• ภาษาไทย
  • English

ระบบเครื่องรับรู้ (Sensor Systems)

ระบบเครื่องรับรู้ (Sensor Systems)

ระบบเครื่องรับรู้แบบกล้องถ่ายรูป (Photographic camera)

          ในระบบกล้องถ่ายรูปหรือฟิล์มถ่ายรูป ค่าพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำปฏิกิริยากับสารเคมีที่เคลือบบนแผ่นฟิล์ม ทำให้เกิดความแตกต่างตามพลังงานและช่วงคลื่นที่ได้รับ เมื่อมีการล้างฟิล์มปรากฏความแตกต่างของสีและระดับสี สามารถอัดขยายเป็นรูปขาวดำและรูปสี ได้แก่ กล้องถ่ายรูปที่สามารถบันทึกช่วงคลื่นระหว่าง 0.3-0.9 ไมโครเมตร เท่านั้น กล้องถ่ายรูปที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถให้รูปถ่ายทางอากาศที่มีความละเอียดภาพสูงถึง 0.01 มิลลิเมตร ซึ่งการแปลตีความรูปถ่ายทางอากาศทั่วไป ต้องการความละเอียดเพียง 0.1 มิลลิเมตร เช่น ในมาตราส่วน 1: 50,000 จะเท่ากับระยะจริงบนพื้นดิน 5 เมตร และในมาตราส่วน 1: 6,000 จะเท่ากับระยะจริงบนพื้นดิน 0.6 เมตร ความละเอียดของรูปถ่าย ได้จากการเรียงตัวของเส้นสลับขาวดำ มีหน่วยเป็นจำนวนคู่เส้นต่อมิลลิเมตร (คู่เส้น/มิลลิเมตร) ฟิล์มถ่ายรูปหรือรูปถ่ายทางอากาศใช้มาตรฐานของขนาดสี่เหลี่ยมจัตุรัสสลับขาวและดำ ที่สายตาสามารถเห็นแยกจากกันได้อย่างชัดเจน ฟิล์มรูปถ่ายทางอากาศมีความละเอียด 100 ถึง 150 คู่เส้น/ มิลลิเมตร ส่วนฟิล์มชนิดพิเศษสามารถให้ความละเอียดถึง 450 คู่เส้น/มิลลิเมตร อย่างไรก็ตามปัจจัยต่างๆ ในการบินถ่ายภาพ เช่น กล้องถ่ายรูปความไวแสงของฟิล์ม และการเคลื่อนที่ขณะถ่ายรูป เป็นต้น ทำให้ความละเอียดภาพของรูปถ่ายทางอากาศเปลี่ยนไป รูปถ่ายทางอากาศจึงนิยมใช้ในการทำแผนที่มาตราส่วนใหญ่ เนื่องจากให้ความละเอียดภาพสูง และการวัดค่าความถูกต้องทางภาคพื้นดินทำได้ง่าย รวมทั้งการแปลตีความด้วยสายตาและด้วยเครื่องมือพื้นฐานอย่างง่าย นอกจากนั้นกระสวยอวกาศและห้องปฏิบัติการลอยฟ้า รวมทั้งยานอวกาศของประเทศรัสเซียมักนิยมติดตั้งระบบกล้องถ่ายรูป

ระบบเครื่องรับรู้แบบแพสซิฟอิเล็กทรอนิกส์ (Passive electronicsensors)

ภาพระบบแพสซิพเชิงเลข

ภาพระบบแพสซิพเชิงเลข

         เป็นเครื่องรับรู้ที่บันทึกพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งภายนอกหรือจากธรรมชาติ ซึ่งแหล่งพลังงานทางธรรมชาติที่สำคัญได้แก่ ดวงอาทิตย์ เป็นระบบการรับรู้จากระยะไกลที่ใช้งานกันแพร่หลายทั่วไปเครื่องรับรู้ที่ใช้งาน อย่างกว้างขวาง คือ ระบบกราดภาพหลายช่วงคลื่น ซึ่งจะทำการบันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นต่างๆ ระหว่าง 0.3-14 ไมโครเมตร เครื่องกราดภาพลายเส้น (Line scanners) มี 5 ประเภท ได้แก่

1. เครื่องกราดภาพขวางแนวโคจร (Across track scanner)

ระบบนี้บันทึกข้อมูลโดยอาศัยกระจกหมุนกราดรับข้อมูลจากแต่ละสนามมุมมองในขณะนั้น (Instantaneous Field of View : IFOV) แล้วบันทึกลงในเครื่อง โดยแสดงเป็นค่าความเข้ม (Intensity) ของแต่ละจุดภาพบนภาพ

ภาพลักษณะการบันทึกข้อมูลแบบระบบกราดภาพขวางแนวโคจร

ภาพลักษณะการบันทึกข้อมูลแบบระบบกราดภาพขวางแนวโคจร

2. เครื่องกราดภาพตามแนวโคจร (Along track scanner)

ข้อมูลในแต่ละแถวถูกบันทึกพร้อมๆ กัน แต่ถูกแยกบันทึกโดยเครื่องตรวจหา (Detector) ของแต่ละเครื่อง

ภาพลักษณะการบันทึกข้อมูลแบบระบบกราดภาพตามแนวโคจร ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ภาพลักษณะการบันทึกข้อมูลแบบระบบกราดภาพตามแนวโคจร
ที่มา : Aronoff, S. (2005)

3. เครื่องกราดภาพแบบหมุนรอบ (Spin scanners)

เป็นเครื่องกราดภาพสำหรับดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา ที่มีวงโคจรแบบค้างฟ้าหรืออยู่กับที่เหนือพื้นโลกตลอดเวลา ไม่สามารถเคลื่อนที่เพื่อบันทึกภาพของโลกตามพื้นที่ต้องการได้ วิธีหนึ่งที่ใช้ในการบันทึกภาพ คือการหมุนรอบตัวเองของดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาในแกนเหนือ-ใต้ เพื่อกราดภาพโลกด้านล่าง ในแต่ละรอบ สามารถกราดถ่ายภาพได้เพียงหนึ่งแนว คือ แนวตะวันออก-ตะวันตก และปรับมุมกระจกในรอบต่อมาเพื่อกราดถ่ายภาพด้านข้างจนครบพื้นที่ต้องการได้

ภาพเครื่องกราดภาพแบบหมุนรอบ ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ภาพเครื่องกราดภาพแบบหมุนรอบ
ที่มา : Aronoff, S. (2005)

4. เครื่องกราดภาพทรงกรวย (Conical scanners)

เป็นเครื่องกราดภาพในแนววงกลมหรือวงรี หากกราดภาพวงกลมในแนวดิ่งแล้ว มุมกล้องและ IFOV จะมีค่าคงที่เป็นเครื่องกราดภาพที่ใช้ทั่วไปสำหรับดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา เครื่องรับรู้นี้ทำงานในช่วงคลื่นอินฟราเรดและไมโครเวฟ ที่มีความละเอียดภาพค่อนข้างหยาบประมาณ 1 และ 50 กิโลเมตร ตามลำดับ ตัวอย่างเช่นข้อมูลจากดาวเทียม TRMM (Tropical Rainfall Monitoring Mission) ซึ่งบันทึกข้อมูลช่วงไมโครเวฟ 5 ช่วงคลื่น มีความละเอียดภาพ 50 กิโลเมตร ใช้ในการศึกษาอุณหภูมิผิวน้ำทะเล ลมพื้นผิว ไอน้ำในบรรยากาศ ปริมาณน้ำในเมฆ และอัตราน้ำฝน ดาวเทียม ERS 2 มีเครื่องรับรู้แบบ ATSR ซึ่งเป็นเครื่องกราดภาพทรงกรวย ทำงานในช่วงคลื่นจำนวน 7 แบนด์ ในช่วงคลื่นตามองเห็นและอินฟราเรด เครื่องกราดภาพทรงกรวยนี้ สามารถบันทึกภาพพื้นโลกในลักษณะทรงกรวยเฉียงในมุมที่ต่างกันในแนวดิ่ง และบันทึกภาพไปข้างหน้าใช้เวลาเพียง 2-3 นาที สามารถปรับแก้ผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ ทำให้การวัดอุณหภูมิผิวน้ำทะเล มีความถูกต้องจากการวัดเพียงครั้งเดียว

ภาพระบบกวาดภาพทรงกรวย ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ภาพระบบกวาดภาพทรงกรวย
ที่มา : Aronoff, S. (2005)

5. เครื่องกราดไฮเปอร์สเปกตรัม (Hyperspectral scanners)

เป็นเครื่องกราดภาพตั้งแต่สามถึงสิบช่วงคลื่นพร้อมๆ กัน สามารถบันทึกภาพของช่วงคลื่นแคบๆ ได้ต่อเนื่องกันเป็นจำนวนมากจนถึงหลายร้อยช่วงคลื่น ช่วงคลื่นแคบๆ เหล่านี้มีความกว้างแถบความถี่ (Band width) 0.015 ไมโครเมตร หรือสั้นกว่าข้อมูลจากเครื่องกราดไฮเปอร์สเปกตรัม สามารถสร้างกราฟสเปกตรัมที่แยกความแตกต่างของลักษณะบนพื้นดินได้ดีกว่าเครื่องกราดหลายสเปกตรัมที่มีความกว้างแถบความถี่กว้างกว่า ตัวอย่างของเครื่องกราดไฮเปอร์สเปกตรัม ซึ่งพัฒนาโดยห้องปฏิบัติการ JPL (Jet Propulsion Laboratory) ที่นิยมใช้ในการวิจัยได้แก่ เครื่องรับรู้ AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) ซึ่งบันทึกข้อมูลถึง 224 ช่วงคลื่น มีความกว้าง 0.0096 ไมโครเมตร ระหว่างความยาวคลื่น 0.4-2.45 ไมโครเมตร และเครื่องรับรู้ CHRIS (Compact High Resolution Imaging Spectrometer) ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) สามารถบันทึกข้อมูลถึง 200 ช่วงคลื่น ระหว่างความยาวคลื่น 0.415-1.050ไมโครเมตร และเก็บภาพต่อเนื่อง 19 ช่วงคลื่น ความกว้างแนวการถ่ายภาพขนาด15 กิโลเมตร และมีความละเอียดภาพ 20 เมตร

ภาพระบบกวาดภาพหลายๆ ช่วงคลื่น ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ภาพระบบกวาดภาพหลายๆ ช่วงคลื่น
ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ระบบเครื่องรับรู้แบบแอ็กทิฟอิเล็กทรอนิกส์ (Active electronic sensors)

ภาพระบบเครื่องรับรู้แบบแอ็กทิฟอิเล็กทรอนิกส์

ภาพระบบเครื่องรับรู้แบบแอ็กทิฟอิเล็กทรอนิกส์

          เป็นเครื่องรับรู้ที่ผลิตพลังงานขึ้นมา ส่งพลังงานไปยังวัตถุเป้าหมาย แล้วรับพลังงานที่สะท้อนกลับจากวัตถุนั้น ที่รู้จักกันดี ได้แก่ ระบบถ่ายภาพเรดาร์ (Imaging radar) เป็นเครื่องรับรู้แบบแอ็กทิฟอิเล็กทรอนิกส์ บันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นที่มีความถี่ระหว่าง 3-12.5 GHz (ความยาวคลื่นระหว่าง 2.4-100 เซนติเมตร) เครื่องรับรู้เรดาร์ทำการผลิตและส่งสัญญาณไมโครเวฟไปยังวัตถุเป้าหมายและรับสัญญาณการสะท้อนกลับ การทำงานระบบนี้ต้องอาศัยสายอากาศ (Antenna) ที่ทำหน้าที่สลับการส่งและรับสัญญาณได้ในตัวเดียวกัน สัญญาณ (Pulse) ที่สะท้อนกลับมาจากวัตถุเป้าหมายจะถูกบันทึกเอาไว้ เพื่อวิเคราะห์ต่อไป

ไลดาร์ (Light Detection and Ranging : Lidar)

ภาพระบบไลดาร์ประกอบด้วยเครื่องกวาดที่ส่งและรับเลเซอร์พัลส์สะท้อนระบบดาวเทียมเพื่อหาตำแหน่งความสูง ของเครื่องบันทึกข้อมูล และ IMU เพื่อวัดการวางตัวเครื่องบันทึกข้อมูล ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ภาพระบบไลดาร์
ที่มา : Aronoff, S. (2005)

ระบบไลดาร์ประกอบด้วยเครื่องกวาดที่ส่งและรับเลเซอร์พัลส์สะท้อนระบบดาวเทียมเพื่อหาตำแหน่งความสูงของเครื่องบันทึกข้อมูล และ IMU เพื่อวัดการวางตัวเครื่องบันทึกข้อมูล

เป็นเครื่องรับรู้แบบแอ็กทิฟใช้แสงเลเซอร์ระดับปานกลางในช่วงคลื่นสั้นกว่าในช่วงคลื่นตามองเห็น และอินฟราเรดใกล้ มีประสิทธิภาพสูงในการวัดความสูงของพื้นผิวได้อย่างถูกต้อง เพื่อสร้างแบบจำลองความสูงเชิงเลขที่มีความถูกต้องในแนวดิ่งประมาณ 15 เซนติเมตร ตัวอย่างการวัด ได้แก่ ความสูงของเรือนยอดต้นไม้ที่สัมพันธ์กับพื้นดิน ความลึกของน้ำที่สัมพันธ์กับผิวน้ำ นอกจากนี้ยังใช้ในการศึกษาอนุภาคในชั้นบรรยากาศต่างๆ ของโลก และความหนาแน่นของอากาศรวมทั้งติดตามกระแสอากาศ

ไลดาร์ ประกอบด้วยเทคโนโลยี 3 อย่าง คือ

– การวัดระยะทางที่ถูกต้องด้วยเลเซอร์

– ระบบกำหนดตำแหน่งบนโลกเพื่อหาตำแหน่งทางภูมิศาสตร์และความสูงของเครื่องรับรู้

– การวัดการวางตัวของเครื่องบิน โดยใช้ชุดเครื่องวัดอาศัยหลักความเฉื่อย (Inertial Measurement Unit : IMU) เพื่อบันทึกการวางตัวของเครื่องรับรู้ได้อย่างแม่นยำ โดยทั่วไปใช้ร่วมกับเครื่องกำหนดตำแหน่งบนโลก ทั้งนี้การประมวลผลภาพไลดาร์ต้องใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงและหน่วยเก็บข้อมูลขนาดใหญ่

 

ที่มา : ตำราเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศศาสตร์