Gliederung ,

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1 Gliederung 1. Einleitung 2. Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 3. Fernerkundung der festen Erde 3.1 Solarer Spektralbereich Wechselwirkungsmechanismen Absorptionsmechanismen in Festkörpern Anwendungen Sensoren 3.2 Infraroter Spektralbereich 3.3 Mikrowellenbereich 4. Fernerkundung der Ozeanoberfläche 4.1 Topographie der Meeresoberfläche 4.2. Satelliten-Altimeter 4.3. Oberflächenwinde aus Scatterometer 4.4. Bodentopographie 4.5 Spurenstoffe 4.6 Eisbedeckung 5. Passive Fernerkundung der Atmosphäre 6. Aktive Fernerkundung der Atmosphäre ,

2 6. Stunde: Zusammenfassung Welche Wechselwirkungen zwischen Radarstrahlung und Boden können auftreten? Reflektion an der Oberfläche, Streuung im Boden, Brechung im Boden Was sagt der Radarrückstreukoeffizient σ 0 aus? Wann ist σ 0 kleiner als 0 db? rückgestreute Intensität σ geringer als Lambert- Reflektor 0 = 10 log rückgestr. Intensität Lambert Streuers Mit welchen Ansätzen können wir die Radarrückstreuung einer Oberfläche beschreiben? Facettenmodell, Punktstreuer, Bragg-Streuung Wann ist Bragg-Streuung besonders bedeutsam? σ 0 = 8 k h cos θ dhv W k 2 ( 2 sinθ ) 2

3 Eindringtiefe Radar sieht sowohl direkt von der Oberfläche reflektierte Strahlung als auch aus tieferen Schichten stammende Strahlung Von Interesse ist die Eindringtiele L, die die Tiefe angibt, bei der die Intensität der Quellwelle auf 1/e abgesunken ist Diese ergibt sich aus Real- ε r und Imaginärteil ε i der Dielektrizitätskonstanten: λ L = ε i 2π ε r ε Für trockenen Boden mit ε r =3 und ε i /ε r =0.01 ist L etwa einen Faktor 10 größer als die Wellenlänge. r Generell können Informationen über die Oberfläche aus den Radarmessungen mittels der Polarisation, der Frequenz und der Winkelabhängigkeit gezogen werden. Anwendungen werden später behandelt. 3

4 Grundlage von Radarsystemen Radarsysteme ermöglichen die Kontrolle von räumlicher Auflösung, Entfernungsauflösung und Intensitätsauflösung. Diese ergeben sich aus Antennengröße, Frequenz, Bandbreite, Impulsdauer oder auch Frequenzmodulation. Räumliche (horizontale) Auflösung Die Strahlbreite von gesendeter bzw. empfangener Strahlweite wird durch den Antennenöffnungswinkel definiert. Dadurch ergibt sich für die später betrachteten Antennensysteme auch die Auflösung in Flugrichtung. Zur Ableitung der Antennencharakteristik stellt man sich die Antenne aus einer endlichen Zahl N in einer Linie mit gleichmäßigen Abstand d angeordneter Dipole vor. Der Antennendurchmesser ist entsprechend D=d N. Die Dipole können als Sende- und Empfangseinheiten, die mit gleicher Intensität, gleicher Frequenz und ohne Phasendifferenz Kugelwellen ausstrahlen bzw. empfangen, angesehen werden. Winkelverteilung des abgestrahlten elektromagnetischen Feld in Richtung θ im großem Abstand von der Antenne Fernfeld 4

5 Antennencharakteristik Das resultierende elektromagnetische Feld ergibt sich aus der Überlagerung aller N Felder. Durch die unterschiedlichen Wege sind die Felder phasenverschoben. Der Weglängenunterschied des n- ten Strahlers zum 0-ten ist gerade d n sinθ. Dementsprechend ist die Phasenverschiebung: >> D=d N θ Φ n = 2π d n sinθ/λ n N d d N sin θ Ist die Phasenverschiebung des N-ten Strahlers gerade 2 π (λ=d N sinθ), so ist diejenige des mittleren Strahlers N/2 genau π. Zu jedem Strahler n gibt es einen anderen, für den gilt n' = N/2 + n, so daß es bei einer Phasenverschiebung λ/2 zur Auslöschung kommt. Dies gilt analog für Φ n = l 2π. 5

6 Antennencharakteristik Φ n = 2π d n sinθ/λ = k d n sinθ k=2π/λ Wellenzahl >> D=d N Minima im Strahlungsfeld immer auf, wenn gilt: θ d N sin θ n N d N d sinθ = l λ, mit l=1,2,... Die maximale Intensität ist direkt in Vorwärtsrichtung θ zu beobachten (keine Phasenverschiebung) Minima treten auf bei 2π = l d N k sinθ und somit Winkeln von arc(2π/l N d k) Nebenmaxima (Nebenkeulen) treten auf, die bei eine gleichmässigen Ausleuchtung der Antenne mehr als einen Faktor 20 (>13 db) geringer sind Definiert man die Auflösung einer Antenne als den Winkelbereich zwischen Maximum und erster Nullstelle gilt 2π = D k sinθ 6 o D 2π/λ θ o θ o = λ/d

7 Antennendiagramm Die meist benutzte Definition der Halbwertsbreite (FWHM) zwischen den beiden Punkten, an denen die Intensität auf die Hälfte abgefallen ist, ergibt für eine gleichmäßige Antennenausleuchtung β = 0.88 λ/d in Radian rechnen! linear θ log Nebenkeulenunterdrückung 7

8 Synthetische Apertur Auflösungen im km Bereich für viele Anwendungen unzureichend (z.b. für Militär) Auflösung wird synthetisch über elektronisches Richten der Antenne verbessert Antenne besteht aus einzelnen Teilantennen aufgebaut. Bei Empfangsantennen wird für jede Teilantenne Intensität und Zeit des Empfangs registriert. Bei Sendeantennen senden die einzelnen Antennenelemente zeitversetzt. Zur Fokusierung der einzelnen Antennenelemente auf einen Punkt erfolgen unterschiedliche elektrische Verzögerungen des von den einzelnen Antennen empfangenen/gesendeten Signals auf dem Weg zum gemeisamen Empfänger/Sender statt. d 1 d 2 d 3 d N l 1 l 2 l 3 l N E/S 8

9 Synthetische Apertur Unterschiedliche elektrische Verzögerungen des von den einzelnen Antennen empfangenen/gesendeten Signals werden über Übertragungselemente (transmission lines) der elektrischen Länge l erzielt. Die einzelnen l i werden so gewählt, daß die sie die Wegunterschiede, die zwischen den einzelnen Antennen und dem Fokuspunkt existieren, kompensieren. d 1 + l 1 = d 2 + l 2 =... = d N + l N In modernen Systemen werden die Signale an den verschiedenen Punkten der Antenne einzeln mit ihren Eintreffzeiten registriert und gespeichert. Nachträglich kann mit einem leistungsfähigen Computer durch beliebiges Aufaddieren von Phasenverschiebungen die Antenne künstlich beliebig gerichtet und/oder fokussiert werden. d 1 d 2 d 3 d N l 1 l 2 l 3 l N E/S 9

10 Radareigenschaften räumlicher (horizontale) Auflösung abhängig von Antennengröße D und Wellenlänge λ z.b. D=1 m, λ=1 cm (ν=10 GHz) polarumlaufender (h~1000 km) Satellit x = 10 km geostationärer (h~36000 km) Satellit Verbesserung über synthetische Aperturen! x = 360 km Entfernungsauflösung (range resolution) Intensitätsauflösung 10

11 Entfernungsauflösung Die Entfernung eines reflektierenden Objektes zum Radar erfolgt über die Messung der Zeitdifferenz zwischen Aussenden einer Welle und ihrem Wiedereintreffen t. Elektromagnetische Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c = m/s r = c t 2 Pulsmodulation Laufzeitdifferenz t zwischen Empfang- und Sendezeit zur Bestimmung des Abstands r des reflektierenden Objekts zum Radar Frequenzmodulation frequency modulated continuous wave (FM-CW) Radar Identifikation eines einzelnen Wellenzugs über und somit der Zeit zwischen Senden und Empfang über Frequenz 11

12 Entfernungsauflösung Zur Unterscheidung von zwei Objekten im Abstand r muss die Pulsdauer τ möglichst kurz sein, da sich ansonsten die rückgestreuten Signale überlappen und die Objekte nicht mehr unterscheidbar sind: r τ < 2 c Die gewünschte Entfernungsauflösung r (range resolution) ist definiert mit: τ - Pulslänge T - Pulsperiode c τ r = 2 Die Periode T, mit der die Pulse ausgesendet werden, definiert den Eindeutigkeitsbereich des Abstandes, da bis zum Aussenden des nächsten Pulses alle Reflektionen des vorherigen Pulses am Radar angekommen sein müssen. Meist wird nicht die Pulsperiode sondern die Pulswiederholungsfrequenz PRF = 1/T (pulse repetition frequency) verwendet r max c T = 2 12

13 Beispiel: Wetterradar τ Eindeutige Entfernung: r max = s m/s = 600 km Entfernungsauflösung: r = s m/s = 450 m 13

14 Radareigenschaften räumlicher (horizontale) Auflösung abhängig von Antennengröße D und Wellenlänge λ z.b. D=1 m, λ=1 cm (ν=10 GHz) polarumlaufender (h~1000 km) Satellit x = 10 km geostationärer (h~36000 km) Satellit Verbesserung über synthetische Aperturen! x = 360 km Entfernungsauflösung (range resolution) abhängig von der Pulslänge τ, bzw. Frequenzbandbreite B Intensitätsauflösung üblicherweise kein Problem 14

15 Radaranwendungen Real Aperture Radar Side Looking Airborne Radar (SLAR) Diese historische Abkürzung ist missverständlich, da auch SAR und Scatterometer seitlich von der Flugbahn (Flugzeuge, Satelliten oder dem Space Shuttle) beobachten. Synthetic Aperture Radar (SAR) Scatterometer Altimeter Ozeanfernerkundung 15

16 Real Aperture Radar Seitliche Blickrichtung nötig, da Radargeräte die Zeit messen, die das ausgesendete Signal bis zur Reflektion zurück zum Empfänger braucht. Bei senkrechter Blickrichtung würden Signale, die von der rechten und linken Seite gleichzeitig am Empfänger ankommen, vermischt werden. Radarstrahl erreicht Oberfläche mit Einfallswinkel θ (incidence angle); typischerweise 20 bis 60 Grad. Ozeanfernerkundung Das vom Radar überdeckte Gebiet hat die Breite S (swath width): S (λ / D ) (h / cos 2 θ) D Antennendurchmesser senkrecht zur Flugrichtung 16

17 Real Aperture Radar D = 2.1 m λ = 27 cm (ν=1.4 GHz) Θ = 20 h = 800 km S (λ / D ) (h / cos 2 θ) ca km 17

18 Azimutauflösung x a Die Auflösung entlang der Flugrichtung (x a ) ist entspricht dem überdeckten Gebiet des Antennenstrahls, da alle Signale in Azimutrichtung gleichzeitig ankommen: D Antennendurchmesser x a r β (h β)/cosθ = (h λ/d ) / cosθ in Flugrichtung D = 2.1 m D = 12 m λ = 27 cm (ν=1.4 GHz) Θ = 20 x a = 16.3 km h = 800 km Ozeanfernerkundung Um Auflösung gering zu halten, ist die Antenne in Flugrichtung größer als senkrecht dazu. Antennendurchmesser A=D D 18

19 Range Resolution x r Die Entfernungsauflösung x r (oder auch y) definiert über die Pulsdauerτ die Auflösung am Boden quer zur Flugrichtung. Dies ist die halbe Breite des Pulses am Boden: x r = c τ / (sinθ 2) = c / (2 B sinθ) x a = 20 mτ B = 20 MHz τ = 50 ns Da range und azimuth resolution sich beim SLAR vom Satelliten um drei Größenordnungen unterscheiden, ist dieses für die abbildende Fernerkundung wenig geeignet. 19

20 Radargleichung Zur Berechnung des Rückstreukoeffizienten σ o, wird die Radargleichung abgeleitet. Zusammenhang zwischen Leistung des ausgesendeten Signals P t (transmitted power) und der Leistung des reflektierten und wieder empfangenen Signals P r (reflected power) P t wird über die Antenne in Vorwärtsrichtung entsprechend der Antennenverstärkung G=4πA/λ 2 =4πL W/λ 2 verstärkt. Sender Emfänger P t P r P t G Pc Atmosphäre θ P s P i O berfläche r = h cosθ 20

21 Radargleichung Die an der Oberfläche im Abstand r ankommende Leistung P i (incident power) pro Einheitsfläche ist: Die gesamte von der Oberfläche S=x a x r rückgestreute Leistung P s (scattered power) ist: Die Anteil der reflektierten Strahlung, der pro Einheitsfläche auf der Antenne ankommt, ist P c : P i = P t G cosθ / (4π r 2 ) P s = P i S σ o P c = P s / (4π r 2 ) Die gesamte von der Antenne empfangene Leistung ist P r = A P c P r = Pt 8π D 2 _ 3 λh D c σ o B 4 cos θ exp( 2δ ) sinθ δ Dämpfung (Atmosphärenkorrektur) Sender Emfänger P t P r P t G Pc Atmosphäre θ P s P i O berfläche r = h cosθ 21

22 Geometrische Verzerrungen Durch die seitwärts gerichtete Blickrichtung kommt es zu geometrischen Verzerrungen im Fall von Unebenheiten der Topographie. Im gezeigten Beispiel wird : Fläche 1 korrekt wiedergegeben Fläche 2 sehr klein erscheinen, da alle rückgestreuten Wellen gleichzeitig eintreffen Fläche 3 gar nicht gesehen Fläche 4 nur teilweise eingesehen und erscheint daher stark verkürzt Von der Bergspitze zu Fläche 4 besteht ein großer Zeitbereich innerhalb dem kein Rückstreusignal am Radar ankommt (schwarze Scatterzone). Diese Verzerrung ist prinzipiell umgekehrt wie bei der fotografischen Aufnahme: Da die Rücklaufzeiten gemessen werden, erscheinen geneigte Flächen um cosθ verkürzt. 22

23 Interpretation der Radarmessung P r 2 _ 3 P D D t = 8π λh 4 c σ o cos θ exp( 2δ ) B sinθ Die am Radar gemessene Leistung hängt von der Stärke der Bodenreflektivität ab. Helle Anteile in einem Radarbild zeigen starke Reflektoren (hohe Rückstreuung). Neben dem Bodentyp beinflusst auch der Einfallswinkel die Reflektivität. Glatte Oberflächen wirken wie ein Spiegel bei kleinen Winkel. Die Reflektivität fällt für Winkel größer als 20 Grad rasch mit dem Winkel ab, da ein großer Teil der einfallenden Strahlung in andere Raumrichtungen reflektiert werden. Bei rauhen Oberflächen ist die Reflektivität bei niedrigen Winkeln geringer als bei Glatten. Da die rauhe Oberfläche auch bei größeren Winkeln zu einem Anteil zufälliger Streuung führt, ist hier die Reflektivität hier höher. 23

24 Synthetic Aperture Radar Antennenauflösung bestimmt i.w. die räumliche Auflösung in Flugrichtung. Für eine Auflösung von ~10 m bräuchte man eine Satellitenantenne von mehreren 100 m Beispiel: λ=3 cm, h=800 km, D=10 m, θ=20 Grad und B=20 MHz ist: x a = (h λ/d) / cosθ = 2.5 km x r = c / (2 B sinθ) = 20 m Anstatt nun die Antenne zu vergrößern (Auflösung λ/d), wird mit einer kleinen Antenne das Objekt P über eine Flugstrecke L s angemessen. Damit wird eine Antenne der Länge L s simuliert wird. θ s = λ / L s λ / (θ h) = D / h Im Gegensatz zum Real Aperture Radar steht hier die Antennengröße im Zähler. Also ist die Auflösung umso besser je kleiner die Antenne ist. Mit dem obigen Beispiel ist x a = 10 m. 24

25 Nutzung der Dopplergeschwindigkeit Bei einem Objekt P ist das einleuchtend, aber wie werden zwei nahe liegende Objekte unterschieden? Doppler-Synthese ν ν bei Relativgeschwindigkeit v ν o t=0 P tritt in Radarstrahl ein S P unter Satellit S t=t n P verläßt den Radarstrahl S ν bei Relativgeschwindigkeit - v P P P 25

26 Doppler-Synthese Objekte am Boden sind konstant; Antenne bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v darüber hinweg Je nach Position des Objekts P im Antennenstrahl hat die Rückstreuung eine ganz bestimmte Dopplerverschiebung in der Frequenz: Solange P vor dem Satelliten liegt, bewegt P sich relativ auf den Satelliten zu und die Frequenz der rückgestreuten Strahlung ist etwas höher als die ausgesandte Das Umgekehrte gilt für den Fall, daß P hinter dem Satelliten liegt. Zur Lokalisierung der einzelnen Positionen im Radarstrahl muß man die rückgestreuten Signale nach ihrerer Dopplerverschiebung sortieren. Die Dopplerverschiebung bestimmt die momentane Position im Radarstrahl. Von jedem Punkt ist diese Position im voraus bekannt, die sogenannte Dopplerhistory. Man addiert dann einfach die Intensitäten der rückgestreuten Signale entsprechend der individuellen Doppler-history. S S S P P P 26

27 The SAR image is derived from the received power: W(t,ν) time ν 0 ν ν 0 ν 0 + ν 27

28 Anwendungen von SAR Bestimmung der Biomasse 28

29 Variation des Winkels Beobachtung einer Fläche unter verschiedenen Winkeln Variation der Rückstreuung mit dem Winkel gibt Oberflächentyp Verschiedene Vegetationstypen (Wüste, Steppen, Wälder oder gefrorene Tundra) haben alle verschiedene Rückstreueigenschaften. Probleme geben sich durch die Variation der dielektrischen Eigenschaften des Bodens als Funktion des Wassergehaltes. - Trockener Boden mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante reflektiert nur einen geringen Teil der Radarstrahlung. - Hohe Refl. bei gesättigte Böden. - Feuchte und teilweise gefrorene Böden finden sich dazwischen. Bodenwassergehalt aus Radar z.b. unterirdischen Wasservorkommen in Wüsten oder nachgefluteten Bereiche in tropischen Regenwäldern Grad 29

30 Variation der Wellenlänge Kurze Wellenlängen (3 cm / 9 GHz X-Band): Absorption und Reflektion durch die Vegetation hoch, so dass das Radarsignal an der Obergrenze der Vegetation reflektiert wird. Lange Wellenlängen (24 cm / 1.4 GHz L-Band): Vegetation nahezu transparent. Somit findet die Reflektion an der Erdoberfläche statt. Wellenlängen dazwischen sind z.b. C-Band (6 cm /5 GHz) oder S-Band. Mehrfachstreuung an der Vegetation. Bei gleichzeitiger Beobachtung eines Waldes mittels verschiedener Radarfrequenzen kann man aus der unterschiedlichen Penetrationstiefe die Struktur der Bäume und deren Gesamtmasse (Biomasse) ableiten. 30

31 Variation der Wellenlänge Schlamm 31

32 Oxford County, Ontario VV Polarization: R=May 22, 1990 G=May 23, 1990 B=May25, 1990 Variation der Polarisation Vertikal polarizierte Mikrowellen reagieren auf die vertikale Struktur von Getreide und zeigen so Variationen zwischen verschiedenen Getreidesorten Hier Differenz in der Zeit der Anpflanzung vorallem von Winterweizen und Roggen. Aber HH kann tiefer in die Vegetation eindringen 32

33 Variation der Polarisation Oxford County, Ontario, HV polarization: R=May 22, 1990 G=May 23, 1990 B=May25, 1990 Bewaldete Gebiete führen zu starker Depolarization des Mikrowellensignals 33