Để nâng cao độ phân giải của ảnh thì ăng-ten của vệ tinh phải có kích thước lớn nhưng điều đó rất khó thực hiện về mặt vật lý. Tuy nhiên, cũng từ khó khăn này
mà một giải pháp đã được đưa ra để nâng cao độ phân giải của ảnh, đó là sự ra đời của hệ thống radar cửa mở tổng hợp (SAR). Cấu tạo hoạt động của hệ thống SAR dựa trên lý thuyết kết hợp pha của tất cả các tín hiệu phản hồi trong khoảng thời gian khi vật mang di chuyển giữa hai xung tín hiệu được truyền đi [21]. Tổng hợp các tín hiệu sẽ tạo thành một mảng tín hiệu của ăng-ten rất lớn (Hình 2.4). Các tín hiệu sẽ được khôi phục phụ thuộc vào độ chính xác việc mô phỏng quỹ đạo của vật mang.
Hình 2.4. Cấu trúc của hệ thống radar cửa mở tổng hợp (SAR) [33]
Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống SAR thì ăng-ten sẽ thu nhận một phần tín hiệu tán xạ phản hồi từ đối tượng. Năng lượng tán xạ phản hồi thu nhận trên ảnh SAR là các yếu tố về địa vật lý của đối tượng quan sát. Năng lượng tán xạ phản hồi nhận được từ mỗi xung truyền của tín hiệu RADAR bao gồm các thành phần vật lý và đặc tính hình học chiếu thể hiện qua công thức sau [33]:
0 2 2 3 4 4 r t G P P R (2.3)
t
P: năng lượng sóng radar truyền đi G: hệ số ăng-ten
: chiều dài bước sóng
: năng lượng trung bình bị hấp thụ R: khoảng cách giữa ăng-ten và đối tượng
Thành phần 0 (NRCS) được gọi là hệ số tán xạ phản hồi chuẩn hóa trong mặt cắt ngang. Giá trị 0là giá trị trung bình của năng lượng chiếu tới trên một đơn vị diện tích bề mặt đối tượng. Thành phần 0là một hàm phức tạp phụ thuộc vào thành phần diện tích mà năng lượng chiếu tới, hằng số điện môi của đối tượng và tần số cũng như độ phân cực của sóng tới. Theo tài liệu [26] thì 0sẽ được xác định theo công thức: 2 2 0 2 0 0 4 lim r R E R S E (2.4)
Trong đó: S0 – diện tích bề mặt tán xạ của đối tượng E0 – Cường độ trường điện từ tại đối tượng
Er – Cường độ tán xạ điện từ tại khoảng cách R so với đối tượng R – Khoảng cách giữa ăng-ten và đối tượng
Giá trị 2 2 0 r E
E có thể được xác định thông qua năng lượng nhận được và năng lượng truyền đi từ ăng-ten thông qua công thức sau [26]:
2 2 2 0 4 r r t E P P R E (2.5)
Trong đó: E0 – Cường độ trường điện từ tại đối tượng
Er – Cường độ tán xạ điện từ tại khoảng cách R so với đối tượng
r
P: năng lượng sóng radar nhận được từ đối tượng
t
P: năng lượng sóng radar truyền đi R: khoảng cách giữa ăng-ten và đối tượng
Năng lượng phản hồi nhận được tại ăng ten của vệ tinh siêu cao tần không những phụ thuộc vào năng lượng sóng nhận được và sóng truyền đi mà còn bị ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu trong năng lượng sóng nhận được. Tỷ số tín hiệu và nhiễu (SNR) được xác định theo công thức [26]:
1 SNR TB (2.6) Trong đó: T : thành phần nhiễu B : độ rộng dải tần (Bandwidth)
Công thức (2.6) đã chỉ ra rằng tỷ số nhiễu SNR sẽ giảm nếu như độ rộng dải tần hẹp.
Năng lượng tán xạ phản hồi thu nhận được tại bộ cảm vệ tinh siêu cao tần sẽ phụ thuộc rất lớn đến mức độ tán xạ của sóng siêu cao tần khi chiếu tới vật thể trên mặt đất. Mức độ tán xạ của sóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của vật thể.
Khi sóng điện từ (sóng siêu cao tần) chiếu tới bề mặt đối tượng tương đối phẳng thì sẽ xuất hiện sóng phản xạ tuân theo định luật Snell-Descartes. Tuy nhiên, trong thực tế thường không tồn tại điều kiện lý tưởng một bề mặt hoàn toàn bằng phẳng nên sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ ngược với thành phần sóng dọc theo hướng khúc xạ và phản xạ của định luật Snell-Descartes (Hình 2.5).
Hình 2.5. Định luật phản xạ Snell-Descartes trong điều kiện lý tưởng (trái), trong điều kiện thực tế (phải).
Xét hình ảnh trên ảnh SAR thì trong trường hợp bề mặt tương đối phẳng, năng lượng phản hồi chủ yếu là tia phản xạ, rất ít thành phần tia tán xạ. Do đó, năng lượng tán xạ phản hồi nhận được tại bộ cảm của vệ tinh SAR sẽ giảm, kết quả là hình ảnh trên ảnh SAR sẽ có màu đen (Hình 2.6a).
Xét trong điều kiện cùng góc tới của tín hiệu và cùng bước sóng siêu cao tần thì khi bề mặt có độ nhám tăng lên sẽ xuất hiện các tia phản xạ trên các mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt đối tượng. Như vậy, năng lượng tán xạ quay trở lại ăng-ten thu của vệ tinh sẽ tăng lên. Càng nhiều năng lượng tán xạ phản hồi thì hình ảnh trên ảnh càng sáng (Hình 2.6b, Hình 2.6c).
Hình 2.6. Đặc điểm độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến năng lượng tán xạ phản hồi trên ảnh SAR [33]
Ngoài ra, năng lượng tán xạ phản hồi thu nhận tại vệ tinh còn phụ thuộc vào hằng số dẫn điện của đối tượng và góc tới của tín hiệu. Hình ảnh trên ảnh SAR còn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu hạt tiêu, các hiện tượng biến dạng hình học như biến dạng phối cảnh, biến dạng chồng phủ, biến dạng do bóng tín hiệu radar. Các hiện tượng biến dạng hình học này thường xảy ra khi thu nhận tại các vùng có chênh cao lớn.