Drohnen mit Radarsensoren erkunden Erde mit unerreichter Genauigkeit
DFG verlängert Graduiertenkolleg „Kooperative Apertursynthese für Radar-Tomographie“ Ulm-Erlangen.
Anstatt auf teure Satelliten und Flugzeuge setzen Forschende aus Ulm, Erlangen und Nürnberg bei der Erdbeobachtung und Fernerkundung auf Drohnen. Für diese wird im Graduiertenkolleg 2680 „Kooperative Apertursynthese für Radar-Tomographie (KoRaTo)“ eine spezielle Sensortechnologie entwickelt, die es möglich macht, eine Vielzahl an Radarsensoren zu vernetzen. In den Alpen wurde das System bereits erstmalig getestet: Es erfasst, wie sich Gletscher, Schnee- und Eisflächen klimabedingt verändern – und das mit ungewöhnlich hoher Ortsauflösung. Das gemeinsame Graduiertenkolleg der Universität Ulm und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft verlängert.
Nachwuchsforschende aus sechs Ländern promovieren im GRK 2680 „Kooperative Apertursynthese für Radar-Tomographie (KoRaTo)“. Im gemeinsamen Graduiertenkolleg der Universitäten Ulm und Erlangen-Nürnberg entwickeln sie ein kooperatives Radarsystem, das es möglich macht, beim Überfliegen der Erdoberfläche tomografische Abbildungen von der Umgebung zu machen, und das mit bisher unerreichter Genauigkeit.
Mit Hilfe von Radarsensoren sammeln sie geophysikalische Daten der Bio- und Kryosphäre – also der belebten Umwelt sowie der schnee- und eisbedeckten Erdoberfläche. „In der zweiten Förderphase unseres Graduiertenkollegs wollen wir die grundlegenden technischen Systeme und sensorischen Funktionen, die wir in der ersten Phase entwickelt haben, in die Anwendung bringen. Konkret geht es dabei um den Bereich Radarfernerkundung beziehungsweise um die Erdbeobachtung“, erklärt Christian Waldschmidt. Der Professor leitet an der Universität Ulm das Institut für Mikrowellentechnik und ist Sprecher des Graduiertenkollegs.
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Um die Beschaffenheit und Struktur der Erdoberfläche zu erfassen wird diese mit elektromagnetischen Wellen abgetastet. Die Radarsensoren nehmen die reflektierte Mikrowellenstrahlung auf und erstellen auf der Grundlage der Messdaten eine schichtweise aufgebaute dreidimensionale Abbildung der Umgebung. Der Vorteil: anders als in der Fotografie stören weder Nacht und Nebel, Regen oder Schnee die Aufnahme, und die Abbildungen umfassen nicht nur die Oberfläche, sondern sie bilden ein dreidimensionales Modell des Inneren eines ganzen Gletschers oder der Vegetation.
Normalerweise werden für die Fernerkundung Satelliten und Flugzeuge eingesetzt, was jedoch aufwändig und teuer ist. Mit Hilfe von Drohnen lassen sich Sensornetzwerke realisieren, die ebenfalls für die Erdbeobachtung eingesetzt werden können. Dank spezieller technischer „Tricks“ – hinter denen sich komplexe Algorithmen verbergen – können solche vernetzte Radarsysteme sogar eine viel höhere Auflösung erreichen.
Der Trick besteht darin, die Apertur des gesamten Messsystems künstlich zu vergrößern. Dafür werden Drohnen mit kleinen Radarsensoren ausgerüstet und überfliegen die Beobachtungsfläche im Schwarm. Da diese zum gleichen Zeitpunkt aufgrund unterschiedlicher Positionen unterschiedliche Radarechos erfassen, müssen die Antennenpositionen berücksichtigt und Laufzeitunterschiede herausgerechnet werden. Ein Radarsignalprozessor verrechnet die Intensität und Phasenlage der jeweils empfangenen Radarechos zu einem kohärenten Signal, was Ortsauflösungen im Zentimeterbereich ermöglicht.
In den nächsten vier Jahren werden nun andere junge Forschende daran arbeiten, wie sich die Technik für die Erfassung bestimmter geophysikalischer Daten weiter optimieren lässt. Als Mercator Fellow unterstützt Irena Hajnsek das Graduiertenkolleg. Die Professorin von der ETH Zürich ist eine international renommierte Expertin im Bereich Radarfernerkundung. „Wir bieten unseren Doktorandinnen und Doktoranden ein exzellentes Forschungsumfeld. Unsere beiden Universitäten haben bereits eine starke Expertise auf dem Gebiet der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik, und mit unseren neuen Forschungsergebnissen werden wir einen wichtigen Beitrag in der radargestützten Fernerkundung sowie in den Geowissenschaften leisten“, ist sich Professor Martin Vossiek sicher. Der Leiter des Instituts für Mikrowellen und Photonik an der FAU ist Co-Sprecher des GRK. [U Ulm / dre]
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