Dissertationen - DGK

2. Radar mit synthetischer Apertur
In diesem Kapitel werden die wesentlichen Grundlagen von Radar mit synthetischer Apertur (SAR:
Synthetic Aperture Radar) und dessen Abbildungseigenschaften beschrieben. Ausgehend von der Beschreibung
des Grundprinzips abbildender Radarsysteme (Abschnitt 2.1) werden die geometrischen, die
radiometrischen und die statistischen Eigenschaften von SAR-Bilddaten erläutert (Abschnitte 2.2, 2.3
und 2.4). In Abschnitt 2.5 wird das Konzept der SAR-Polarimetrie vorgestellt. Abschließend folgt eine
kurze Beschreibung der SAR-Systeme, deren Daten in dieser Arbeit verwendet werden (Abschnitt 2.6).
2.1 Grundprinzip und Auflösung abbildender Radarsysteme
Der Begriff Radar steht für Radio Detection and Ranging und bezeichnet ein Verfahren zur Zielerfassung
und Entfernungsmessung mittels Funkmesstechnik. Die Aufgabe der ersten Radaranwendungen
bestand in der Detektion von Flugzeugen und Schiffen im zweiten Weltkrieg. Vor diesem militärischen
Hintergrund begann rund dreißig Jahre später die Entwicklung von Radarverfahren für die Fernerkundung.
Radar ist ein aktives Verfahren, das die elektromagnetische Strahlung zur „Beleuchtung“ der aufzunehmenden
Objekte selbst aussendet und über eine Antenne wieder empfängt. Radarsysteme arbeiten mit
Mikrowellen im Wellenlängenbereich zwischen 1m und 1mm (0,3– 300GHz). Bei Mikrowellen wird
das elektromagnetische Spektrum in Frequenzbänder aufgeteilt. Tabelle 2.1 gibt einen Überblick über
die genutzten Frequenzbänder und deren Bezeichnungen.
Band Frequenz Wellenlänge
K 10.9–36.0 GHz 27.5–8.33mm
X 5.75–10.9 GHz 5.21–2.75cm
C 4.2–5.75 GHz 7.14–5.21cm
S 1.55–4.2 GHz 19.4–7.14cm
L 0.39–1.55 GHz 76.9–19.4cm
P 0.225–0.39 GHz 133–76.9cm
Tabelle2.1. Frequenzbänder im Mikrowellenbereich aus (Ulaby et al., 1981)
Die Atmosphäre ist für Mikrowellen mit Frequenzen unterhalb von 20GHz nahezu durchlässig, d.h.
selbst kleine Wassertropfen können durchdrungen werden. Dadurch sind Radarverfahren auch bei Wolken,
Nebel und Regen einsetzbar (Lillesand und Kiefer, 1994).
In der Fernerkundung lassen sich drei Kategorien aktiver Mikrowellensysteme unterscheiden: Altimeter,
Scatterometer und abbildende Systeme. Die beiden ersten, nicht-abbildenden Systeme sind nicht weiter
Gegenstand dieser Arbeit. Abbildende Radarsysteme liefern nach der Bildgenerierung die Abbildung
einer Oberfläche im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Ein besonderes Merkmal
abbildender Radarsysteme ist ihre Aufnahmegeometrie. Der Sensor blickt senkrecht zur Flugrichtung
seitlich schräg nach unten auf die Erdoberfläche (Abbildung 2.1). Diese Systeme werden deswegen auch
als Seitensichtradare (SLAR: Side Looking Aperture Radar) bezeichnet. Für abbildende Radarsysteme
ist die Seitensicht eine notwendige Voraussetzung, da zur räumlichen Trennung der Signale die Laufzeit
verwendet wird. Benachbarte Bodenpunkte in der Nähe des Nadirs können nicht aufgelöst werden, weil
sie fast die gleiche Laufzeit haben.
Im Wesentlichen gibt es zwei unterschiedliche Sensortypen für Seitensichtradare: Systeme mit realer
Apertur (RAR: Real Aperture Radar) und Systeme mit synthetischer Apertur (SAR: Synthetic
Aperture Radar). Als Apertur wird in der Radarliteratur die Länge der Antenne bezeichnet. Das Aufnahmeprinzip
ist für beide Sensortypen gleich.
2.1.1 Grundprinzip abbildender Radarsysteme
Die Radarantenne sendet extrem kurze, kohärente Mikrowellensignale von hoher Energie senkrecht
zur Flugrichtung schräg nach unten ab. Die Energie wird nicht in alle Richtungen gleichmäßig abge-
11