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SAR (Remote sensing)

Radaraufnahme (SIR-C/X-SAR) des Vulkans Teide auf Teneriffa aus dem Space Shuttle Endeavour. Quelle: Wikkimedia Commons
SAR-Aufnahmen zur Erzeugung eines SAR-Bildes. Quelle: Sarresrp“ von Dantor, Wikkimedia Commons

Ein Synthetic Aperture Radar (Abkürzung: SAR; deutsch etwa: „Radar mit synthetischer Apertur“) gehört zur Klasse der abbildenden Radare und wird als Sensor zur Fernerkundung genutzt. Es wird wie ein Side-Looking-Airborne-Radar aus Flugzeugen oder Satelliten eingesetzt und liefert wie diese eine zweidimensionale Darstellung eines Geländeausschnitts durch Abtastung der Erdoberfläche mit elektromagnetischen Wellen, allerdings mit einem sehr viel höheren Auflösungsvermögen. Alle Radargeräte, die nicht das Verfahren für SAR anwenden, werden als Real Aperture Radar (Abkürzung: RAR; deutsch „Radar mit echter Apertur“) bezeichnet. Die synthetische Apertur wird beim SAR dadurch erzeugt, dass Messungen aus dem sich bewegenden Satelliten (Flugzeug), also Messungen dessselben Punktes der Erdoberfläche mit verschiedenen Satellitenpositionen, rechnerisch zusammengenommen werden.

Die von einem SAR erzeugten Abbildungen sind aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit fotografischen Aufnahmen verhältnismäßig leicht interpretierbar und werden für Erderkundungs-, Kartierungs- und Aufklärungszwecke verwendet. Ein SAR ist im Gegensatz zu optischen Sensoren bei nahezu allen Witterungsbedingungen einsatzfähig, da Trübungen der Atmosphäre durch Nebel, Regen oder Schnee die Mikrowellenstrahlung im Vergleich zu Lichtstrahlen weitaus weniger schwächen. Darüber hinaus kann ein SAR, wie jeder aktive Radarsensor, auch bei Nacht eingesetzt werden. Man spricht in dieser Beziehung auch von einem aktiven Fernerkundungssystem, das die beobachteten Objekte selbst beleuchtet.

Während sich die geometrische Auflösung eines RAR wegen des divergierenden Antennenstrahls mit zunehmendem Objektabstand verschlechtert, kann mit einem SAR eine unter bestimmten Bedingungen von der Schrägentfernung und der Wellenlängen unabhängige Ortsauflösung bis herab in den Meter- und Dezimeterbereich erzielt werden. 

Wenn von einem Radar mit synthetischer Apertur gesprochen wird, so wird meist das sogenannte focused SAR gemeint: eine zusätzliche Fokussierung der einzelnen Signale wird dadurch erreicht, dass Phasenunterschiede, die durch Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Antennenpositionen entstehen, durch den Signalprozessor ausgeglichen werden. Werden keine Phasenkorrekturen an den Echosignalen vorgenommen, spricht man von unfocused SAR.

Funktionsweise eines SAR

Das SAR-Prinzip erfordert eine senkrecht zur Strahlrichtung bewegte Antenne, deren Position jederzeit exakt bekannt ist. Die Bewegungsrichtung wird üblicherweise als Along Track oder Azimuth (dt.: ‚Flugrichtung oder Azimut‘) und die Querkoordinate dazu als Cross Track oder Range (dt.: ‚Querrichtung oder Entfernung‘) bezeichnet. In der Literatur wird Along Track auch als Cross Range bezeichnet. Footprint nennt man den Bereich, den die reale Antenne momentan erfasst, Swath (dt. Schwad) den Geländestreifen, den der Footprint durch die Fortbewegung der realen Antenne überstreicht. Die Geometrie entspricht der eines einfachen Side-Looking-Airborne-Radar.

Das Prinzip der synthetischen Apertur (hier noch unfokussiert) besteht darin, die Momentaufnahme einer großen Antenne durch viele Aufnahmen einer kleinen, bewegten Antenne zu ersetzen. Im Verlauf dieser Bewegung wird jedes Objekt im Zielgebiet unter veränderlichem Blickwinkel angestrahlt und entsprechend aufgenommen. Sofern der Weg der realen Antenne hinreichend genau bekannt und die Szenerie unbeweglich ist, kann aus Intensität und Phasenlage der empfangenen Radarechos die Apertur einer großen Antenne synthetisiert und so eine hohe Ortsauflösung in Bewegungsrichtung der Antenne erzielt werden. Praktisch kann man sich das als eine sehr große Phased-Array-Antenne vorstellen, deren Einzelstrahler nicht parallel verschaltet sind, sondern deren Positionen durch eine kleine Antenne zeitlich nacheinander aufgenommen werden. Durch den Radarsignalprozessor werden die einzelnen Amplituden und Phasenlagen so miteinander verbunden, als ob eine Phased-Array-Antenne mit einer sehr großen Apertur verwendet worden wäre. Das azimutale Auflösungsvermögen ist hier noch entfernungsabhängig und beträgt ½(λ∙R)½ mir R als die Entfernung und λ als die verwendete Wellenlänge.

Modernere Rechentechnik ermöglicht, dass für jedes einzelne abgebildete Pixel die Phase des von diesem Ort empfangenen Signals geändert werden kann. Das SAR kann so für jede einzelne Entfernung die Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Antennenpositionen korrigieren. Orte, die sich näher am Radar befinden, haben aufgrund der trigonometrischen Verhältnisse größere Laufzeitunterschiede, als Orte, die sich weiter weg befinden. Dieser Laufzeitunterschied wird als Phasenunterschied gemessen. Aus den aufgezeichneten Echodaten wird für jeden angestrahlten Ort eine eigene synthetische Antenne berechnet, deren Winkelauflösung im Azimut so gewählt wird, dass für alle betrachteten Entfernungen die geometrische Along-Track-Auflösung gleich ist.

Dabei ist das folgende Phänomen zu beobachten: Für die gleiche Winkelauflösung benötigt eine synthetische Apertur nur die halbe Länge einer realen Apertur.

Eine anschauliche Erklärung dafür ist: Bei einer realen Apertur beziehen sich Entfernungsänderungen und somit messbare Phasenverschiebungen der Radarechos eines aus Sicht der Antenne parallel vorbei wandernden Objekts immer auf den Ort der Antennenmitte. Bei einer synthetischen Apertur wirken sich zusätzlich die Entfernungs- und Phasenänderungen infolge der nacheinander unterschiedlichen Position der realen Antenne längs der 

Anwendung in der Geothermie

SAR ist die in der Geothermie am häufigsten angewendete Fernerkundungsmethode, häufig in Form von InSAR. Die Anwendungen zur Reservoirchrakterisierung und zum Reservoirmonitoring sind ähnlich wie in der Öl- Gasindustrie.

Literatur

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.

Weblinks