Synthetisches Apertur Radar
Erdbeobachtung
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Synthetisches Apertur Radar (SAR)

Radargeräte, die im Mikrowellenbereich arbeiten, können die Erdoberfläche zeit- und wetterunabhängig abbilden. Bei TanDEM-X wie bei TerraSAR-X wird dazu eine aktive Antenne mit einer Matrix von Sende- und Empfangsmodulen verwendet, mit deren Hilfe schnelle Richtungsänderungen des Radarstrahls und programmierbare Antennencharakteristika möglich sind. Die Polarisation der elektromagnetischen Schwingungen und andere Radarparameter können sogar von einem Sendepuls zum anderen variieren. Dies macht die SAR-Technik so flexibel, dass sie auch zur Erprobung neuer, experimenteller Betriebsarten verwendet werden kann.

Wegen der speziellen Signalführung des Radarsende- und Empfangssignals kann die Antenne in Flugrichtung elektrisch geteilt werden. Dies ermöglicht den getrennten Empfang von Radarsignalen der beiden Antennenhälften. So können sowohl voll polarimetrische Daten zur Klassifizierung von Objekten, zum Beispiel von Häusern oder Bäumen, als auch Along-track-Interferometrie-Messungen erhoben werden. Die Architektur lässt auch eine Verteilung von Kalibriersignalen für die ganze Kette der Radarhardware zu. Einzige Ausnahme bilden die Hohlleiter für die Signalabstrahlung, die aus einem metallisierten, kohlefaserverstärkten Kunststoff mit hoher Eigenfestigkeit bestehen. Bei der Datenverarbeitung am Boden werden die Kalibrierungssignale benutzt, um Korrekturfaktoren zu ermitteln und damit eine optimale Stabilität der Messdaten zu erreichen.

Der Halbleiter-Massenspeicher von TanDEM-X verfügt über eine Kapazität von 768 Gigabit, um die enorme Menge der anfallenden Daten für das digitale Höhenmodell zu erfassen. Das entspricht der doppelten Kapazität von TerraSAR-X. In der letzten Entwicklungsphase von TerraSAR-X wurde der Entwurf des SAR-Instruments dahingehend erweitert, dass ein kontinuierlicher Austausch von Synchronisierungspulsen möglich ist und damit die Zusammenarbeit beider SAR-Instrumente im bistatischen Betrieb gewährleistet wird.

TanDEM-X-Betriebsmodi

Die Radarinstrumente auf TanDEM-X und TerraSAR-X sind baugleich. Damit können beide Geräte unabhängig voneinander im so genannten mono-statischen Modus betrieben werden. In diesem Fall empfängt der Satellit die Reflexionen seiner eigenen Radarpulse. Darüber hinaus sind aber auch synchronisierte Aufnahmen im bistatischen Modus möglich. Dabei wird ein Gebiet nur von einem Radar beleuchtet, die reflektierten Signale empfangen aber beide Satelliten. Dies spart Energie, erfordert aber zusätzliche Maßnahmen. Ursächlich hierfür sind die Oszillatoren, die die Frequenz der abgestrahlten Radarsignale erzeugen. Man kann sich die beiden Oszillatoren wie zwei Uhren vorstellen. Technisch ist es nicht möglich, dass die beiden Quarzkristalle mit absolut identischen Frequenzen arbeiten. Um im Bild zu bleiben: Die beiden Uhren zeigen irgendwann unterschiedliche Zeiten an. Genauso würden die beiden Oszillatoren auf den beiden Satelliten auseinanderdriften. Würde man diesen Gangunterschied nicht bei der Datenauswertung berücksichtigen, so hätte dies erhebliche Fehler in den ermittelten Höhen zur Folge. Um diese Phasenfehler zu korrigieren und die beiden Quarzkristalle immer wieder zu synchronisieren, können die beiden Satelliten entsprechende Informationen austauschen. Dies geschieht über sechs Hornantennen. Diese sind so angeordnet, dass sie alle um sich herum befindlichen Raumwinkel abdecken.

SAR-Interferometer

Herkömmliche Radarsatelliten arbeiten nach dem Prinzip des Synthetic Aperture Radar (SAR). Hierbei sendet das Radar Mikrowellenpulse aus. Diese werden von der Erdoberfläche reflektiert und von dem Radar wieder empfangen. Aus der Laufzeit der Signale ergibt sich der Abstand des Satelliten zur Erdoberfläche. Da sich der Satellit um die Erde bewegt, beleuchtet das Radar einen Streifen am Boden und zeichnet die Echo-Signale sequenziell auf. Nach einer aufwändigen Signalverarbeitung entsteht ein zweidimensionales Bild des Gebiets. Die empfangenen Echosignale enthalten auch Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit, zum Beispiel die Rauigkeit.

Eine Weiterentwicklung dieser Technik ist die SAR-Interferometrie. Hierbei wird ein Gebiet von zwei unterschiedlichen Positionen aus abgebildet. Das Prinzip ähnelt entfernt dem räumlichen Sehen des Menschen mit zwei Augen. Die beiden "Radaraugen" befinden sich auf den Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X, die in enger Formation um die Erde kreisen.

Für Punkte in gleicher Entfernung vom Satelliten, aber auf unterschiedlichen Höhen, ergeben sich unterschiedliche Weglängendifferenzen zu den beiden Satelliten. Diese Differenzen lassen sich messen. Hierbei macht man sich die Welleneigenschaften der Radarpulse zu Nutze und misst gewissermaßen die Verschiebung der Wellen zueinander. Physiker sprechen von einer Phasendifferenzmessung. Das Ergebnis ist ein Interferenzmuster, ein so genanntes Interferogramm, das für alle Messpunkte und somit also das gesamte Gebiet erstellt werden kann. Aus den gemessenen Weglängendifferenzen ergibt sich die gewünschte Höheninformation.

Zuletzt geändert am:
09.02.2012 12:27:18 Uhr

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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