Verfahren & Systeme der Mikrowellenfernerkundung

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1 Verfahren & Systeme der Mikrowellenfernerkundung Vorlesung am Departement I, Geographie Studiengang: Natürliche Systeme und Nachhaltigkeit - Monitoring, Modellierung & Management Wolfgang Keydel DLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik & Radarsysteme D Wessling, Germany Korrespondenz Addresse: Mittelfeld 4., D Hechendorf, Germany Tel.: , Fax: wolfgang@keydel.com; Web:

2 Verfahren & Systeme der Mikrowellenfernerkundung Einführung Inhalte, Lernziele & Literatur, Historie, Anwendung Inhalte 1. Eigenschaften Elektromagnetischer Wellen: Amplitude, Phase, Frequenz, Polarisation, Kohärenz, Reflexion, Eindringtiefe etc. & Messmöglichkeiten zur Anwendung in der Fernerkundung 2. Basiswissen & Terminologie der Fernerkundungstechnik: Auflösung, Spektrum, Bandbreite, dezi-bel, Slant-, Ground-Range etc. 3. Verfahren & -Systeme: Mikrowellenradiometrie, Radar, Interferometrie, Funktionsweise & Messgenauigkeiten 4. Besonderheiten in Mikrowellenbildern: Mehrdeutigkeiten, Verzerrungen, Speckle, Bewegungsfehler, Perspektive, Plastiziät, Pixelstruktur etc. 5. Eigenschaften aktueller Fernerkundungssysteme:ERS-Familie, SRTM, ENVISAT/ASAR, TerraSAR, Tandem-X, S-MOS, E- & F-SAR 6. Anwendungsmöglichkeiten von Radar- & MW-Radiometriesystemen: Objektklassifizierung, Digitale Geländemodelle, Wasser-Strömungen, tektonische Veränderungen, Katastrpohen-Management etc. 2

3 Lernziele Vermittlung grundlegender Kenntnisse, Verbesserung der Qualifikation der Hörer Neueste Literatur zur der Mikrowellen-Fernerkundung verstehen Mit Verständnis den Präsentationen auf einschlägigen internationalen Konferenzen folgen & diese beurteilen Ein Praktikum in entsprechenden Organisationen und Firmen zum Nutzen sowohl des Praktikanten als auch der Organisation absolvieren Basis für eine optimale & geringe Einarbeitungszeit bei Eintritt ins Berufsleben Grundlagen für eigene wissenschaftliche Arbeiten schaffen 3

4 Voraussetzung: Prof. Wolfram Mausers Internetvorlesung 4

5 Literatur zur Vorlesung Floyd M. Henderson, Antony J. Lewis, (Edit.): Principles & Applications of Imaging Radar, Manual of Remote Sensing 3rd. Ed. Vol.2 John Wiley & Sons, Inc Uwe Sörgel: Radarfernerkundung, Downloadables/Radarfernerkundung2008.pdf Helmut Klausing & G.HoIpp (Herausgeber): Radar mit realer & synthetischer Apertur, Oldenburg 1999 Ein großer Teil der verwendeten Abbildungen und Beispiele resultiert aus E- & F- SAR - Messungen, den X -SAR- Shuttle-Missionen des DLR sowie aus neuen TerraSAR-X & Tandem-X Ergebnissen aus den Instituten des DLR in Oberpfaffenhofen: Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme (IHR), Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD). Ich danke allen für die Überlassung dieses wertvollen Materials. Mehr dazu in bzw. hr 5

6 Mikrowellen - Fernerkundung (Remote sensing) Berührungslose Messaktivitäten zur Ermittlung von Qualität, Zustand, Verhalten & Position von Objekten in Raum und Zeit mittels aktiver & passiver Mikrowellen-Sensoren & - Systeme Abstand zwischen Objekt und Sensor Submillimeter Lichtjahre Mikrowellen Teil des elektromagnetischen Spektrums Strahlung hervorgerufen durch schnell veränderliche elektrische Stöme 6

7 Fernerkundung Erhaltung, Optimierung, Erschließung unserer Lebensräume 7

8 Mikrowellen - Fernerkundundung ReSe steht für Remote Sensing, treibende Kräfte sind die Motore!! Im Cockpit aber sitzt und steuert der Nutzer!! 8

9 In Principo erat Verbum: Fiat Lux! λ/nm

10 c = f c = 3 x 10 8 m/s Mikrowellen Hz =THz 10 9 Hz = GHz 10 6 Hz = MHz 10 3 HZ = KHz Spektrum der Elektromagnetischen Wellen f Kommunikation Radar Navigation SI-Präfixe = yokto = zepto = yokto = atto = pico 10-9 = nano 10-6 = mikro 10-3 = milli 10-2 = centi 10-1 = dezi 10 0 = = Deka 10 2 = Hekto 10 3 = Kilo 10 6 = Mega 10 9 = Giga = Tera = Peta = Exa = Zetta = Yotta 10

11 Das Spektrum der Elektromagnetischen Wellen MW-Fernerkundung 11

12 Spektrale Strahlungsdichte der Sonne Solarkonstante:1367 Wm -2 3,9 μm 7,9 μm 12

13 1820 Elektromagnetismus Oerstedt 1816 Lichtwellen Fresnel 1836/37 Feldtheorie Faraday 1858 Funkenentladungen Feddersen 1864/65 Wellentheorie Maxwell 1886 El.mag.Wellen Hertz Heinrich Hertz James Clark Maxwell Michael Faraday Radar Hülsmeyer 1908 LVAG (DLR) Dieckmann 1923 Rundfunk in D 1938 FFO (DLR) Dieckmann 1935 Fernsehen Berlin

14 Heinrich Hertz /88 Dipolstrahlung.swf 14

15 Christian Hülsmeyer Experimente zur Ortung von Schiffen mittels Radarwellen Patent Meldung von Schiffen bis 3000 m Entfernung Vortragstitel 15

16 Sensoren: Radar & Mikrowellenradiometer Radar Sender Empfänger Monitor Radiometer 16

17 Radarkette an der Unterelbe 17

18 Mikrowellen sehen mehr!manchmal! 18

19 Multisensorik: E-SAR, DAIS, WAAC Digital Airborne Infrared Scanner, Wide Angle Airborne Camera Simultane Befliegung an Ätna (oben) & Stromboli (unten) DAIS E-SAR WAAC E-SAR WAAC, DEM Validation 19

20 Eindringtiefe Elektromagnetischer Wellen in Eis 20 MHz 0 km 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km Goodmansen, P.: Persönliche Kommunikation. TU Kopenhagen,

21 Deichkontrolle 90 GHz 37 GHz 9,6 GHz Nach 36 h sickerte Wasser Peichl, Markus; Dill, Stephan (2005): Radiometrische MESSUNGEN IM Millimeterwellenbereich an einer künstlichen Deichanlage ohne & nach 35stüdigeer Wasserexposition DLR Project Report

22 Satellitenbeobachtung verschafft Übersicht & Einblick in Hintergründe 22

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24 Status Quo: Tandem-X TerraSAR-X TanDEM-X TerraSAR add-on for Digital Elevation Measurements 24

25 Erster TanDEM-X Kriseneinsatz: Überflutung von Ismail Kahn, Pakistan, Links: Radarhelligkeits-Statistik, helle Flecken Städte & reißende Wassermassen Mitte: Phase zw, TanDEM-X & TerraSAR-X, Inkohärenz Rauschen Rechts: Blau Gebiete mit niedriger Kohärenz Überflutung. Thomas Fritz, DLR25

26 Satelliten-Orbiteigenschaften Satellite Feature Formula Satellite Velocity gr2 V s R H Satellite Ground Velocity without Earth Rotation Satellite Revolution Periode Orbits/Day Ground Track Distance (Equator) R VG= VS R H H=233 km H=800 km 7,76 km/sec 7,45 km/sec 7,49 km/sec 6,62 km/sec R+H T = 2π(R+H) g R2 1,49 h N = 24 T D = 2π R N 1,41 h 16,2 14, km 2807 km R = 6370 km, g = 9,80 m/sec; Gower/Apel, UNESCO Tech. Paper, Marine Sciences 46,

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28 UAV s & HAV s geqwinnen zunehmend an Bedeutung Quelle: 28

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30 Eyjafjallajökull 30

31 Eyjafjallajökull vor & nach dem großen Ausbruch am 14. April März 2010 Eisschicht, 200m dick 15.April 2010 Neue Nebenkrater Die feine Asche des Vulkanausbruchs legte sich, vom Wind nach Osten getragen, als dichter, weicher Teppich über das Eis, dort werden Mikrowellen kaum reflektiert und erscheinen daher dunkel. 31