Mit der Image Analyst-Lizenz verfügbar.
Synthetic Aperture Radar (SAR) ist ein Radarsensor-Typ. Der SAR-Sensor ist an einem Flugzeug oder Satelliten montiert und ist seitlich ausgerichtet statt senkrecht nach unten (Nadir). Er ist ein aktiver Sensor, der elektromagnetische Wellen an die Erdoberfläche sendet und das reflektierte Signal empfängt. Die vom Sensor empfangene elektromagnetische Welle wird als gemessene Rückstreuung bezeichnet. Ein SAR-Bild ist ein 2D-Rendering der gemessenen Rückstreuung.
Ein SAR-Bild wird in der Regel in Form von zwei Produkttypen bereitgestellt: Ground Range Detection (GRD) und Single Look Complex (SLC). GRD-Produkte werden gemittelt, um ein Bild mit mehreren Sichten zu erzeugen, das mithilfe eines ellipsoidförmigen Erdmodells auf die Ebenenentfernung projiziert wird. Ein GRD-Bild wird als reellwertiges Array gespeichert, in dem der Wert jedes Pixels die Amplitude des Signals der gemessenen Rückstreuung repräsentiert. SLC-Produkte sind Bilder in der Bildebene für die Datenerfassung, auch als Schrägentfernungsebene bezeichnet. Ein SLC-Bild wird als komplexwertiges Array gespeichert, in dem der einzelne komplexe Wert in jedem Pixel die Amplitude und Phase des Signals der gemessenen Rückstreuung repräsentiert.
Ein hoher Digitalnummernwert (DN) für die Amplitude eines SAR-Bildpixels stellt eine starke Rückstreuung dar, während ein niedriger DN eine schwache Rückstreuung darstellt. Die Stärke der Amplitude der gemessenen Rückstreuung wird für die Unterscheidung der Features am Boden genutzt. Anhand der Zeitverzögerung zwischen der gesendeten und empfangenen elektromagnetischen Welle wird die Position der Features ermittelt.
Aktives Fernerkundungssystem
Ein Sensor kann als passiv oder aktiv klassifiziert werden. Ein passiver Sensor mit optischen Systemen erfasst elektromagnetische Wellen, die von der Sonne ausgehen und von der Bodenoberfläche reflektiert werden. Ein aktiver Sensor, der von SAR-Systemen verwendet wird, fungiert sowohl als Quelle als auch als Empfänger. Das heißt, dass der Sensor die elektromagnetischen Wellen aussendet und die reflektierten Wellen empfängt. Anders als ein optischer Sensor funktioniert ein SAR-Sensor Tag und Nacht unabhängig von der Sonne, da er sein eigenes Signal aussendet.
Wellenlänge von Mikrowellen
Durch aktive Fernerkundungssysteme kann ein SAR-Sensor im Vergleich zu einem optischen Sensor Bilddaten mit längeren Wellenlängen erfassen. Während ein optischer Sensor Wellenlängen vom Sichtbaren (4 x 10-7) bis zum thermalen Infrarot (15 x 10-6 Meter) verwendet, werden beim SAR-Sensor Wellenlängen von Mikrowellen verwendet, die vom K-Band (7,5 x 10-3 Meter) bis zum P-Band (1 Meter) reichen.
Die Wellenlängen von Mikrowellen machen SAR bei den meisten Bänder zu einem Allwetter-Imaging-System. Die längeren Wellenlängen der C-, S-, L- und P-Bänder ermöglichen es den SAR-Sensorwellen, Wolken, Nebel, Staub, Smog und Rauch zu durchdringen, wodurch sie besser für die Überwachung feuchter Tropengegenden und höherer Breitengrade geeignet sind. Sowohl Niederschlag als auch Wolken verringern die Stärke eines K-Band-Signals, während das X-Band-Signal nur durch Niederschlag verringert wird. Regenkerne und Hydrometeore von schweren Stürmen können die Stärke von K-Band-, X-Band- und C-Band-Signalen verringern. Ein SAR-Bild für diese Bänder weist eine geschwächte Rückstreuung für die Pixel auf, bei denen sich das Signal mit Features von schweren Stürmen überschneidet. Regenkerne entstehen bei hohen Niederschlagsraten (über 125 mm/h), während Hydrometeore Wolken aus Regentropfen sowohl in der flüssigen als auch in der schmelzenden Phase sind.
Die für SAR-Systeme charakteristischen Wellenlängen von Mikrowellen liefern auch eindeutige Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Erdoberfläche, wie Rauheit, Dichte und Feuchtigkeitsgehalt. Die Wellenlängen von Mikrowellen streuen normalerweise unterschiedlich, abhängig davon, von welchem Feature sie reflektiert werden. Die verwendete Wellenlänge wirkt sich stark auf die im SAR-Bild erfassten Features aus. Wenn die Wellenlänge länger als das betreffende Feature ist, wird das Feature nicht von der elektromagnetischen Welle erkannt. Das L-Band ist beispielsweise ideal für die Hochwasserkartierung in tropischen Wäldern, wo Baumkronen die Sicht der optischen Sensoren auf den Boden verdecken. Die Baumkronenblätter werden von den längeren L-Band-Wellenlängen von 15 bis 30 cm nicht erfasst, sodass die Wellen die Baumkronen durchdringen und den überfluteten Boden darunter abbilden können. In diesem Szenario würden X-Band-Daten mit Wellenlängen von 2,4 bis 3,75 cm ausgehend von den Baumkronen gestreut werden und ein SAR-Bild erzeugen, das die Baumkronen anstelle des überfluteten Bodens hervorhebt.
Wellenlängen von Mikrowellen können auch Materialien wie Erde, Schnee und Eis durchdringen. Je länger die Wellenlänge, desto größer die Eindringtiefe. Je höher jedoch der Feuchtigkeitsgehalt des Materials, desto flacher die Eindringtiefe. Diese Charakteristik wird verwendet, um gefrorenen und nicht gefrorenen Boden zu unterscheiden.
Bei den meisten Wellenlängen von Mikrowellen gilt: Glatte, horizontale Features wie Straßen, Landebahnen, ausgetrocknete Flussbetten, ebener Boden, stehende Gewässer und Sand reflektieren die elektromagnetischen Wellen vom Sensor weg und weisen Pixel mit schwacher Rückstreuung (niedrigem Digitalnummernwert) auf. In ähnlicher Weise reflektieren von Menschen gemachte Objekte mit reflektierendem Material und scharfen Geometrien, wie Gebäude und Schiffe, bei den meisten Wellenlängen von Mikrowellen die elektromagnetischen Wellen zurück zum Sensor und zeigen Pixel mit starker Rückstreuung (hohem Digitalnummernwert).
Die folgende Tabelle fasst die verschiedenen Features und Anwendungen zusammen, die für die einzelnen Bänder und ihre zugehörigen Wellenlängen möglich sind:
Radaranwendungen für jeden Bandtyp
| Anwendung | K-Band | X-Band | C-Band | S-Band | L-Band | P-Band |
|---|---|---|---|---|---|---|
Wellenlänge (cm) | 0,75 bis 2,4 | 2,4 bis 3,75 | 3,75 bis 7,5 | 7,5 bis 15 | 15 bis 30 | 30 bis 100 |
Niederschlagsdurchdringung |  | | | | ||
Durchdringung von Hydrometeoren oder Regenkernen | | | | |||
Durchdringung durch Wolken, Nebel, Staub, Smog oder Rauch | | | | | | |
Geringe bis mittlere Durchdringung des Nutzpflanzenschirms | | | ||||
Hohe Durchdringung des Nutzpflanzenschirms | | | ||||
Durchdringung von trockenem Alluvialboden | | | | | | |
Durchdringung von trockenem Schnee und Eis | | | | | | |
Durchdringung von feuchtem Boden | | | | | | |
Kartierung der Erdoberfläche | | | | | | |
Hochwasserkartierung | | | | | | |
Kartierung von überflutetem Grasland | | | | |||
Kartierung von überflutetem Schilf und Unterholz | | |||||
Kartierung von überflutetem Pflanzenschirm | | | ||||
Kartierung der Baumkronen | | | ||||
Überwachung von Meereis | | | | | | |
Kartierung von Ölverschmutzung | | | | | | |
Überwachung der Bodenfeuchte | | | | | | |
Polarisierung
Neben der Erfassung längerer Wellenlängen bietet die aktive Fernerkundung auch die Möglichkeit, die Polarisierung der übertragenen elektromagnetischen Wellen zu steuern. Dadurch, dass der SAR-Sensor sowohl die gesendete als auch die empfangene Polarisierung definiert, können im resultierenden SAR-Bild verschiedene Features auf der Erdoberfläche abhängig von der Rückstreuung hervorgehoben werden. Die SAR-Datenpolarisierung wird durch zwei Buchstaben wiedergegeben, wobei der erste der gesendeten Polarisierung und der zweite der empfangenen Polarisierung entspricht.
Dual polarisierte SAR-Bilder enthalten entweder VV-, VH-polarisierte Daten oder HH-, HV-polarisierte Daten. Bei VV-, VH-Produkten sendet der Sensor vertikal polarisierte Wellen und empfängt vertikal polarisierte (VV) oder horizontal polarisierte (VH) Wellen. Bei HH-, HV-Produkten wiederum sendet der Sensor horizontal polarisierte Wellen und empfängt horizontal polarisierte Wellen (HH) oder vertikal polarisierte Wellen (HV). Wenn die gesendeten und empfangenen Wellen die gleiche Polarisierung haben, werden die Daten als kopolarisiert bezeichnet. Wenn die gesendeten und empfangenen Wellen nicht die gleiche Polarisierung haben, werden die Daten als kreuzpolarisiert eingestuft. Wie die Wellenlänge wirkt sich auch die verwendete gesendete und empfangene Polarisierung stark auf die im SAR-Bild erfassten Features aus und muss berücksichtigt werden.
Räumliche Auflösung
Durch das aktive Fernerkundungssystem kann ein SAR-Sensor seine räumliche Auflösung künstlich erhöhen. Ein SAR-Sensor sendet elektromagnetische Wellen mit einem Chirp variierender Frequenz aus, der als Marker in den empfangenen Wellen dient. Während ein Satellit kreist oder ein Flugzeug entlang seiner Bahn fliegt, erfasst der SAR-Sensor einen Punkt auf der Bodenoberfläche mehrfach. Mit dem Chirp-Marker kann die Position der empfangenen Wellen identifiziert werden. Dieses Feature in Kombination mit Signalverarbeitungstechniken ermöglicht es einem SAR-Sensor mit einer kurzen Antenne, diese künstlich zu verlängern und damit die räumliche Auflösung zu verbessern. Um die Position der empfangenen Welle am Boden zu identifizieren, muss der SAR-Sensor zur Seite ausgerichtet sein. Wenn ein SAR-Sensor auf den Nadir (Fußpunkt) ausgerichtet ist (gerade nach unten zeigt), kann die Laufzeit nicht als Unterscheidung zwischen Features herangezogen werden, die sich in gleichem Abstand vom Sensor auf gegenüberliegenden Seiten befinden.
Durch die Eigenschaften von SAR-Sensoren ist zwar ein einzigartiges Rendern von Boden-Features möglich, aber sie bringen auch besondere Herausforderungen bei der Verarbeitung mit sich. Zu den häufigsten Herausforderungen gehören das Beseitigen von thermalem Rauschen, das Kalibrieren für einen sinnvollen Rückstreuungswert, das Entfernen von Speckle-Rauschen und das Entfernen von radiometrischen und geometrischen Verzerrungen.