Grundlagen der Radartechnik

SAR-Interferometrie

In der Radartechnik werden mit Interferometrie alle Messverfahren bezeichnet, bei denen eine Phasenlage des Empfangssignals ausgewertet wird. SAR-Interferometrie (InSAR) ist ein bildgebendes Radarverfahren, bei dem zusätzliche Information durch den Phasenvergleich zweier aus unterschiedlichen Aspektwinkeln entstandenen Bildern berechnet werden.

Das Auflösungsvermögen von Radargeräten in der Entfernungsmessung ist durch deren Senderbandbreite limitiert. Bei Radargeräten mit einfacher Impulsmodulation durch die Länge des Sendeimpulses und bei Radargeräten mit Intrapulsmodulation durch die Bandbreite des Sendeimpulses. Eine direkte Messung der Phase des Echosignals kann für eine wesentlich genauere Entfernungsmessung genutzt werden.

Leider ist bei einer solchen Messung die eindeutige Messentfernung durch die zyklische Funktion der Sinusschwingung auf plus oder minus der halben Wellenlänge reduziert. Die Phase kann zwar in dem Bereich −π < φ ≤ +π ziemlich exakt gemessen werden, aber wie viele volle Wellenlängen auf diese Entfernung zusätzlich entfallen, kann nicht bestimmt werden. Mit dem InSAR kann dieser Mangel behoben werden.

Grundaufbau ist ein beliebiges funktionelles Radar, welches in der Lage ist, die Phaseninformation des empfangenen Echosignals auszuwerten. Zwingende Voraussetzung ist somit ein kohärentes Radar, welches durch Antennenschwenkung, -drehung oder lineare Bewegung ein zweidimensionales Bild erzeugen kann. Die gemessene Phaseninformation wird für jeden Bildpunkt gespeichert. Der gesamte Vorgang wird aus einer anderen Antennenposition wiederholt. Für jeden Punkt des Bildes ist die Phasendifferenz aus beiden Messungen ein Maß für die Entfernungsdifferenz ΔR und somit auch für dessen Entfernung (siehe Bild 1).

Durch die Bildverarbeitung kann jetzt beim Vergleich der beiden Phasenbilder eine Messgenauigkeit bis zu Bruchteilen der Wellenlänge erzielt werden. Auch hier entstehen immer noch Mehrdeutigkeiten, jedoch wesentlich weniger als bei der direkten Messung. Durch den Vergleich mit benachbarten Pixeln und die Bewertung der Wahrscheinlichkeit eines möglichen Phasensprunges können diese Mehrdeutigkeiten entfernt werden.

Im Ergebnis würde das Phasenbild jeder einzelnen Messung ein chaotisches Durcheinander darstellen, das wie ein buntes Rauschmuster erscheint. Erst die Phasendifferenz der beiden Bilder ergibt eine auswertbare Entfernungsinformation. Zwischen dem Phasenunterschied und der exakten Entfernung bestehen einfache trigonometrische Beziehungen. Der Abstand der beiden Antennenpositionen (die sogenannte Basislinie) ist dabei ein Multiplikator für die Phasendifferenz. Er sollte nicht zu groß sein, damit sich die Reflexionsbedingungen zwischen beiden Messungen nicht ändern.

Das InSAR wurde ursprünglich für die Fernerkundung der Erde mittels des Synthetischen Aperture Radars entwickelt. Zum Beispiel wurde bei der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) im Februar 2000 eine zweite Empfangsantenne an einem 60 m langen Scherengitter entfaltet. Beide Aspekte wurden also gleichzeitig erstellt. Bei der Tandem-Mission ERS-1 und ERS-2  erfolgten beide Messungen zeitlich nacheinander.

Auch für eine Anwendung am Boden ist das Verfahren geeignet. Hier wird es dann als Ground Based Interferometric SAR (GBInSAR) bezeichnet. Mit dem GBInSAR können millimetergenau Veränderungen in der Umgebung gemessen werden, zum Beispiel Gletscherveränderungen, Erdrutsche, vulkanische Aktivitäten, Verwerfungen nach Erdbeben und statische Überwachungen von Bauwerken.