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Zusammenfassung der 8. Vorlesung

RADAR - Grundlagen

Literaturhinweise:

http://fe-lexikon.info/

Tipler, P., Mosca, G. (2015): Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. 7. dt. Aufl. - Berlin: Springer Spektrum, 1454 S. ISBN 9783642541650, https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-642-54166-7 (als ebook im Uni-Netz) Kapitel 12.6, 28.5

Löffler, Ernst (1994): Geographie und Fernerkundung : eine Einführung in die geographische Interpretation von Luftbildern und modernen Fernerkundungsdaten, 2., neubearb. und erw. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1994 - 251 S., ISBN 3519134233; S. 76-81, 199-207

Albertz, Jörg (2009): Einführung in die Fernerkundung : Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern, 4., aktualisierte Aufl. - Darmstadt: Wiss. Buchges., 2009 - X, 254 S., ISBN 9783534231508, S. 56-63

Lillesand, Thomas M. und Ralph W. Kiefer (2008): Remote Sensing and Image Interpretation, 6. ed. - Hoboken, NJ: Wiley, 2008 - XII, 756 S., [18] Bl., ISBN 9780470052457, Kapitel 8

Jensen, J. (2007): Remote sensing of the environment : an earth resource perspective, 2. ed. - Upper Saddle River, NJ: Pearson, Prentice Hall, 2007 - XVI, 592 S., [24] Bl., ISBN 0131889508, (=Blauer Jensen), Kapitel 9

A. Vorteile der Radarfernerkundung Eigenschaften der ausgesandten Strahlung (Intensität, Frequenz, Polarisation) sind definiert

bzw. bekannt Kohärenz der Phaseninformation gegeben Erfassung ergänzender Parameter zur optischen Fernerkundung Mikrowellen dringen z.B. in Material ein (Eigenschaften des Untergrunds, z.B. Böden, Eis)

B. Bildgebende RADAR-Systeme RAR (Real Apertur RADAR)

Radarsysteme mit realer Apertur

wegen Einschränkungen in geometrischer Auflösung nicht gut geeignet für Einsatz im Weltraum

v.a. militärisch und flugzeuggestützt SAR (Synthetic Apertur RADAR)

Radarsysteme mit synthetischer Apertur

verlängern „virtuell“ ihre Empfangsantenne durch Integration vieler Messungen eines Gebiets während des Überflugs

Satelliten- und flugzeuggestützte Systeme

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C. Technische Grundlagen

D. Physikalische Grundlagen 1. Amplitude/Intensität (Menge der rückgestreuten Energie)

Die gemessene Intensität I ist ein Maß für die Rückstreuung der Oberfläche/Objekt

Intensität entspricht Strahlungsfluss in der optischen Fernerkundung

Rückstreukoeffizent 𝜎0(Sigma Null), entspricht Strahldichte in der optischen Fernerkundung

Angabe meist in dB (deziBel) = rel. Signalstärke (aus der Hochfrequenztechnik)

Die Intensität der rückgestreuten Strahlung wird durch die Amplitude der Welle beschrieben:

Ein Radarbild aus Rückstreuintensitäten wird daher auch als Amplitudenbild bezeichnet.

Rückstreukoeffizent 𝜎0 entspricht dem Strahlungsfluss in der optischen Fernerkundung.

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2. Wellenlänge/Frequenz

Die genutzte Frequenz ν/ Wellenlange λ liegt im Bereich der Mikro- und Radiowellen: o L-Band (30cm-1m), o C-Band (10cm) und o X-Band (3cm) sind die häufig genutzten Wellenlängen.

Eindringtiefe der Mikrowellen: o Wellenlänge entscheidend für Eindringtiefe der Strahlung: Zunahme mit steigender

Wellenlänge.

o Objektart und -Zustand sind weitere bestimmende Faktoren: E. steigt mit zunehmender Trockenheit und gröberer Körnung des Bodens, E. sinkt im Wasser mit zunehmender Salinität und ist besonders hoch über trockenen Eisflächen.

3. Polarisation

Polarisation ist eine Eigenschaft elektromagnetischer Wellen und beschreibt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors einer Welle.

Von der Sonne ausgesendete elektromagnetische Strahlung ist weitgehend unpolarisiert.

Radar-Antennen senden und empfangen dagegen elektromagnetische Strahlung in definierter polarisierter Form, z.B.

Ausgesandte Radarstrahlung ist definiert polarisiert

o Horizontal (H)

o Vertikal (V)

Rückgestreute Radarstrahlung ist durch komplexe Streuprozesse am Boden häufig

unpolarisiert

Empfangene Radarstrahlung wird jedoch nur in einer Polarisationsebene registriert (analog

zum spektralen Filter)

o Horizontal (H)

o Vertikal (V)

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Polarisations-Modi

Heute operationell verfügbare Radar-Sensoren: o arbeiten in einer Frequenz und mit einer festen Polarisationsebene; Beispiel: ERS-2

SAR C-Band (HH) o bzw. in einer Frequenz und dual polarimetrisch; Beispiel: Envisat ASAR C-Band (HH,

HV, VV, VH, nicht simultan) o bzw. in einer Frequenz und quad-polarimetrisch; Beispiel: TerraSAR-X X-Band (HH,

HV, VV, VH, simultan) o Nur im Space-Shuttle (SIR-C/X-SAR) oder flugzeuggetragene Systeme (z.B. DLR E-

SAR): arbeiten derzeit simultan in mehreren Frequenzen (X-, C- und L-Band) liefern parallel vollpolarimetrische Daten (HH, VV, VH, HV), d.h. senden

simultan H- und V-polarisierte Strahlung und empfangen simultan H- und V-polarisierte Strahlung

4. Phase (Laufzeit)

Phase φ stellt Maß für die Entfernung zwischen Sensor und Objekt dar

kann als Zeit (t) oder Winkelmaß (φ) – in Grad oder Radian – ausgedrückt werden

ein kompletter Phasendurchlauf entspricht 360º oder 2π

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Beschreibung des Schwingungszustands einer Wellenschwingung zu jedem Zeitpunkt an

jedem Ort:

Die Phaseninformation wird für die interferometrische Auswertung verwendet

o Ableitung von Höhenmodellen o Ableitung von horizontalen oder vertikalen Bewegungen am Boden

DHM (engl. DTM): digitales Höhenmodell (digital terrain model): bildet die Erdoberfläche ohne Landbedeckung ab

DOM (engl. DSM): digitales Oberflächenmodell (digital surface model): bildet die Erdoberfläche mit Landebedeckung ab (Vegetation, Stadt..)

Welleninterferenz o Interferenz = Überlagerung von Wellen

o treffen 2 Wellen in einem Punkt P aufeinander, so können sie interferieren (die

Wellen kommen phasenverschoben an)

o zwei Extreme der Interferenz

konstruktiv

destruktiv

Speckle-Effekt ist typisch in SAR-Amplitudenbildern, entsteht durch Überlagerung der Wellen aller Rückstreuer in der Auflösungszelle

o -konstruktive (helle) und destruktive (dunkel) Interferenzen

o -im Bild Nebeneinander von dunklen und hellen Bildpunkten; auch als „Salz-Pfeffer-

Effekt“ bekannt (körnige Struktur)

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E. RADAR-Fernerkundung Streuung von Radarstrahlung

Beim Auftreffen der Strahlung auf die Erdoberfläche wird die Strahlung in Abhängigkeit der Objektbeschaffenheit gerichtet (anisotrop) oder ungerichtet (isotrop) gestreut

Straßen oder ruhige Wasseroberflächen streuen eher anisotrop, Ackerflächen und vegetationsbestandene Bereiche streuen eher isotrop, unruhige Wasserflächen isotrop

Rückstreuintensität wird von der Rauhigkeit einer Oberfläche bestimmt (Rayleigh-Kriterium)

Streuverhalten von Vegetation

Streuprozesse variieren als Funktion von Zusammensetzung und Zustand der bestrahlten Oberflächen

Streuprozesse finden an verschiedenen Oberflächen und „Medien“ statt, z.T. auch in Wechselwirkung (bei Vegetationsoberflächen Kronendach, Blätter, Astwerk, Gehölz, Boden)

Vegetation ist sehr inhomogene Oberfläche

bei längeren Wellenlängen (P- und L-Band) kommt es zur sog. Volumen- bzw. Mehrfachstreuung (B); zudem ist Vegetation bewegungsdynamisch

Dielektrizitätskonstante

Die Intensität der Rückstreuung von Oberflächen wird durch ihre

Dielektizitätskonstante r bestimmt (liegt für trockene Oberflächen etwa zwischen 3 und 8, Wasser hat einen Wert von ca. 80)

r beschreibt die Fähigkeit eines Materials, durch Ladungstrennung elektrische Energie zu speichern;

o dadurch streuen Materialien mit hohem r stärker zurück o die Intensität der Radar-Rückstreuung steigt als Funktion des

Feuchtigkeitsgehaltes der Oberflächen

Ein Großteil der Mikrowellen-Rückstreuung in einem Intensitäts- bzw. Amplitudenbild ist daher vom Wassergehalt der beobachteten Fläche abhängig

o Vitale Pflanzen sind gute Reflektoren, da sie Wasser gespeichert haben o Der Einfluss der Feuchtigkeit ist häufig bedeutsamer als die Unterschiede durch

die Objekte selbst o Metalle sind ebenso gute Reflektoren (Brücken, Schienen, Aluminiumdächer,

etc.)

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Rückstreuintensität wird von der Neigung einer Oberfläche bestimmt Zusammenfassung Teil E

Die Intensität der rückgestreuten Mikrowellenstrahlung wird wesentlich durch objektbedingte Parameter gesteuert

o Streueigenschaften der Objektkombination (Medien) o Variable Exposition der Objekte (z.B. bei Wind) o Oberflächenrauhigkeit o Dielektrizitätskonstante (Feuchtigkeitsgehalt) o Reliefierung bzw. Neigung des Geländes (Topographie) o atmosphärischer Zustand zum Aufnahmezeitpunkt, v.a. bei kürzeren

Wellenlängen (z.B. im X-Band) …

Empfohlene Medien:

Adrian Schubert (2013): Synthetic Aperture Radar: Of Bats and Flying Pianos, https://www.youtube.com/watch?v=g-YICKbcC-A [video file]