衛星雷達及微波量測原理
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衛星雷達及微波量測原理. 衛星雷達與大氣、海洋遙測. 成大 衛星資訊研究中心. 衛星雷達及微波測量原理. 衛星測高儀基本理論. 以雷達頻率向地面傳播微波脈衝,且接收由地球表面反射的訊號。因為水的良好反射性質,此法特別適用於海洋。在決定廣大海水面之重力場和大地起伏時,是相當有用的方法 。. 衛星測高儀簡介. TOPEX/POSEIDON. TOPEX/POSEIDON 衛星測高儀由美國太空總署及法國太空中心聯合設計建造完成,主要用來研究全球海洋環流和全球氣候,並開啟雙頻測高儀新紀元. ERS-1 之酬載. 太陽同步軌道衛星, 使用微波技術來蒐集全球資料 。

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Presentation Transcript

衛星雷達及微波量測原理

衛星雷達與大氣、海洋遙測

成大 衛星資訊研究中心



衛星測高儀基本理論

以雷達頻率向地面傳播微波脈衝,且接收由地球表面反射的訊號。因為水的良好反射性質,此法特別適用於海洋。在決定廣大海水面之重力場和大地起伏時,是相當有用的方法。



TOPEX/POSEIDON

TOPEX/POSEIDON衛星測高儀由美國太空總署及法國太空中心聯合設計建造完成,主要用來研究全球海洋環流和全球氣候,並開啟雙頻測高儀新紀元


Ers 1
ERS-1之酬載

  • 太陽同步軌道衛星,使用微波技術來蒐集全球資料 。

  • 軌道重複週期有3-day、35-day、168-day三種。3-day重複週期計畫為期3個月,監視北極地帶冰所覆蓋的地區;35-day重複週期計畫於1992~1993年實施多任務階段; 168-day重複週期計畫原先由1994年4月10日開始,但目前改為增加空間解析度,以覆蓋密度極高的雷達測高儀來進行海洋和大地任務。

  • 酬載包括三個地球觀測設備和三個維持設備:

    • 自動微波設備(AMI, Active Microwave Instrument)

    • 雷達測高儀(Radar Altimeter)

    • 沿跡掃描輻射儀(ATSR, Along Track Scanning Radiometer)

    • 微波聲納(MWS, Microwave Sounder)

    • 精密測距和測距離差設備

      (PRARE, Precise Range and Rangerate Equipment)

    • 雷射反射鏡(LRR, Laser Retro-Reflector)


ERS之測高儀應用

  • 測高儀提供經濟上和科學上的重要資訊,對於海洋相關活動更有顯著利益,包括航線和近海觀測能力及下列應用:

    • 冰河製圖和監測

    • 天氣預測

    • 海洋狀態預測

    • 海洋表面地形和海洋環流

    • 實驗性測高儀應用於陸地


衛星測高儀的主要應用

  • 輔助計算全球海洋環流

  • 計算全球海洋重力異常及海洋大地水準面

  • 建立全球海潮模式

  • 計算海洋深度

  • 輔助陸地大地水準面之決定


雷達衛星的演進

  • SAR (Synthetic Aperture Radar)最早起源於1950年代,當時的科學家基於軍事用途,將雷達架設於飛機上探測目標物,藉以提昇軌向 (along-track) 的解析度,此雷達探測系統即稱之為側視口徑雷達 (Side-Looking Aperture Radar, 簡稱SLAR)

  • SLAR在空載 (airborne) 的應用上,解析度堪稱可接受。但在星載 (spaceborne) 的狀況,為了達到標準的解析度,依理論而言需要數百公尺長的口徑長度,對硬體結構而言是絕對不可能達到的。所幸Wiley (1965) 隨即提出 “Dopller beam sharpening”理論,利用雷達回波具有不同都卜勒頻率位移 (Dollper frequency shifts) 的原理,達到提高軌向解析度的目的。使雷達探測於衛星上的應用從此不再受限於航高和天線長度的限制,而雷達遙測也從此邁入SAR的新紀元。

  • 目前正在運作的SAR衛星包括由美國太空總署於1978年發射的Seasat,蘇聯於1991年發射的ALMAZ,歐洲太空總署於1991年所發射的ERS-1,日本於1992年發射的J-ERS-1,以及1995年由歐洲太空總署發射的ERS-2和由加拿大發射之Radarsat。


主要SAR衛星特性一覽表


Sir shuttle imaging radar
SIR(Shuttle Imaging Radar)系列

SIR系列包括SIR-A, SIR-B, 以及 SIR-C/X-SAR,係由美國太空總署建造並發射升空。


SAR的基本原理

  • SAR的原理主要是由雷達發射出微波波段的電磁波到所探測的目標物,再計算雷達波束(Radar Beam)範圍內的回波能量,經資料處理後以獲取初步影像。

  • 下圖以側視口徑雷達(SLAR)說明SAR影像的成像原理


由實際天線構成合成孔徑之概念

乃利用SAR的小天線向前運動,形成一個等效的大天線,以達到高解析度。


Sar geometry
SAR Geometry


SAR系統參數--偏振模式

  • 雷達訊號的發射或接收可為不同偏振模式。例如,RADARSAT偏振模式為HH,ERS-1和ERS-2則為VV。透過偏振模式的運作,可以過濾發射或接受的雷達訊號,使其僅來自固定的平面或方向。例如,C-VV表示一C波段的感測器,其發射並接收垂直方向的雷達訊號。一般而言,一個分佈方向與偏振模式方向類似的平面,其雷達回波訊號比較弱。舉例來說,垂直的農作物,其在HH偏振模式的影像中顯得比VV偏振模式還要亮。


SAR系統參數--入射角

  • 入射角的定義為目標物所在處的垂直方向和雷達光束入射方向的夾角。雷達回波的強弱,與雷達波束的入射角亦有極大的關連。若雷達波束和目標物成直角或以高入射角碰撞目標物表面,其回波強度比用低入射角來感測為強。當以低入射角感測時,雷達波能量鮮少被反射到雷達的接受器,所以在影像上的色調是暗的。


SAR系統參數--觀測幾何

  • SAR是一個側視感測成像系統,係記錄目標物到感測器的斜距(slant range),而影像的獲取又是依據回波時間的先後順序而定,所以地形起伏較劇烈處,容易產生幾何變形,其坡度和真實狀況會有出入。圖a描述側視雷達與地形間的觀測幾何關係;圖b、c、d為幾何變形狀況,說明不同地形對地形abc投影到影像座標a′b′c′的影響。圖b為前坡縮短;圖c為疊置;圖d為陰影。


SAR系統參數--雜訊與斑駁現象

  • 由雷達成像的影像,其雜訊比起其他以光學原理成像的影像還多。原因是緣於在同一個像元內之不同目標物,它們反射的雷達回波訊號可能因為同相位(in - phase),而加強該像元的回波強度;也可能因為反相(out-of-phase)而使回波強度相互抵銷而減弱。這使得雷達影像常常是粒狀(grainy)或木紋狀,而難以分辨特徵。欲改善這種情形,在後續的分析中,可選用適當的濾波器以凸顯影像的特徵,增加其應用價值。


SAR地形參數--地表目標物幾何特徵

  • 不同地表性質對雷達回波的影響。圖左 為鏡面反射;圖中為直角反射體;圖右 為散射體。


SAR地形參數--地表粗糙度效應

  • 一般而言,地表的粗造度所造成的效應,可以藉著調整系統的波段或入射角而控制到某種程度。例如,低頻的雷達波(如L波段)為長波,可穿透地面,故運用此波段的感測器可降低地表粗造度的影響。而入射角大小對粗糙度的效應亦影響極大,入射角愈大,回波訊號受到地表粗糙度的影響愈大。


SAR地形參數--介電值(含水量)效應

  • 介電值決定電磁能量傳遞的難易。例如金屬製品都是極佳的導電體,故金屬目標物的雷達回波都很強。而水是自然界具有高介電常數的物質之一,故土壤和植物的回波訊號強弱,也會視其含水量而有所不同。因此SAR的一個重要應用,就是估算土壤濕度,以預測農作物的生長情形。


SAR地形參數--紋理/組織分佈

  • Texture的定義為 -- 影像中色調的變化率,單一特徵的集合體。通常影像的紋理/組織分析只著重於某像元相較於鄰近像元的色調變化,以辨識特定特徵。

  • SAR影像中,大部分的texture是由斑駁情形(speckle)造成的。這些斑點可能是雷達資料本身的實際特徵,也可能是微波訊號的散射結果。在同一像元內的不同目標物,其回波訊號彼此間有相互加強或削弱的作用,使得此像元在影像上較亮或較暗。而某像元的回波訊號也可能合併到其鄰近像元,使得像元間的交互作用強化原來的亮度或互相抵銷其強度。這種情形會形成影像的斑駁現象,對於人工判釋或是電腦分析都會造成困擾。這些斑駁情形,可以藉由選擇合適的濾波器加以改善。

  • 然而,透過影像的紋理/組織分析,可以提供影像的巨觀組織特徵。例如植被、地形、和岩性等的變化特徵,可以由SAR影像的紋理/組織變化中萃取出來。無論是用一般的人工肉眼辨識,或由電腦進行土地類型分類,如果加入紋理/組織的輔助分析,通常能獲得較佳的分類結果。


SAR影像前期處理--輻射校正

  • 一般購買的雷達影像均經過初步輻射校正,因此影像間可以相互做比較,而且我們可以從影像去判斷地面目標物間的相對關係,比較其特徵。為了能進一步藉由影像來量化的描述地面特徵,必須做額外的輻射校正程序,以建立雷達影像資料和地面目標物的實質關係,以利土壤濕度估算、農作物生長模擬,和林地變遷偵測等應用。

    • 天線型態校正

      校正前near range的部分較亮,而far range較暗;天線型態校正後整張影像的亮度則比較均勻。

    • 雷達亮度和背向散射係數校正

      由雷達影像處理系統(SAR Processor)處理過的雷達影像,在將原始的雷達訊號轉換為影像的過程中,有許多參數必須加以控制設定。這些參數會直接影像輸出影像的外觀和資料值,造成輸出影像間的不一致性。因此,不同的雷達影像處理系統,會產生影像強度差異的問題。為了避免後續應用產生的困擾,必須進行輻射校正程序,以雷達亮度(Radar Brightness)和背向散設係數(Backscatter Coefficient)來表示影像的強度。


SAR影像前期處理--幾何校正

  • 斜距到地距轉換

    由於SAR是以側視的方式來觀測目標物,其發出的雷達脈衝以距離感測器漸行漸遠的方式和地面目標物產生交互作用。這樣的觀測方式會造成幾何變形,亦即,影像特徵在near range的地方有壓縮(compressed)現象。欲糾正幾何變形,必須將影像由slant range(斜距方向 -- 雷達到地面目標物的距離)轉換至ground range(地距方向 – 在地面上的實際距離)。

  • 衛星影像正射糾正

    欲充分利用SAR影像,將它與其他向量圖層或主題圖套疊,以從事進一步分析是必然的。在與其他資料套疊之前,必須先做正射糾正的動作。透過這個步驟,使SAR影像的投影方式和幾何特徵,得以跟欲套合的圖層一致。正射的影像,沒有之前影像的尺度扭曲或地形變形之情形。在正射影像上可直接計算出距離、面積、和角度等。


SAR的應用

  • 地形圖的製作與更新

  • 地質學

  • 海洋學

  • 農作物分類與監控

  • 水文學

  • 森林監控

  • 冰河學


Insar
INSAR 緣起

  • 雷達干涉量測技術(Radar Interferometry)是利用攝像雷達所獲取之複數資料(Complex Data),利用其相位(Phase)值來粹取出地表的三維資訊,此技術之萌芽最早應用在觀測金星(Venus) 及月球的地表資訊上。

  • Graham於1974年首先利用合成口徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)的資料來製作地形圖。

  • 而利用空載及衛星的SAR感測器在側視的幾何條件下,可以利用處理SAR資料的技術獲得較好的解析度,並量測其二維座標;並可利用干涉技術(Interferometry)來獲得地表的高程(數值地形模型,DTM)資料。

  • 雷達影像由於能穿透雲層、不受氣候及日照條件影響,提供全天候數據蒐集能力,而雷達干涉技術之使用能於短時間內產生高精度之大區域之數值地形模型資料,為目前研究之新的領域,被稱為第四代衛星遙測系統。


Insar1
INSAR 的發展

  • 自從ESA(European Space Agency)在1991年七月發射了配備C波段(Band)SAR的ERS-1衛星後,就有多篇的論文發表,大部分都是討論其潛在的應用及評估SAR干涉量測技術的限制等。也有各種的模擬被利用來實現更進一步應用的最佳化設計。

  • 而在1995年發射了ERS-2衛星後,利用ERS-1及ERS-2衛星的前後任務(tandem mission)中,INSAR的應用就有明顯的擴充,其可提供的干涉資料僅有一天之差,從結果中可確定,技術雖仍有待改進,但結果卻非常的有希望。而於1995年底發射成功之加拿大RADARSAT衛星,因為其入射角可調整(20-50°),更具有實用之潛力。

  • 目前較著名雷達干涉術研究主要有美國的噴射實驗室(Jet Propulsion Laboratory)、阿拉斯加合成口徑雷達機構(Alaska SAR Facility, ASF)、歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)等。


Insar geometry
INSAR Geometry


Insar2
INSAR 原理

  • 雷達干涉術,主要是透過兩個空間上分開之雷達天線,發射及接收訊號,兩分離之天線間之距離稱為基線(Baseline),目前有兩種主要的雷達干涉產生類型:

    • 兩個雷達天線掛在一載台上,第一個天線發射訊號,兩個天線同時接收回訊;如機載(Airborne System)雷達干涉器,優點為能同步觀測,缺點為固定的基線長。

    • 載台上僅掛一個雷達天線,重複軌道,非同步觀測;如星載(Spaceborne System)合成雷達干涉器,優點為基線長可改變,缺點是需選取重複軌道,以不同時段之兩影像來處理,而不同時段之兩影像具有地表反射特性之差異,一致性較差。


Dem generation
DEM Generation

  • 基線計算

  • 次像元影像套合

  • 計算兩影像各像元之相位差

  • 消除地球曲率誤差

  • 平滑化及細調

  • 產生雷達干涉圖

  • 地形效應改正

  • 全相位回復

  • 產生數值地形模型


Insar3
INSAR的應用

  • SAR影像的幾何和亮度(brightness)校正

    主要作為SAR影像的精度率定之用。

  • DEM的製作

    以同一地區,但不同時間,且不同俯角拍攝的SAR影像,利用相位差與斜距成正比的原理來產生該地區的DEM。

  • 以D-INSAR偵測微變量

    • 應用於變形偵測之雷達干涉術稱為差分雷達干涉術(Differential INSAR, D-INSAR),其精度可達到毫米之譜。相關研究如冰山漂移、潮汐效應和地震面移位,以及因為火山活動、土崩、採礦和水源開發等所帶來的災害。

    • 利用INSAR技術所產生的干涉圖中,其干涉條紋可能為地形本身所造成,此謂地形干涉條紋;但也可能是兩次攝像間地表的變動所致,則稱之為地表移位干涉條紋。欲擷取出真正的地表微變量,如地層下陷、土崩、地震面移位等現象,就必須使用差分式雷達干涉術(D-INSAR)。


Insar4
INSAR 應用的限制

  • 時間上之一致性(Temporal Coherence)

    • 重複軌道之雷達干涉術需維持兩張SAR影像之反向散射不變,故短週期(如3天週期)之重複軌道量測,較能滿足此一要求,特別是對植物生長區而言。直角反射器(Corner Reflector)屬固定反射率之點目標,可利用其在植物生長區克服此類困難。

  • 空間上之一致性(Spatial Coherence)

    • 對SAR訊號之入射角,兩攝影位置最好能接近,一般而言,很難在基線長大於600 m以上維持此一要求,最合適的情形為基線長維持在50 m至150 m之間。


衛星雷達與大氣

衛星雷達與大氣、海洋遙測


氣象同步衛星

  • 同步衛星特徵:

    • 高度:36000 km

    • 對全球地表面積的四分之一進行幾乎連續不斷的觀測

    • 監測快速發展的風暴及追蹤雲塊的移動以推定風向風速

  • GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) 系列 -- 美國發射

    • 於1975年發射第一顆

    • 經常維持兩顆同時作業,一顆位於135°W, 一顆位於75°W

    • GOES-1~3的輻射計主要是可見光和紅外自旋掃瞄輻射計(VISSR),可用來拍攝雲圖、決定海面溫度和雲參數

    • 自 GOES-4後,裝載的輻射計VAS擴大了VISSR的性能

  • GMS (Geostationary Meteorological Satellite)系列 -- 日本發射

    • 於1977年發射第一顆

    • 位於140°E

    • 可見光和紅外自旋掃瞄輻射計以決定雲量、雲頂溫度、海面溫度、估計風向風速

    • 太空環境監測器(SEM)可觀測太陽黑子、α粒子、和電子通量密度


氣象同步衛星(續)

  • VISSR: Visible and Infrared Spin Scan Radiometer

  • DCS: Data Collection System

  • WEFAX: Weather Facsimile

  • SEM: Space Environment Monitor

  • VAS: VISSR Atmospheric Sounder


衛星雷達與大氣遙測

  • 雲/雨帶分析

  • 氣候監控

    • 聖嬰與反聖嬰現象(結合海面觀測)

    • 臭氧洞觀測

  • 大氣組成氣體之觀測、資訊獲取與分析

  • 劇烈天氣觀測


衛星雷達與大氣遙測--雲雨帶分析

  • SIR-C/X-SAR偵測的西太平洋海面。氣象學家可利用此類影像來研究熱帶降雨風包線的發生、分佈和活動,瞭解大氣和海洋間的熱能交換,以及熱帶海洋上層海水的混合機制。影像上方的白色彎曲部分是所羅門群島的部分環礁。環礁附近的兩個紅點是由雷雨包上層較冷的冰晶微粒反射所形成。影像下方的黃綠色區域則是極強的雷雨包,約 15 km × 15 km,包含一圓形暗區和一長方形暗區,該暗區應是由於下極大的雨使海面平滑,因鏡面反射而導致雷達回波極弱。風速最弱處為環礁內的區域,為黑色;風速中等處在影像中為藍綠色至黑色之雲霧狀區域;風速最強處則為黃綠色的大雷雨包。


聖嬰/反聖嬰現象介紹--一般情形

  • 正常狀況

    太平洋赤道地區的信風(西風帶)把海水推擠到西太平洋,使得印尼附近的海面高於厄瓜多爾約 50 cm。西岸溫暖的海水促使暖空氣上升,對流旺盛,故在印尼雨水甚多,而東太平洋則相對較乾燥。西風和海水西進帶動東岸的湧升流,故東岸海面溫度較低。這些湧升流是由深海湧出的冷水,富含浮游生物等養分,對當地生態食物鏈扮演極重要的角色。


聖嬰/反聖嬰現象介紹--聖嬰現象

  • 聖嬰現象(El Nino)

    聖嬰現象乃指太平洋赤道東岸高壓減弱,使信風亦減弱,造成平時由東向西流的海水減少甚至回流,導致斜溫線 (thermocline)在東太平洋下降。此時東岸湧升流減弱,水溫較平時為高,使浮油生物減少並影響食物鏈及漁民生計。聖嬰現象發生時雨帶隨著東岸的暖水東移,形成印尼和澳洲的乾旱,以及秘魯的水災。此大氣熱源東移並位於暖水區的效應,透過海氣作用造成 全球大氣環流變遷,並影響全球氣候。


ERS2雷達測高儀所觀測的聖嬰現象


結合TOPEX, AVHRR觀測之聖嬰現象

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2

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聖嬰/反聖嬰現象介紹--反聖嬰現象

  • 反聖嬰現象 (La Nina)

    所謂反聖嬰現象顧名思義即聖嬰現象之反象。此時太平洋赤道東岸之高壓比正常情況為強,信風(西風帶)亦加強,故推擠更多海水至太平洋西岸,誘使更多赤道東岸的湧升流,使得東岸海溫比平時為低,西岸海溫則較高。此時印尼之降雨比平常為多,而太平洋秘魯一帶的乾旱則更嚴重。透過海氣交互作用,此反常現象亦會導致全球變遷,影響全球氣候。


Topex poseidon la nina
TOPEX/POSEIDON最近觀測之太平洋赤道地區海面高度分佈--La Nina


Ers gome 1995 1997
ERS之 GOME 臭氧洞觀測(1995-1997)

Ozone hole over the South

Total ozone column amount measured by GOME


George
衛星雷達與劇烈天氣之觀測--颱風觀測George颶風

1998/09/25 03.43

ERS Wind Scatt./

GOES-8 03.15

1998/09/25 03.43

ERS Wind Scatt. Max.

wind speed: 155 km/h

Center: 27.8N 78.9W


George1
衛星雷達與劇烈天氣之觀測--颱風觀測George颶風(續)

1998/09/25 16.03

ERS Wind Scatt./GOES-8 16.15

1998/09/25

NOAA-14 AVHRR 19.35

1998/09/25 16.03

ERS Wind Scatt.Max. wind speed: 110 km/h

Center: 24.5N 82.0W


衛星雷達與海洋遙測

  • 海洋狀態觀測

  • 海洋表面地形觀測

  • 海洋環流觀測

  • 計算海洋重力異常

  • 計算海洋大地水準面

  • 計算海洋深度


海洋狀態觀測--海面浮油偵測

於1995年10月26日,以SIR-C/X-SAR偵測印度麥買西方阿拉伯海的浮油分佈。影像中暗色的斑紋為從油井(白色斑點)滲出的油。無論是天然釋出或人為開採造成的浮油,都會平滑海面使得雷達回波訊號極弱。影像中上區域為由冷暖海水邊界所形成的內重力波;而由風吹拂形成的波在緊鄰內重力波的藍色區域最為明顯。


海洋狀態觀測--海溫及植物分佈偵測

以ATSR-2觀測的地中海區域海溫變化和植物分佈情形

海溫顏色由暖至冷分別以紅色、黃色、綠色、和藍色表示。陸地之植物茂密區以綠色表示,荒蕪區則以棕色表示。



海洋環流觀測

Gulf Stream Velocity


計算海洋重力異常

North Sea -- 重力異常圖


計算海洋大地水準面

以ERS四個月的影像資料所建立之初步海洋水準面(Preliminary Marine Geoid)與OSU-91A水準面之差異圖


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