Ảnh SAR thu nhận bề mặt biển là hình ảnh hai chiều thể hiện mức độ tán xạ phản hồi của sóng siêu cao tần từ bề mặt đại dương, đặc trưng cho độ nhám của bề mặt đại dương. Với góc tới của tín hiệu trong khoảng từ 20° đến 60° thì hệ thống SAR thường nhạy cảm với những sóng biển có bước sóng gần với sóng siêu cao tần được chiếu tới bề mặt biển. Tuy nhiên, các dao động của sóng biển phụ thuộc rất lớn vào áp lực gió trên biển tại thời điểm quan sát. Ngoài ra, mức năng lượng tán xạ phản hồi phụ thuộc vào một số các yếu tố sau: 1) Hằng số điện môi; 2) Độ gồ ghề của bề mặt nước biển; 3) Tương tác của các sóng ở các quy mô khác nhau; 4) Tương tác của sóng và dòng chảy và 5) Sự xuất hiện các vết dầu trên bề mặt biển.
2.2.2.1. Ảnh hưởng của hằng số điện môi của nước biển
Hằng số điện môi của môi trường biển sẽ ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu của sóng siêu cao tần được phát đi từ vệ tinh siêu cao tần. Hằng số điện môi là đại lượng đặc trưng tương ứng của môi trường điện tích. Như vậy sóng siêu cao tần sẽ bị ảnh hưởng khi chiếu tới môi trường nước, băng hoặc mưa. Hằng số điện môi hoặc hằng số điện môi phức hợp c được xác định theo công thức [26]:
c i
(2.7)
Trong đó: là phần thực
là phần ảo trong đó i 1
Phần thực thường được gọi là hằng số điện môi, mô tả khả năng lưu trữ điện tích của môi trường. Phần ảo tương ứng với hệ số mất mát điện từ của môi trường. Tỷ số tan thể hiện khả năng dẫn điện của môi trường, nếu tỷ số tan 1 là môi trường dẫn điện tốt, còn tan 1 là môi trường dẫn điện kém. Môi trường có điện môi cao như môi trường nước biển sẽ làm tăng mức độ thẩm thấu của sóng siêu cao tần do xuất hiện hiện tượng tán xạ khối tại các phân tử của môi trường (Hình 2.7). Độ sâu thẩm thấu p của sóng siêu cao tần vào một môi trường phụ thuộc vào bước sóng radar (r) và tỷ số tan và được thể hiện qua công thức [26]:
/ 2 tan
p r
(2.8)
Trong đó: p - Độ sâu thẩm thấu của sóng siêu cao tần r - Bước sóng radar
tan - Khả năng dẫn điện của môi trường - Phần thực của hằng số điện môi
(a)
(b)
Hình 2.7. Độ thẩm thấu của sóng điện từ phụ thuộc vào độ mặn, tần số [26] (a) Giá trị p thay đổi theo độ mặn;
(b) Giá trị pthay đổi theo tần số
2.2.2.2. Ảnh hưởng của dao động sóng trên mặt biển
Theo các nghiên cứu về hải dương học thì có ba cơ chế chuyển động chính tạo ra sự dao động của bề mặt biển, đó là sự thay đổi cường độ sóng, sự biến đổi của thủy động lực học và tốc độ dịch chuyển của sóng biển. Chính sự chuyển động của sóng biển so với sự dịch chuyển của vệ tinh sẽ tạo nên sự suy giảm tín hiệu trên ảnh SAR.
Hệ thống Radar cửa mở thực và hệ thống RADAR cửa mở tổng hợp thường quan sát với góc tới của tín hiệu từ 15o đến 70o nên sóng tán xạ phản hồi trên bề mặt biển sẽ tuân theo định luật tán xạ Bragg (W. L Bragg 1913) [26] hay còn gọi là
sóng tán xạ Bragg. Theo định luật Bragg thì sóng tán xạ sẽ tỷ lệ với mật độ năng lượng phổ của các sóng ngắn trên đại dương theo hướng đến hoặc quay trở lại bộ cảm của sóng siêu cao tần (Hình 2.8).
Hình 2.8.Tán xạ Bragg giữa sóng siêu cao tần (r) và sóng biển (B)
Kết quả cộng hưởng của các sóng sẽ mạnh nhất khi sóng Bragg lan truyền theo hướng tới hoặc đi từ hướng quan sát của vệ tinh trong phạm vi hẹp của góc nhìn. Đối với góc tới của tín hiệu nhỏ hơn 15° thì tín hiệu phản hồi chủ yếu là tia phản xạ theo định luật Snell-Descater, trong khi đối với góc tới của tín hiệu lớn hơn 70° thì tín hiệu tán xạ từ các mặt của các sóng là phổ biến nhất. Tuy nhiên, tốc độ gió trên bề mặt biển phải đạt tới một ngưỡng nhất định để tạo ra sóng Bragg phản hồi. Ví dụ ngưỡng tốc độ gió thấp nhất cho kênh X, kênh C và kênh L ở góc tới 20o
lần lượt là 2.5, 2.2 và 2.0 m/s [36]. Ngưỡng tốc độ gió sẽ tăng từ từ khi tăng dần góc tới của tín hiệu vệ tinh.
Năng lượng tán xạ tại bề mặt biển còn liên quan đến các thông số khác nhau của vệ tinh như tần số sóng tín hiệu, phân cực và góc tới của tín hiệu. Năng lượng tán xạ phản hồi trên ảnh phân cực VV cao hơn trên ảnh phân cực HH một vài dB. Sự khác biệt về giá trị tán xạ phản hồi giữa phân cực HH và VV sẽ tăng khi tăng góc tới của tín hiệu [36].
2.2.2.3. Tương tác giữa sóng ngắn và sóng dài
tương tác với các sóng dài trên biển. Khi các sóng dài chuyển động sẽ kéo theo chuyển động của các sóng ngắn. Sóng dài trên mặt biển có đặc tính vận tốc quỹ đạo tròn tạo ra các dao động hình sin phụ thuộc vào vị trí dọc theo hướng lan truyền của sóng (Hình 2.9) [36].
Hình 2.9. Mô tả chuyển động và thủy động lực học của sóng biển
Trong điều kiện thực tế của bề mặt đại dương thì khi các sóng dài phát triển dốc hơn, thành phần vận tốc xuyên tâm sẽ tăng lên. Kết quả là xuất hiện chuyển dịch vị trí theo góc phương vị. Phạm vi dịch chuyển theo góc phương vị (D) sẽ được xác định theo công thức sau [36]:
D R V u (2.9)
Trong đó: R – Khoảng cách giữa vệ tinh và mục tiêu V – Vận tốc của vệ tinh
u- Vận tốc của mục tiêu
Chính sự chuyển động của sóng biển so với sự dịch chuyển của vệ tinh sẽ tạo nên sự suy giảm tín hiệu trên ảnh SAR. Thành phần phương vị của ảnh sẽ dịch chuyển cùng hướng với tốc độ dịch chuyển của sóng biển và gây ra sai số có liên quan tới sự ước lượng pha tín hiệu, dẫn đến sai số nhòe phương vị trên ảnh SAR [21].
2.2.2.4. Tương tác của sóng ngắn và dòng chảy
giữa các sóng, trong đó đáng kể có thể làm thay đổi đáng kể bước sóng của các sóng trên bề mặt biển. Sự tương tác của các sóng có thể làm tăng hoặc giảm sóng tán xạ phản hồi từ bề mặt đối tượng. Các tương tác này rất nhạy cảm với tốc độ và hướng gió, phân tầng lớp ranh giới khí quyển, nhiệt độ bề mặt biển và sự hiện diện của các vết dầu trên bề mặt.
Như vậy, hình ảnh mặt biển trên ảnh SAR là thể hiện sự phân bố không gian của sóng tán xạ Bragg. Sự phân bố không gian có thể ảnh hưởng bởi sóng trọng lực lớn do chuyển động nghiêng, chuyển động thủy động lực học và tốc độ truyền sóng. Ngoài ra, sóng tán xạ Bragg còn chịu tác động của một số các vết dầu tràn xuất hiện trên bề mặt biển.