雷達衛星簡介雷達 (Radar)雷達的英文Radar是由Radio Detection And Ranging（無線電偵察及測距）幾個字的首一、二個字母組成，簡言之就是利用電磁波以偵察目標之有無、進而決定其距離、方位、高度與特性的電子裝備，其用途極為廣泛，從軍事情報的參考、戰略戰術的運用與海、空導航及管制之實施，以及其他非軍事用途如大地工程測量、大氣監測等遙感探測用途中都可發現它的蹤影。
我們在這裡主要討論的是雷達在遙感探測方面的介紹。
雷達的原理與歷史雷達主要的工作原理是由雷達系統發出電磁波(electromagnetic pulses)脈衝(pulses)，並偵測這些脈衝波碰到目標物的反射訊號，並藉由反射回波訊號的強度及其他物理特性以得知目標物的大小、密度等特性。
Monostatic radar使用同一個天線(antenna)用來發射與接收訊號；Bistatic radar 則使用個別的傳送與接收天線。
雷達的發明與兩個重要的發現有關。
一個是1873年Maxwell(麥克斯威爾)所導出的Maxwell’s equations，另一個是Hertz(赫茲)在1886所做的實驗映證了Maxwell的電磁波理論，Hertz偵測了許多的電磁波，還發現了這些波有折射與散射的特性。
最早的雷達發展在1903年，用於追蹤船隻及避免船隻的碰撞，接下來由於二次世界大戰的發生，加速了雷達科技的發展與應用。
在 1938年，美國史丹福大學（University of Stanford）的W．W．Hansen 教授發表了關於諧振腔（Rumbatron）的想法，從而發明了雙腔速調管（Klystron），解決了在釐米波段産生小功率振蕩的問題。
而磁控管（Magnetron）的發明和發展具有更大意義，其所能産生的最短波長是6cm。
而在1940年7月，英國伯明罕大學（University of Bermingham）的J．T．Randall和A．H．Boot發明了多腔磁控管（multi-cavity magnetron），迅即送往美國BTL作全面測試，證明正是磁控管打開了通往“釐米波、大功率”的道路。
1940年初夏，Samuel Bush寫信給羅斯福（F．D．Roosevelt）總統，建議成立專門機構研製戰爭中急需的雷達（RADAR）。
於是麻省理工學院（MIT）的校長、諾貝爾獎獲得者K．P．Compton決定在MIT成立輻射實驗室（Radiation laboratory），全力進行雷達的研製。
當時英國人達到的水平是，在10cm波長上産生10kw的脈衝功率。
輻射實驗室後來能做到：波長降到1cm，脈衝功率升爲400kw。
但是，要研製出雷達需要多方面的工作。
在美國，除BTL負責改進和生産磁控管以外，西屋（Westing House）公司負責設計脈衝發生器，SPerry公司負責設計掃描天線，通用電氣公司（GE）負責設計接收機，等等。
這樣，40年代初釐米波脈衝雷達終於在美國誕生。
接下來人類開始嘗試將雷達系統延伸到太空中，1962美國太空總署(NASA)的噴射與推進研究室(JPL)做了最先嘗試，後來在1972由阿波羅17號(Aplool 17)所攜帶的觀測雷達驗證了之前的發射。
1978年所發射的Pioneer 1衛星抵達金星，此衛星所攜帶的雷達在這裡做了大約50公里解析度的觀測。
在接下來所發射的衛星解析度更提升到達大約2公里。
電磁波波段與人類的關係現代人類生活與電磁波息息相關，舉凡我們日常生活中所需的手機、電視頻道衛星傳播、甚至是人眼所見的各種可見光，都可算是電磁波的一部份。
圖一是有關電磁波波長與頻率的關係。
圖一、電磁波波長與頻率關係圖。
一般用到的雷達波段屬於微波波段，而人眼所見的可見光波段只佔了很小的一部份。
雷達的種類雷達大致可以分成主動式與被動式雷達系統主動式雷達系統在傳送雷達端發射電磁波，且在碰到目標物後反射或散射，在被可接收各個方向的接收雷達端接收，於是可以利用兩個不銅綠境的雷達訊號永以估計目標物的參數如距離位置移動方向速度等。
如之前所提到的，傳送雷達與接收雷達可以是不同的雷達，也可以是相同的雷達。
被動式雷達系統則是指接收訊號。
可以從不同的接收器抽到的訊號或同一接收器再不同時間接收到的訊號來估測目標的參數。
若是bistatic 比較反射訊號與原來發射訊號的差異以計算出所需要的參數如距離、方位、速度、加速度等。
Monostatic 則利用反射或折射訊號與直接訊號來估算。
督普勒效應如果電磁波相對於正在運動的發射器以頻率f 發出，則接收器通常會偵測到不同的頻率f’，如果發射器正在接近接收器，則接收器所接收的電磁波頻率將會大於f ，相反的如果正在遠離接收器，則會小於f ，這稱為電磁波的都普勒效應。
電磁波的都普勒效應與聲波的都普勒效應相似，但是，聲波的都普勒效應在發射器朝接收器運動以及接收器朝發射器運動時所接收的頻率不同，但在電磁波中卻是相同的，這是結果與愛因斯坦的狹義相對論有關，但不在此詳細討論。
如果發射器S 向接收器O 以速度v 接近，且電磁波與觀測器及發射器夾θ角，如圖二所示，則其都普勒位移以表示成其中的c 代表光速。
在一般的狀況中，物體移動的速度遠小於光速，因此上式可簡化成舉例而言，如果一衛星以朝地球的觀測站以7kms -1的速度飛行且與觀測站夾10o 角，且衛星發射頻率為5GHz 的電磁訊號，則觀測站所接收到的頻率為4.999885GHz ，也就是說，觀測站所接收的頻率位移了115kHz 。
若使用簡化的公式計算，則觀測站接收器的頻率只與式(2.1)相差了1Hz 。
(2.1)(2.2)合成孔徑雷達 (SAR)合成孔徑雷達SAR是Synthetic Aperture Radar的縮寫，與傳統雷達不同的是，它使用多個孔徑(或天線)組成的雷達。
不論是人眼、雷達，都是透過電磁波的傳遞來觀測目標物，不同的指示電磁波波長的不同而以，人眼所使用的波段為可見光波段，大約是4000到7000埃(4~7*10-10m)，而一般無線電的波段大約是，理論上波段越小所看到的影像越清晰，所以若要雷達也擁有如人一般的“視力＂，則需要數百公尺、甚至是數公里長的天線才能發出波長如此短的電磁波。
例如，本研究室所使用的歐洲太空總署(ESA)的ERS-1/2 (European Remote Sensing Satellite)衛星，其屬於SAR衛星，其地面解析度大約是平行軌道為4公尺，垂直軌道方向之解析度為20公尺。
原理合成孔徑雷達的操作原理相當複雜，我們僅在這裡讓讀者了解基本的原理。
首先我們假設一搭載SAR的飛機，SAR的偵測方向與飛機軌道垂直，如圖三所示。
基本上，SAR可以產生二維(2-D)的空間影像，其中一維稱作range，而另一維稱作azimuth，SAR影像所顯示的則是其視角方向(line of sight)的相對距離與位置，視角方向指的是從衛星“看＂目標物的方向。
與大部分的雷達相同，SAR range方向的解析度是由精細的測量電磁波脈衝從發射天線與接收天線接收的時間而決定的。
v圖三、合成孔徑雷達影像示意圖。
L代表天線寬，h代表雷達高度，以速度v前進。
另一維度稱為azimuth，與range垂直。
與其他雷達不同的是，azimuth方位的解析度可以於range的不同，azimuth的解析度基本上式靠著天線的寬度而決定，越大的天線可以使對目標物的對焦更清晰，進而使azimuth的解析度越高。
同樣的，對傳統的光學系統如光學望遠鏡而言，愈大的孔徑可以得到越佳的影像品質。
不過SAR所使用的頻率遠低於可見光，因此如果要有較佳的成像品質，則需要更長的天線，以飛機搭載的SAR，如果要有好的成像品質，通常需要數百公尺長的天線，但這是不可能達到的。
因此SAR來解決這項問題，變成可以以小型天線得到高解析度的影像，所利用的原理就是都普勒效應，合成孔徑雷達一次搭載了多個發射器，再飛行途中每個發射器都會不同的發出電磁波脈衝，再依照接收到的電磁波脈衝的都普勒位移，經過處理後就可以提高成像品質，但我們仍需考慮到地球自轉所產生的頻率位移誤差，經由電腦去除這些問題後，可以將azimuth方向的解析度提昇三個數量級左右。
幾何失真由於SAR衛星是側視雷達，所以所見的景物與正常的景物稍有不同，最明顯的是幾何上的失真，如圖四、圖五所示，圖中山區的部分，在迎向雷達區域會有縮短的現象(foreshortening)，而在被像雷達的區域會有變長(layover)的現象。
圖四、前波縮短，後波拉長示意圖圖五、圖為台中、彰化地區之ERS-2 SAR影像。
可以發現在東邊(右邊)山區較白的區域較短，但是較深色的區域較長，這就是前波縮短，後波拉長的結果，由此可見衛星由台灣東方飛過。
合成孔徑干涉雷達(Interferometry Synthetic Aperture Radar, InSAR) 顧名思義，就是將合成孔徑雷達作干涉的動作。
一張SAR影像通常包含了距離與相位資訊，InSAR利用相位的資訊得到空間的資訊，我們挑選兩張在不同時間拍攝的SAR影像並假設在拍攝時間中地表沒有變化，如果將這兩張影像作干涉，則可以得到相對的高程值，這原理類似於人眼的立體視覺，如果我們遮住一隻眼睛，就不能夠擁有立體視覺，必須要兩眼同時觀物才能產生立體視覺。
這裡所指的“立體＂，其實就是所謂的高程值，而所得到的高程資料，稱為數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，如圖六所示。
DEM在大地測量與遙測工程中視非常重要的。
但如果兩張SAR影像在拍攝過程中，地表有變動了，則得到的高程資料會包括實際高度與變形，如果要得到變形量，則必須將高度的資料去除掉。
圖六、利用tandem mission所製作的台中彰化地區數值高程模型。
差分合成孔徑干涉雷達(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)如果要將高度資料從一對干涉影像中去除，則需要再借助另一張SAR影像，稱作差分合成孔徑干涉雷達。
這個部分右分成了二軌跡法、三軌跡法及四軌跡法。
二軌跡法是利用現有的數值高程模型來減去高度資料，但這種方法有一缺點，就是如果選用的干涉影像對取像時間與數值高程模型的取像時間點有大的地表變動，則不能將此變動減去；三軌跡法是再使用一張SAR影像與原像對的主影像作干涉，然後再減去原干涉影像對，這種方法可以得到研究時間範圍內的全部變動量，比較精確；四軌跡法則式選用四張SAR影像，並兩兩製成干涉像對，在將這兩影像差分，則可以得到兩像對間的地表變形量。
實例：九二一集集地震的差分合成孔徑干涉雷達圖九二一地震提供了一個讓InSAR展現其優勢的機會，圖七是本研究室使用D-InSAR技術顯現地震間車籠埔斷層下盤的變形圖，圖中一條干涉紋代表2.8公分的變形，請注意這裡所指的變形是指向對於衛星“視角方向＂的變形。