Vorlesungsprogramm

1. Vorlesungsprogramm  22. 4 Einführung 29. 4 Radargleichung 6. 5. Doppler-Radar 13. 5. Strahlausbreitung, Nutzung der Polarisation 27. 5. Besichtigung Poldirad (DLR) 3. 6. wolkenphysikalische Aspekte, Niederschlagsbestimmung (QPE) 17. 6. Probleme bei QPE 24. 6. Besichtigung Hohenpeissenberg 1. 7. Dopplerinterpretation, Technik + Windprofiler 8. 7. Scatterometer, Satellitenradar 9. 7. Haase: Radarfernerkundung SMHI 15. 7. Tornados (Nikolai Dotzek) 22. 7. Zusamenfassung       

2. weitere Radaranwendungen • Real Aperture Radarauch bekannt alsSide Looking Radar(SLAR) • Synthetic Aperture Radar • Altimeter • Scatterometer

3. Real Aperture Radar side looking radar (SLAR)  Einfallswinkel (zwischen 20 und 60°) S Auflösung quer zur Flugbahn W Antennendurchmesser  Wellenlänge Der erste Term definiert über den Antennendurchmesser W senkrecht zur Flugrichtung und die Wellenlänge λ den Antennenöffnungswinkel. Der zweite Term berücksichtigt über die Höhe h des Radars über der Erdoberfläche und den mittleren Blickwinkel θ die Projektion auf die Erdobefläche. mit λ=27 cm, h=800 km, θ=20 deg und D=2.1 m ergibt sich eine swath width von ca. 100 km.

4. Real Aperture Radar azimuth resolution Die Auflösung entlang der Flugrichtung (xa) ist entspricht dem überdeckten Gebiet des Antennenstrahls, da alle Signale in Azimutrichtung gleichzeitig ankommen: xa ≅ r ⋅ β ≅ (h ⋅ β)/cosθ = (h ⋅ λ/L) / cosθMit den gleichen Parametern wie oben und einer Antennenbreite in Flugrichtung L von 12 m ergibt sich x2 = 16.3 km. Um diese Auflösung gering zu halten, ist die Antenne in Flugrichtung größer als senkrecht dazu. Der Antennendurchmesser A=L⋅W ergibt sich als Produkt der Größen in und senkrecht zur Flugrichtung. range resolution Die Entfernungsauflösung xr definiert über die Pulsdauer τ die Auflösung am Boden quer zur Flugrichtung. Dies ist die halbe Breite des Pulses am Boden:xr = c ⋅ τ / (sinθ ⋅ 2) c / (2 ⋅ B sinθ)Mit einer typischen Bandbreite von B=20 MHz und einem Blickwinkel θ=20 Grad ergibt sich xr = 20 m. Da range und azimuth resolution sich beim SLAR vom Satelliten um drei Größenordnungen unterscheiden, ist dieses für die abbildende Fernerkundung wenig geeignet.

5. Radargleichung Bodeneigenschaften

6. Wechselwirkungen mit Boden

7. Stärke der Rückstreuung Die am Radar gemessene Leistung hängt über die Radargleichung von der Stärke der Bodenreflektivität ab. Helle Anteile in einem Radarbild kenzeichnen starke Reflektoren (hohe Rückstreuung). Neben dem Bodentyp beinflusst auch der Einfallswinkel die Reflektivität. Glatte Oberflächen wirken wie ein Spiegel bei kleinen Winkel. Die Reflektivität fällt für Winkel grösser als 20 Grad rasch mit dem Winkel ab, da ein grosser Teil der einfallenden Strahlung in ander Raumrichtungen reflektiert werden. Bei rauhen Oberflächen ist die Reflektivität bei niedrigen Winkeln geringer als bei Glatten. Da die rauhe Oberfläche auch bei grösseren Winkeln zu einem Anteil zufälliger Streuung führt, ist hier die Reflektivität hier höher als bei glatten Oberflächen.

8. Stärke der Rückstreuung

9. Probleme bei Bodenbeobachtung Fläche 1 korrekt wiedergegebenFläche 2 sehr klein erscheinen, da alle rückgestreuten Wellen gleichzeitig eintreffenFläche 3 gar nicht gesehen Fläche 4 nur teilweise eingesehen und erscheint daher stark verkürzt Von der Bergspitze zu Fläche 4 besteht ein großer Zeitbereich innerhalb dem kein Rückstreusignal am Radar ankommt (schwarze Scatterzone). Diese Verzerrung ist prinzipiell umgekehrtwie bei der fotografischen Aufnahme: Da die Rücklaufzeiten gemessen werden, erscheinen geneigte Flächen um cosθ verkürzt.

10. Auflösungsverbesserung: SAR Problem: Auflösung quer zur Flugrichtung (ca. 20 m) ist viel besser als die entlang der Flugbahn (ca. 20 km) Lösung: Doppler-Synthese Objekte am Boden sind konstant während sich die Antenne mit einer Geschwindigkeit v darüber hinwegbewegt Messung der Dopplerverschiebung in der Frequenz legt Position fest Von jedem Ortspunkt ist diese Position im voraus bekannt, die sogenannte Doppler-history. Man addiert dann einfach die Intensitäten der rückgestreuten Signale entsprechend der individuellen Doppler-history.

11. Auflösungsverbesserung: SAR Bilder werden aus der gemessenLeistung P(t,) bestimmt Zeit n0 n0-Dn n0+Dn

12. Beispiele zu SAR Death Valley

13. Anwendung von SAR Ozean: Variation des Radarrückstreuquerschnitts  durch Bragg Wellen durch- Wellen (swell)- klein-skalige Windfelder - Scherungen aufgrund von Meeresströmungen - Wechselwirkungen von Strömungen und Untergrund- Wattenmeer- Schiffsfahnen- meereseis Bodenwassergehalt (Trockener Boden mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante reflektiert nur einen geringen Teil der Radarstrahlung. Entgegengesetztens gilt für gesättigte Böden. Feuchte und teiweise gefrorene Böden finden sich dazwischen. ) Vegetationstypen (Wüste, Steppen, Wälder oder gefrorene Tundra) Biomasse, Geologie Es wird auch die Variation von  mit Winkel und Frequenz genutzt

14. Bestimmung von Biomasse

15. Bestimmung von Biomasse

16. Altimeter • Messung des Abstandes zwischen Satellit undOberfläche (Topographie) durch Messung der Laufzeit (Δt) • senkrechtes Aussenden eines sehr kurzen Pulses (= 3 ns or 1 m) A(Δt) = π h c Δt Diese Fläche nimmt linear zu bis sie bei Δt = τ maximal wird. Danach ist sie theoretisch konstant, nimmt jedoch durch die quadratische Abnahme der Leistung mit der Zeit ab. Nach dem Maximum nimmt die Intensität durch die Entfernungszunahme ab. ERS-1 (3 ns): Radius der Fläche rA = 2 √(h⋅c⋅τ) ca. 1.7 km.

17. Altimeter • Messung des Abstandes zwischen satellit undOberfläche (Topographie) durch Messung der Laufzeit • senkrechtes Aussenden eines sehr kurzen Pulses (Dt = 3 ns or 1 m) Beiträge zur Ozean-Oberflächen-Topography: Tiden - 1 meter Strömungen - 1m/100km Atmosphärendruck – wenige Zentimeter

18. Altimeter Bei der beam limited Methode wird ein möglichst enger Strahl ausgesendet und der Zeitpunkt bei dem das Zentrum des zurückkehrenden Signals bestimmt die Entfernung. Diese Methode wird vor allem über Land angewendet. Die pulse limited nutzt relativ weite Öffnungswinkel. Die Entfernung wird durch den Zeitpunkt des Durchgangs des Zentrums der Flanke festglegt. Dieses Verfahren wird vor allem über dem Ozen angewendet, wobei sich zusätzliche Information gewinnen läßt. Δh = c τ / 2 = c / (2 B)

19. Bestimmung von Wellenhöhe und Wind

20. Wechselwirkungen mit Boden

21. Altimeter-Missionen TOPEX Poseidon

22. Bestimmung Ozeantopographie TU Delft

23. Scatterometer

24. Scatterometer

25. Scatterometer

26. Signal-Rauschverhältnis

27. Radarmodulator - Erzeugung hoher Leistung im kurzen Sendeimpuls- Modulator erzeugt zum Sendemoment eine Hochspannung für die Senderöhre Dieser Modulator benutzt zur Energiespeicherung eine Laufzeitkette. Diese Laufzeitkette wird auf dem Ladeweg mit Hilfe des Magnetfeldes der Ladedrossel auf die doppelte Spannung des Hochspannungsnetzteils aufgeladen. Diese Ladedrossel begrenzt gleichzeitig den Ladestrom. Damit nach erfolgter Aufladung der Laufzeitkette diese sich nicht über den Innenwiderstand des Netzteils entlädt, ist eine Ladediode eingefügt. Das Thyratron arbeitet als elektronischer Schalter und wird durch einen nadelförmigen Impuls gesteuert. Die R-C Kombination trennt gleichspannungsmäßig den Thyratroneingang von der Vorstufe. Der Impulstrafo dient zur Widerstandsanpassung während des Entlademomentes .