RADAR „Radio Detection And Ranging“ Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Ein aktives Sensorsystem Antenne des RADAR: Sender/Empfänger von Mikrowellenimpulsen A: seitliche Aussendung von Mikrowellensimpulsen B: Oberfläche-spezifische Reflexion der Strahlung C: Empfangen der in ihrer Richtung reflektierten Strahlung Bestrahlte Fläche Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie Seitliche Aussendung von Mikrowellenimpulsen (Antenne) Flugrichtung Wellenfront bestrahlte Fläche Breite des erfassten Geländestreifens Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Erzeugung von polarisierten Mikrowellenimpulsen Horizontale Polarisation Vertikale Polarisation Antenne Mikrowellen: Elektromagnetische Wellen mit Wellenlänge von 1mm bis 1m Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Einfluss der Rauhigkeit auf die Helligkeit eines Radarbildes (1) Satellitenbild Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Einfluss der Rauhigkeit auf die Helligkeit eines Radarbildes (2) Nur ein Teil der ausgesendeten Strahlung kehrt zur Antenne zurück Glatte Oberfläche (See) =>Totale Reflexion => kein Echosignal => schwarz im Bild (Hell.=0) grobe Oberfläche (Vegetation) => Streuung der reflektierten Strahlung in verschiedenen Richtungen + Interferenzen => höheres Echosignal => hell im Bild (hohe Helligkeit) Die Helligkeit des Bildes nimmt mit der Rauhigkeit der bestrahlte Fläche zu Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Einfluss der Hangneigung auf die Helligkeit eines Radarbildes Je steiler die Hangneigung ist, um so stark ist das zurückkehrende Signal, und somit um so groß sind die zugehörigen Helligkeitswerte des Bildes Kein Echosignal für diese Fläche („shadow“) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Einfluss der Ecken auf die Helligkeit eines Radarbildes Effekt der Ecken (Gebäude): das Eingangssignal wird genau in die Richtung der Antenne stark reflektiert => hohe Helligkeitswerte (weiße Zelle) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie Speckle-Rauschen Homogenen Flächen (Acker) weisen in einem Radarbild „körnige“ abrupte Variationen der Helligkeit (Noise) auf Diese zufälligen abrupten Helligkeitsvariationen sind durch die konstruktiven und destruktiven Interferenzen der zurückkehrenden Signale bedingt (starker Scattering-Effekt) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Physikalische Ursache ist die Existenz von Interferenzerscheinungen. Es gibt Bildpunkte, an denen sich die von einer rauhen Oberfläche bzw. von einem inhomogenen Volumen zurückgestreuten Wellenzüge der bilderzeugenden Strahlung durch Interferenz zufällig auslöschen, und es gibt andere Bildpunkte, an denen sich diese Wellenzüge so überlagern, daß Interferenzmaxima entstehen. Auf dem Weg von der Antenne zum Zielgebiet besitzen die Radarwellen die gleiche Phase, sie beeinfflussen sich nicht gegenseitig. Dieses ändert sich beim Erreichen der Oberfläche, gegenseitige Wechelwirkungen finden statt. Danach weisen die Wellen Phasendifferenzen auf. Gründe dafür sind Unterschiedliche Entfernung auf dem Weg von der Antenne zum Zielgebiet oder Vielfachstreuung = multiple scattering  z.B. in Baumkronen Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie Speckle-Effekt Die abgebildete Oberfläche ist eine Grasfläche. (A) Ohne Speckleeffekte würde dieses homogene Feld in helleren Pixeltönen erscheinen . (B) Werden innerhalb jeder Auflösungszelle die Rexlexionen von den individuellen Grashalmstellungen beeinflusst, erscheinen im Bild einige Pixel heller und einige dunkler (B) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Verarbeitung des Speckle- Rauschens durch den „Multi-look“ Pozess Die in einem Radarbild benachbarten erfassten Geländestreifen (die „1 Look“- Linien) können gruppiert werden, um größere Zellen zu bilden. Der Mittelwert der Werte der 4 Originalzelle wird berechnet und der erzeugten Zelle zugeordnet. So reduziert sich das Speckle des Gesamtbildes. Dieser Prozess erfolgt jedoch auf die Kosten der Auflösung (4Zellen->1Zelle). Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Verarbeitung des Speckle - Rauschens durch eine Filterung Eine Filtermatrix (Kernel) wandert über jeden Pixel des Ausgangsbildes, wobei die benachbarten Pixelwerte mit dem zentralen Pixelwert verknüpft werden. Der neu errechnete Wert wird dem Zentralpixel zugeordnet. Einfache Filter zum Reduzieren Rauschen hoher räumlichen Frequenz: Low-Pass und Median Filter. Speziale Filter zum Reduzieren des Speckle-Effekts: Sigma, Frost, Lee und Kuan Filter. Sie basieren auf die Standardabweichung der Helligkeit des ganzen Bildes. Bei der Filterung ist ein Kompromiss zu finden, zwischen Reduzierung des Rauschens und Verlust an Information hoher räumlichen Frequenz (Kanten, Grenzen….) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Verzerrungen Geometrische Verzerrungen sind zum einen auf den Seitensichtcharackter und zum anderen darauf zurückzuführen, dass ein Radar ein Gerät zur Distanzmessung (Schrägdistanzen) ist Obwohl die Ziele A1 und B1 die gleiche Größe im Grundriss (ground range) haben, erscheinen ihre Dimensionen in Schrägsicht (slant range) unterschiedlich. Dieser Effekt bewirkt in naher Reichweite eine Stauchung. Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Eigenschaften des Signals A = incidence angle (Einfallswinkel) B = look angle (Blickwinkel) C = slant range distance radiale Entfernung vom Sensor zu jedem beliebigen Punkt der Oberfläche innerhalb der Radarreichweite (swath) D = ground range distance die dem in slant range gemessenen Punkt zugehörige wahre horizontale Distanz entlang des Grundes (d.h. Distanz vom Nadirpunk zum Zielpunkt)  Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Verzerrungen Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Verzerrungen Die Verzerrung (Kompression) ist stärker in dem Nahbereich des Signals Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Verzerrungen Verkürzungs- und Überlagerungseffekte Sie entstehen in Abhängigkeit von der Lage eines Geländeabschnitts in Bezug auf den Radarstrahl Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Geometrische Verzerrungen Radarbild (Tibet) F: Forshortening-Effekt L: Layover-Effekt Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Vorteile des RADAR (im Vergleich zu den passiven Sensorsystemen) Wetterunabhängig (hoher Transmissionsgrad der Mikrowellen in der Atmosphäre) Aufnahme Tag und Nacht (aktives Sensorsystem) Tiefere Erkundung der Oberfläche (Eindringtiefe der Mikrowellen größer) Reiche Info. über den Wasserhaushalt natürlicher Oberflächen (Reflexionsgrad ist durch die Dieelektrizität der Materialien stark beeinflusst) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie Nachteile des RADAR Zurückkehrende Radarsignale enthalten keine eindeutige spektrale Eigenschaften Grobes Auflösungsvermögen (große Wellenlänge + Antennelänge) geringe Emission => Überlagerung der zurückkehrenden Signalen durch andere Strahlungsquellen Komplizierte Auswertung der Messergebnisse (Forschung…) Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie

Rauhigkeit und Wellenlängen Sylvain Bonnet, Lehrstuhl für mathematische Geologie