第二章 理論基礎與文獻回顧
第二節 合成孔徑雷達干涉
國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
第二節 合成孔徑雷達干涉
合成孔徑雷達干涉技術最早應用在觀測金星（Venus）及月球的表面
（Rogers & Ingalls, 1969），是以雷達複數資料（Complex data）與相位（Phase）
值萃取地表的三維資訊，可用作決定高精度的地形資料。其後 Graham 於 1974 年以空載雙天線 SAR 系統同時獲得雷達訊號，達到干涉效果計算地 面的高程值。1989 年 Goldstein 等應用重複軌道處理 Seasat 衛星 SAR 影像，
以時間間隔三天的資料獲得地形圖等高線，並與 USGS（United States Geological Survey）地形圖資料擁有一定程度的吻合。
2000 年太空梭雷達製圖任務（Shuttle Radar Topography Mission, SRTM）， 是由美國 NASA 噴射推進實驗室與德國太空中心、義大利太空中心共同合 作，以雙雷達天線架置於同一載台上，產製涵蓋全球 80%、覆蓋範圍介於 北緯 60 度到南緯 57 度環帶狀區域的數值地形模型。圖 2-3 說明 SRTM 太 空梭結構，包括雙雷達天線以及定位系統。
圖 2-3 太空梭雷達製圖任務
自雷達干涉技術被證實擁有強大的實用潛力後，已成功的應用在許多 領域，包括地形圖製圖、產製數值地形模型、植物樹高研究與海岸線變化等
（蕭逸凡，2010）。
合成孔徑雷達干涉技術可以快速且大範圍的偵測區域的地形起伏，加
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
上穿透雲霧與主動式光源的優勢，有助於獲得熱帶、極區或常年雲霧盤據 地區的地形資訊。本節包含 InSAR 取像模式、InSAR 原理以及 InSAR 成功 的條件等，其內容分項敘述如下。
一、InSAR 取像模式
合成孔徑雷達干涉技術是以兩張雷達影像中的複數資料與相位值 計算地表的三維資訊，依據雷達影像接收的時間以及天線間不同的幾 何位置關係，主要可分為三種資料獲取方式，分別是橫軌式（Across-track）、沿軌式（Along-track）以及重複軌道式（Repeat-track / Multi-pass）（Gens & Genderen, 1996），以下分別敘述此三種取像模式原理，
並綜合敘述模式之間基本條件與差異。
(一) 橫軌式（Across-track）
橫軌式取像模式須同時裝載兩個雷達天線於一載台上，
且兩天線連線與飛行方向垂直，同時蒐集飛行方向一側資 料（圖 2-4），其中 H 為航高，O1、O2為取像位置 1、取像 位置 2，r1、r2是位置 1 取像斜距、位置 2 取像斜距，B 為 取像位置 1 與取像位置 2 基線， 90°減去雷達天線視角為 θ。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖 2-4 橫軌式幾何示意圖
此種取像方式只需全相位回復（Phase unwrap）完成後，
即可獲得高程資訊，缺點是無法有效分辨地形斜坡與飛機 傾斜所造成的誤差，因此，擁有固定軌道及週期的衛星載 具較空載穩定，實際運作的有 SRTM 系統等。圖 2-5 以 ERS 波長 5.6 公分為例，說明全相位回復利用不連續的相位資 訊計算出相位整數值。
圖 2-5 全相位回復示意圖（周峰泯，2009）
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
(二) 沿軌式（Along-track）
沿軌式的需求裝置類似於橫軌式，需要載台上搭載兩 部雷達天線，而差異點為雷達天線的掃描方向與載具的飛 行方向相同，圖 2-6 為其幾何示意圖。
圖 2-6 沿軌式幾何示意圖
因雷達天線的掃描方向與橫軌式不同，所以蒐集到的 訊號所產生的相位差，主要來源為目標瞬間相對於感測器 的變動量，如水流變動，因此沿軌式掃描方式無法分辨靜 止不動的物體。
(三) 重複軌道式（Repeat-track / Multi-pass）
重複軌道模式載台只需配置一個雷達天線，利用載台 通過相同區域兩次的方式，得到接近相同的天線位置（圖 2-7）。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖 2-7 重複軌道式幾何示意圖
此種取像模式需要依靠精密的軌道位置參數，以相近 的天線位置蒐集雷達資料，較適用於飛行穩定的衛星雷達 載具。歐洲太空總署有特別針對 InSAR 設計了串聯任務
（Tandem Mission），以 ERS-1、ERS-2 兩顆衛星對同一區 域蒐集僅相差一天的資料，其中有許多影像能夠得到良好 的干涉結果。此外，因為此模式只須單載台單天線，對於所 有的雷達系統都能以此模式獲取所需雷達資料。
綜上所述，橫軌式與沿軌式資料獲取模式需要於同一載台裝置兩 部雷達天線，唯重複軌道式 InSAR 技術只需單一天線載台，即可依幾 何條件的合適程度選取所需影像，實現 InSAR 技術。而就偵測內容區 分，唯沿軌式取像模式所形成的干涉條紋為物體瞬間變動量，橫軌式 與重複軌道式干涉條紋皆是代表物體高程資訊。
現今衛載雷達系統多以一載台搭配一雷達天線，如 ERS、ASAR、
PALSAR 等，以重複軌道式作為執行 InSAR 技術的資料獲取模式。本 研究以多數衛載 SAR 系統 InSAR 取像模式為主，選擇以重複軌道模 式執行 InSAR 技術。
‧
‧
‧
獲得理想的干涉條紋，則必須符合以下五項條件（Massonnet & Feigl, 1998）：(一) 必須為複數影像（Complex Image）
SAR 影像格式與處理後的層級眾多，唯有同時包括振
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
(三) 相位值變化符合要求
干涉條紋的生成，是藉由鄰近像元間的變化性，當鄰 近像元間的相位變化值超過 2π時，像元間即會產生不相關 的現象。依前述 InSAR 原理可得知雷達相位差值與雷達波 長之關係。如同一位置像元在兩幅 SAR 影像中，雷達視距 方向上變化量超過λ/2 時，該像元就會呈現不相關，以 ERS 衛星 SAR 影像為例，該衛星雷達波長為 5.6 公分，當同一 位置像元變化量超過 2.8 公分，即被判別為不相關。
(四) 不確定值（Ambiguity）
雷達影像所記錄的相位資訊是相位的分數值，而整數 部份即為不確定值，必須利用相位回復技術計算該整數值，
以得到正確的距離量，雖目前已有許多自動的相位回復方 式，但無法確保所得到的結果皆為正確。
(五) 其他限制
雷達為一側視系統，以記錄由地表反射後所接受的訊 號與時間，其地表對於接收的訊號強度擁有相當的影響力，
會因地表的起伏與粗糙度而喪失部分回訊，導致同調性的 降低或資料空缺的情形。