Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie RADAR Radio Detection And Ranging

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

RADAR„Radio Detection And Ranging“



Ein aktives Sensorsystem

A: seitliche Aussendung von Mikrowellensimpulsen

B: Oberfläche-spezifische Reflexion der Strahlung

C: Empfangen der in ihrer Richtung reflektierten Strahlung

Antenne des RADAR: Sender/Empfänger von Mikrowellenimpulsen

Bestrahlte Fläche


Flugrichtung

Seitliche Aussendung von Mikrowellenimpulsen (Antenne)

bestrahlte

Fläche

Wellenfront

Breite des erfassten Geländestreifens


Erzeugung von polarisierten Mikrowellenimpulsen

Antenne

Horizontale Polarisation Vertikale Polarisation

Mikrowellen: Elektromagnetische Wellen mit Wellenlänge von 1mm bis 1m


Einfluss der Rauhigkeit auf die Helligkeit eines Radarbildes (1)

Radar-Bild Satellitenbild


Einfluss der Rauhigkeit auf die Helligkeit eines Radarbildes (2)

Glatte Oberfläche (See)

=>Totale Reflexion => kein Echosignal => schwarz im Bild (Hell.=0)

grobe Oberfläche (Vegetation)

=> Streuung der reflektierten Strahlung in verschiedenen Richtungen + Interferenzen => höheres Echosignal => hell im Bild (hohe Helligkeit)

Nur ein Teil der ausgesendeten Strahlung kehrt zur Antenne zurück

Die Helligkeit des Bildes nimmt mit der Rauhigkeit der bestrahlte Fläche zu


Einfluss der Hangneigung auf die Helligkeit eines Radarbildes

Je steiler die Hangneigung ist, um so stark ist das zurückkehrende Signal, und somit um so groß sind die zugehörigen Helligkeitswerte des Bildes

Kein Echosignal für diese Fläche („shadow“)


Einfluss der Ecken auf die Helligkeit eines Radarbildes

Effekt der Ecken (Gebäude): das Eingangssignal wird genau in die Richtung der Antenne stark reflektiert => hohe Helligkeitswerte (weiße Zelle)


Speckle-Rauschen

Homogenen Flächen (Acker) weisen in einem Radarbild „körnige“ abrupte Variationen der Helligkeit (Noise) auf

Diese zufälligen abrupten Helligkeitsvariationen sind durch die konstruktiven und destruktiven Interferenzen der zurückkehrenden Signale bedingt (starker Scattering-Effekt)


Physikalische Ursache ist die Existenz von

Interferenzerscheinungen.

• Es gibt Bildpunkte, an denen sich die von einer rauhen Oberfläche bzw. von einem inhomogenen Volumen zurückgestreuten Wellenzüge der bilderzeugenden Strahlung durch Interferenz zufällig auslöschen, und es gibt andere Bildpunkte, an denen sich diese Wellenzüge so überlagern, daß Interferenzmaxima entstehen.

• Auf dem Weg von der Antenne zum Zielgebiet besitzen die Radarwellen die gleiche Phase, sie beeinfflussen sich nicht gegenseitig. Dieses ändert sich beim Erreichen der Oberfläche, gegenseitige Wechelwirkungen finden statt. Danach weisen die Wellen Phasendifferenzen auf. Gründe dafür sind Unterschiedliche Entfernung auf dem Weg von der Antenne zum Zielgebiet oder Vielfachstreuung = multiple scattering z.B. in Baumkronen


Speckle-Effekt

Die abgebildete Oberfläche ist eine Grasfläche.

(A) Ohne Speckleeffekte würde dieses homogene Feld in helleren Pixeltönen erscheinen .

(B) Werden innerhalb jeder Auflösungszelle die Rexlexionen von den individuellen Grashalmstellungen beeinflusst, erscheinen im Bild einige Pixel heller und einige dunkler (B)


Verarbeitung des Speckle- Rauschensdurch den „Multi-look“ Pozess

Die in einem Radarbild benachbarten erfassten Geländestreifen (die „1 Look“- Linien) können gruppiert werden, um größere Zellen zu bilden. Der Mittelwert der Werte der 4 Originalzelle wird berechnet und der erzeugten Zelle zugeordnet. So reduziert sich das Speckle des Gesamtbildes. Dieser Prozess erfolgt jedoch auf die Kosten der Auflösung (4Zellen->1Zelle).


Verarbeitung des Speckle - Rauschensdurch eine Filterung

Filterung:

Eine Filtermatrix (Kernel) wandert über jeden Pixel des Ausgangsbildes, wobei die benachbarten Pixelwerte mit dem zentralen Pixelwert verknüpft werden. Der neu errechnete Wert wird dem Zentralpixel zugeordnet.

Einfache Filter zum Reduzieren Rauschen hoher räumlichen Frequenz: Low-Pass und Median Filter.

Speziale Filter zum Reduzieren des Speckle-Effekts: Sigma, Frost, Lee und Kuan Filter. Sie basieren auf die Standardabweichung der Helligkeit des ganzen Bildes.

Bei der Filterung ist ein Kompromiss zu finden, zwischen Reduzierung des Rauschens und Verlust an Information hoher räumlichen Frequenz (Kanten, Grenzen….)


Geometrische Verzerrungen Geometrische Verzerrungen sind zum einen auf den

Seitensichtcharackter und zum anderen darauf zurückzuführen, dass ein Radar ein Gerät zur Distanzmessung (Schrägdistanzen) ist

Obwohl die Ziele A1 und B1 die gleiche Größe im Grundriss (ground range) haben, erscheinen ihre Dimensionen in Schrägsicht (slant range) unterschiedlich. Dieser Effekt bewirkt in naher Reichweite eine Stauchung.


Geometrische Eigenschaften des Signals

A = incidence angle (Einfallswinkel)B = look angle (Blickwinkel) C = slant range distanceradiale Entfernung vom Sensor zu jedem beliebigen Punkt der Oberfläche innerhalb der Radarreichweite (swath)D = ground range distancedie dem in slant range gemessenen Punkt zugehörige wahre horizontale Distanz entlang des Grundes (d.h. Distanz vom Nadirpunk zum Zielpunkt)

http://www.fpk.tu-berlin.de/cbt/fernerkundung/kap3/quellen/k37_2s1a.html


Geometrische Verzerrungen



Die Verzerrung (Kompression) ist stärker in dem Nahbereich des Signals



Verkürzungs- und Überlagerungseffekte Sie entstehen in Abhängigkeit von der Lage eines Geländeabschnitts in Bezug auf den Radarstrahl



Radarbild (Tibet)

F: Forshortening-Effekt

L: Layover-Effekt


Vorteile des RADAR (im Vergleich zu den passiven Sensorsystemen)

• Wetterunabhängig (hoher Transmissionsgrad der Mikrowellen in der Atmosphäre)

• Aufnahme Tag und Nacht (aktives Sensorsystem)

• Tiefere Erkundung der Oberfläche (Eindringtiefe der Mikrowellen größer)

• Reiche Info. über den Wasserhaushalt natürlicher Oberflächen (Reflexionsgrad ist durch die Dieelektrizität der Materialien stark beeinflusst)


Nachteile des RADAR

• Zurückkehrende Radarsignale enthalten keine eindeutige spektrale Eigenschaften

• Grobes Auflösungsvermögen (große Wellenlänge + Antennelänge)

• geringe Emission => Überlagerung der zurückkehrenden Signalen durch andere Strahlungsquellen

• Komplizierte Auswertung der Messergebnisse (Forschung…)


Rauhigkeit und Wellenlängen

Documents

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie RADAR Radio Detection And Ranging