Optische Instrumente

Unter optischen Instrumenten versteht man in der satellitengestützten Erdbeobachtung passive, räumlich und spektral auflösende Kameras, die Intensitätsmessungen erlauben. Sie sind eine Zusammenführung der klassischen Instrumententypen Kamera (Abbildung), Spektrometer (Spektralmessung) und Radiometer (Intensitätsmessung).

Je nach Anwendung - und technologischen Möglichkeiten - liegt die Gewichtung auf einer oder zwei der drei Eigenschaften. Passiv bedeutet hier im Unterschied zu den aktiven Lidarsystemen, dass die Instrumente für ihre Messungen eine externe Lichtquelle benötigen. Dies können etwa Sonne, Mond oder das Eigenleuchten der Erdatmosphäre im infraroten Spektralbereich sein.

Es gibt zwei wesentliche Kamera-Blickrichtungen, die unterschiedliche Messungen ermöglichen:

• Nadir: Die Blickrichtung der Kamera ist vertikal nach unten zur Erde gerichtet. Dies ermöglicht beispielsweise Abbildungen der Erdoberfläche (Kartierung) oder auch die Bestimmung der Gesamtmenge eines Spurengases der Erdatmosphäre in der Luftsäule zwischen Erdboden und Satellit.
• Limb: Die Blickrichtung der Kamera streift entlang des Erdhorizontes. Durch Messungen in verschiedenen Höhen über dem Horizont lassen sich Höhenprofile wie etwa von Spurengasen in der Erdatmosphäre bestimmen.

Messprinzip der Nadir- und Limb-Geometrie. Bild: DLR

Die räumliche Auflösung eines weltraumgestützten optischen Instrumentes reicht vom Sub-Meterbereich für Beobachtungen der Erdoberfläche bis zu mehreren hundert Metern oder Kilometern im meteorologischen Bereich. Die räumliche Szenengröße reicht von einigen zehn bis zu mehreren tausend Kilometern. Als Szene wird in der Fernerkundung die Breite des Ausschnittes bezeichnet, den die Kamera von der Erdoberfläche aufnimmt. Aus technologischen Gründen ist die räumliche Szenengröße mit der räumlichen Auflösung verknüpft. Je höher die räumliche Auflösung, desto kleiner ist in der Regel die räumliche Szenengröße.

Für die Bezeichnung der optischen Spektralbereiche gibt es keine allgemein gültige Definition. Häufig verwendet werden folgende Abkürzungen:

Bezeichnung	Bedeutung	Wellenlänge
UV	Ultraviolettes Licht	bis 400 nm
VIS	Sichtbares Licht	400 - 700 nm
NIR	Nahes Infrarot	700 nm - 1,4 µm
SWIR	Kurzwelliges Infrarot	1,4 µm - 3 µm
MWIR	Mittleres Infrarot	3 µm - 8 µm
TIR	Thermisches Infrarot	8 µm - 15 µm

Die spektrale Auflösung eines weltraumgestützten optischen Instrumentes richtet sich nach der jeweiligen Anwendung. Die Definition ist auch hier nicht einheitlich. Oft wird zwischen folgenden Instrumenttypen unterschieden:

• Multispektralgeräte lösen bis zu 30 verschiedene breite Spektralfenster (Kanäle) auf. Diese Instrumente werden etwa für Messungen des Vegetationszustands und in der Meteorologie verwen
  

  METimage
  det. Beispiele sind das RapidEye-System (5 Kanäle im VIS/NIR, spektrale Auflösung 40-80 nm) und das METimage-Instrument (bis zu 30 Kanäle von VIS bis TIR, spektrale Auflösung 20 nm-1 µm).
  
• Hyperspekralgeräte lösen 100 und mehr verschiedene Kanäle auf. Anwendungen sind Land-, Forst- und Wasserwirtschaft, Geologie, Landnutzung und Umweltforschung. Ein Beispiel ist das EnMAP-Instrument (etwa 200 Kanäle von VIS bis SWIR, spektrale Auflösung 10 nm).
  
• Häufig werden optische Instrumente mit einer spektralen Auflösung, die besser als ein Nanometer ist, als Spektrometer bezeichnet. Hier wird im Allgemeinen nicht die Anzahl der Spektralkanäle, sondern die Auflösung und der Spektralbereich zur Charakterisierung der Instrumente genannt. Spektrometer werden vor allem zur Spurengasmessung in der Erdatmosphäre verwendet. Beispiele sind MIPAS (MWIR-TIR, spektrale Auflösung 0,06-0,75 nm) und SCIAMACHY (UV-SWIR, spektrale Auflösung 0,24-1,48 nm) auf ENVISAT.
  
• Optische Instrumente sind seit Beginn der satellitengestützten Erdbeobachtung ein fester Bestandteil des Instrumentariums. Die Messtechniken werden dabei permanent verbessert und erweitert. Das DLR unterstützt gezielt die Weiterentwicklung wichtiger optischer Technologien für den Weltraumeinsatz. Die Entwicklung von Hyperspektralgeräten für niedrige Umlaufbahnen und die Weiterentwicklung von Spektrometern für den geostationären Orbit sind wichtige aktuelle technologische Themen.