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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]