Radar SAR được xem là một trong những công nghệ tiên tiến và quan trọng bậc nhất trong lĩnh vực viễn thám hiện nay. Với khả năng thu thập dữ liệu chi tiết từ bề mặt Trái Đất, bất chấp mọi điều kiện thời tiết hay thời gian, SAR đã mở ra hàng loạt cơ hội cho các ứng dụng khoa học, quân sự và quản lý tài nguyên. Hãy cùng VSGA khám phá sâu hơn về công nghệ đột phá này!
Radar khẩu độ tổng hợp SAR là gì?
Radar khẩu độ tổng hợp SAR (Synthetic Aperture Radar) là một công nghệ radar tiên tiến được sử dụng để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của bề mặt Trái Đất. Khác với radar truyền thống, SAR sử dụng chuyển động của radar dọc theo một quỹ đạo (thường là trên máy bay hoặc vệ tinh) để tạo ra một “khẩu độ tổng hợp” dài hơn, giúp tăng cường khả năng phân giải không gian.
Radar SAR là phương pháp viễn thám chủ động, có nghĩa là phát nguồn bức xạ riêng và thu thập thông tin trả về để tạo thành hình ảnh.
Nguồn gốc của Radar SAR?
SAR được phát minh tại Arizona năm 1952, bởi nhà toán học Carl A. Wiley. Vào thời điểm đó, Wiley đang nghiên cứu hệ thống dẫn đường cho tên lửa đạn đạo. Ông nhận ra rằng phản xạ radar từ các vật thể đứng yên đi qua chùm tia radar chuyển động đều có một sự dịch chuyển Doppler nhỏ nhưng đáng kể, hoặc tốc độ, so với ăng-ten. Bằng cách phân tích tần số của các tín hiệu trả về, Wiley phát hiện ra rằng một ăng-ten cầm tay nhỏ có thể tạo ra hình ảnh radar chi tiết tương đương với ăng-ten có chiều dài bằng một sân bóng.
Trước đây, công nghệ SAR chủ yếu được ứng dụng trong quân đội. Cho đến những năm 1970, SAR bắt đầu được sử dụng nhiều hơn cho mục đích dân sự và trong suốt thời gian đó, công nghệ này liên tục được cải thiện.
Khẩu độ tổng hợp SAR là gì?
Độ phân giải không gian của dữ liệu radar liên quan trực tiếp đến tỷ lệ giữa bước sóng cảm biến và chiều dài ăng-ten của cảm biến. Đối với một bước sóng nhất định, ăng-ten càng dài thì độ phân giải không gian càng cao. Từ một vệ tinh trong không gian hoạt động ở bước sóng khoảng 5 cm (radar băng tần C), để có được độ phân giải không gian là 10 m, bạn sẽ cần một ăng-ten radar dài khoảng 4,250 m. (Tương đương với hơn 47 sân bóng đá!)
Một ăng-ten có kích thước đó không thực tế đối với một cảm biến vệ tinh trong không gian. Do đó, các nhà khoa học và kỹ sư đã đưa ra một giải pháp thay thế thông minh – khẩu độ tổng hợp. Trong khái niệm này, một chuỗi các lần thu thập từ một ăng-ten ngắn hơn được kết hợp để mô phỏng một ăng-ten lớn hơn nhiều, do đó cung cấp dữ liệu có độ phân giải cao hơn.
Đặc điểm của hình ảnh Radar SAR
Hình ảnh SAR trông như thế nào? Khi chưa được xử lý, hình ảnh SAR trông giống như tín hiệu TV bị nhiễu vì SAR thu thập tán xạ ngược của mọi vật thể trong vùng quan sát. Do đó, hình ảnh hiển thị ở dải màu xám, với các vật thể có độ phản xạ cao hơn sẽ có màu sáng hơn và các vật thể có độ phản xạ thấp hơn trông tối hơn.
Sau khi được xử lý, ảnh SAR dễ dàng quan sát bằng mắt người hơn nhưng thông thường các thuật toán học máy sẽ được áp dụng để trích xuất thông tin chi tiết từ ảnh SAR thay vì thực hiện bằng các phương pháp thủ công.
Hướng sóng trong hình ảnh SAR
SAR truyền sóng điện từ; hướng của sóng điện từ được gọi là phân cực. Mỗi sóng điện từ bao gồm các trường điện và từ. Phân cực ngang được ký hiệu là H và phân cực dọc được ký hiệu là V. Có bốn tổ hợp phân cực phổ biến được sử dụng trong các cảm biến SAR:
- HH: Cảm biến truyền tín hiệu theo chiều ngang và nhận tín hiệu theo chiều ngang.
- VV: Cảm biến truyền tín hiệu theo chiều dọc và nhận tín hiệu theo chiều dọc.
- HV: Cảm biến truyền tín hiệu theo chiều ngang và nhận tín hiệu theo chiều dọc.
- VH: Cảm biến truyền tín hiệu theo chiều dọc và nhận tín hiệu theo chiều ngang.
Phân cực dọc được sử dụng để phát hiện các vật thể trên cao, chẳng hạn như tòa nhà, biển động hoặc tháp truyền tải. Phân cực ngang phù hợp hơn với các bề mặt phẳng và thấp – sông, cầu hoặc ví dụ như đường dây điện.
Các bước sóng khác nhau của SAR
Các bước sóng khác nhau của SAR thường được gọi là các dải, với các ký hiệu chữ cái như X, C, L và P. Bảng bên dưới ghi chú dải có tần số liên quan, bước sóng và ứng dụng điển hình cho dải đó.
|
Băng tần |
Tần số |
Bước sóng |
Ứng dụng điển hình |
|
Ka |
27–40 GHz |
1.1–0.8 cm |
Ít dùng, (giám sát sân bay) |
|
K |
18–27 GHz |
1.7–1.1 cm |
Ít dùng |
|
Ku |
12–18 GHz |
2.4–1.7 cm |
Ít sử dụng (đo độ cao vệ tinh) |
|
X |
8–12 GHz |
3.8–2.4 cm |
SAR độ phân giải cao (giám sát đô thị, băng và tuyết, khu vực có ít thảm thực vật) |
|
C |
4–8 GHz |
7.5–3.8 cm |
SAR Workhorse (lập bản đồ toàn cầu; phát hiện thay đổi; giám sát các khu vực có độ thâm nhập thấp đến trung bình; tính kết dính cao hơn); băng, hàng hải đại dương |
|
S |
2–4 GHz |
15–7.5 cm |
Sử dụng ít nhưng ngày càng nhiều phục vụ quan sát Trái Đất,giám sát nông nghiệp (NISAR sẽ mang kênh băng tần S; mở rộng các ứng dụng băng tần C cho mật độ thảm thực vật cao hơn) |
|
L |
1–2 GHz |
30–15 cm |
SAR độ phân giải trung bình (giám sát địa vật lý; lập bản đồ sinh khối và thảm thực vật; độ thâm nhập cao, InSAR) |
|
P |
0.3–1 GHz |
100–30 cm |
Sinh khối; lập bản đồ và đánh giá thảm thực vật. |
Nguồn: earthdata.nasa.gov
Bước sóng là một tính năng quan trọng cần cân nhắc khi làm việc với SAR, xác định cách tín hiệu radar tương tác với bề mặt và tín hiệu có thể xuyên qua môi trường bao xa. Ví dụ, radar băng tần X, hoạt động ở bước sóng khoảng 3 cm, có rất ít khả năng xuyên qua rừng lá rộng và do đó chủ yếu tương tác với lá ở đỉnh tán cây.
Mặt khác, tín hiệu băng tần L có bước sóng khoảng 23 cm, đạt được khả năng xuyên qua rừng lớn hơn và cho phép tương tác nhiều hơn giữa tín hiệu radar với các cành cây lớn và thân cây. Bước sóng không chỉ ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập vào rừng mà còn ảnh hưởng đến các loại đất phủ khác như đất và băng.
Các hệ thống vệ tinh Radar SAR hoạt động ở các dải tần số khác nhau, bao gồm băng tần X, băng tần C và băng tần L, mỗi dải có những lợi ích và hạn chế riêng. Việc lựa chọn tần số phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và độ phân giải hình ảnh mong muốn.
Ưu điểm và hạn chế của hình ảnh SAR
Những lợi ích chính của hình ảnh SAR bao gồm hình ảnh trong mọi thời tiết, hoạt động cả ngày lẫn đêm, độ phân giải cao, khả năng xuyên qua lá cây và đất, tốc độ xem lại cao và không bị lấp lánh bởi ánh nắng mặt trời.
Thật không may, hình ảnh SAR cũng có những hạn chế. Những hạn chế đó bao gồm việc giải thích phức tạp, độ nhạy với các đặc tính bề mặt, độ sâu thâm nhập hạn chế, yêu cầu phải có kiến thức trước về mục tiêu và thông tin về màu sắc.
Radar khẩu độ tổng hợp SAR có những chế độ nào?
Radar SAR có 4 chế độ là Dwell, Spotlight, Stripmap và ScanSAR, cung cấp sự linh hoạt để giám sát các khu vực rộng lớn và phóng to các khu vực quan tâm ở độ phân giải rất cao khi cần.
Dwell Mode
Dwell Mode là chế độ mà radar SAR giữ tín hiệu tập trung vào một khu vực mục tiêu trong thời gian dài, cho phép thu thập nhiều tín hiệu và tạo ra hình ảnh có độ phân giải rất cao. Chế độ này thường được sử dụng cho các mục tiêu cụ thể với độ chi tiết cao, nhưng giới hạn về diện tích quan sát.
Spotlight Mode
Trong Spotlight Mode, ăng-ten radar được hướng liên tục vào một khu vực mục tiêu trong khi radar di chuyển, giúp tăng cường độ phân giải bằng cách mở rộng thời gian thu thập dữ liệu. Đây là chế độ lý tưởng để nghiên cứu chi tiết một vùng nhỏ mà không cần tăng kích thước ăng-ten.
Stripmap Mode
Stripmap Mode là chế độ cơ bản của Radar SAR, trong đó ăng-ten radar quét liên tục theo một dải dài song song với hướng di chuyển. Chế độ này phù hợp để giám sát các khu vực rộng lớn với độ phân giải vừa phải.
ScanSAR Mode
ScanSAR Mode cho phép radar quét nhiều dải liên tiếp bằng cách thay đổi góc quét của ăng-ten, mở rộng phạm vi quan sát lên nhiều lần so với Stripmap nhưng với độ phân giải thấp hơn. Chế độ này thường được dùng để giám sát diện tích rộng lớn trong thời gian ngắn.
Ứng dụng điển hình của Radar SAR
Công nghệ Radar khẩu độ tổng hợp (SAR) đã cách mạng hóa khả năng quan sát và giám sát bề mặt Trái đất của chúng ta. Với khả năng độc đáo, hoạt động độc lập với thời tiết, cả ngày và đêm. SAR có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết có giá trị và góp phần vào những tiến bộ trong giám sát môi trường, quản lý thảm họa, nông nghiệp, quốc phòng, v.v.
Những ứng dụng mà chúng tôi thảo luận dưới đây không phải là danh sách đầy đủ, đây là các ví dụ điển hình và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Giám sát môi trường
Radar SAR đóng vai trò then chốt trong việc theo dõi những thay đổi về môi trường, bao gồm nạn phá rừng, thay đổi lớp phủ đất và đánh giá môi trường sống tự nhiên. SAR hỗ trợ nghiên cứu độ ẩm đất, sức khỏe thảm thực vật và tác động của biến đổi khí hậu lên hệ sinh thái. SAR cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu sông băng, chỏm băng và vùng cực. Khả năng xuyên qua băng của SAR cho phép các nhà khoa học theo dõi độ dày của băng, nghiên cứu chuyển động của sông băng và tác động của biến đổi khí hậu.
Quản lý thiên tai
SAR hỗ trợ quản lý thiên tai bằng cách cung cấp thông tin nhanh chóng và chính xác trong các sự kiện như động đất, lũ lụt và lở đất, hỗ trợ đánh giá tác động và thiệt hại, xác định các khu vực bị ảnh hưởng, phối hợp ứng phó khẩn cấp và đưa ra các chiến lược giảm thiểu và phòng ngừa.
Nông nghiệp chính xác
Nông dân và các nhà nghiên cứu nông nghiệp được hưởng lợi từ công nghệ SAR trong việc theo dõi cây trồng, ước tính năng suất và đánh giá sức khỏe của đất nông nghiệp. Điều này cho phép nông dân theo dõi cây trồng, phát hiện bệnh thực vật và tối ưu hóa các chiến lược tưới tiêu để tăng cường an ninh lương thực và thúc đẩy các hoạt động nông nghiệp bền vững.
Quốc phòng và An ninh
Bất chấp điều kiện thời tiết, khả năng hoạt động cả ngày lẫn đêm Radar SAR rất có giá trị đối với các ứng dụng quốc phòng. Công nghệ này được sử dụng để trinh sát, giám sát và phát hiện mục tiêu, hỗ trợ các hoạt động quân sự và lập kế hoạch chiến lược. Ngoài ra, SAR có thể phát hiện và giám sát các chuyển động trên mặt đất, xác định các cấu trúc hoặc cơ sở hạ tầng ẩn, cung cấp thông tin tình báo thiết yếu.
Hải dương học và giám sát hàng hải
SAR theo dõi dòng hải lưu, gió bề mặt biển và các hoạt động hàng hải và có thể hỗ trợ điều hướng, nghiên cứu hệ sinh thái biển và thậm chí phát hiện các hoạt động đánh bắt cá bất hợp pháp.
Quy hoạch đô thị và giám sát cơ sở hạ tầng
SAR đóng góp vào quy hoạch đô thị bằng cách theo dõi sự phát triển đô thị, thay đổi cơ sở hạ tầng và phát hiện sụt lún ở các khu vực đô thị. Giao thoa SAR (gọi tắt là InSAR) là một kỹ thuật sử dụng nhiều hình ảnh SAR của cùng một khu vực, được chụp cùng lúc, để tạo ra các bản đồ ba chiều của bề mặt đất.
Do độ nhạy của SAR, nó có thể phát hiện ra những thay đổi thậm chí chỉ vài milimét, điều này làm cho nó trở nên vô giá đối với việc theo dõi sự sụt lún: sự sụt lún dần dần của mặt đất. Kỹ thuật này giúp các thành phố lập kế hoạch tăng trưởng bền vững và đánh giá tình trạng kết cấu của các tòa nhà và cơ sở hạ tầng quan trọng.
Radar SAR không chỉ đơn giản là một công nghệ viễn thám tiên tiến mà còn là chìa khóa để hiểu rõ hơn về Trái Đất và các hệ thống tự nhiên của nó. Từ khả năng cung cấp hình ảnh độ phân giải cao đến phạm vi quan sát rộng, Radar SAR đã và đang đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực từ theo dõi môi trường, phòng chống thiên tai, đến giám sát quân sự. Với sự phát triển không ngừng, SAR tiếp tục khẳng định vị thế của mình là một công cụ mạnh mẽ và không thể thiếu trong tương lai của viễn thám và nghiên cứu không gian.
