Informationen zum Thema "Radar"
oder
eine Erklärung von SAR für Laien

SAR steht für "Synthethic Aperture Radar".
Auf dem ERS-Satelliten ist u.a. das AMI-System als Radar-System. Es besteht aus einem Sender, einem Empfänger und einer Antenne in Flugrichtung.
Der Satellit bewegt sich mit großer Geschwindigkeit auf fast polarer, sonnensynchroner Umlaufbahn.
Das Radar-System wechselt ständig zwischen Senden und Empfangen.

S Sendeimpuls:
Starke Mikrowellen mit 5,6 cm Wellenlänge (C-Band) mit einer Impulsdauer von ca. 0,1 Mikrosekunden. Es handelt sich um einen kohärenten, gebündelten, gerichteten Radarstrahl. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist gleich Lichtgeschwindigkeit.

E Empfangsantenne:
Die Empfangsantenne wartet auf den reflektierten Sendeimpuls. (Wie bei der Fledermaus.) Die Herkunftsorte der vielen Radar-Echos sind für die Empfangsantenne nicht bekannt. Das System kennt nur die Lage des zuletzt "beleuchteten" Streifens und die zeitliche Verzögerung seit dem letzten Sendeimpuls.
Daraus lassen sich nur Wegelängen berechnen.

(Dies ist der grundsätzliche Unterschied zu optischen Systemen im sichtbaren und infraroten Wellenbereich. Bei optischen Systemen sind die Koordinaten der einzelnen Bodenpunkte (Pixel) durch Sichtwinkel genau festgelegt.)
Die Länge der virtuellen Empfangsantenne entspricht der Bahnlänge, die der Satellit in der Zeit zwischen Senden und Empfangen zurücklegt (deshalb "synthetische Apertur").

Die Erzeugung der Radarkarte
Die Bestimmung der Lage der reflektierenden Bodenpunkte innerhalb der "Impuls-Streifen" geschieht ausschließlich über Berechnung.

Jeder Bodenpunkt im "Impuls-Streifen" wird selbst zum Reflektor, also zum Sender mit schwacher Leistung. Nur ein kleiner Teil der reflektierten Strahlung wird vom Empfänger aufgefangen. (Diese empfangene Strahlung muss verstärkt werden, damit man sie auswerten kann.) Diese reflektierte Strahlung von einem Impuls unterscheidet sich in den Laufzeiten des Echos. Je weiter außen, umso länger der Weg und umso später trifft das Echo ein. Daraus lässt sich die relative Lage des Reflektors (Bodenpixel) innerhalb eines Impuls-Streifens berechnen.

Jeder Reflektor (Bodenpixel) sendet in spezifischer Weise sein Mikrowellen-Echo. Die Intensität der reflektierten Welle gibt damit Auskunft über das Bodenpixel. Ist die Lage eines Reflektors geortet, d.h. berechnet, so wird die Intensität der reflektierten Strahlung dem Pixel zugeordnet. Daraus entsteht später das Graustufenbild. Das Radarbild stellt also eine Grautonwiedergabe der Stärke des Radarechos dar. (Über die Berücksichtigung der Dopplerverschiebung siehe Löffler, Seite 78.)

Das Interpretationsproblem bei Radarbildern

Wie arbeitet ein Bodenpixel als Sender?
Wieviel Strahlung wird zum Satellitenempfänger abgestrahlt?

Die Stärke des Radar-Echos hängt vor allem ab von den durch das Radarsystem (AMI beim ERS) bestimmten Gegebenheiten: Der Winkel des Radarstrahles (ca. 67° gegen Horizont) und der verwendeten Wellenlänge (5,6 cm im C-Band).
Die Wellenlänge bestimmt die Breite des Aufnahmestreifens (100 km Schrägentfernungsreichweite oder "range resolution"), das ist die Länge des "Impuls-Streifens". Die Wellenlänge bestimmt aber auch die Eindringtiefe der Strahlen, was nachfolgende Grafik zeigt:

Welche Tiefenbereiche wirken als Reflektoren?


Für ERS ist die mittlere Spalte zutreffend.

oben: bei Vegetation
mittig: bei trockenem Boden
unten: bei Schnee bzw. Eis (L-Band)

Durch die Bahngeschwindigkeit zusammen mit der Impulsdauer des Senders (0,1 Mikrosekunden) ist die Azimutauflösung, "azimut resolution" von 12,5 m festgelegt. Dies ist die Breite eines "Impuls-Streifens". Jeder "Impuls-Streifen" ergibt eine Pixelreihe im Radarbild. Diese Pixelreihe realisiert einen Erdbodenstreifen von 12,5 m x 100 km.
Ein SAR-Bild in der Größe 100 km x 100 km besteht damit aus 8000 "Impuls-Streifen".

Nun zu den Interpretationsproblemen

Aus E. Löffler, Geographie und Fernerkundung, Seite 200ff
In: Teubner Studienbücher Geographie, Stuttgart 1994

"Entscheidend für die Stärke des Radarechos und damit für den Helligkeitswert sind die Lage des Geländeabschnitts in Bezug auf den Radarstrahl, dessen Wellenlänge, die Oberflächenmerkmale des Geländes, wie Hangneigung, Relief, Gestein, Bodenfeuchtigkeit und Vegetationsbedeckung sowie die elektrische Leitfähigkeit (Dieleketrizitätskonstante) des angestrahlten Materials. Steile, dem Radarstrahl zugeneigte Hänge werfen ein stärkeres Echo zurück, erscheinen also heller als flachere Hänge oder gar Ebenen, die nur ein geringes Echo erzeugen und daher relativ dunkel erscheinen. Dem Strahl abgewandte Hänge reflektieren je nach Neigung entweder sehr wenig oder überhaupt keine Strahlung. Der Extremfall des fehlenden Radarechos tritt ein, wenn die Hangneigung größer ist als der Winkel des einfallenden Radarstrahls. Der Hang liegt dann im Radarschatten und erscheint auf dem Bild schwarz."

"Während Einfallswinkel und Makrorelief die großräumige Bildzusammensetzung bestimmen, sind für das Detail Oberflächenrauigkeit, Wellenlänge und elektrische Leifähigkeit des angestrahlten Materials entscheidend.

Unter Oberflächenrauigkeit versteht man das Maß der Unregelmäßigkeit einer Oberfläche. Sie stellt jedoch kein absolutes Maß dar, sondern hängt von der Wellenlänge der auftretenden Strahlen ab. Erscheinungen, deren Oberflächenrauigkeit geringere Amplituden aufweist als die Wellenlänge, erscheinen als spiegelnde Flächen und reflektieren alle Strahlung; ist die Rauigkeit größer als die Wellenlänge, wird die Strahlung diffus reflektiert. Ebenfalls wie Spiegel wirken Erscheinungen mit sehr hoher Leifähigkeit, wie metallische Gegenstände (Brücken, Bahngleise). Auch Wasser und feuchter Boden reflektieren stark, während schlechte Leiter wie Schnee, Sand und trockener Boden schwach reflektieren.

Man sollte daher erwarten, dass metallische Gegenstände und glatte Oberflächen auf dem Radarbild hell, Sand und Schnee dunkel erscheinen. Dies ist jedoch in der Regel nicht der Fall; denn die schräg einfallenden Radarstrahlen werden von einer stark reflektierenden Fläche im Winkel des Einfalls und nicht zum Aufnahmegerät reflektiert, es sei denn, der Gegenstand ist so orientiert, dass die Radarstrahlen praktisch senkrecht auf ihn treffen."

Zusammenfassung:

Relief:
Hänge, die zum Satelliten gewandt sind, reflektieren stark, sind immer hell.
Leitfähigkeit:
Wasserflächen, Eisenbahnschienen, feuchte Böden reflektieren sehr stark, wirken aber weitgehend unabhängig von ihrer Oberfläche als "Spiegel". Wegen der schrägen Aufnahmetechnik können diese Strahlen den Empfänger im Normalfall nicht erreichen. Leitfähige Flächen sind deshalb sehr dunkel. Einen hellen See gibt es deshalb nicht, es sei denn, er trägt eine Eisschicht oder es gibt Wellengang über 6 cm Höhe (das ist sehr wenig).
Oberflächenrauigkeit:
Flächen mit geringer Rauigkeit (Amplitude von weniger als 5,6 cm im Falle des C-Bands) wie Straßenflächen, gemähte Wiesen, Flugfelder, eingeebnete Ackerflächen und Schnee reflektieren grundsätzlich sehr stark, sie wirken aber wie Spiegel und erscheinen deshalb zumeist sehr dunkel, da die Strahlen die Antenne nicht erreichen. (Einfallswinkel = Ausfallwinkel)
Flächen mit großer Rauigkeit (Amplitude größer als 5,6 cm im C-Band) wie Pflanzen, Gebäude und Wasserwellen zeigen diffuse Reflexion. Hier haben reflektierte Strahlen wegen der diffusen Reflexion eher die Chance den Empfänger beim Satelliten zu erreichen. Diese Flächen erscheinen hell. Sind die Teilflächen z.B. der Bäume relativ groß und zusätzlich dem Radarstrahl zugewandt (trifft bei Bäumen immer zu), so gibt es eine zusätzliche Aufhellung bei Wäldern. Ein sommerlicher Laub-Wald erscheint deshalb heller als ein Nadelwald oder als ein Laub-Wald in der kalten Jahreszeit.