SAR-PolarisationDie Polarisation beschreibt die Ausrichtung des von einem Synthetic Aperture Radar (SAR)-System ausgesendeten und empfangenen elektromagnetischen Feldes. Da verschiedene Oberflächen und Strukturen horizontale und vertikale Felder unterschiedlich streuen, ist die Polarisation eine der wichtigsten Variablen zur Interpretation von SAR-Bildern.
Dieser Leitfaden erläutert die vier linearen Polarisationskanäle – HH, HV, VH und VV – sowie die drei gängigen Erfassungsmodi: einfache, doppelte und vollständige (vierfache) Polarisation. Er beschreibt außerdem, wie Ingenieure den geeigneten Modus für Fernerkundung, Radartests und die Bewertung von Antennensystemen auswählen.
Was ist SAR-Polarisation?
Die meisten satellitengestützten SAR-Systeme nutzen horizontale (H) und vertikale (V) lineare Polarisation. Ein zweistelliger Kanalcode kennzeichnet zuerst die Sende- und dann die Empfangspolarisation. Beispielsweise bedeutet HH horizontales Senden und horizontales Empfangen, während HV horizontales Senden und vertikales Empfangen bedeutet.
Die Polarisation ist von Bedeutung, da ein Objekt die Polarisation des einfallenden Lichts erhalten, drehen oder einen Teil des reflektierten Lichts depolarisieren kann. Oberflächenrauheit, Geometrie, dielektrische Eigenschaften, Wellenlänge, Einfallswinkel und innere Struktur beeinflussen die gemessene Rückstreuung. Die Polarisation sollte daher zusammen mit dem Frequenzband, der Beobachtungsgeometrie und kalibrierten Bilddaten interpretiert werden.
Was bedeuten HH, HV, VH und VV?
| Kanal | Übertragen | Erhalten | Einstufung |
|---|---|---|---|
| HH | Horizontal | Horizontal | Kopolarisiert |
| HV | Horizontal | Vertikal | Kreuzpolarisiert |
| VH | Vertikal | Horizontal | Kreuzpolarisiert |
| VV | Vertikal | Vertikal | Kopolarisiert |
HH- und VV-Kanäle sind kopolarisiert, da Sende- und Empfangspolarisation identisch sind. HV- und VH-Kanäle sind kreuzpolarisiert, da die Empfangspolarisation orthogonal zur Sendepolarisation verläuft. In einem kalibrierten reziproken monostatischen System ähneln sich die HV- und VH-Antworten oft, jedoch werden beide Kanäle in vollpolarimetrischen Messungen berücksichtigt.
Die drei wichtigsten SAR-Polarisationsmodi
1. Einzelne Polarisation
Eine Einzelpolarisationsmessung erfasst einen Kanal, üblicherweise HH oder VV. Sie bietet ein geringeres Datenvolumen und eine einfachere Verarbeitung, sofern ein validierter Kanal ausreicht. Die Einschränkung besteht darin, dass ein einzelner Kanal weniger Informationen über Streumechanismen und die Struktur des Targets liefert.
2. Doppelpolarisation
Eine Dualpolarisations-Erfassung zeichnet zwei Kanäle auf. Gängige Kombinationen sind HH+HV und VV+VH, wobei das Radar eine Polarisation aussendet und sowohl ko- als auch kreuzpolarisierte Signale empfängt. Einige Systeme unterstützen auch ein kopolarisiertes Paar wie HH+VV. Dualpolarisationsdaten ermöglichen eine nützliche Unterscheidung und halten gleichzeitig die Datenrate und die Verarbeitungsanforderungen im Vergleich zur Vollpolarisation überschaubarer. Die ESA gibt an, dass Sentinel-1 in seinen Dualpolarisationsschemata VV+VH oder HH+HV unterstützt.
3. Vollständige oder vierfache Polarisation
Vollpolarimetrische SAR-Systeme erfassen HH-, HV-, VH- und VV-Signale als komplexe Kanäle. Ein klassisches Quad-Pol-Radar sendet H- und V-Signale nacheinander aus und empfängt sowohl H- als auch V-Signale, wobei Amplituden- und relative Phaseninformationen erhalten bleiben. Dies ermöglicht die Analyse der Streumatrix sowie die detaillierte Zerlegung, Klassifizierung und Charakterisierung von Zielen.
Der Nachteil besteht in höherer Systemkomplexität, höherem Kalibrierungsaufwand, größerem Datenvolumen und höherem Verarbeitungsaufwand. Je nach Sensor kann der Betrieb mit vollständiger Polarisation auch eine schmalere Abtastbreite oder andere Erfassungsbedingungen mit sich bringen. Kompakte Polarisation ist eine weitere valide SAR-Architektur, unterscheidet sich jedoch von den hier beschriebenen traditionellen linearen Modi mit einfacher, doppelter und vierfacher Polarisation.
Kopolarisation vs. Kreuzpolarisation
Kopolarisierte Kanäle weisen häufig starke Reflexionen von Oberflächen und Strukturen auf, die die transmittierte Polarisation beibehalten. Kreuzpolarisierte Reflexionen deuten darauf hin, dass der Streuprozess den Polarisationszustand teilweise durch Volumenstreuung, Mehrfachreflexionen, komplexe Geometrie oder anisotrope Struktur verändert hat.
- Ruhiges Wasser und glatte Oberflächen:Oftmals erscheinen sie dunkel, wenn der größte Teil der Energie vom Radar weg reflektiert wird; Rauheit, Wind und Einfallswinkel können die Rückstreuung erhöhen.
- Vegetation:Äste, Stämme und Blätter erzeugen eine Volumenstreuung, daher können Kreuzpolkanäle wertvolle Strukturinformationen liefern.
- Städtische Gebiete:Gebäude und Bodenoberflächen können je nach Ausrichtung und Abbildungsgeometrie starke Co-Polarisationsreflexionen und Doppelreflexionsstreuung erzeugen.
- Erde, Schnee und Eis:Feuchtigkeit, Rauheit, Tiefe, Wellenlänge und innere Struktur beeinflussen allesamt die Polarisationsantwort.
Es handelt sich hierbei um Interpretationsgrundsätze und nicht um universelle Regeln. Ein Kanal sollte nicht unabhängig von Radarband, Einfallswinkel, Auflösung, Jahreszeit und Kalibrierungsqualität ausgewählt werden.
Wie man einen SAR-Polarisationsmodus auswählt
| Erfordernis | Praktischer Ausgangspunkt |
|---|---|
| Weiträumige Überwachung oder begrenztes Datenvolumen | Single-Pol, wenn ein validierter Kanal das Detektionsziel erfüllt. |
| Diskriminierung von Vegetation, Landwirtschaft oder Landbedeckung | Dual-Pol-Ko- und Kreuzpolarisationsdaten für zusätzliche Streuinformationen |
| Kartierung von Meereis, Ozean oder Überschwemmungen | Wählen Sie HH- oder VV-basierte Modi je nach Band, Einfallswinkel und validierter Methode. |
| Erweiterte Klassifizierung oder Streuzerlegung | Vollständige Quad-Polarisation, wenn phasenkalibrierte Vierkanalinformationen benötigt werden. |
Der beste Modus ist anwendungsspezifisch. Ingenieure sollten den Informationsgehalt mit Abdeckung, Auflösung, Signal-Rausch-Verhältnis, Abtastbreite, Wiederholungszeit, Verarbeitungsressourcen und Kalibrierungsfähigkeit vergleichen.
Antennen- und HF-Überlegungen für polarimetrisches Radar
Zuverlässige polarimetrische Messungen hängen von mehr als nur dem Verarbeitungsalgorithmus ab. Die Antenne und die HF-Kette müssen in beiden Polarisationskanälen eine stabile Leistung erbringen. Wichtige Parameter sind:
- Betriebsfrequenz und momentane Bandbreite;
- Ausgleich von Verstärkung und Strahlungsmuster zwischen H- und V-Anschlüssen;
- Port-zu-Port-Isolation und Kreuzpolaritätsunterscheidung;
- Amplituden- und Phasenstabilität;
- VSWR, Steckverbinderschnittstelle und Kabelkalibrierung;
- Antennenausrichtung, Montagegeometrie und Kalibrierungsreferenzebene.
HF-MISO-Versorgungendualpolarisierte Hornantennen, Breitbandige, dualpolarisierte Hornantennenund weitere HF-Antennenlösungen für Radar-, Mess- und Systemintegrationsanwendungen. Die Modellauswahl sollte stets auf dem aktuellen Datenblatt und den vollständigen Testanforderungen basieren.
Häufig gestellte Fragen
Welcher Buchstabe steht an erster Stelle in einem SAR-Polarisationscode?
Der erste Buchstabe kennzeichnet die Sendepolarisation, der zweite die Empfangspolarisation. HV bedeutet horizontale Sende- und vertikale Empfangspolarisation.
Worin besteht der Unterschied zwischen Dual-Pol- und Quad-Pol-SAR?
Die Dual-Pol-Technik zeichnet zwei Kanäle auf, üblicherweise HH+HV oder VV+VH. Die Quad-Pol-Technik zeichnet HH, HV, VH und VV auf und erhält die für die vollständige polarimetrische Analyse notwendigen Beziehungen.
Ist eine SAR-Polarisation immer die beste?
Nein. Der nützlichste Modus hängt vom Ziel, der Radarwellenlänge, dem Einfallswinkel, der Auflösung, den Umgebungsbedingungen und dem Verarbeitungsziel ab.
Warum sind Kreuzpolarisationskanäle nützlich?
HV oder VH können Streuprozesse sichtbar machen, die die Polarisation des einfallenden Lichts verändern, insbesondere Volumenstreuung und strukturell komplexe Objekte wie Vegetation.
Abschluss
Die SAR-Polarisation steuert, wie ein Radar ein Ziel beleuchtet und wie das reflektierte Feld gemessen wird. HH und VV sind kopolarisierte Kanäle, HV und VH hingegen kreuzpolarisiert. Einfachpolarisation bietet Effizienz, Doppelpolarisation verbessert die Diskriminierung, und Vierfachpolarisation liefert den umfassendsten linearen polarimetrischen Datensatz. Für präzise Ergebnisse müssen Erfassungsmodus, Antennensystem, Kalibrierungsmethode und Anwendungsanforderungen gemeinsam berücksichtigt werden.
Informationen zur Antennenauswahl oder Unterstützung bei polarimetrischen HF-Messungen finden Sie in den Unterlagen von RF MISO.Antennenprüfkapazität or Kontaktieren Sie das RF MISO-Team.
Literaturhinweise und weiterführende Literatur
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Veröffentlichungsdatum: 28. Juni 2024
