การถ่ายภาพด้วยเรดาร์นั้นทำกันอย่างไร

การถ่ายภาพด้วยเครื่องเรดาร์นั้น ก็คล้ายๆกับการถ่ายภาพด้วยกล้องถ่ายรูปด้วยไฟแฟลชนั่นเอง คือตัวกล้องฉายแสงออกมาโดยตรง ให้ไปกระทบกับวัตถุ แล้วบันทึกแสงที่สะท้อนกลับมายังตัวกล้อง เพียงแต่ต่างกันตรงที่แสงที่ฉายออกมานี้ มีพลังงานหรือความถี่ต่างกัน ตามแต่ว่าจะเป็นคลื่นแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า หรือคลื่นวิทยุ คลื่นทั้งสองชนิดนี้ ต่างก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยกันทั้งนั้น เพียงต่างกันตรงที่มีพลังงานไม่เท่ากัน จึงส่งผลให้ความยาวคลื่น และความถี่ของคลื่นไม่เท่ากัน ไฟแฟลชของกล้องถ่ายรูปนั้น จะฉายแสงที่มองได้ด้วยตาเปล่าไปยังวัตถุ แล้วแสงนั้นก็สะท้อนกลับมาผ่านเลนส์ ไปบันทึกลงบนแผ่นฟิล์มภายในตัวกล้อง แต่ในเครื่องเรดาร์นั้นจะใช้จานรับคลื่น(antenna) และคอมพิวเตอร์บันทึกค่าของคลื่นวิทยุที่สะท้อนกลับ เป็นจำนวนตัวเลข(digital computer tape) มาบันทึกภาพที่ถ่ายไว้ แทนที่จะใช้เลนส์กับฟิล์มมาบันทึกภาพ และเมื่อปฏิบัติงานเสร็จก็เอาข้อมูลที่เป็นค่าตัวเลขนั้น มาแปรกลับเป็นค่าความเข้มของคลื่น ซึ่งก็คือเปลี่ยนให้เป็นค่าความเข้มของแสง ก็สามารถแปลเป็นรูปได้ให้เราเห็นเป็นภาพ ภาพที่เราเห็นจากการ ถ่ายด้วยเครื่องเรดาร์นั้น ก็มาจากคลื่นวิทยุที่สะท้อนกลับจากวัตถุ มายังจานรับคลื่นนั้นเอง

เครื่องมือเรดาร์โดยทั่วไปนั้น คือเครื่องมือเสาะหาคลื่นวิทยุ และคำนวนระยะทางเดินทางของคลื่น โดยวัดกำลังคลื่น และเวลาเดินทางไปกลับของสัญญาณไมโครเวฟ ซึ่งจานเรดาร์ส่งออกไป แล้วสะท้อนกลับมาจากผิวพื้นหรือวัสดุที่อยู่ห่างออกไป จานเรดาร์ส่งคลื่นและรับคลื่นสลับกันไป ในความยาวคลื่นไมโครเวฟที่แน่นอนความยาวหนึ่ง โดยทั่วไปแล้วเป็นความยาวคลื่นระหว่าง ๑ เซ็นติเมตร ถึง ๑ เมตร หรือที่มีความถี่ระหว่าง ๓๐๐ เมกาเฮิร์ซ ถึง ๓๐ กิ๊กกาเฮิรซ์ และคลื่นที่ส่งรับจากจานในแต่ละครั้ง จะต้องอยู่บนพื้นระนาบเดียวกัน(same polarization) เนื่องจากคลื่นเดินทางตามแนวนอน หรือตามแนวขวางเท่านั้น

สำหรับเครื่องมือถ่ายภาพเรดาร์นั้น จะส่งคลื่นเป็นแผงกำลังสูงประมาณ ๑๕๐๐ คลื่นต่อวินาที ไปยังเป้าหมายที่ต้องการจะถ่ายภาพ โดยแต่ละคลื่นจะมีความกว้าง หรือความยาวนานของคลื่นประมาณ ๑๐ ถึง ๕๐ ไมโครวินาที(๑/๑๐๐๐ วินาที) แผงคลื่น (bandwidth) นี้โดยทั่วไปแล้ว จะเป็นคลื่นทั้งชุด ที่ครอบคลุมความถี่ระหว่างช่วงสั้นๆ ซึ่งมีศูนย์กลางความถี่ อยู่ตรงความถี่ที่เลือกไว้สำหรับเครื่องมือเรดาร์นั้นๆ แผงคลื่นโดยทั่วไปจะตกประมาณความถี่ระหว่าง ๑๐ ถึง ๒๐๐ เมกาเฮิร์ซ เวลาเราเรียกว่า แผงคลื่น ๕๐ เมกาเฮิร์ซนั้น จะหมายถึงแผงคลื่นที่ความถี่ตรงกลาง เท่ากับ ๕๐ MHz แต่จะรวมไปทั้งคลื่นความถี่สั้นยาวรอบจุดศูนย์กลาง ไปตามกำหนดความกว้างของแผงไว้ด้วย เช่น อาจจะรวมตั้งแต่ ๔๐ ถึง ๖๐ MHz ถ้ากำหนดให้แผงคลื่นมีความกว้าง ๒๐ MHz

เครื่องเรดาร์ฉายคลื่นลงมายังเป้าหมายที่ต้องการจะถ่ายภาพ

เมื่อแรกที่คลื่นถูกฉายออกมากระทบพื้นโลก ก็จะสะท้อนกลับไปทุกทิศทุกทาง บางส่วนก็กลับไปถึงที่มาคือจานส่ง บางส่วนก็สูญหายไป คลื่นส่วนที่จานรับกลับ จึงมีกำลังอ่อนกว่าต้นกำเนิดที่ส่งออกไป และจานรับ ก็จะรับคลื่นที่กระทบกระท้อนกลับไป ได้เพียงตามพื้นแนวนอน หรือพื้นแนวยืนเท่านั้น เรียกว่าเป็น polarization ของแผงคลื่นนั้น (คลื่นที่รับกลับ อาจจะไม่ได้อยู่บนระนาบเดียวกับตอนส่งออกเสมอไป)

คลื่นสะท้อนกลับไปทุกทิศทุกทาง มีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่กลับไปยังจานเรดาร์

คลื่นสะท้อนกลับนี้ก็จะถูกแปรเป็นจำนวนตัวเลขตามกำลังของคลื่น และส่งต่อไปยังเครื่องบันทึกข้อมูล เพื่อจะได้เอามาแปรต่อออกมาเป็นภาพเหมือนภาพถ่าย ด้วยเหตุที่คลื่นเดินทางด้วยความเร็วของแสง จึงไม่เป็นการยาก ที่จะจับเวลาเดินทางไปกลับของคลื่น แล้วเอาเวลานี้ มาคำนวนหาระยะทางจากเครื่องไปยังวัสดุที่ถ่าย ระยะความถี่ของแผงคลื่นที่เลือกเอาไว้ ก็จะเป็นตัวกำหนดความคมชัดทางขวางภาพ ซึ่งไปตามทางกราดคลื่น ถ้าใช้คลื่นถี่ๆใกล้กันมากในแผงคลื่นขึ้นก็จะได้ภาพที่คมชัดมากขึ้น

ในกรณีของเครื่องถ่ายภาพด้วยเรดาร์ ตัวเครื่อง(ซึ่งอยู่บนเครื่องบินหรือยานอวกาศ) ก็จะเคลื่อนไปตามทางบินผ่าน(flight path) และพื้นที่ที่คลื่นเรดาร์ฉายกราดไปครอบคลุม หรือเป็นการ ประทับรอยเท้า ซึ่งจะเคลื่อนตามเป็นแผ่นทางยาวตามพื้นโลก รวบรวมกันเป็นภาพถ่ายออกมา

ขนาดของภาพยาวขึ้นเรื่อยๆ ไปตามทิศทางการบินของยานที่บรรทุกเครื่องมือเรดาร์นั้น

 

ภาพเคลื่อนที่เพื่อแสดงการปฏิบัติงานที่เครื่องส่งคลื่นและรับคลื่นกลับ ขณะที่ยานบรรทุกเครื่องบินผ่านพื้นที่ที่ถูกถ่ายภาพ

ความยาวของแผงที่บรรจุจานรับคลื่นทั้งหมด เป็นตัวกำหนดความคมชัดตามทางยาวของภาพ ถ้าแผงจานรับส่งคลื่นยาวมากขึ้น ก็จะยิ่งเพิ่มความคมชัดตามทางยาวของภาพให้มากขึ้นนั่นเอง คำว่า Synthetic Aperture Radar (หรือแปลคร่าวๆได้ว่า เครื่องเรดาร์ที่ประกอบด้วยทางผ่านคลื่นจำลอง เรียกชื่อย่อว่า SAR ) นั้นหมายถึงเทคนิคที่ทำให้เหมือนกับว่า มีแผงจานรับคลื่นที่ยาวกว่าความเป็นจริง โดยการสะสมสัญญาณจากคลื่นที่สะท้อนกลับ ในขณะที่ยานบรรทุกเครื่องเรดาร์ บินผ่านไปในอากาศ เอามาเก็บไว้ในคอมพิวเตอร์ แล้วเอามาต่อๆกันให้มีจำนวนคลื่นที่บันทึกไว้มากกว่าที่จะรับได้ในครั้งเดียวโดดๆ จึงสามารถเพิ่มความคมชัดตามทางยาวของภาพได้มากขึ้น คำว่า Aperture คือที่เปิดให้คลื่นแสงผ่านเข้าออก เพื่อเอามาบันทึกทำภาพ เหมือนกับชัตเตอร์ในกล้องถ่ายภาพ ที่ปล่อยให้แสงผ่านตัวกล้องเข้ามาบนแผ่นฟิล์ม สำหรับเครื่องมือเรดาร์นี้ จานรับคลื่นก็คือตัว Aperture นั่นเอง เพราะมันเป็นตัวกลางรับส่งคลื่นที่ใช้ทำการบันทึกนี้ คือคลื่นไมโครเวฟ ทางผ่านคลื่นจำลอง (Synthetic Aperture) นั้นทำได้ด้วยการเคลื่อนส่วนที่ให้แสงผ่านเข้าออก คือ จานรับคลื่นนี้ ไปตามตำแหน่งต่างตามทางบินของยานที่บรรทุกเครื่อง ไม่ว่าจะเป็นเครื่องบิน หรือ Space Shuttle

การสร้างสมทางผ่านคลื่นจำลอง

ในขณะที่เครื่องเรดาร์บินผ่านไป ก็จะส่งคลื่นทั้งแผงออกไปจากตำแหน่งหนึ่ง กว่าคลื่นจะสะท้อนกลับเข้ามายังจานรับ และถูกส่งต่อไปเก็บไว้ใน Echo Store ตัวเครื่องก็ไม่อยู่ในตำแหน่งเดิมเสียแล้ว ความถี่ของคลื่นส่งกับคลื่นสะท้อนระหว่างตัวเครื่อง กับเป้าหมายที่ถ่าย ก็จะแตกต่างกัน ที่เรียกว่า Doppler Shift คลื่นสะท้อนจะสั้นลง ทำให้ความถี่มีมากขึ้น หากเครื่องกำลังเคลื่อนเข้าหาเป้า และคลื่นจะยาวขึ้น หากตัวเครื่องกำลังเคลื่อนออกจากเป้า คือความถี่ของคลื่นมีค่าลดลงนั่นเอง เมื่อเอาค่าความถี่ที่เพี้ยนไปนี้ ไปเทียบกับค่าความถี่เปรียบเทียบ (Reference Frequency) ก็จะทำให้สามารถปรับเอาคลื่นสะท้อนกลับ ที่มีค่าความถี่เพี้ยนไปเหล่านี้ มารวมศูนย์กันอยู่ที่เป้าหมายเดียวกัน จึงทำให้เหมือนกับยืดแผงรับคลื่นออกไป ให้ยาวกว่าความเป็นจริง การปฏิบัติการเปลี่ยนค่าคลื่นให้รวมศูนย์อยู่ในจุดเดียวกันนี้ จึงเรียกกันว่า SAR ซึ่งในปัจจุบันใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วสูงมาคิดแปรค่า ความยุ่งยากสลับซับซ้อนของวิธีนี้ อยู่ตรงที่จะต้องปรับแก้ค่าความถี่ที่เพี้ยนไปให้ได้ถูกต้อง ทั้งนี้ ก็ต้องอาศัยข้อมูล และ ความรู้ในการกำหนดตำแหน่งอย่างถูกต้องที่สุด ของยานบรรทุกเครื่องเรดาร์ กับตำแหน่งของเป้าหมายที่ถูกถ่าย อันเป็นต้นเหตุที่ก่อให้ความถี่ของคลื่นเพี้ยนไปแต่แรกนั่นเอง

วิธีการทำทางผ่านคลื่นจำลองในปัจจุบันนั้น ได้พัฒนามาถึงขั้นที่เอามาถ่ายภาพที่มีความละเอียดค่อนข้างสูง เครื่อง SAR นี้ เป็นเครื่องมือถ่ายภาพที่มีสมรรถภาพพิเศษ ด้วยเหตุที่ฉายแสง(คลื่นเรดาร์)ออกมาได้ด้วยตัวเอง จึงไม่ต้องพึ่งพาแสงอาทิตย์ในการทำงาน และด้วยเหตุที่คลื่นที่ใช้มีความยาวกว่า คลื่นแสงที่มองด้วยตาเปล่า และ คลื่นอินฟราเรดกว่ามาก SAR จึงสามารถภ่ายภาพ "ทะลุ" เมฆ และ ฝุ่น ในขณะที่เครื่องมือที่ใช้แสงที่มองด้วยตาเปล่า หรือ แสงอินฟราเรด จะถ่ายทำอะไรในสภาวะเช่นนั้นไม่ได้เลย นอกจากนี้ คลื่นวิทยุยังสามารถส่องทะลุใบไม้ ซึ่งโดยทั่วไป จะมีขนาดเล็กกว่าคลื่นที่ใช้ถ่ายถาพ และในพื้นที่แห้งมากๆ เช่นทะเลทราย คลื่นนี้ก็สามารถส่องทะลุพื้นทรายแห้งลงไปได้ระดับหนึ่ง จึงให้ข้อมูลที่มีประโยชน์มาก เพราะสามารถนำภาพเหล่านี้ มาศึกษาด้านธรณีวิทยา นิเวศน์วิทยา ศึกษาเกี่ยวกับแหล่งน้ำ และผลพลอยได้อย่างคาดไม่ถึง คือสามารถถ่ายภาพโครงสร้างโบราณที่ถูกลบเลือนไปตามกาลเวลา จะเป็นด้วยถูกทรายทับถมเป็นพันปี หรือทรากโบราณสถานที่ถูกปกคลุมด้วยป่าไม้หรือวัชชพืช กล้องเรดาร์นี้ ก็สามารถทะลุทลวงถ่ายภาพทรากโบราณสถานเหล่านี้มาได้ จากการปฏิบัติการของเครื่อง SIR-C/XSAR บน Space Shuttle ในปี พศ ๒๕๓๗ ก็ช่วยให้นักโบราณคดี ค้นพบนครโบราณที่หายสาบสูญไปนับพันๆปี จนเหลือแต่ตำนาน ชื่อ นครอูบาร์ (Ubar) ซึ่งอยู่ในทะเลทรายประเทศโอมานในปัจจุบัน และในเที่ยวบินนั้น ก็ยังได้ถ่ายภาพ นครวัด และอาณาบริเวณใกล้เคียง ที่แสดงร่องรอยของคูคลองโบราณ ที่มองไม่เห็นจากพื้นดิน เนื่องจากถูกปกคลุมด้วยป่าไม้ดงดิบทึบมาก ผลจากข้อมูลครั้งนั้น ทำให้เกิดโครงการสำรวจหาโบราณสถานรอบๆนครวัด ด้วยอุปกรณ์เรดาร์ บนเครื่องบิน DC-8 ของนาซ่า ในปี คศ ๑๙๙๗ จนได้พบร่องรอยโบราณสถานนอกนครวัดอีกแห่งหนึ่ง ซึ่งยังไม่เคยมีใครค้นพบมาก่อน ด้วยความที่ไม่มีใครสามารถบุกป่าฝ่าดงเข้าไปได้ถึง จึงไม่สามารถบอกได้ว่าจะไปสำรวจที่ไหน จากหลักฐานทางภาพถ่ายจากอวกาศ ก็จะช่วยการทำงานของนักโบราณคดีให้สำรวจภาคพื้นดินได้แม่นยำมากยิ่งขึ้น

ข้ามไปอ่านหน้า [1] [2]