全天候觀測的衛星

國家太空中心黃正中研究員

美國的全民公敵(Enemy of the State)影片中，利用人造遙測衛星隨時掌握著威爾史密斯的動態，雖然這只是電影的誇大特效，已讓全球影迷初窺遙測衛星的驚人能力；遙測衛星可以探測廣大區域，不分晝夜全天候運作，世界各國莫不耗費巨資，全力發展，近來更挑戰高解析度的遙測衛星。

一般光學遙測衛星受天候影響很大，可見光的遙測相機除了熱紅外線之外只有白天能夠照像，資訊獲得以及時效上受到限制；針對此缺點，科學家們利用雷達電磁波可以穿透雲層的特性，開發出不受到天候及夜間限制的SAR衛星，能夠全天候日夜觀測地面，執行地面地形地貌，及海面船隻遙測，水資源監控，環保，工程規劃，漁業資源，農業災害調查/救濟，防災/救災等等特定任務。

圖一是1994年俄羅斯堪察加半島火山爆發，左邊為光學遙測相片，可以看得出來大部分被濃煙遮蓋，右邊為合成孔徑雷達像片，可以追蹤火山爆發流出來的岩漿走向。

圖一：1994年俄羅斯堪察加半島火山爆發

(圖片：https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/sir-c)

合成孔徑雷達原理

人們所看到的影像，是由光源例如太陽、燈光照到物質的表面，光線反射到眼睛的視網膜成像。而合成孔徑雷達衛星，則是由衛星上的儀器，主動發出電磁波到地面上，然後從衛星天線接收反射回來的電磁波成像。

當衛星在太空中高速移動時，發射的電磁波以光速(3x10⁸公尺/秒) 按順序發送，抵達地面的反射電磁波訊號，由衛星天線依序收集，然後將回收電磁波數據化並儲存，最後傳送回地球地面站，由天線接收再進行後續影像處理¹。

理論上，從衛星上接收天線越長，解析度會越高，例如從太空中衛星以約5 cm的波長（C頻段雷達）發送訊號，為了獲得10 m的影像解析度，衛星需要約4,250 公尺長的天線接收電磁波²，這麼長尺寸的接收天線，對於工程師設計衛星接收天線，實在不切實際。

所幸，科學家和工程師參考虛擬成像原理，提出了一個聰明的解決方法 - 合成孔徑。由於衛星高速飛行，電磁波的發送和接收發生在不同的時間，接收到的數據會由不同的位置接收，藉由快速地重複發射雷達波，再把這些連續且重疊的回波資料加以解算，而達到提升影像解析度的效果³。在此概念中，將從較短的天線進行的一系列採集組合起來，以模擬的天線提供更高的解析度數據（圖二）。

圖二：合成孔徑雷達模擬的天線。(NASA SAR手冊。)

合成孔徑雷達的應用

合成孔徑雷達衛星所搭載的酬載，不同的頻段與波長會呈現出不同的物理現象。因此規劃太空的遙測任務時，須依照任務需求(表一)，選擇適當的合成孔徑雷達波長、確定雷達信號如何與地面反射表面相互作用所產生的信號，以及波長可以穿透介質的距離，才能決定任務酬載需求。

表一：合成孔徑雷達波分類與應用需求(資料來源：NASA SAR手冊)

頻段	頻率	波長	應用
Ka	27 – 40 GHz	1.1 – 0.8 cm	很少用於SAR(機場監視)
K	18 – 27 GHz	1.7 – 1.1 cm	很少使用(會被水分子吸收)
Ku	12 – 18 GHz	2.4 – 1.7 cm	很少用於SAR(衛星測高儀)
X	8 – 12 GHz	3.8 – 2.4 cm	高解析度SAR (城市監測；冰和雪，幾乎沒有滲透到植被中；植被區的快速同調(coherence)量測衰減)
C	4 – 8 GHz	7.5 – 3.8 cm	SAR主要應用 (全球測繪；變化檢測；對中低滲透率區域的監視；較高的現有SAR資料連貫性)；冰，海洋海上航行
S	2 – 4 GHz	15 – 7.5 cm	很少，但越來越多地用於基於SAR的地球觀測；農業監測 (NISAR將攜帶S波段通道；將C波段應用擴展到更高的植被密度)
L	1 – 2 GHz	30 – 15 cm	中解析度SAR (地球物理監測；生物量和植被測繪；高滲透率，干涉雷達(InSAR)性觀測之合成孔徑雷達)
P	0.3 – 1 GHz	100 – 30 cm	生物觀測：第一個P波段衛星SAR將在2020年發射；植被測繪和評估，屬於實驗性SAR。

上表雷達使用X波段電磁波，波長3公分幾乎無法穿透闊葉林，因此主要用來反射樹冠頂部的葉子的影像。另一方面，電磁波長度約為23公分的L波段信號，可以穿透森林與大樹枝和樹幹之訊號反射。波長不僅會影響到森林的穿透深度，還會偵測到土地覆蓋種類，例如土壤和冰層(如圖三)。

圖三：合成孔徑雷達測量森林結構以及在不同波長下對陸地表面的遙測的穿透性。(圖片來源：NASA SAR手冊)

還有一些特別的太空計畫任務，科學家和考古學家利用特定的SAR波長，穿透沙漠砂土的數據，來幫助“發現”迷失的城市，和隨時間推移被茂密的植被或沙漠沙土^５，所掩蓋的城市類型基礎設施等等，非常神奇。

SAR衛星發展技術

合成孔徑雷達衛星的優點是，可以在發射和接收時，精確控制信號極化。以垂直（V）發射並以水平（H）極化接收的信號，獲得彩色影像，因此只要設計多頻段及收、發、垂直、水平極化(HH、HV、VH、VV)的電磁波，可產生類似光學彩色影像效果。

隨著科技的進步，在衛星設計上，由於電子通訊(微波)技術之快速更新，SAR衛星已能做到0.25公尺的超高解析度⁶，並且將衛星設計成輕量、小型、成本也大為降低。

近來合成孔徑類達衛星的解析度(GSD)技術上已經朝向超高解析度發展，與光學遙測不相上下，而且刈幅方面比光學遙測照像寬很多。

SAR衛星計畫與未來趨勢

合成孔徑雷達的首次使用是在20世紀50 年代後期，裝載在RB-47A和RB-57D 戰略偵察飛機上。經過近60 年的發展，合成孔徑雷達技術已經非常成熟。RADARSAT-1是加拿大首顆商用地球觀測衛星，在1995年發射升空，它利用合成孔徑雷達獲得地球表面的圖像，以管理自然資源和監測全球氣候變化。

從此之後，包括美國、德國、日本、中國、印度、以色列等各國都建立了自己的合成孔徑雷達發展計畫，各種新型種類的合成孔徑雷達應運而生，在民用與軍用領域發揮重要作用。特別是芬蘭的商用冰眼(ICEYE)合成孔徑雷達衛星(如封面圖)，在2018年發射了2顆重量為85公斤衛星，能提供影像最高解析度為1公尺，所拍攝的影像包括解析度為3公尺的帶狀圖(Stripmap, SM)，其影像處理甚至於能提供0.5m超高解析度的聚光(Spotlight) 圖像，引起許多投資者興趣。

另外，美國有2位前噴氣推進實驗室工程師，在舊金山創立Capella Space公司，於10月6日公佈了來自剛發射的衛星圖像，未來更計畫發射包括36顆合成孔徑雷達(SAR)衛星，組成涵蓋全球的衛星星系。從最近一期的Space News報導中，刊出第一顆衛星影像，照片中令人難以置信的動態範圍和低噪音，可以看到船隻留下的尾波以及海面的波浪如圖四。

圖四：Capella Space公司2020年10月6日發布了杜拜朱美拉棕櫚島⁴ (圖片來源：Space News)

上述Capella space的合成孔徑影像為了開拓超高解析度市場，打破接收天線的設計思維，以可折疊材料製成的天線，能提供解析度高於50厘米的高對比度，低噪聲影像，衛星設計重量不到100公斤。

圖五：Capella Space衛星示意圖 (圖片來源：Space News)

結語

國家太空中心在2012年首度舉辦合成孔徑雷達影像研討會(圖六)，整合國內外遙測影像使用者對於合成孔徑雷達影像的需求，並舉辦高光譜與合成孔徑雷達應用分析⁷(圖七)。於2019年行政院長核定的第三期計畫所劃推動的計畫中，包括2枚合成孔徑雷達衛星；目前我國太空計畫正依照既定的規劃進行中，不久以後我國也將擁有全天候的觀測衛星。

圖六：合成孔徑雷達影像研討會盛況

圖七：高光譜與合成孔徑雷達應用分析

參考網站

合成孔徑雷達維基網站：https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic-aperture_radar
NASA Earth Data：https://earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar
科技大觀園網站：https://scitechvista.nat.gov.tw/c/s2NF.htm
Space News網站: https://spacenews.com/capella-sequoia-first-imagery/
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA "TOR VERGATA" : http://www.disp.uniroma2.it/geoinformation/students/geoinformation-dissertations/CStewart_thesis_150dpi.pdf
ICEEYE SAR PRODUCT GUIDE : https://www.iceye.com/hubfs/Downloadables/ICEYE-SAR-Product-Guide-2019.pdf
國家太空中心網站 https://www.nspo.narl.org.tw/

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