Synthetic Aperture Radar (SAR)

Um Objekte am Boden, die beispielsweise einen Abstand von einem Meter haben, als getrennte Punkte in einem Bild darstellen zu können, muss der Radarsensor ein Auflösungsvermögen, das heißt eine geometrische Trennschärfe, von mindestens einem Meter realisieren können. Dazu bräuchte TerraSAR-X eine Antenne, die etwa 15 Kilometer lang ist.

Da die tatsächliche Länge der Antenne aber nur fünf Meter beträgt, bedient man sich eines technischen Tricks, um den gleichen Effekt zu erzielen: Man nutzt die Tatsache, dass sich die Antenne entlang der Flugbahn des Satelliten an den beleuchteten Objekten vorbeibewegt und dabei in regelmäßigen Abständen Impulse sendet und deren Echos empfängt. Die Echos werden zunächst an Bord des Satelliten digitalisiert und gespeichert. Nach der Übertragung des Speicherinhalts an die DLR-Bodenstation Neustrelitz werden die Signale in einem aufwändigen Rechenprozess derart behandelt, als stammten sie von vielen TerraSAR-X-Einzelantennen, aufgereiht entlang der Flugbahn. Dieser Rechenprozess, auch als "Apertursynthese" bezeichnet, verschaltet die virtuellen Einzelantennen zu einer großen, "synthetischen" Antenne mit bis zu 15 Kilometer Länge. Es wird somit exakt der gleiche Effekt erzielt, als hätte man in der Realität eine lange Antenne zur Verfügung.

Der Begriff "Apertur" (von lat. apertus: offen, geöffnet) bezeichnet in der Optik die Öffnung (Blende), durch welche die Lichtstrahlen ein-, beziehungsweise austreten. Bei einem Radarsystem meint man die Fläche der Antenne, die elektromagnetische Wellen abgeben, beziehungsweise empfangen kann. Die erzielbare geometrische Auflösung verhält sich dabei umgekehrt proportional zur Größe der Apertur.

Die Vorteile der Erdbeobachtung mit aktiven Mikrowellensensoren

Da die Mikrowellen auch durch Wolken hindurch dringen, bieten Radarsensoren zudem den großen Vorteil unabhängig von Wetter und lokaler Tageszeit (Sonnenlicht) Bilddaten zu liefern. Die aktive Antenne von TerraSAR-X erlaubt durch individuelles Ansteuern ihrer 384 Sende-/Empfangsmodule ein trägheitsloses Schwenken und Formen des Radarstrahls. Dadurch kann der Satellit gezielt bestimmte Regionen aufnehmen und zwischen großflächigen Abbildungen bei 16 Metern Auflösung oder kleinflächigen Abbildungen mit bis zu einem Meter Auflösung wählen.

Betriebsmodi

Der Sensor arbeitet im X-Band in verschiedenen Betriebsmodi:

  • Im "Spotlight"-Modus wird ein 10 Kilometer mal 10 Kilometer großes Gebiet mit einer Auflösung von 1 bis 2 Metern aufgezeichnet,
  • im "Stripmap"-Modus ist es ein 30 Kilometer breiter Streifen mit einer Auflösung zwischen 3 und 6 Metern
  • und im "ScanSAR"-Modus wird ein 100 Kilometer breiter Streifen mit einer Auflösung von 16 Metern erfasst.

Radar-Interferometrie

Verwendet man zwei räumlich versetzte Antennen, ist deren Abstand zu einem Punkt am Boden leicht unterschiedlich. Aus der Abstandsdifferenz lässt sich die Höhe des vermessenen Punktes über einer Referenzfläche ableiten, wobei man bei einer Vielzahl von vermessenen Punkten ein digitales Geländemodell erstellen kann. Die Bestimmung der Abstandsdifferenz erfolgt durch Messung der unterschiedlichen Laufzeiten des Echos. Die Genauigkeit der Höhenbestimmung kann durch zusätzliche Auswertung der Phasendifferenzen der rückgestreuten Signale deutlich verbessert werden (Sub-Zentimeter-Bereich).

Dieses als Radar-Interferometrie bekannte Verfahren eröffnet neue Anwendungen, vor allem in Kombination mit der hohen geometrischen TerraSAR-X-Auflösung von etwa einem Meter. Da man im Falle von TerraSAR-X nur eine Empfangsantenne zur Verfügung hat, ist ein zweiter, leicht versetzter Überflug nötig, um die perspektivische Sicht auf die Erde zu erhalten. Das Verfahren, zwei zeitlich versetzte Bilder zur Höhenmessung zu verwenden, führt allerdings dazu, dass zwischenzeitliche Veränderungen auf der Erdoberfläche (z.B. Regen, Pflanzenwuchs) zu Ungenauigkeiten der Höhenbestimmung führen. Diese Einschränkung wird im Rahmen des Projekts TanDEM-X umgangen, indem TerraSAR-X in einen engen Formationsflug mit einem nahezu baugleichen zweiten Satelliten gehalten wird. Der maximale Abstand der Satelliten beträgt dabei 600 Meter, sodass zwei Bilder nahezu gleichzeitig, das heißt mit maximal 0,08 Sekunden Zeitversatz, entstehen und die Höhengenauigkeit des digitalen Geländemodells unabhängig von zeitlichen Veränderungen wird.

Zuletzt geändert am: 17.01.2012 11:54:31 Uhr

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Aufnahmemodi des SAR

Aufnahmemodi des SAR

Die drei Aufnahmemodi des SAR (Synthetic Apertur Radar): Spotlight, Stripmap und ScanSAR

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