ภาพเรดาร์คืออะไร

ภาพเรดาร์ประกอบด้วยจุดเป็นจำนวนมาก ที่เรียกว่าจุดประกอบของภาพ (pixel) จุดแต่ละจุดในภาพเรดาร์นั้น คือ ค่าของคลื่นเรดาร์ที่สะท้อนกลับจากพื้นวัสดุไปยังเครื่องรับ ถ้ามืดก็แสดงว่าได้รับคลื่นสะท้อนกลับน้อย ถ้าสว่างก็ได้รับคลื่นกลับมาก ขนาดของวัสดุที่ถ่าย ความชื้นของวัสดุ แนวระนาบของพื้นที่คลื่นเดินทางผ่าน (polarization) และมุมตกกระทบของคลื่น เหล่านี้ ก็มีส่วนกำหนดความมืด หรือความสว่างของภาพด้วย คลื่นสะท้อนกลับ ยังแตกต่างกันแล้วแต่ขนาดความยาวคลื่นที่ใช้

คลื่นสะท้อนกลับซึ่งบางครั้งก็เรียกว่า เรดาร์ตัดขวาง นี้ นักวิทยาศาสตร์วัดด้วยปริมาณพื้นที่ เช่นเป็น ตารางเมตร กำลังของคลื่นสะท้อนกลับส่วนมาก ก็ยังเกี่ยวกับขนาดของวัสดุที่ถ่ายอีกด้วย วัสดุที่มีขนาดเท่าหรือใหญ่กว่าความยาวของคลื่นที่ใช้ ก็จะดูสว่างกว่า(เพราะคลื่นไม่สามารถทะลุไปได้ แต่จะสะท้อนกลับมาก) หรือขรุขระมากขึ้น ส่วนวัสดุที่เล็กกว่าความยาวของคลื่น ก็จะดูมืด(เพราะคลื่นไม่สะท้อนกลับมา แต่จะทะลุผ่าน หรือถูกดูดกลืนไป) หรือเรียบมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ด้านเรดาร์โดยทั่วไปแล้ว ก็จะชดเชยความผันแปรนี้โดยวิธีที่เรียกว่า Normalised Radar Cross Section หรือค่า ซิกม่าศูนย์ ซึ่งวัดเป็นจำนวนเดซิเบล (dB) ค่าซิกม่าศูนย์โดยทั่วไปแล้วจะมีประมาณตั้งแต่ +5dB(สว่างมาก) ไปจนถึง -40dB(มืดมÒก) โดยไม่จำกัดอยู่กับขนาดของขนาดของจุด pixel แต่อย่างใด

กฏง่ายๆที่นำมาใช้วิเคราะห์ภาพเรดาร์ก็คือ คลื่นสะท้อนกลับมามาก ทำให้ภาพสว่างมาก ก็จะมีความขรุขระมาก พื้นเรียบๆที่สะท้อนคลื่นไมโครเวฟกลับมาน้อย ก็จะดูมืดในภาพเรดาร์ พื้นที่ทำการกสิกรรมส่วนมากจะขรุขระปานกลาง ตามขนาดคลื่นของเครื่องเรดาร์ส่วนมาก และสีก็จะเป็นสีเทาๆไป ผิวพื้นที่มีความลาดเอียงหันเข้าหาเครื่องเรดาร์โดยตรง ก็จะส่งคลื่นสะท้อนกลับได้มาก จึงจะดูมีความสว่าง มากกว่าคลื่นที่สะท้อนมาจากพื้นที่ที่ความลาดหันเหออกจากเครื่อง บางพื้นที่ที่คลื่นฉายไปไม่ถึง เช่น ด้านหลังของภูเขา ก็จะดูมืดๆไป ส่วนถนนหรือตึก ที่เรียงรายในลักษณะที่ทำให้คลื่นสะท้อนกลับไปกลับมา ระหว่างตัวตึกกับตัวถนน และกลับไปกระทบเครื่องโดยตรง ก็จะทำให้ดูสว่างมากในภาพ ถนนหรือทางด่วนซึ่งมีผิวเรียบ ก็จะดูเป็นแถบมืดๆในภาพ ตัวตึกที่ไม่ได้เรียงรายให้คลื่นสะท้อนกลับได้โดยตรงก็จะออกสีเทาๆ เหมือนกับมีผิวขรุขระ คลื่นสะท้อนกลับ ก็ยังมีความไวต่อคุณสมบัติทางด้านไฟฟ้าของวัสดุนั้นๆ ซึ่งรวมไปถึงจำนวนความชื้นของวัสดุด้วย วัสดุที่ชื้นหรือเปียก ก็จะดูสว่างมาก และวัสดุที่แห้งก็จะดูมืด มีข้อยกเว้นก็คือผิวน้ำ ซึ่งจะมีผิวเรียบ จึงดูมืดเนื่องจากผิวราบเรียบนั้นสะท้อนแสงหันเหออกจากเครื่อง จึงได้รับคลื่นกลับน้อย

เปรียบเทียบผิววัสดุของจริง กับภาพเรดาร์ที่จะออกมาว่าเป็นอย่างไร พื้นเรียบ แสงกระท้อนออกไปทางอื่นหมด จึงเป็นสีดำ ป่าไม้สะท้อนไปหลายทิศ จึงดูขรุขระ พื้นที่กสิกรรมจะดูเรียบ เพราะต้นพืชมักสูงพอๆกัน ภูเขาจะมีลักษณะขาวดำตัดกันมาก เช่นเดียวกับตึกในตัวเมือง ส่วนพื้นที่จริงๆแล้วขรุขระ ภาพเรดาร์กลับจะออกมาเรียบ การแปลความหมายของภาพจึงไม่เหมือนกับที่เราเคยชินกับที่มองจากแสงที่ตาเราเห็นได้ จึงต้องฝึกกันพอสมควรกว่าจะดูออกว่าอะไรเป็นอะไร

จำนวนคลื่นสะท้อนกลับก็ยังแตกต่างไปตาม แนวระนาบพื้นผิวที่คลื่นเดินทางผ่าน(polarization) เครื่อง SAR บางอย่าง สามารถส่งคลื่นออกไปได้ทั้งทางแนวนอนและแนวยืน และสามารถรับคลื่นได้ ทั้งแนวนอนและแนวยืนได้เช่นกัน จึงเรียกระบบตามพื้นที่ส่งคลื่นออก-รับเข้า เป็น นอน-นอน(HH: Horizontal - Horizontal), ยืน-ยืน(VV: Vertical - Vertical), หรือ ยืน-นอน(VH: Vertical - Horizontal) นอกจากนึ้แล้ว เครื่อง SAR บางเครื่อง ยังจับความแตกต่างของวงจรคลื่น(phase) ที่สะท้อนกลับได้อีกด้วย (คลื่นหนึ่งคลื่น จะมีค่าต่างของวงจรได้ 2 พาย) เวลาวัดนี้จะวัดเป็นจำนวนองศาของคลื่นสะท้อนกลับที่เป็น HH และ VV ซึ่งเป็นเรื่องธรรมดาที่คลื่นสะท้อนกลับ จะกลับมาในวงจรคลื่นที่แตกต่างกัน และเครื่อง SAR ยังวัดค่า correlation coefficient ของคลื่น HH และ คลื่น VV ที่สะท้อนกลับด้วย จึงทำให้บอกได้ว่า คลื่นเหล่านี้มีความเหมือน หรือความไม่เหมือนกันอย่างไร

ค่าของมุมกระทบของคลื่นกับวัสดุ ก็มีผลกระทบต่อคลื่นสะท้อนกลับด้วย โดยเฉพาะหากวัสดุเป็นวัสดุที่มีผิวเรียบ เช่นแหล่งชุมชน พื้นที่เพาะปลูกทำการกสิกรรม ผิวทะเล หรือมหาสมุทร ทางแผ่นดินแยก(fault line) ถ้ามุมกระทบมีค่าน้อย คือ คลื่นไปกระทบกับวัสดุ โดยมีความเฉียงน้อยเท่าไร ค่าของคลื่นสะท้อนกลับก็จะมีมากเท่านั้น เมื่อเครื่องอยู่ห่างออกไปจากวัสดุ มุมกระทบก็เฉียงมากขึ้น จึงทำให้ค่าของคลื่นสะท้อนกลับลดน้อยลง ภาพที่ออกมาจึงมืดกว่า เป็นต้น

คลื่นสะท้อนกลับมีค่าตามสมการของมุมกระทบ(เธตาร์)

โครงการเรดาร์ ของ Jet Propulsion Laboratory (ชื่อย่อว่า JPL) และ นาซ่า

โครงการเรดาร์ของ JPL แห่ง นาซ่า นั้น เริ่มต้นด้วยเครื่องมือ SEASAT ในปี ๒๕๒๑ เครื่อง SEASAT ใช้คลื่นความถี่เดียว คือ คลื่น L-Band ซึ่งมีความยาวคลื่น ๒๔ เซ็นติเมตร มี polarizstion เดียว และมุมฉายคลื่นก็เคลื่อนไม่ได้ ต่อมา ก็มีเครื่อง Shuttle Imaging Radar (SIR-A) ขึ้นบินทำการบน Space Shuttle ในปีพศ ๒๕๒๔ ก็เป็นเครื่องที่มีแต่คลื่น L-Band และมุมฉายที่เคลื่อนที่ไม่ได้เช่นกัน SIR-B(ขึ้นทำการบินในปี ๒๕๒๗) ได้เพิ่ม มุมฉายที่เคลื่อนที่หันเหไปยังมุมต่างๆได้ เครื่อง SIR-C/X-SAR ซึ่งสร้างขึ้นด้วยความร่วมมือของ นาซ่า และ องค์การอวกาศของเยอรมัน(DARA) และ อิตาลี(ASI) เครื่องนี้ได้เพิ่มสมรรถภาพมากขึ้นกว่าเครื่องรุ่นก่อนอย่างมากมาย โดยถ่ายภาพด้วยคลื่นต่างๆกันถึง ๓ อย่าง คือ คลื่น L-Band(๒๔ ซม)ธรรมดา, คลื่น L-Band ที่มี polarization ต่างๆกัน ๔ แนวประสม, และ คลื่น C-Band เครื่อง SIR-C/X-SAR นี้ ยังสามารถใช้มุมฉายต่างกันตั้งแต่ ๒๐ องศา ถึง ๖๕ องศา เครื่องนี้ได้ขึ้นบินสองครั้งในเดือน เมษายน และเดือน ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๓๗ เพื่อภ่ายภาพในฤดูกาลที่ต่างกัน สองฤดู ขนาดของภาพทั่วไปจะมีขนาด 50กมX100กม โดยจุดเล็กสุดของภาพ (resolution) จะมีขนาด ๑๐ เมตร และ ๒๕ เมตร ตามทางขวางและทางยาวโดยลำดับ

ภาพถ่ายด้วยเครื่องมือเรดาร์ จากการปฏิบัติการบนยาน Space Shuttle Endeaver ในปี พศ ๒๕๓๗ (คศ ๑๙๙๔) เป็นภาพของเทือกเขา พังเฮย อันเป็นที่ตั้งของ วนอุทยานแห่งชาติภูกระดึง ในภาคเหนือส่วนกลางของประเทศไทย ซึ่งห่างจากตัวอำเภอหล่มสัก ไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ ประมาณ ๔๐ กม พื้นที่ในภาพมีจำนวน ๓๘ X ๕๐ ตารางกิโลเมตร และมีศูนย์กลางอยู่ที่เส้นรุ้ง ๑๖.๙๗ องศา และเส้นแวง ๑๐๑.๖๗ องศา สีของภาพนั้นกำหนดไปตามความถี่ของคลื่นเรดาร์ที่ใช้ถ่าย และ polarization ของคลื่นเรดาร์ต่างๆกันดังนี้: สีแดง เป็น คลื่น L-band ส่งออกตามแนวนอน และรับตามแนวนอน สีเขียว เป็น คลื่น L-Band ส่งออกตามแนวนอน และรับตามแนวยืน สีน้ำเงิน เป็น คลื่น C-Band ส่งออกตามแนวนอน และรับตามแนวยืน ความยาวคลื่น L-band = ๒๔ ซม, C-band = ๖ ซม (คลิกที่ภาพเพื่อชมภาพขยาย) พื้นที่ราบสูงซึ่งเป็นสีเขียวตอนกลางค่อนไปด้านซ้าย คือ วนอุทยานแห่งชาติภูกระดึง พื้นที่ตอนนี้ และ อีกส่วนหนึ่งที่อยู่ด้านขวาส่วนบนของภาพนี้ ซึ่งมีระดับความสูงที่สุดในภาพ เป็นส่วนที่หลงเหลือจากที่ราบสูง ที่เคยเชื่อมต่อกัน และในอดีตได้เคยมีอาณาเขตกว้างใหญ่กว่านี้มากนัก หากถูกกร่อนกัดซัดเซาะไปด้วยสายน้ำลำธาร มาเป็นเวลานานนับพันๆปี จนพื้นราบส่วนใหญ่กลายเป็นหุบเขาไปหมด พื้นที่ที่เป็นป่าจะเป็นสีเขียวในภาพนี้ ส่วนพื้นที่กสิกรรมเพาะปลูกจะปรากฏเป็นสีแดง และแหล่งชุมชนจะเป็นสีน้ำเงิน ทิศเหนืออยู่ที่ด้านขวาส่วนล่างของภาพ

JPL ได้สร้างเครื่องมือเรดาร์ที่ถ่ายภาพจากเครื่องบิน ควบขนานไปกับการสร้างเครื่องที่ถ่ายจากอวกาศ ในปัจจุบันมีเครื่อง AIRSAR/TOPSAR ซึ่งทำการถ่ายทำภาพจากเครื่องบิน DC-8 ของนาซา ในการปฏิบัติการระบบหนึ่งของเครื่องนี้ จะสามารถเก็บภาพจากคลื่นทั้ง ๔ พื้นได้พร้อมๆกัน (คือ HH, HV, VH, และ VV) โดยใช้คลื่น ๓ ความถี่ด้วยกันคือ L-Band(๒๔ ซม), P-Band(๖๘ ซม) และใช้ คลื่น C-Band ถ่ายพร้อมๆกัน เพื่อเอามาทำภาพสามมิติ ที่มีความสูงของภูมิภาคมาประกอบด้วย AIRSAR/TOPSAR ถ่ายภาพขนาด ๑๒ กม X ๑๒ กม ด้วยความชัดถึง ๑๐ ทั้งทางขวางและทางยาว ภาพแผนที่สามมิติซึ่งถ่ายทำโดย TOPSAR จะมีความผิดพลาดขอความสูงได้อย่างมากเพียง ๑ เมตรในที่ราบ และเป็น ๕ เมตรในเขตภูเขา

ภาพเครื่องบิน DC-8 ของศูนย์นาซ่า Dryden ที่ปรับมาติดตั้งอุปกรณ์ถ่ายภาพด้วยคลื่นวิทยุ AIRSAR ของศูนย์ JPL ซึ่งได้เข้าไปปฏิบัติการฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกในปี คศ ๑๙๙๖-๙๗ ซึ่งรัฐบาลไทยมีส่วนออกค่าใช้จ่ายในการสำรวจนครวัด ร่วมกับมหาวิทยาลัยลอนดอน แห่งประเทศอังกฤษ ด้วย

อุปกรณ์ AIRSAR ที่ติดตั้งบนเครื่องบิน DC-8 โดยจะเปิดเครื่องทำการจากใต้ท้องของเครื่องบิน

เจ พี แอล กำลังกำลังศึกษาการสร้างเครื่องถ่ายเรดาร์จากอวกาศแบบเดียวกับ SIR-C/X-SAR ที่จะโคจรรอบโลกได้โดยอิสระ และจะจัดสร้างโครงการถ่ายทำแผนที่ทั่วโลกโดยเครื่อง TOPSAT แผนที่โลกนี้จะเป็นแผนที่สามมิติซึ่งจะมีความคมชัดสูง และจะเป็นเครื่องอำนวยให้การติดตามความเปลี่ยนแปลงของแผ่นดินไหวและภูเขาไฟระเบิด ซึ่งเกิดขึ้นบนเปลือกโลกเป็นไปได้ง่ายขึ้น

หมายเหตุ ผู้อำนวยการของ JPL ได้ทูลถวายภาพถ่ายจากอวกาศของ อุทยานแห่งชาติภูกระดึง ให้แก่ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เมื่อครั้งได้เสด็จพระราชดำเนินเยือน Jet Propulsion Laboratory ที่เมืองพาซาดีนา รัฐคาลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา เม่ือวันที่ 3 มีนาคม พศ 2541 (คลิกที่นี่เพื่อดูรายละเอียด)

อ้างอิง

Freeman, Dr. Tony, "What is Imaging Radar?", Jet Propulsion Laboratory, NASA http://southport.jpl.nasa.gov/

ท่านจะสอบถามเกี่ยวกับภาพถ่ายด้วยเครื่องมือเรดาร์จากอวกาศ SIR-C, SIR-B, หรือ Seasat หรือภาพถ่ายจากเครื่องบินโดยเครื่อง AIRSAR/TOPSAR ได้ที่:

Radar Data Center
Mail Stop 300-233
Jet Propulsion Laboratory
4800 Oak Grove Drive
Pasadena, CA 91109
United States of America
Fax (818) 393-2640

ข้ามไปอ่านหน้า [1] [2]