雷達干涉原理

干涉（Interference）為物理現象，其意義為空間中兩列或兩列以上的 波在空間中重疊時發生疊加產生新波形的現象，若空間中的兩列波的波峰 或波谷同時抵達同一地點，干涉波會產生最大的振幅，則此情況稱為同相；

反之，一波之波峰和另一波之波谷同時抵達同一地點，干涉波會產生最小 的振幅，此情況稱為反相（Young, 1805）。

合成孔徑雷達干涉之原理即使用雷達波進行干涉，其方式為使用兩張 或多張SAR 影像，提取振幅資訊將影像對位後，使用雷達之相位資訊產生 干涉條紋，進而得到三維地形資訊。其後，合成孔徑雷達干涉技術經研究 證實其獲取地形資訊之能力，成功應用於許多領域。以下將介紹InSAR 之 原理與有效執行InSAR 之條件。

一、InSAR 原理

合成孔徑雷達干涉利用不同時間或不同位置之兩張或多張影像，

利用相位值之差值解算出地表三維資訊，其簡單幾何關係如圖 2-5，

其中O1與O2為兩張影像之取像位置，r 為 O1影像之取像斜距，δ為 兩張影像之斜距差，B 為兩取像位置之基線，θ為雷達天線之視角。

圖2-5 雷達干涉幾何示意圖（謝嘉聲，2006）

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此研究證實此技術之製圖能力（Rogers & Ingalls, 1969）。而後陸續有 學者使用空載及衛載之 SAR 影像進行干涉處理與解算，經檢核後，

InSAR 技術計算出之地表高程趨勢和實際地形相吻合（Graham, 1974;

Goldstein, 1989）。

全球數值高程模型SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）即 是使用InSAR 技術產製之成果，此任務由 NASA 噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）、德國太空中心及義大利太空中心合作，

此計畫使用架置在太空梭上之雙雷達天線，產製北緯60 度至南緯 57 度間，涵蓋全球面積約80%，解析度為 30 公尺與 90 公尺之之數值地 形模型（Digital Elevation Model, DEM）（USGS, 2008）。

二、產製InSAR 之條件

InSAR 技術之主要目的為生成干涉條紋，並以干涉條紋解算地表 資訊，然而並非同一地區之所有像對皆會產生干涉現象，在產製干涉 條紋之過程中，必須考慮下述幾項條件，能提高生成良好干涉之機會

（Massonnet and Feigl , 1998；Ferretti et al., 2007；謝嘉聲，2006）：

(一) 影像必須為複數影像（Complex Image）

SAR 影像之種類繁多，只有同時包含振幅與相位資訊 的複數影像才可作為產製干涉之用，其中振幅資訊為影像

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對位依據，經對位後再使用影像之相位資訊解算干涉條 紋。

(二) 地表資訊保存

若在兩幅影像的獲取時間間隔內，地表變化情勢過大，

組成之像對會有不相關（Decorrelation）的情況產生，此類 現象多發生在水面、植被覆蓋區與海岸線潮汐變化大等地 區。為了解像對的相關性，可使用同調性影像（Correlation Image）輔助了解像對產製干涉條紋的可能。

(三) 不確定值（Ambiguity）

雷達影像在各像元中所記錄的相位資訊為相位之非整 數值，而此相位之整數部份即為不確定值，此時必須利用 全相位回復（Unwrapping）技術回復該整數值，以得到正 確的相位值，圖 2-6 為全相位回復之示意圖，在全相位回 復前（下半部），像元紀錄之值為-π至π之間之值，而全 相位回復後（上半部），像元之整數部分即被解算出來，此 成果即為地表高程之相位值。

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圖2-6 全相位回復示意圖（Loffeld et al., 2008）

(四) 相位值變化符合要求

干涉條紋的生成過程中，當鄰近像元間之相位變化值 超過一條干涉條紋（2π）時，像元間即會產生不相關之現 象。如像對間之同一像元在兩幅SAR 影像中，雷達視距方 向上變化量超過

λ

(五) 雷達波長

隨著雷達波長的不同，其對地物的反應特徵會有不同 的變化，根據文獻回顧，越短的雷達波長越能偵測出微小 的地表變化，但容易受到電離層的影響降低影像品質；而 波長越長越能夠穿透地表植被或取真實地面資訊，得到同

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D-InSAR 技術最早以三幅 Seasat 雷達影像生成兩幅干涉條紋圖，接著使用 兩幅干涉條紋圖實施差分干涉技術推求地表變形量，成果證實以 D-InSAR 可以偵測公分級之地表變化量（Gabriel, 1988）。其後，許多研究針對InSAR 技術作更進一步的發展與探討，延伸出D-InSAR 不同的組成方式。以下主

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圖2-7 D-InSAR 幾何示意圖（謝嘉聲，2006）

經由幾何推導，以地形對與變形對的垂直基線值與兩者的相位差值，

即可計算在雷達視距方向上的變形量。

二、D-InSAR 主要誤差來源

D-InSAR 技術雖已臻於成熟且被運用於各種不同類型之地表變動 監測，然此技術容易因許多因素導致干涉效果降低，包括地表物特徵、

大氣效應、基線長誤差、因地形產生之誤差與時間性誤差（Hooper, 2006），以下分別簡述其意義。

(一) 地表物特徵

在SAR 取像之過程中，訊號之回波強度與影像同調性 是呈現正相關性，故當地表物特徵對於雷達波容易形成散 射時，會降低回波強度，導致同調性降低，影響干涉成像。

(二) 大氣效應

衛載雷達系統訊號在大氣中的傳遞會經過電離層以及 對流層，而雷達波經過大氣層時，會受到大氣中粒子的散 射影響，使得相位值之解算出現誤差。

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