸crÊt cao (tíi centimet). Tuy nhiªn viÖc xö lý lµ phøc t¹p v× ph¶i tÝnh 99
nhiÒu tham sè liªn quan ®Õn thêi gian thu nhËn tÝn hiÖu cña tia tõ lóc ph¸t ®i ®Õn khi trë vÒ, ®é réng cña anten radar, sù ph©n cùc cña sãng radar... An ten Sãng ph¸t ®i Sãng trë vÒ H×nh 6.9: ¶nh radar chôp giao thoa ®Ó nghiªn cøu ®é cao ®Þa h×nh 6.3.7.Sù ph©n cùc cña radar: HiÖu øng do ph©n cùc sãng radar thÓ hiÖn râ nÐt trong viÔn (a) th¸m radar, cã 3 kiÓu- hay h−íng ph©n cùc chñ yÕu lµ HH, HV vµ VV.KÕt qu¶ cña sù ph©n cùc lµ cã thÓ t¹o nªn c¸c ¶nh radar kh¸c nhau theo tõng h−íng.( h×nh 6.10 ) (b) 6.3.8. Sù phô thuéc cña tÝn hiÖu radar vµo hÖ sè ®iÖn m«i cña vËt chÊt : VËt cã h»ng sè ®iÖn m«i thÊp sÏ ph¶n x¹ sãng radar thÊp H×nh 6.10. ¶nh radar vïng nói Oachita kªnh K h¬n vËt cã h»ng sè ®iÖn m«i trong ®ã (a)- ph©n cùc HH vµ ( b) - HV ( theo cao. Lý do lµ vËt cã h»ng sè Thomas M. Lillesand vµ Ralph W. Kiefer, 2000) ®iÖn m«i thÊp sÏ cho kh¶ n¨ng xuyªn s©u vµo vËt vµ ph¶n x¹ bÒ mÆt cña sãng radar sÏ Ýt ®i. §¹i ®a sè ®¸ vµ ®Êt cã h»ng sè ®iÖn m«i tæ hîp tõ 3-8, trong khi ®ã n−íc cã h»ng sè ®iÖn m«i 80. Sù t¨ng ®é Èm cña ®Êt, ®¸ sÏ lµm t¨ng h»ng sè ®iÖn m«i cña cña chóng. Th«ng th−êng thùc vËt cã ®é Èm cao vµ cã diÖn phñ lín nªn cã ®Æc tÝnh ph¶n x¹ sãng radar m¹nh. H»ng sè ®iÖn m«i cña thùc vËt thay ®æi theo ®iÒu kiÖn quyÓn khÝ. C¸c vËt chÊt kim lo¹i ph¶n x¹ m¹nh sãng radar v× vËy, c¸c 100
®èi t−îng nh− cÇu s¾t, ®−êng s¾t, vµ c¸c bÒ mÆt kim lo¹i trªn ¶nh radar chóng xuÊt hiÖn rÊt s¸ng. 6.3.9. HÖ sè ph¶n x¹ thÓ tÝch cña ¶nh radar NÕu vËt chÊt kh«ng ®ång nhÊt vÒ h×nh d¹ng, thµnh phÇn, ®é Èm th× n¨ng l−îng truyÒn tíi tiÕp tôc t¸n x¹ vµ hiÖn t−îng nµy gäi lµ ph¶n x¹ thÓ tÝch. Mét phÇn ph¶n x¹ nµy tíi ®−îc radar (bé c¶m) cho th«ng tin vÒ phÇn d−íi líp phñ. Tia tíi Ph¶n x¹ bÒ Tia tíi mÆt T¸n x¹ thÓ tÝch MÆt ®Êt C©y VËt kh«ng ®ång chÊt Ph¶n x¹ thÓ tÝch (a) (b) H×nh 6.11. T¸n x¹ thÓ tÝch, (a)- tia tíi truyÒn qua vµ sau ®ã t¸n x¹ trong vËt liÖu kh«ng ®ång chÊt; (b)- t¸n ph¶n x¹ thÓ tÝch trong m«i tr−êng cã c©y víi ®é cao vµ t¸n kh¸c nhau ( thu thËp cña NguyÔn V¨n §µi ) Trong thiªn nhiªn, t¸n x¹ c¶ trªn bÒ mÆt vµ thÓ tÝch (h×nh 6.11) th−êng x¶y ra ®ång thêi vµ hiÖu øng t−¬ng quan cña chóng kh¸c nhau trong c¸c tr−êng hîp riªng biÖt. §èi víi sãng radar, mÆt n−íc cho t¸n x¹ bÒ mÆt, cßn ®èi víi thùc vËt l¹i cho t¸n x¹ thÓ tÝch. Sù ®a ph¶n x¹ tõ nh¸nh con, cµnh, l¸ ... do t¸n x¹ ¶nh h−ëng ®Õn c−êng ®é cña tÝn hiÖu radar ph¶n håi vµ khö cùc truyÒn tÝn hiÖu radar. T¸n x¹ thÓ tÝch dÉn ®Õn t¨ng c−êng ®é tÝn hiÖu trªn ¶nh ph©n cùc chÐo. §Æc tÝnh nµy cã thÓ dïng ®Ó ph©n biÖt c¸c lo¹i thùc vËt vµ mËt ®é thùc vËt. HÖ sè tæng hîp cña t¸n x¹ thÓ tÝch lµ mét hµm nhiÒu biÕn nh− b−íc sãng, ph©n cùc cña chïm tíi vµ ®Æc tÝnh ®iÖn m«i vµ h×nh häc cña ®èi t−îng. 6.4. ViÔn th¸m radar bÞ ®éng ViÔn th¸m radar bÞ ®éng dùa trªn c¸c nguyªn t¾c kü thuËt cña lÜnh vùc bøc x¹ ®iÖn tõ. RÊt nhiÒu vÇn ®Ò cÇn ph¶i nghiªn cøu trong kü thuËt thu ¶nh radar bÞ ®éng do nguån bøc x¹ tia radar lµ nguån t− nhiªn ph¶n håi l¹i ¸nh s¸ng mÆt trêi. C¸c bøc x¹ ®ã lµ rÊt yÕu vµ bÞ ph¶n x¹ do ph¶i truyÒn qua khÝ quyÓn 2 lÇn. C¸c vÊn ®Ò kü thuËt cÇn ph¶i quan t©m ®Õn lµ: ®é nh¹y c¶m cña thiÕt bÞ, ®é chÝnh x¸c, d¶i phæ lùa chän, h−íng thu nhËn. V× vËy nghiªn cøu vÒ chÊt l−îng h×nh ¶nh vµ viÖc ph©n tÝch còng ®ßi hái nh÷ng yªu cÇn kü thuËt riªng cho tõng môc tiªu sö dông. Còng v× lý do ®ã mµ viÖc ph¸t triÓn viÔn th¸m radar bÞ ®éng cßn rÊt h¹n chÕ. VÒ nguyªn t¾c chung, viÔn th¸m radar bÞ ®éng còng gièng nh− viÔn th¸m víi d¶i nh×n thÊy vµ hång ngo¹i. Tuy nhiªn, ®Ó thu ®−îc tÝn hiÖu radar ph¶n håi cã c−êng ®é yÕu, ng−êi ta ¸p dông nguyªn t¾c biÓu thÞ nhiÖt ®é anten (Apparent anten temperature), ®ã lµ hÖ thèng hiÖu 101
chØnh tÝn hiÖu nhiÖt cña anten, víi quan niÖm tÝn hiÖu nhiÖt ®é liªn quan tíi c¸c bøc x¹ ë d−íi mÆt ®Êt, trong ®ã cã tÝn hiÖu sãng cùc ng¾n. Nguyªn t¾c thu nhËn h×nh ¶nh còng theo nguyªn t¾c quÐt, tÝn hiÖu thu ®−îc, chuyÓn ho¸ thµnh tÝn hiÖu sè råi ghi vµo b¨ng t− liÖu, ®Üa tõ, cuèi cïng chóng ®−îc chuyÓn thµnh h×nh ¶nh. ViÔn th¸m radar bÞ déng chØ chôp ¶nh vµo ban ngµy. Trung t©m NASA ®· chôp ®−îc mét sè bøc ¶nh mÆt ®Êt ë vïng ch©u Mü b»ng thiÕt bÞ ®Æt trªn m¸y bay ë ®é cao thÊp 760 mÐt. Trªn ®ã, c¸c th«ng tin vÒ ®é Èm vµ nhiÖt ®é ®−îc ph¶n ¸nh mét c¸ch t−¬ng ®èi râ b»ng c¸c tone ¶nh tèi (Èm, Êm) vµ s¸ng (l¹nh, kh«). 6.5. ViÔn th¸m laser (LIDAR) LIDAR lµ ph−¬ng ph¸p ViÔn th¸m sö dông tia laser ®Ó th¨m dß c¸c ®èi t−îng (Light Detection and Ranging _ LIDAR). §©y lµ ph−¬ng ph¸p viÔn th¸m chñ ®éng: víi c−êng ®é m¹nh, c¸c tia laser ®−îc phãng xuèng ®Þa h×nh råi ph¶n håi trë l¹i, ghi l¹i thµnh c¸c tÝn hiÖu ®iÖn hoÆc tõ. ThiÕt bÞ thu ph¸t ®−îc ®Æt trªn m¸y bay, khi chiÕu xuèng mÆt ®Êt, tia laser bÞ hÊp thô, khóc x¹ hoÆc t¸n x¹. TÝn hiÖu hiÖu trë vÒ cã c−êng ®é kh¸c nhau do t¸c ®éng cña c¸c ®èi t−îng tù nhiªn, ngoµi ra cßn phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch tõ ®èi t−îng ®Õn thiÕt bÞ. Dùa vµo c¸c ®Æc tÝnh ®ã, c¸c tÝn hiÖu laser thu ®−îc cã thÓ ph¶n ¸nh mét sè tÝnh chÊt cña ®èi t−îng nh− ®é cao cña c©y, sinh khèi, ®é s©u ®¸y cña vïng cã n−íc che phñ,… (a) (b) H×nh 6.12. a- kªnh X cho tÝn hiÖu ph¶n håi d¹ng ph©n t¸n (bÒ mÆt gå ghÒ) cña c¸c thöa ruéng cã thùc vËt . b- TÝn hiÖu radar trªn kªnh L cho tÝn hiÖu thu ®−îc cña c¸c vïng Èm −ít 6.6.C¸c lo¹i t− liÖu viÔn th¸m radar phæ biÕn HiÖn nay cã nhiÒu vÖ tinh cña c¸c n−íc cã hÖ thèng quÐt ¶nh radar nh− : Nga, Mü, céng ®ång Ch©u ¢u, NhËt B¶n, C©nda…cã thÓ thèng kª trong b¶ng 6.4 mét sè th«ng sè kü thuËt cña c¸c hÖ thèng quÐt ¶nh radar vÖ tinh chñ ®éng. 102
B¶ng 6.10. §Æc tÝnh cña mét sè vÖ tinh radar chñ ®éng cña c¸c n−íc ( theo NguyÔn V¨n §µi ) §Æc tÝnh Almaz-1 ERS-1 ERS-2 Envisat-1 JERS-1 Radarsat- (Nga) (ESA) (ESA) (ASAR), (NhËt ) 1 ESA (Canada) Ngμy 31/3/1991 17/7/1991 21/4/1995 7/2001 11/2/199 4/11/1995 phãng 2 Tuæi thä 2 3 3 5 2 5 ®é cao 300/ 360 785 785 800 568 798 (km) Kªnh S C C C L C Sù ph©n HH VV VV HH, HV, HH HH cùc VV, VH Gãc nh×n 20-70 23 23 14-45 35 10-60 ®é §é phñ 350 100 100 58-405 75 45-500 (km) §é ph©n 10-30 30 30 30-1000 18 8-100 gi¶i ( m ) Toµn bé chïm cã Chïm tíi thÊp ë nh×n ph¶i vµ tr¸i Chïm më réng (tíi )thÊp) Chïm më réng Chïm Chïm ph©n më gi¶i cao cã ®é réng phñ 50 km Chïm chuÈn Cùc nÐt chïm réng Cùc nÐt chïm hÑp H×nh 6.13. C¸c mèt t¹o ¶nh cña Radasat-1 cã kÝch th−¬c vµ ®é ph©n gi¶i gi¶i kh¸c nhau, tuú thuéc vµo gãc Ðp cña tia radar. 103
104