Wie kann man unseren Planeten in seiner Komplexität erfassen, verstehen und in kurzen Intervallen so überwachen, daß gefährliche Veränderungen rechtzeitig erkannt werden und sich – im Rahmen internationaler Vereinbarungen – Maßnahmen dagegen treffen lassen? Diesem Zweck dienen insbesondere alle Raumfahrt-Fernerkundungsprojekte, die Land- und Wasseroberflächen (einschließlich polarer Gebiete) beobachten sowie charakteristische Parameter des Zustands der Atmosphäre messen. Mit solchen Daten lassen sich vorhandene Modelle für das in seiner Komplexität längst noch nicht verstandene System Erde überprüfen und weiterentwickeln oder auch neue Modelle entwerfen.

Eine kontinuierliche Beobachtung der Erdoberfläche erfordert regelmäßige Aufnahmen jedes Gebiets in Abständen von wenigen Tagen. Das können nur abbildende Radarsysteme an Bord von Raumfähren oder Satelliten leisten, weil sie nicht auf das Tageslicht angewiesen sind und kaum von der Wettersitutation abhängen: Zum einen wirkt der Radarstrahl selbst als Beleuchtungsquelle, während optische oder thermische Sensoren passiv arbeiten; zum anderen vermögen Mikrowellen Wolken zu durchdringen. Weil das ausgesandte Signal bekannt ist, lassen sich dessen Reflexionen damit vergleichen und quantitativ interpretieren.

Das SAR-Prinzip

Bei vorgegebener Antennengröße verschlechtert sich das Auflösungsvermögen abbildender Radarsysteme, also der geringste Abstand, in dem zwei Objekte noch unterscheidbar sind, zunächst mit wachsender Wellenlänge. Solche Systeme senden Mikrowellen im Spektralbereich von einigen Millimetern bis Dezimetern aus. Um etwa bei einer Wellenlänge von 5,7 Zentimetern in rund 200 Kilometern Entfernung noch Objekte von 10 Metern Größe zu unterscheiden, würde man eine Antenne von einem Kilometer Durchmesser benötigen.

Realisierbare Dimensionen ermöglicht ein Verfahren, das in der terrestrischen Radioastronomie in Large-Array-Teleskopen eingesetzt wird: Indem man die Antenne bewegt und die aufgenommenen Daten mit der Bewegung verrechnet, läßt sich eine viel größere Antennenfläche simulieren; daher rührt die Bezeichnung synthetische Apertur (lateinisch für Öffnung, ein Maß für die Fähigkeit abbildender Systeme, Details deutlich wiederzugeben). In unserem Falle spricht man von Synthetik-Apertur-Radar oder kurz SAR (Spektrum der Wissenschaft, Mai 1987, Seite 22, und März 1991, Seite 22).

Die für hohe geometrische Auflösung erforderliche synthetische Apertur wird durch Abfliegen einer Strecke aufgebaut, die so lang ist wie der jeweils vom Radar beleuchtete Fleck auf der Erde. Dabei sammelt der Sensor die rückgestreuten Signale eines jeden Punktes. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der verstrichenen Zeit an Bord, der Entfernung zwischen Sensor und Punkt am Boden und der Doppler-Frequenz, also der Frequenzverschiebung beim Vorbeiflug. Im Rechner der Bodenstation werden diese Signale dann so zusammengesetzt, als hätte man eine entsprechend lange Antennenfläche für eine Momentaufnahme zur Verfügung; entsprechend gut ist die Auflösung in Flugrichtung.

Quer dazu läßt sich keine synthetische Apertur erzeugen. Zur Auflösung in dieser Richtung benutzt man die Länge der Radarpulse beziehungsweise deren zeitliche Unterteilung. Anders als bei lichtoptischen Systemen wird nämlich die unterschiedliche Laufzeit der Radarsignale in einem kegelförmigen Strahl gemessen, der einen breiten Streifen der Erdoberfläche überstreicht. Dabei blickt der Sensor nicht senkrecht nach unten, sondern unter einem Winkel. Die reflektierten Signale werden um so schneller empfangen, je steiler der Blickwinkel ist. Um Zeitpunkte zu markieren, verwendet man Radarpulse statt kontinuierlicher Signale. Eine untere Grenze der Auflösung in Querrichtung ist durch die Pulslänge gegeben; es darf also kein zweiter Radarpuls einen Bodenstreifen treffen, solange nicht alle reflektierten Signale empfangen sind.

Je kürzer der Puls ist, desto höher kann die Auflösung sein. Andererseits muß die ausgesandte Leistung hoch genug bleiben, um das Signal vom Rauschen abzuheben. Somit ist eine minimale Pulslänge vorgegeben. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern, unterteilt man den Puls durch aufgeprägte Frequenzen (Chirp): Anfangs moduliert man tiefere Frequenzen auf als zum Schluß. Das rückgestreute Signal wird mit entsprechenden Frequenzfiltern untersucht und der Sendezeitpunkt ermittelt. Die Bandbreite des Chirps bestimmt die Auflösung; sie beträgt beispielsweise bei 20 Megahertz und einem Blickwinkel von 45 Grad etwa 20 Meter.


Multifrequente SAR-Systeme

Die SAR-Satelliten SEASAT, ERS-1 und JERS-1 waren nur für eine Frequenz ausgelegt. Die neue, sicherlich auf Jahre hinaus leistungsfähigste Generation von SAR-Systemen ist eine Kombination zweier Instrumente, die zusammen gleich drei unterschiedliche Frequenzen des Mikrowellen-Spektrums aufnehmen, quasi wie optische Systeme Farben sehen. Sie werden auf amerikanischen Raumfähren jeweils etwa zehn Tage pro Mission eingesetzt (Bild 1). Das amerikanische SIR-C (Shuttle Imaging Radar-C) arbeitet im L- und im C-Band, das heißt bei 1,25 beziehungsweise 5,3 Gigahertz. Es vermag zudem die vertikale und horizontale Schwingungsebene der Radarwellen zu unterscheiden, also polarisiert zu senden und zu empfangen; auch Kreuzpolarisation ist möglich, etwa vertikal schwingende Wellen zu senden und deren horizontal rückgestreute Komponente zu empfangen. Als total power bezeichnet man den unpolarisierten Empfang. Das Instrument wurde am Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena (Kalifornien), einer Einrichtung der NASA, entwickelt und von einem amerikanischen Industrieunternehmen gebaut. X-SAR, der Sensor der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR), arbeitet im X-Band bei 9,6 Gigahertz und vertikaler Polarisation. Er wurde von der DLR konzipiert und im Auftrag der deutschen und italienischen Raumfahrtagenturen (DARA und ASI) von Unternehmen in beiden Ländern gebaut. Die nominale Auflösung beträgt 25 Meter, der abgebildete Streifen Erdoberfläche mißt 15 bis 60 Kilometer je nach Betriebsart und Beobachtungswinkel; der läßt sich von 15 bis 55 Grad zum Lot auf die Erdoberfläche, dem Nadir, variieren. Die Radarpulse haben eine Spitzenleistung von 3,3 Kilowatt, das entspricht im zeitlichen Mittel etwa 240 Watt. Der Fokus ist ellipsenförmig mit 0,8 Kilometern Länge (in Flugrichtung) und je nach Beobachtungswinkel 15 bis 60 Kilometern Breite (quer zur Flugrichtung). Im Vergleich zum Radarsensor von ERS-1 vermag das kombinierte System SIR-C/X-SAR in allen drei Frequenzbereichen viel besser den Rauschuntergrund aus Wärmestrahlung der Erde und Eigenrauschen des Instruments zu trennen. Ein Grund ist die geringere Flughöhe der Raumfähren von etwa 225 Kilometern gegenüber den rund 800 Kilometern des Satelliten, denn das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich mit der dritten Potenz des Abstands zur Erdoberfläche. Des weiteren steht an Bord eines Shuttles mehr Signalleistung zur Verfügung. Auch ist der Speckle-Effekt (benannt nach dem englischen Wort für Fleck, Sprenkel oder Tüpfel), der grießige Bilder erzeugt, bis zu dreimal besser unterdrückt. Dieses radarspezifische Phänomen entsteht in den Bildelementen durch die vektorielle Addition der an einzelnen Streuzentren reflektierten Radarsignale; dadurch kann ein Bildelement von seinem mittleren Grauwert extrem abweichen, also auch weiß oder schwarz werden – je nachdem, ob sich die Vektoren positiv summieren oder gegenseitig auslöschen. Setzt man nun solche im Grauwert stark schwankenden Bildelemente zusammen, entsteht der grießige Eindruck. Zur Abhilfe unterteilt man die synthetische Antennenlänge in mehrere Teilstücke und verarbeitet deren Daten separat zu Bildern (sogenannten Looks) der gesamten Szene. Weil sie unterschiedliche Blickwinkel zeigen, sind die Speckles in der Überlagerung reduziert (obgleich die einzelnen Looks durchaus grießig sein können). Dieselbe Prozedur kann man auch quer zur Flugrichtung anwenden, indem man die Bandbreite für unabhängige Looks unterteilt. Im X-SAR-Bildprozessor wird die Bildelementgröße von 25 mal 25 Metern unabhängig vom eingestellten Beobachtungswinkel erreicht, weil man in Flugrichtung und quer dazu die Anzahl der Looks entsprechend anpaßt. Dadurch wird der Speckle-Effekt stark unterdrückt, und man erhält eine photoähnliche Bildqualität. Die rückgestreuten Radarsignale werden von der Gerätekombination empfangen, verstärkt, in digitale Signale umgewandelt und an Bord des Shuttles in (neu entwickelten) Bandgeräten gespeichert. Jeder der neun Radarkanäle ( – V steht für vertikale, H für horizontale Polarisation, der erste Index charakterisiert jeweils die gesendete Welle) erzeugt etwa 45 Megabit pro Sekunde an Daten; bei vollpolarimetrischem Betrieb im L- und C-Band sowie Betrieb des X-Bandes müssen mithin rund 225 Millionen Bit pro Sekunde gespeichert werden. Insgesamt wurden bei den zwei bereits geflogenen Missionen rund 120 Billionen Bit (Terabit) aufgenommen; selbst mit modernsten Bandspeichertechniken waren mehr als 200 Kilometer Magnetband erforderlich. Vom Shuttle aus lassen sich Daten eines Kanals zu einem der amerikanischen Datenrelais-Satelliten funken und damit fast ohne Zeitverzögerung zum Boden übertragen. Das deutsch-italienische Bodenkontrollzentrum in Houston (Texas) verarbeitet X-SAR-Signale mit einem speziellen Computer in Echtzeit zu Übersichtsbildern. Diese Bilder helfen, zum einen die Funktionen von X-SAR zu kontrollieren und zum anderen interessante Phänomene sofort zu erkennen. Der in Deutschland bei Dornier entwickelte "Quick-Look"-Rechner enthält das entsprechende Programm als Hardware, sonst wäre die hohe Rechengeschwindigkeit nicht zu erreichen gewesen. Schon in der ersten Erprobungsmission funktionierte er so zuverlässig, daß sein Bildausgang des öfteren mit dem amerikanischen Fernsehkanal NASA select verbunden wurde, um die überflogenen Gebiete filmartig zu zeigen. Die an Bord gespeicherten Daten wurden am Boden in den USA vom JPL, in Deutschland von der DLR und in Italien von der ASI zu Präzisions-Bildprodukten für die wissenschaftlichen Nutzer weiterverarbeitet.

Missionsplan

Den Gedanken, ein multifrequentes SAR-System auf Raumfähren einzusetzen, haben DLR und NASA vor etwa zehn Jahren das erste Mal diskutiert. Etwas später schlossen sich die italienischen Kollegen an. Nach den positiv abgeschlossenen Systemstudien wählte man Experimentvorschläge aus und stellte ein Team von 52 verantwortlichen Wissenschaftlern aus 14 Staaten zusammen. Es vertritt die Fachdisziplinen Geologie, Hydrologie (einschließlich Schnee und Eis), Ozeanographie, Vegetationskunde und Radartechnik (die Kalibration der Radardaten wurde hier entwickelt).

In den Jahren vor der Mission legte das Team fest, welche Regionen, die ein Shuttle während einer Mission unterschiedlich oft überfliegt, als Testgebiete dienen sollten. Verlangt wurden überdies mehrere Missionen, um auch saisonale Änderungen zu erfassen. Von den rund 400 in Frage kommenden Regionen (in 44 Staaten und in Ozeangebieten) bekamen 19 den Rang von Supertestgebieten und 15 den von Ersatz-Supertestgebieten (Bild 2). Kriterien waren dabei:

- Alle Fachdisziplinen sollen mit Gegenden vertreten sein, von denen Bodendaten, Ergebnisse von Flugzeug-Meßkampagnen und Bilder von Erderkundungssatelliten zum Vergleich bereits vorliegen.

- Die Testgebiete müssen während der Mission mindestens vier- bis fünfmal mit unterschiedlichen Beobachtungswinkeln aufgenommen werden können; außerdem sollten dort Bodendaten wie Topographie, Vegetation und Bodenfeuchte kontrolliert und gegebenenfalls mit Flugzeug-SAR-Sensoren ergänzend gemessen werden.

- Die Testgebiete sollen möglichst für mehrere Disziplinen interessant und eventuell mit Kalibrationsgeräten bestückt sein.

Die drei Frequenzbänder und die polarimetrischen Fähigkeiten der kombinierten Instrumente sollen simultan genutzt werden, weil mehr Informationen die Klassifizierungsarbeiten erleichtern.

Beispiele für Supertestgebiete sind das Amazonas-Becken für ökologische Beobachtungen, die Galapagos-Inseln, die Anden und Nordafrika aus geologischem Interesse sowie ein Streifen in den südlichen Ozeanen, wo Strömungen und hoher Wellengang starke Wechselwirkungen zwischen Meer und Atmosphäre zur Folge haben. Die Region um Oberpfaffenhofen in Südbayern wurde ausgewählt, weil dort 60 Empfänger (20 für jede Frequenz) zur Kalibration aufgestellt sind und eine Fülle an Daten zur Vegetationskunde, Hydrologie und Geologie bereits vorhanden ist.


Organisatorischer Ablauf

Die kreisförmige Shuttlebahn, wie sie für die bisherigen zwei Missionen geplant wurde, hatte eine Neigung von 57 Grad gegen den Äquator (am Kreuzungspunkt gemessen) und Wendepunkte im Norden und Süden der Erde, so daß sich knapp 60 Grad nördliche und südliche Breite mit dem Radar noch erfassen ließen. Die mittlere Bahnhöhe betrug zu Anfang jeder Mission rund 225 Kilometer und sank bis auf etwa 205 Kilometer. Infolge der Erdabplattung sowie der regional jeweils unterschiedlichen Gravitation und Topographie variierte der Abstand zur Erdoberfläche zwischen 198 und 239 Kilometern. Die Bahn driftete zudem während der Mission nach Westen, so daß sich unterschiedliche Beobachtungswinkel auch für die einzelnen Supertestgebiete ergaben.


Typische Resultate

Die Radarrückstreuung hängt von vielen Faktoren ab: zum einen von den Materialeigenschaften, dem Feuchtigkeitsgehalt (mithin der Leitfähigkeit) sowie der Oberflächenform und -rauhigkeit des Grundes, zum anderen vom Einfallswinkel sowie von Frequenz und Polarisation der Mikrowellen. Schon bei vorbereitenden Flugzeug-Meßkampagnen ließen sich verschieden genutzte Landflächen wie Siedlungen, Wälder und Ackerland, sogar verschiedene Feldfrüchte, deutlich unterscheiden. Dies belegt auch eine Szene von Oberpfaffenhofen (Bild 3): Objektklassen wie Wald und landwirtschaftliche Gebiete reflektieren die einzelnen Frequenzen und Polarisationen in charakteristischer Weise; so entsteht ein mehrfarbiges Bild, in dem man beispielsweise Laubwaldgebiete identifizieren kann.

Auch sehr wasserreiche Gewitterwolken kann X-SAR abbilden (Bild 4 oben). Die Shuttle-Mission lieferte vermutlich die ersten derartigen Bilder aus dem Weltraum, aufgenommen über dem tropischen Regenwald von Brasilien. Bei den längeren Wellenlängen von SIR-C (und auch von ERS-1 und JERS-1) sind Wolken kaum zu sehen, weil die Wassertröpfchen viel kleiner als die verwendete Wellenlänge sind. Zwar beeinflussen Wolkenschichten wie auch Niederschläge die kurzen X-Band-Radarwellen nur wenig; ein extrem hoher Wassergehalt, der sintflutartige Regenfälle von etwa 150 bis 250 Liter pro Quadratmeter und Stunde ergibt, dämpft sie aber doch.

Während der ersten Mission war dieses seltene Phänomen auch über Zaire und dem Victoria-See in Afrika zu beobachten. Aus der Länge der Radarschatten und aus dem Beobachtungswinkel kann man auf die mittlere Höhe solcher Gewitterwolkentürme schließen.

Im L-Band zeichnen sich keine Wolken ab, weil die etwa sieben- bis achtmal längeren Radarwellen sie gut durchdringen. Doch lassen sich in diesem Frequenzbereich zugewachsene Flußläufe in unterschiedlichen Polarisationen deutlich vom umliegenden Tropenwald unterscheiden (Bild 4 unten) – ein gutes Beispiel für den höheren Informationsgehalt mehrfarbiger Radarbilder.

Ende September fand die zweite Mission statt. Schwerpunkte waren saisonale und topographische Veränderungen. Durch den multifrequenten Vergleich wurde beispielsweise ein Überschwemmungsgebiet im Urwald entdeckt, das mit optischen Sensoren nicht zu erkennen war; auch ließen sich gefrorene und aufgetaute Wälder kaltgemäßigter Zonen unterscheiden.

Indem derselbe Bahnumlauf während der letzen beiden Missionstage mit einer Genauigkeit von 20 bis 100 Metern immer wieder angeflogen wurde, war der Blickwinkel nur wenig verschieden, und man konnte erstmals Radar-Stereobilder aufnehmen und auswerten. Darin sind Gebirge und hügelige Landschaften wie die Vulkane Ätna auf Sizilien und Kilauea (ein Nebenkrater des Mauna Loa) auf Hawaii spektakulär räumlich zu sehen, und Veränderungen an der Erdoberfläche wie Schlammlawinen des Pinatubo (Philippinen) und ein Vulkanausbruch auf der Halbinsel Kamtschatka werden erkennbar.

Künftige Aufgaben von SIR-C/X-SAR könnten sein, die Biomasse von Wäldern zu erfassen, Wachstums- und Ruhephasen von Taiga und Tundra zu beobachten, die lokale und globale Feuchteverteilung zu messen, die Süßwasser-, Schnee- und Eisvorräte abzuschätzen, Ozeanströmungen und Wellengang zu überwachen, Ölverschmutzungen zu entdecken, eine Inventur geologischer Formationen vorzunehmen sowie Vulkanausbrüche, Überschwemmungen und andere Katastrophen und dynamische Veränderungen zu registrieren. Im Rahmen der internationalen "Mission zum Planeten Erde" sollten nach der Jahrhundertwende mehrere Plattformen mit derartigen Mikrowellen-Radarsensoren auf polaren Umlaufbahnen stationiert werden, um laufend über den Zustand unseres Planeten zu informieren.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1995, Seite 86
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