Technik & Methodik


RADAR-Fernerkundung

Elektromagnetische Welle Die Datenaufnahme mit Hilfe von RADAR-Satellitensystemen unterscheidet sich grundlegend von den Verfahren der optischen Fernerkundung. Bei dem aktiven Radarfernerkundungsverfahren strahlt der Sensor gerichtet Mikrowellenstrahlung einer Frequenz aus und zeichnet die vom Erdboden reflektierten Strahlen wieder auf. Ein wesentlicher, die Genauigkeit der Daten beeinflussender Parameter, ist die Länge der Antenne, die die Signale abstrahlt. Da diese in der Praxis (an Bord des Satelliten) nicht beliebig verlängert werden kann, werden Systeme mit sogenannter synthetischer Apertur (engl.: Synthetic Aperture Radar - SAR) eingesetzt.

Synthetic Aperture Radar - SAR

Im Sinne einer synthetischen Apertur werden alle ausgesendeten Impulse erfasst, die von einem Einzelpunkt während der Zeit des Überfluges reflektiert werden. Bei der Bildverarbeitung (Prozessierung) werden die empfangenen Reflexionssignale jedoch so behandelt, als würden sie jeweils von einzelnen Elementen eines Systems mit langen Antennen aufgenommen. Dadurch lässt sich trotz der großen Entfernung zwischen Objekt und Sensor eine hohe geometrische Auflösung der Radarbilder erreichen. Aufgezeichnet werden dabei nicht nur die Amplitude bzw. Intensität ("Helligkeit") der zurückgestreuten Radarwelle, sondern zudem die Verschiebung der reflektierten Wellenmaxima im Vergleich zur ausgesendeten Welle (Phasendifferenz). Stehen zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommene Bilder des gleichen Gebietes zur Verfügung, erlaubt ein Phasenvergleich eine interferometrische Auswertung.


Differentielle SAR-Interferometrie - DInSAR

Bei dem interferometrischen Vergleich der Phaseninformationen zweier Radaraufnahmen (S1 und S2) können relative Höhenänderungen der Oberfläche mit einer Genauigkeit von Bruchteilen der Wellenlänge der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung erfasst werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine gute Korrelation (Kohärenz) zwischen den beiden Szenen, die normalerweise jedoch mit der Zeit abnimmt. Dies gilt insbesondere in Gebieten mit sich über die Zeit verändernder Vegetation bzw. sich verändernder agrarischer Nutzung. Ebenfalls problematisch ist es, wenn sich die topographische Oberfläche um einen größeren Betrag als den der Radarwellenlänge bewegt hat, da hier ebenfalls die Korrelation der Daten unereinander abnimmt, so dass dann unter Umständen nicht mit Sicherheit gesagt werden kann, um den wievielfachen Betrag der Wellenlänge sich die Oberfläche bewegt hat. Dieser Fall tritt jedoch vergleichsweise selten ein, da in der Regel alle 35 Tage eine Satellitenbefliegung stattfindet. So sind bei einer typischen Wellenlänge von 5.6 cm im C-Band, die viele aktuelle Radarsatelliten verwenden, Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich detektierbar.


Genutzte SAR-Satellitensysteme

Im Zuge der Projektbearbeitung wird primär der Sensor ASAR an Bord des Erdbeobachtungssatelliten ENVISAT der europäischen Raumfahrtbehörde ESA genutzt. Dieser operationelle Sensor liefert die für die Fragestellung notwendigen aktuellen Daten. Eine rückwirkende Betrachtung der seit 1991 erfolgten Bewegungen an der Tagesoberfläche ist mit den ähnlichen SAR-Aufnahmesystemen an Bord der Satelliten ERS-1 und -2 möglich. Alle erwähnten Satelliten liefern Daten im C-Frequenzband. Zudem ist für weitere retrospektive Betrachtungen eine Nutzung des im längerwelligen L-Band im Zeitraum 1992 bis 1998 arbeitenden SAR-Sensors an Bord des japanischen Erdbeobachtungssatelliten JERS-1 möglich. Eine aktuelle Datenaufnahme im L-Band wird jedoch erst wieder mit Start des PALSAR-Sensors an Bord des japanischen Erdbeobachtungssatelliten ALOS ab voraussichtlich 2006 möglich sein. In Ergänzung zu diesen Sensoren wird es voraussichtlich ab 2006 ebenfalls möglich sein, Daten des neuen Satelliten TerraSAR-X auswerten zu können. Dieser Sensor arbeitet im kurzwelligen X-Band und wird eine vergleichsweise hohe geometrische Auflösung bei einem kürzeren Aufnahmeintervall bieten.


Vorteile der Radar-Fernerkundung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fernerkundungsverfahren, die überwiegend passive optische Sensoren verwenden und die von der Erdoberfläche reflektierte und emittierte elektromagnetische Strahlung aufzeichnen, ist die Datenaufnahme bei aktiven Radarfernerkundungsverfahren unabhängig von den äußeren Aufnahmebedingungen wie Tages- oder Jahreszeit bzw. Sonnenstand, sowie weitestgehend unabhängig von den Wetterbedingungen zum Zeitpunkt der Aufnahme. Dies liegt daran, dass die Radarstrahlung in den verwendeten Wellenlängenbereichen die Atmosphäre ungehindert durchdringen kann, unbeeinflusst durch Bewölkung oder Niederschlag. Zudem sind somit auch ohne Einschränkungen Aufnahmen bei Nacht möglich.

Unterschiede zur optischen Fernerkundung

Allerdings ergeben sich durch das Radar-Aufnahmesystem "Bilder", die sich stark von optischen Fernerkundungsdaten unterscheiden. Die Stärke der Rückstreuung des Radar-Signals hängt nicht von den Reflektionseigenschaften ("Farbe", "Helligkeit") einer Geländeoberfläche ab, sondern von ihrer Form, Rauhigkeit und den dielektrischen Eigenschaften. Ist beispielsweise die Oberflächenrauhigkeit in Vergleich zur Wellenlänge gering, so wirkt die Oberfläche spiegelnd und erscheint im Intensitätsbild vergleichsweise dunkel (geringe Rückstreuung in Richtung des geneigt blickenden Sensors). Ein weiterer wichtiger Faktor ist deshalb auch die Exposition der Geländeoberfläche in Bezug auf das Radarsystem. Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z.B. feuchte Böden) reflektieren die Radarstrahlen stärker, besonders starke Reflexionen können an Objekten aus Metall auftreten. Diese Eigenschaft wird bei dem Bau von künstlichen Rückstreuern, sogenannten Corner Reflektoren (engl. Corner Reflector, CR) genutzt.


Corner Reflektoren

Radar Corner Reflektoren bestehen im Wesentlichen aus drei aufeinander senkrecht stehenden Flächen aus Metall, welches für die Radarstrahlung spiegelnd wirken muss (Tripelspiegel). Durch die dreifache Spiegelung an allen drei Flächen werden nahezu alle eintretenden Strahlen in die genau entgegengesetzte Richtung ihres Eintreffens (also zum Satelliten hin) reflektiert. Trotz der vergleichsweise geringen Größe eines Reflektors in Relation zur geometrischen Auflösung der Bilddaten überwiegt das reflektierte Signal die normale Rückstreuung der Umgebung des Reflektors. Somit können Corner Reflektoren einerseits als geometrisch genau bekannte Passpunkte für eine Georeferenzierung der Bilddaten genutzt werden. Andererseits stellt ein Corner Reflektor ein in den Radardaten immer wiederkehrendes, kohärentes Signal dar. An diesem Punkt können daher auch Bewegungen der Erdoberfläche besonders gut und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Aus diesen Gründen wurden im Untersuchungsgebiet im Zuge der Projektbearbeitung 12 Corner Reflektoren aufgestellt.

Entwicklung und Bau von Corner Reflektoren

Zu Beginn des Projektes wurde zunächst ein Prototyp eines Corner Reflektors entwickelt und in der mechanischen Werkstatt des Institutes hergestellt. Dieser Corner Reflektor besitzt pentagonale Grundflächen, die im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten trihedralen Flächen mehrere Vorzüge besitzen (rd. 33 % geringeres Gewicht bei gleich bleibender Radarrückstreuung, geringere Interaktion mit Bodensignalen). Diese spezielle Form eines Reflektors wurde erstmals von SARABANDI & CHIU (1996) beschrieben, fand jedoch seitdem meist aus Konstruktionsproblemen selten Verwendung.

 

Der Prototyp wurde anschließend beim DLR in Oberpfaffenhofen im Rahmen einer Testebefliegung des flugzeuggetragenen Radarsystems E-SAR getestet und seine Radarrückstreuung mit dortigen, bei dem DLR aufgestellten, Referenz-Reflektoren verglichen. Nach diesem Test wurden insgesamt zwölf (baulich leicht abgeänderte) Corner Reflektoren in zwei verschiedenen Größen in der Werkstatt gebaut und im Untersuchungsgebiet aufgestellt und geodätisch eingemessen. Zwischenzeitlich wurden Reflektoren für weitere Forschungsprojekte im Bereich der Deutschen Steinkohle AG und der Gaz de France PEG hergestellt.


Literatur

SARABANDI & CHIU (1996): Optimum Corner Reflectors Design. Proc. IEEE National Radar Conference, Ann Arbor, Michigan, May 1996

 

Kontakt  Sitemap  Datenschutz  Impressum
© TU Clausthal 2018