ระบบเรดาร์

เรดาร์ (RADAR)

เรดาร์ได้พัฒนาขึ้นระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 เพื่อตรวจหาตำแหน่งและเส้นทางของเครื่องบินจากสถานีภาคพื้นดิน และใช้ในการนำทางในสภาพอากาศที่ไม่ดี RADAR ย่อมาจาก “Radio Detection And Ranging”เรดาร์เป็นระบบการตรวจวัดที่ต้องมีแหล่งของพลังงานที่มนุษย์สร้างขึ้น และส่งสัญญาณในช่วงคลื่นไมโครเวฟไปยังวัตถุเป้าหมายแล้ววัดความเข้มข้นของพลังงานที่กระจัดกระจายกลับ (Backscatter) ไปสู่เครื่องรับรู้ ซึ่งเป็นระบบการรับรู้แบบแอ็กทิฟ ดังนั้นการรับรู้หรือได้มาซึ่งภาพจากเรดาร์จึงสามารถถ่ายภาพได้ทั้งกลางวัน และกลางคืน ในทุกสภาพอากาศ ทะลุทะลวงเมฆได้

ระบบเรดาร์ถ่ายภาพในแนวเอียงซึ่งใช้สายอากาศที่ติดตั้งเชื่อมประจำที่บนเครื่องบินโดยชี้ไปทางวัตถุเป้าหมาย เรียกว่า เรดาร์มองข้าง (Side-Looking Radar : SLR หรือ Side-Looking Airborne : SLAR) ความละเอียดของเรดาร์ขึ้นอยู่กับขนาดของสายอากาศ ระบบเรดาร์จากห้วงอวกาศเริ่มขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1978 เมื่อสหรัฐอเมริกาได้ส่งดาวเทียม SEASAT และหลังจากนั้นก็มีการศึกษาระบบเรดาร์จากห้วงอวกาศโดยกระสวยถ่ายภาพจากเรดาร์ (Shuttle Imaging Radar : SIR) ต่อเนื่องตั้งแต่ปี ค.ศ. 1980 นอกจากนี้ได้มีการพัฒนาระบบเรดาร์บนดาวเทียมเรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน เช่น ดาวเทียม ERS JERS ENVISAT RADARSAT และ ALOS เป็นต้น

ระบบการถ่ายภาพเรดาร์ประกอบด้วย เครื่องส่งสัญญาณ (Transmitter) เครื่องรับสัญญาณ(Receiver) อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และคอมพิวเตอร์ เพื่อประมวลผลและบันทึกข้อมูล เครื่องส่งสัญญาณส่งพัลส์ของพลังงานไมโครเวฟเป็นช่วงเท่าๆ กัน และปรับระยะโดยจานตั้งฉากกับทิศทางคลื่นที่ลงสู่เป้าหมายเป็นมุมเอียง เมื่อคลื่นเรดาร์กระทบกับเป้าหมายสัญญาณจะกระจัดกระจายกลับไปยังเครื่องรับสัญญาณ ข้อมูลที่กระจัดกระจายกลับในแต่ละครั้ง ความเข้มของสัญญาณ เวลา และมุมที่ตกกระทบเป้าหมาย ที่ได้รับจากระบบรับรู้จะถูกคำนวณเพื่อบอกตำแหน่งของวัตถุเป้าหมาย ภาพเรดาร์ที่ประมวลผลจะเป็นความเข้ม (Strength) ของสัญญาณกลับซึ่งเป็นระดับความสว่างของภาพ

ภาพแสดงพื้นฐานของภาพเรดาร์
ที่มา : Lillesand, T.M. and Kiffer, R.W. (1994)

ภาพแสดงพื้นฐานของภาพเรดาร์
ที่มา : Lillesand, T.M. and Kiffer, R.W. (1994)

          การถ่ายภาพในแนวเอียงดังภาพเป็นแนวที่ตั้งฉากกับทิศทางการบิน ซึ่งเรียกว่า ทิศทางพิสัย(Range direction) ส่วนทิศทางของการบินเรียกว่า ทิศทางแอซิมัท (Azimuth direction) ดังนั้นความละเอียดของเรดาร์จึงประกอบด้วย 2 ทิศทาง ในบทนี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อที่จะนำเสนอภาพรวมของหลักการเบื้องต้นของเรดาร์ ซึ่งใช้เป็นพื้นฐานในการเข้าใจระบบเรดาร์ และปฏิสัมพันธ์เบื้องต้นของเรดาร์กับวัตถุเป้าหมายอย่างย่อ อันเป็นแนวทางที่จะศึกษาในรายละเอียดต่อไป เพราะในปัจจุบันข้อมูลจากดาวเทียมสำรวจโลกไม่ว่าจะเป็นข้อมูลจากดาวเทียม RADARSAT และ ALOS เป็นข้อมูลด้านระบบรับรู้แบบแอ็กทิฟ ถ้าหากปราศจากความรู้ความเข้าใจระบบเรดาร์ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นเรดาร์ แล้วการแปลตีความภาพจะไม่มีความถูกต้องเลย อย่างน้อยในส่วนนี้จะเป็นช่องทางหนึ่งที่ผู้สนใจมีความรู้พอสมควร ดังนั้นการนำเสนอในที่นี้จะแบ่งเป็น 2 เรื่องหลัก คือ พารามิเตอร์ของระบบ (System parameters) และพารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อมหรือพื้นที่เป้าหมาย (Environment/ Target parameters)1

1. สมการเรดาร์ (RADAR equation)

PR = พลังงานทั้งหมดที่รับ (Total power received)

PT = พลังงานที่ส่งออก (Power transmitted)

σ0 = การกระจายเรดาร์ต่อหน่วยพื้นที่ หรือสัมประสิทธิ์การกระจัดกระจาย (Radar scatter coefficient)

A = พื้นที่หน้าตัด (RADAR cross section)

G = อัตราการขยายจากสายอากาศ (Antenna gain)

R = ระยะทางแนวพิสัย (Range)

λ = ช่วงคลื่น (Wavelength)

จากสมการจะเห็นได้ว่ามีปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความเข้มของพลังงานที่กระจัดกระจายกลับ คือ พลังงานที่ส่งออกความยาวคลื่น ขนาดของสายอากาศรับสัญญาณ เรขาคณิตของการถ่ายภาพ เช่น ความกว้างของลำแสงมุมตกกระทบ และระยะทาง เป็นต้น

2. สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงคลื่นเรดาร์

ช่วงคลื่นเรดาร์เป็นช่วงคลื่นที่สูงกว่าคลื่นแสงสว่างและคลื่นความร้อน ซึ่งในทางเทคโนโลยีการรับรู้จากระยะไกล อยู่ระหว่าง 1 มิลลิเมตร ถึง 1 เมตร ซึ่งเป็นช่วงคลื่นไมโครเวฟ (ภาพที่ 3.58) และมักนิยมใช้ตัวอักษรที่เป็นมาตรฐานบอกช่วงคลื่น ตามภาพ เรียงลำดับจากสั้นไปยาว คือ แบนด์ Ka K Ku X C S L UHF และ P ซึ่งได้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแบนด์ต่างๆ กับความยาวคลื่นและความถี่

ภาพสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ภาพแสดงความยาวคลื่น ความถี่ และตัวอักษรแบนด์เรดาร์
ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

3. โพลาไรเซชัน (Polarization)

โพลาไรเซชัน หมายถึง ทิศทางการแผ่กระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะมีการกระจายทั้งแนวตั้งและแนวนอนโดยระบบเรดาร์สามารถที่จะส่งหรือรับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางการแผ่กระจายทั้งแนวตั้ง (Vertical : V) และแนวนอน(Horizontal : H) เมื่อส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางการแผ่กระจายทางแนวนอน (H) และรับคลื่นการแผ่กระจายในแนวนอน (H) จะใช้สัญลักษณ์ HH ในทำนองเดียวกันก็มีการรับส่งเป็น HV VH และ VV ในทิศทางการแผ่กระจาย ทั้งนี้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นเรดาร์กับวัตถุสำหรับโพลาไรเซชันที่ต่างกันจะไม่เหมือนกันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัตถุ

ภาพโพลาไรเซชัน

4. พิสัยและแอซิมัท (Range and Azimuth)

การถ่ายภาพเรดาร์เป็นแบบระบบการถ่ายด้านข้างและจะสะสมข้อมูลไปอย่างต่อเนื่อง มิติของการถ่ายภาพที่มีทิศทางไปตามแนวการบิน เรียกว่า แอซิมัท มิติของการถ่ายภาพที่ขวางแนวการบิน เรียกว่า พิสัย ขอบภาพที่ใกล้จุดตรงใต้เรดาร์ เรียกว่า ขอบพิสัยใกล้ (Near range edge) ส่วนขอบภาพที่ไกล เรียกว่า ขอบพิสัยไกล (Far range edge)

ภาพเรขาคณิตของเรดาร์จากเครื่องบิน

5. ความละเอียด

ความละเอียด หมายถึง ความสามารถของระบบที่จะแยกจากกันระหว่างวัตถุสองอย่างที่ใกล้กันในระบบเรดาร์ ความละเอียดจะกำหนดทั้งทิศทางตามพิสัย (ขวางแนวโคจร) และทิศทางตามแอซิมัท (ตามแนวโคจร) โดยมีรายละเอียดบางประการดังนี้

ทิศทางพิสัย

-  ความละเอียดตามแนวพิสัยของเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ (Synthetic Aperture Radar : SAR) ถูกกำหนดโดยเครื่องเรดาร์ที่สร้างขึ้นและหน่วยประมวลผล- ความละเอียดขึ้นอยู่กับความยาวของพัลส์ ความยาวพัลส์ที่สั้นจะให้ความละเอียดดีขึ้น- ข้อมูลเรดาร์จะถูกสร้างขึ้นจากข้อมูลที่ได้รับในแนวของพิสัยเอียง (Slant range) แต่เมื่อทำภาพจะถูกฉายลงในแนวพิสัยราบ (Ground range)

ทิศทางแอซิมัท

- ความละเอียดตามแอซิมัทถูกกำหนดโดยความกว้างของมุมลำแสงของแนวพื้นที่- วัตถุที่อยู่ใกล้กันสามารถแยกจากกันได้ จะต้องมีระยะทางในแนวแอซิมัทยาวกว่าความกว้างของลำแสงบนพื้นดิน- เรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ได้ชื่อจากกระบวนการวิเคราะห์ทางตามแนวโคจร และต้องมีความละเอียดตามแนวโคจร น้อยกว่าความกว้างของลำแสง (Beam width) ที่ส่งออกจากสายอากาศส่งสัญญาณ

ความละเอียดของภาพเรดาร์กำหนดทั้งในทิศทางตามแนวโคจร และตามแนวความกว้างหรือขวางแนวโคจร

โดย    rR = ความละเอียดตามแนวพิสัย

rA = ความละเอียดตามแนวแอซิมัท

ภาพเซลล์ความละเอียด (Resolution cell)

6. ความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบ (Incident angle) มุมก้ม (Depression angle) และมุมมอง (Look angle)

มุมตกกระทบ (θ)       หมายถึง มุมระหว่างคลื่นเรดาร์ที่ตกกระทบกับแนวดิ่งของพื้นผิวโลก

มุมก้ม (β)               หมายถึง มุมระหว่างแนวนอนกับแนวคลื่นเรดาร์

มุมมอง (ø)                หมายถึง มุมระหว่างแนวดิ่งกับคลื่นเรดาร์

ภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุมมอง (ø) มุมก้ม (β) และมุมตกกระทบ (θ) เมื่อพื้นโลกเรียบ

7. มุมตกกระทบเฉพาะที่ (Local incident angle : LIA)

มุมตกกระทบเฉพาะที่ หมายถึง มุมระหว่างคลื่นเรดาร์ ที่ตกกระทบกับแนวตั้งฉากกับความลาดชันของพื้นที่ในกรณีที่พื้นที่มีความลาดชัน

ภาพ (ก) แสดงแบบจำลองระบบ (ข) มุมตกกระทบเฉพาะที่

8. พิสัยตามแนวเอียงและตามแนวราบ (Slant range and Ground range)

ตรงกันข้ามกับเครื่องวัดเชิงแสง (Optical sensor) เรดาร์จะถ่ายภาพในแนวเอียง ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นทิวทัศน์แนวเฉียง (Oblique perspective) การถ่ายภาพในลักษณะเช่นนี้เพื่อที่จะส่งพัลส์ให้มีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวโลกในระยะที่เพิ่มขึ้นจากสายอากาศเรดาร์ และได้พิสัยหรือระยะทางของภาพ พิสัยตามแนวเอียงเป็นระยะทางระหว่างเรดาร์กับหน่วยการสะท้อนบนพื้นผิว ซึ่งเป็นการวัดเวลาจากการส่งสัญญาณแรกจนกระทั่งรับสัญญาณกลับสู่เครื่องรับรู้ ข้อมูลดิบของเรดาร์ที่ทำการเก็บข้อมูลตามพิสัยแนวเอียง ซึ่งสามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์

SR     = พิสัยตามแนวเอียง

c      = ความเร็วของแสง

t         = เวลาระหว่างการส่งพัลส์ และรับสัญญาณกลับ

ผู้ใช้ต้องการข้อมูลที่แสดงข้อมูลตามแนวราบมากกว่าแนวเอียง ระยะทางตามแนวราบเรียกว่าพิสัยตามแนวราบ ซึ่งสามารถคำนวณเมื่อทราบมุมตกกระทบ (θ) ดังนี้

การประมวลผลภาพเรดาร์จึงจะต้องปรับแก้ข้อมูลในพิสัยตามแนวเอียง มาเป็นพิสัยตามแนวราบ

9. เรดาร์ช่องเปิดจริง และเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ (Real and Synthetic Aperture Radars: RAR and SAR)

ในช่วงเริ่มต้นการถ่ายภาพเรดาร์ ระบบเรดาร์เป็นการถ่ายภาพในแนวเฉียงจะเป็นเรดาร์ช่องเปิดจริงซึ่งมีสายอากาศ หรือจานรับส่งสัญญาณแบบติดแน่นบนเครื่องบิน การพัฒนาให้ได้ความความละเอียดดีขึ้นต้องมีสายอากาศขนาดใหญ่ และความยาวคลื่นลดลง ดังนั้นจึงเป็นปัญหาและอุปสรรคในการถ่ายภาพเรดาร์เป็นอย่างมากต่อมาได้มีการพัฒนาเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ขึ้นทำให้ลดปัญหาได้มาก ความแตกต่างของระบบเรดาร์ทั้งสองประเภทคือ วิธีการได้มาซึ่งความละเอียดด้านแอซิมัท (Azimuth resolution) ในการถ่ายภาพเรดาร์ไม่ว่าแบบใดความละเอียดในแนวพิสัยเอียงจะเหมือนกัน ส่วนความละเอียดในแนวแอซิมัทหรือแนวการบินจะแตกต่างกันระหว่างเรดาร์ช่องเปิดจริงกับเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ เรดาร์ช่องเปิดจริงรับสัญญาณในแนวแอซิมัทขึ้นอยู่กับขนาดของสายอากาศ หากต้องการความแยกชัดที่ละเอียดต้องใช้สายอากาศความมีขนาดใหญ่ขึ้น ส่วนระบบ SAR อาศัยการเคลื่อนที่ต่อเนื่องของสายอากาศและเก็บข้อมูลเป้าหมายหนึ่งๆ สะสมต่อเนื่องตามเวลาที่กำหนด แล้วจึงประมวลผลเพื่อกำหนดความละเอียดและใน SAR จะสังเคราะห์ความกว้างของลำแสงที่แคบ ดังนั้นระบบ SAR จะใช้สายอากาศสั้น และสามารถใช้ช่วงคลื่นที่ยาวขึ้นได้ ทำให้มีความละเอียดดีขึ้น

ภาพเรดาร์ช่องเปิดจริงและเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์
ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

10. การย่นระยะของภาพเรดาร์ (Foreshortening)

ลักษณะการย่นระยะในภาพเรดาร์คือ ปรากฏการถ่ายภาพที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุบนพื้นที่ในทิวทัศน์ที่มีความลาดเอียงหันหน้าเผชิญหน้าเรดาร์ได้ภาพหดสั้นกว่าความเป็นจริง ในลักษณะของการย่นระยะนี้คลื่นเรดาร์จะชนฐานของพื้นที่ก่อนส่วนยอด ลักษณะการย่นระยะจะได้ภาพสว่างกว่า การย่นระยะสูงสุดเมื่อความลาดชันของพื้นที่ตั้งฉากกับลำแสงของเรดาร์ในกรณีนี้มุมตกกระทบเฉพาะที่จะมีค่าเป็น 0 ผลก็คือทั้งส่วนยอดและส่วนล่างของพื้นที่จะถูกบันทึกภาพพร้อมกัน ดังนั้นจะมีตำแหน่งที่เดียวกัน สำหรับความลาดชันหนึ่งๆ ที่กำหนดให้ผลของการย่นระยะจะลดลงเมื่อเพิ่มมุมตกกระทบ ซึ่งมุมตกกระทบเฉลี่ยเข้าใกล้ 90 ํ ผลการย่นระยะจะถูกลบไปแต่จะปรากฏเงาแทนที่ ในการเลือกมุมตกกระทบมักจะมีการแลกเปลี่ยนหรือแทนที่กัน ระหว่างการปรากฏเงาและการย่นระยะ

ภาพการย่นระยะ

11. การวางทับ (Layover)

การวางทับ เกิดขึ้นเมื่อเครื่องรับรู้เรดาร์ได้รับพลังงานการสะท้อนกลับของวัตถุส่วนยอดก่อนการกลับของพลังงานสะท้อนของวัตถุส่วนฐาน ดังนั้นตำแหน่งของวัตถุส่วนยอดจะคลาดเคลื่อนจากตำแหน่งจริง โดยแสดงให้เห็นส่วนล่างของวัตถุก่อน ในทางพิสัยใกล้ของภาพถ่ายเรดาร์ การวางทับจะมากขึ้นเมื่อเรขาคณิตการมองภาพที่มีมุมตกกระทบต่ำ เช่น ภาพเรดาร์จากดาวเทียม

12. เงา (Shadow)

เงาของเรดาร์ แสดงถึง พื้นที่ที่ไม่ถูกกระทบโดยคลื่นเรดาร์ ดังนั้นพื้นที่ส่วนนี้เครื่องรับสัญญาณเรดาร์จะไม่ได้รับสัญญาณสะท้อนกลับเงาจะปรากฏเป็นสีดำในภาพเรดาร์ในภาพถ่ายเรดาร์ เงาจะเกิดขึ้นในทิศทางพิสัยด้านล่างด้านหลังของวัตถุที่สูง เงาเป็นตัวช่วยแสดงทิศทางการถ่ายภาพของเรดาร์ถ้าการพิมพ์คำอธิบายไม่สมบูรณ์หรือหายไป เงาในภาพเรดาร์ให้ข้อมูลเกี่ยวกับเรดาร์ได้หลายประการ เช่น การรบกวนของระบบ และสามารถใช้ประโยชน์ในภาพที่ละเอียดและวิเคราะห์ระบบ ข้อมูลเกี่ยวกับความสูงของวัตถุ และการตีความความสูงต่ำของพื้นที่ สามารถวิเคราะห์จากเงาภาพ

ภาพเงา

13. พาราแลกซ์ (Parallax) และ Radar Interferometry

ความแตกต่างของระยะทางของตำแหน่งเดียวกันของวัตถุที่ปรากฏในภาพเมื่อถ่ายซ้อนทับกันจากมุมถ่ายภาพที่ต่างกันเรียกว่า พาราแลกซ์ หากมีความแตกต่างกันมากภาพสามารถที่จะแสดงสามมิติได้เด่นชัดขึ้นพาราแลกซ์ของระบบ SAR มีด้วยกัน 3 ประเภท

– ถ่ายภาพที่ความสูงเท่ากันที่ตำแหน่งตรงกันข้าม มีพาราแลกซ์ = DP1 + DP2

– ถ่ายภาพในแนวดิ่งเดียวกัน แตกต่างความสูง มีพาราแลกซ์ = DP1 – DP2

– ถ่ายภาพทิศทางเดียวกันในแนวราบ แต่ระยะทางถึงวัตถุต่างกัน มีพาราแลกซ์ = DP1 – DP2

ภาพแสดงพาราแลกซ์ของภาพเรดาร์ทั้งสามประเภทดังกล่าว
ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

จากพื้นฐานของระบบเรดาร์ เมื่อส่งสัญญาณจากสายอากาศไปสู่เป้าหมายและรับสัญญาณกลับใน SAR จะบันทึกข้อมูลในแต่ละครั้งที่รับสัญญาณกลับ คือ เวลา ความเข้ม และตำแหน่งของเครื่องรับ ซึ่งเรียกว่าเฟส (Phase) เมื่อเปรียบเทียบความแตกต่างของเฟสที่บันทึกสัญญาณกลับจากตำแหน่งเดียวกันในขณะที่มีการเคลื่อนที่สามารถที่คำนวณระยะทางที่แตกต่างได้ ในการได้มาซึ่งโมเดลความสูงเชิงพื้นที่นั้น จะเป็นการถ่ายภาพในพื้นที่เดียวแต่มีตำแหน่งที่ถ่ายภาพแตกต่างกัน ในการถ่ายภาพของเรดาร์อาจจะมีแนวการบินข้างเดียวกันหรือตรงกันข้าม 2 แนว ที่ความสูงเท่ากัน หรือมีตำแหน่งในแนวตั้งเดียวกัน แต่ความสูงของเครื่องบินต่างกัน โดยอาศัยความแตกต่างของเฟสเราสามารถคำนวณหาความแตกต่างของระดับพื้นที่ได้ ซึ่งเรียกว่า Differential Interferometry

14. Speckle

สัญญาณที่ถ่ายภาพเรดาร์เมื่อกระทบกับสภาพพื้นที่ที่หลากหลายมุมซึ่งขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบมุมตกกระทบเฉพาะที่ และอื่นๆ เมื่อรับสัญญาณกลับสู่เครื่องรับจะเกิดความแปรปรวนแบบสุ่มและมักจะมีลักษณะเป็นเม็ดหรือจุดในภาพเรดาร์ เรียกว่า Speckle

Speckle ในบางครั้งก็เป็นประโยชน์ที่ใช้ในการแปลตีความ ในกระบวนการกรองภาพมีวิธีการที่จะลบSpeckle ออกจากภาพซึ่งมีหลากหลายวิธี

          ในการวิเคราะห์ภาพถ่ายเรดาร์แล้วนอกจากพารามิเตอร์ของระบบแล้ว พารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อมมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อบูรณาการกับระบบเพื่อให้ได้มาซึ่งองค์ความรู้เพื่อเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบเรดาร์กับสิ่งแวดล้อม ในที่นี้จะกล่าวถึงสิ่งแวดล้อมหรือเป้าหมายที่ควรศึกษาในเบื้องต้น คือ ความขรุขระของพื้นที่ (Roughness characteristics) คุณสมบัติไดอิเล็กทริก (Dielectric properties) ความเป็นเหลี่ยมและการเรียงตัวของเป้าหมาย(Angularity and Orientation of the target) ระยะห่างของเป้าหมาย (Target spacing) การทะลุทะลวงของสัญญาณ(Signal penetration) และการเน้นสัญญาณ (Signal enhancement)

1. ลักษณะของความขรุขระ

เมื่อพื้นผิวราบเรียบการสะท้อนของคลื่นเรดาร์จะเป็นแบบกระจกเงา (Specular reflector) คือ มีมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนพลังงานจะสะท้อนไปยังทิศทางอื่นไม่กลับไปยังระบบบันทึก เมื่อพื้นผิวเริ่มขรุขระขึ้นจะมีพลังงานบางส่วนสะท้อนกลับไปยังระบบ เมื่อความขรุขระมากการสะท้อนจะเป็นแบบแพร่กระจาย (Diffuse reflector)

ภาพแสดงลักษณะการสะท้อนคลื่นเรดาร์ที่พื้นผิวลักษณะแตกต่างกัน
ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

         ความขรุขระของพื้นที่อาจมองได้หลายระดับ ได้แก่ ระดับจุลภาค (Microscale) ระดับกลาง(Mesoscale) และระดับมหัพภาค (Macroscale) ในระดับจุลภาคมักจะกำหนดความขรุขระของพื้นเทียบกับความยาวคลื่น ถ้าหากความแปรปรวนโดยเฉลี่ยของพื้นผิวน้อยกว่า 1/8 ของความยาวคลื่นถือว่ามีพื้นผิวเรียบ เช่น ระบบเรดาร์ L-band มีความยาวคลื่น 15 เซนติเมตร พื้นผิวที่ขรุขระ 2 เซนติเมตร ถือว่ามีพื้นผิวที่ราบเรียบ เป็นต้นการวิเคราะห์ในระบบเรดาร์ ถือว่าระดับจุลภาคเป็นระดับสีของภาพ (Image tone) ส่วนในระดับกลางเป็นระดับที่ถือว่าเป็นระดับความหยาบความละเอียดของภาพ (Image texture) ซึ่งเป็นสภาพที่พื้นที่ป่าไม้ที่มีความสูงของต้นไม้สูงต่ำเป็นกลุ่มๆ ทำให้การกระจัดกระจายกลับในบางส่วนมีความสว่างของภาพสูง บางส่วนเกิดเงาซึ่งถือว่าเป็นการจัดเรียงตัวที่ทำให้เกิดลายผิวที่หยาบ ในระดับมหัพภาคเป็นระดับที่สัมพันธ์กับสภาพพื้นที่ที่มีความลาดชันสูง หรือบริเวณภูเขาความลาดชันที่หันหน้าไปยังระบบบันทึกจะมีการกระจายกลับที่รุนแรง ความขรุขระเมื่อปรับเทียบกับความยาวคลื่นมีผลต่อองค์ประกอบของการสะท้อน และกระจัดกระจายกลับ หากมีความขรุขระมากการกระจัดกระจายกลับมากในทางตรงกันข้ามความขรุขระน้อยจะมีการสะท้อนไปทิศทางอื่น

2. คุณสมบัติไดอิเล็กทริก (Dielectric constant)

ค่าคงตัวไดอิเล็กทริก ของวัตถุบนพื้นโลกเมื่อแห้งจะมีค่าตั้งแต่ 3-8 โดยน้ำมีค่าคงตัวไดอิเล็กทริกประมาณ 80 สัญญาณเรดาร์จะถูกกำหนดโดยความชื้นที่อยู่ในดินและพืช การเพิ่มขึ้นของความชื้นทำให้ลดการทะลุทะลวงของคลื่นเรดาร์ วัตถุที่มีค่าคงตัวไดอิเล็กทริกสูง หรือมีความชื้นสูง จะมีการสะท้อนคลื่นเรดาร์สูง หรือมีแนวโน้มที่จะมีการสะท้อนกลับสูง ในกรณีของพื้นน้ำคลื่นเรดาร์ไม่สามารถผ่านทะลุทะลวงน้ำได้ และน้ำที่มีพื้นผิวราบเรียบจะสะท้อนคลื่นเรดาร์เป็นแบบกระจกเงา คือคลื่นไม่กลับไปยังระบบบันทึกจะมีความเข้มของคลื่นต่ำ หรือมีความสว่างของภาพต่ำ หรือสีภาพเป็นสีดำเข้ม ส่วนดินชื้นจะมีการกระจัดกระจายกลับของสัญญาณเรดาร์สูง

3. ความเป็นเหลี่ยมและการเรียงตัวของเป้าหมาย

ในบางครั้งเรียกว่า ตัวสะท้อนมุม (Corner reflectors) วัตถุขนาดเล็กอาจจะมีความสว่างมากในภาพเรดาร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับการวางตัวของวัตถุ ตัวสะท้อนมุมที่สำคัญก็คือวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น ด้านข้างของอาคาร สะพานรวมกับความสะท้อนจากพื้นถนน เมื่อพื้นผิวของวัตถุสองชนิดทำมุมฉากกันและเปิดสู่เรดาร์ ทำให้เกิดตัวสะท้อนมุมสองหน้า (Dihedral corner reflector) ตัวสะท้อนมุมสองหน้าจะเกิดการสะท้อนกลับอย่างแรง เมื่อพื้นผิวทั้งสองตั้งฉากกับทิศทางของการส่งคลื่นเรดาร์ ความสะท้อนที่แรงที่สุดเกิดขึ้นจากตัวสะท้อนสามหน้า (Trihedral corner reflector) กรณีเช่นนี้เกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวทั้งสามตั้งฉากกับทิศทางของการส่งคลื่นเรดาร์ ตัวสะท้อนมุมใช้ประโยชน์ในการบอกตำแหน่งนักวิจัยมักนิยมสร้างตัวสะท้อนมุมไว้เป็นจุดอ้างอิง

ภาพความเป็นเหลี่ยมและการเรียงตัวของเป้าหมาย
ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

4. การกระจัดกระจายเชิงปริมาตร (Volume scattering)

การกระจัดกระจายเชิงปริมาตรเป็นการกระจัดกระจายที่มีความสัมพันธ์กับกระบวนการกระจัดกระจายหลายทิศทาง เช่น พืชพรรณที่หนาแน่น ประกอบด้วยความสูงความกว้าง และความยาว การกระจัดกระจายเชิงปริมาตรมีความสำคัญ เพราะว่ามันจะมีอิทธิพลต่อการกระจัดกระจายกลับ เรดาร์จะรับพลังงานกลับทั้งจากการกระจัดกระจายบนพื้นผิวดิน กิ่งไม้ ลำต้น ซึ่งถือว่าเป็นปริมาตรความเข้มของการกระจัดกระจายเชิงปริมาตรขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของปริมาตร (ความแปรปรวนของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) และลักษณะของระบบเรดาร์ (ความยาวคลื่นโพลาไรเซชัน และมุมตกกระทบ)

ภาพการกระจัดกระจายเชิงปริมาตร

5. การทะลุทะลวงของสัญญาณเรดาร์

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สั้นมีพลังงานสูงกว่าคลื่นยาว ดังนั้นคลื่นสั้นมีปฏิสัมพันธ์ (Interaction) กับวัตถุมากกว่า จึงมีความสามารถทะลุทะลวงได้น้อยกว่าคลื่นยาว ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุน้อยกว่า คลื่นยาวจะสามารถทะลุทะลวงลงไปในวัตถุได้มากกว่าคลื่นสั้น ในตารางได้แสดงแบนด์เรดาร์ ความยาวคลื่น และความสามารถทะลุทะลวงลงไปในพื้นผิวของพื้นที่

แบนด์เรดาร์	ความยาวคลื่น (ซม.)	ความลึกที่ทะลุทะลวง (ซม.)ประมาณ
KXC S L P	135 10 25 50	1 3 5 10 25 50

ที่มา : Henderson, F.M. and Lewis, A.J. (1998)

ความสามารถทะลุทะลวงของคลื่นเรดาร์มีค่าประมาณความยาวคลื่นเรดาร์ เช่น K band มีความยาวคลื่น 1 เซนติเมตร จะมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นที่มากและทะลุทะลวง ได้เพียง 1 เซนติเมตร P band ความยาวคลื่น 50 เซนติเมตร สามารถทะลุทะลวงลึกถึง 50 เซนติเมตร เพราะฉะนั้น P band จะให้ข้อมูลที่ระดับความลึก 50 เซนติเมตร อย่างไรก็ตามความสามารถที่ทะลุทะลวง ยังขึ้นกับปัจจัยอื่นๆ อีก เช่น ปริมาณความชื้น หากมีปริมาณน้ำในองค์ประกอบของวัตถุใดๆ มาก ความสามารถทะลุทะลวงก็จะลดลง ดังนั้นจะเห็นได้ว่าความสามารถทะลุทะลวงของคลื่นเรดาร์จะเป็นการบูรณาการพารามิเตอร์ของระบบ และพารามิเตอร์ของวัตถุเป้าหมาย/ สิ่งแวดล้อม

6. การเน้นสัญญาณ

การที่จะเพิ่มการกระจัดกระจายกลับ หรือการเน้นสัญญาณนั้น ทำได้โดยลดความยาวคลื่นที่ส่งออกจากระบบและลดมุมตกกระทบ ในการลดความยาวคลื่นก็จะทำให้ความสามารถทะลุทะลวงลดลง หากต้องการศึกษาใต้พื้นผิวต้องให้คลื่นที่ยาวขึ้น ดังนั้นในการที่จะเน้นสัญญาณต้องมีวัตถุประสงค์ที่แน่ชัดว่าต้องการศึกษาอะไรดังเช่นกรณีที่ต้องการศึกษาพื้นที่น้ำท่วม ซึ่งมีพืชพรรณน้ำคลุมพื้นที่ หากใช้ X band จะให้ข้อมูลพืชพรรณเหนือน้ำ ถ้าใช้คลื่นยาวขึ้น เช่น L band จะได้ข้อมูลน้ำท่วม เป็นต้น