Active Microwave. Kai Lochbihler

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Gerhardt Günther
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1 Active Microwave Kai Lochbihler Klimaforschung und Umweltwissenschaften M. Sc. Praxisseminar Satellitenfernerkundung Dozent: Dr. Ralf Sussmann Lehrstuhl für Physische Geographie und Quantitative Methoden

2 Inhalte Allgemeines Geschichte SLAR Side Looking Airborne Radar Wellenlänge, Polarisation und Eindringtiefe des Signals Real Aperture SLAR SAR - Synthetic Aperture Radar Interpretation von Radar Aufnahmen Beispiel: RADARSAT SAR Zusammenfassung 2

3 Allgemeines Radar radio detection and ranging Komponenten: Antenne, Sender, Empfänger und Rekorder Sendet gepulste elektromagnetische Wellen und empfängt das Echo Über die Signallaufzeit kann die Distanz zu Objekten ermittelt werden Eigenschaften der gesendeten Strahlung sind bekannt und über einen Vergleich mit dem Echo können weitere Eigenschaften des angestrahlten Objekts ermittelt werden Aktiv Einsatz unabhängig vom Sonnenlicht 3

Allgemeines Radar radio detection and ranging Komponenten: Antenne, Sender, Empfänger und Rekorder Sendet gepulste elektromagnetische Wellen und empfängt das Echo Über die Signallaufzeit kann die

4 Allgemeines Radar radio detection and ranging Komponenten: Antenne, Sender, Empfänger und Rekorder Sendet gepulste elektromagnetische Wellen und empfängt das Echo Über die Signallaufzeit kann die Distanz zu Objekten ermittelt werden Eigenschaften der gesendeten Strahlung sind bekannt und über einen Vergleich mit dem Echo können weitere Eigenschaften des angestrahlten Objekts ermittelt werden Aktiv Einsatz unabhängig vom Sonnenlicht 4

5 Kleine Geschichte des Radar 1864: J. C. Maxwell veröffentlicht seine Gleichungen über die Eigenschaften von elektrischen und magnetischen Feldern 1886: H. Hertz bestätigt die Wellentheorie durch Experimente und zeigt als Erster die Reflexion von EMW an metallischen Oberflächen. 5

6 Kleine Geschichte des Radar 1864: J. C. Maxwell veröffentlicht seine Gleichungen über die Eigenschaften von elektrischen und magnetischen Feldern 1886: H. Hertz bestätigt die Wellentheorie durch Experimente und zeigt als Erster die Reflexion von EMW an metallischen Oberflächen. Quelle: Campbell/Wynne (2011), S : A. H. Taylor und L. C. Young zeigen die Detektion von Schiffen mittels EMW : Kombinierung von Sender und Empfänger und zeitgleiche Weiterentwicklung in den USA, GB und Deutschland Technische Verfeinerung vor und während dem 1. und 2. Weltkrieg Militär Optimierung von Imaging Radar und Entwicklung von SLAR nach WWII und während des Kalten Kriegs 6

7 SLAR side looking airborne radar Blick senkrecht zur Flugbahn schräg auf die Erdoberfläche Entfernung zur EOF wird mit zunehmenden Blickwinkel größer look angle und depression angle bestimmen die abgetastete Streifenbreite Bild durch die Schrägaufnahme verzerrt Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

8 SLAR Geometrische Effekte Quelle: Campbell/Wynne (2011), S. 216 Abschattungen Radar layover Radar foreshortening Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

9 SLAR Blickrichtung und Blickwinkel Blickrichtung: Ausrichtung eines Objekts zum Radarsignal Auswirkung auf Abschattung Schattengröße auch von Entfernung zum Gerät abhängig Blickwinkel Variiert mit der Entfernung zum Gerät Beeinflusst die Auflösung und die Reflektivität Inhomogene Bildeigenschaften 9

10 SLAR Wellenlänge, Eindringtiefe Eindringtiefe, Auflösung und Streuung an Objekten hängen von der Wellenlänge ab Wahl des Bereichs hängt vom Einsatzzweck ab Quelle: Campbell/Wynne (2011), S. 212 Skin Depth: Reduzierung des Signals auf 37% Abhängig von: Einstrahlwinkel Feuchtigkeit des Untergrunds Oberflächenrauhigkeit 10

SLAR Wellenlänge, Eindringtiefe Eindringtiefe, Auflösung und Streuung an Objekten hängen von der Wellenlänge ab Wahl des Bereichs hängt vom Einsatzzweck ab Quelle: Campbell/Wynne

11 SLAR Wellenlänge, Eindringtiefe Eindringtiefe, Auflösung und Streuung an Objekten hängen von der Wellenlänge ab Wahl des Bereichs hängt vom Einsatzzweck ab Quelle: Campbell/Wynne (2011), S. 212 Skin Depth: Reduzierung des Signals auf 37% Abhängig von: Einstrahlwinkel Feuchtigkeit des Untergrunds Oberflächenrauhigkeit Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

12 SLAR - Polarisation Polarisation standardmäßig horizontal in Sende- und Empfangsrichtung Andere Polarisation und Kombinationen möglich Gründe: Identifizierung von depolarisierenden Oberflächen Identifizierung von inhomogenem Volumen 12

13 Real Aperture System SLAR Im Prinzip SLAR Strahlbreite (β) durch Antennenlänge (A) und Wellenlänge (λ) bestimmt Auflösung β= λ A Pulslänge wirkt sich ebenfalls auf die Auflösung aus 13

14 SAR - Synthetic Aperture System Objekte werden im Vorbeiflug solange sie im Fokus des Radars sind bestrahlt 14

15 SAR - Synthetic Aperture System Objekte werden im Vorbeiflug solange sie im Fokus des Radars sind bestrahlt Rekonstruktion des Signals aus den aufgezeichneten Echos wirkt wie eine scheinbar größere Antenne Dazu muss bei jedem Echo die Position eines Objekts bekannt sein Doppler Effekt 15

16 SAR - Synthetic Aperture System Objekte werden im Vorbeiflug solange sie im Fokus des Radars sind bestrahlt Rekonstruktion des Signals aus den aufgezeichneten Echos wirkt wie eine scheinbar größere Antenne Dazu muss bei jedem Echo die Position eines Objekts bekannt sein Doppler Effekt 16

Interpretation von Radar Bildern Radarbilder sind zusammengesetzt aus vielen einzelnen Pixeln unterschiedlicher Helligkeit ( Brightness ) Unterschiede lassen

17 Interpretation von Radar Bildern Radarbilder sind zusammengesetzt aus vielen einzelnen Pixeln unterschiedlicher Helligkeit ( Brightness ) Unterschiede lassen auf verschiedene Eigenschaften des Untergrunds schließen Helligkeitswerte sind nicht gleichbedeutend mit Reflektivität! Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

18 Interpretation von Radar Bildern Die Radargleichung Pr = σ G² P t λ ² 3 (4 π) R 4 Rückgestreute Energie (Pr) ergibt sich aus der Entfernung (R), der Wellenlänge (λ), der ausgestrahlten Energie (Pt), dem Antennengewinn (G) und dem Rückstreukoeffizienten (σ) Rückstreuung stark abhängig von den Geländeeigenschaften; Oberflächenrauhigkeit, Bodenfeuchte, Vegetation, 18

19 Interpretation von Radar Bildern - Speckle Mehrere Objekte im Radarstrahl streuen separate Signale zurück Verstärkung/Auslöschung des rückgestreuten Signals durch Interferenzen möglich Führt zu mehr/weniger Helligkeit im Radarbild Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

20 Active Microwave Radarsat SAR C-Band: 5,405 GHz, Wellenlänge: 5,6 cm, Polarisation: HH Streifenbreite: 18km bis 500km, Auflösung: 100mx100m bis 3mx1m (je nach Modus) 20

100mx100m bis 3mx1m (je nach Modus) Quelle: Campbell/Wynne (2011),

21 Active Microwave Radarsat SAR C-Band: 5,405 GHz, Wellenlänge: 5,6 cm, Polarisation: HH Streifenbreite: 18km bis 500km, Auflösung: 100mx100m bis 3mx1m (je nach Modus) Quelle: Campbell/Wynne (2011), S

22 Zusammenfassung Detailierte und hochauflösende Aufnahmen der Geländestruktur mit Mikrowellen möglich Auch bei Nacht und schlechtem Wetter Geometrische Effekte und Oberflächenbeschaffenheit erschweren die Interpretation Systemkonfiguration muss ebenfalls bei der Interpretation beachtet werden Breites Spektrum des Mikrowellenbereichs und SAR schafft jedoch viel Spielraum für an spezielle Zwecke angepasste Systeme 22

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