DE102016208508A1 - Angle reflector device with adjustable height ambiguity for SAR applications - Google Patents
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Abstract
Die Winkelreflektorvorrichtung (10) für SAR-Anwendungen ist versehen mit einem Winkelreflektor (12) mit mindestens zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Reflektorflächen zur Reflektion von Radarwellen und einem Kopplungselement (39) zur mechanischen Kopplung des Winkelreflektors (12) mit einem hinsichtlich seiner vertikalen Erstreckung veränderlichen und bei Veränderung seine vertikalen Erstreckung den Winkelreflektor (12) mitnehmenden Objekt (29) auf der Erde, an den und/oder auf dem das Kopplungselement (39) zusätzlich entlang gleiten kann. Ferner weist die Winkelreflektorvorrichtung (10) ein ortsfest angeordnetes Gestell (30) mit einer um einen spitzen oder stumpfen Winkel zur vertikalen Erstreckung des Objekts (29) geneigt verlaufenden Führungsschiene (36) und einem an der Führungsschiene (36) und entlang dieser verschiebbar geführten Führungselement (38), das mechanisch mit dem Winkelreflektor (12) gekoppelt ist. Mittels der Führungsschiene (36) und des Führungselements (38) wird eine Veränderung der vertikalen Erstreckung des Objekts (29) in eine Bewegung des Winkelreflektors (12) längs der Führungsschiene (36) umgesetzt.The angle reflector device (10) for SAR applications is provided with an angle reflector (12) having at least two mutually orthogonally aligned reflector surfaces for reflecting radar waves and a coupling element (39) for mechanically coupling the angle reflector (12) with a variable in its vertical extent and when changing its vertical extension of the angular reflector (12) entraining object (29) on the ground, on and / or on which the coupling element (39) can slide along additionally. Furthermore, the angle reflector device (10) has a fixedly arranged frame (30) with a guide rail (36) inclined at an acute or obtuse angle to the vertical extent of the object (29) and a guide element guided slidably along the guide rail (36) (38) mechanically coupled to the angle reflector (12). By means of the guide rail (36) and the guide element (38), a change of the vertical extent of the object (29) is converted into a movement of the angle reflector (12) along the guide rail (36).
Description
Die Erfindung betrifft eine Winkelreflektorvorrichtung für SAR-Anwendungen.The invention relates to an angle reflector device for SAR applications.
Ein Anwendungsgebiet derartiger Winkelreflektorvorrichtungen ist die Vermessung von Wasseroberflächen hinsichtlich deren Höhenänderungen. Zu diesem Zweck werden Winkelreflektoren in Feuchtgebieten installiert, wo sie zum Beispiel auf der Wasseroberfläche schwimmen und damit in Abhängigkeit vom Wasserspiegel auf- und abwärts bewegt werden. Winkelreflektoren dieser Art werden im einfachsten Fall durch einen L-förmigen Reflektorwinkel realisiert, dessen beide Reflektionsflächen orthogonal und vertikal zur Wasseroberfläche verlaufen. Die für die Reflektionen von Radarwellen notwendige Dreifachreflektion wird dabei durch die beiden Reflektionsflächen des Reflektorwinkels und durch die Wasseroberfläche erreicht.One field of application of such angle reflector devices is the measurement of water surfaces with regard to their height changes. For this purpose, angle reflectors are installed in wetlands where they float, for example, on the surface of the water, moving them up and down depending on the water level. Angle reflectors of this type are realized in the simplest case by an L-shaped reflector angle, the two reflection surfaces orthogonal and vertical to the water surface. The triple reflection necessary for the reflections of radar waves is achieved by the two reflection surfaces of the reflector angle and by the water surface.
SAR-Vorrichtungen und insbesondere Interferometer-SAR- (InSAR-Vorrichtungen) sowie Differenz-Interferometer-SAR (DInSAR-Vorrichtungen) bieten eine hohe Auflösung hinsichtlich der Detektion von Deformationen beispielsweise in der Vegetation, wie beispielsweise Wasseroberflächenhöhenveränderungen. Die Entfernungsmessung bei SAR-Systemen basiert auf einer Phasenmessung und ist deshalb lediglich über die Größe von maximal der Wellenlänge der verwendeten SAR-Wellen eindeutig. Um Höhenveränderungen von Vegetations- oder künstlichen Objekten (beispielsweise Gebäuden) eindeutig mit einer SAR-Vorrichtung zu vermessen, bedarf es also weiterer Informationen über das betreffende Objekt. Soll beispielsweise die temperatur- oder jahreszeitabhängige Veränderung der Höhe von Objekten ohne zusätzliche Informationen vermessen werden, so muss die maximal auftretende Höhendifferenz bekannt und insbesondere kleiner als die mit der SAR-Vorrichtung erzielbare Auflösung sein. Bei einer SAR-Vorrichtung, die im C-Band und unter einem Einfallswinkel von beispielsweise 40° arbeitet, können lediglich Höhenveränderungen von kleiner als ca. 3,7 cm eindeutig vermessen werden. Vielfache dieser Größe sind leider ohne Zusatzinformationen nicht detektierbar.SAR devices and in particular interferometer SAR (InSAR devices) as well as differential interferometer SAR (DInSAR devices) provide high resolution in terms of detection of deformations in, for example, vegetation such as water surface height changes. The distance measurement in SAR systems is based on a phase measurement and is therefore unique only over the size of maximum of the wavelength of the SAR waves used. To measure height changes of vegetation or artificial objects (eg buildings) clearly with a SAR device, so it requires more information about the object in question. If, for example, the temperature or season-dependent change in the height of objects is to be measured without additional information, then the maximum height difference occurring must be known and, in particular, smaller than the resolution achievable with the SAR device. In a SAR device operating in the C-band and at an angle of incidence of, for example, 40 °, only height changes of less than about 3.7 cm can be clearly measured. Multiple multiples of this size are unfortunately not detectable without additional information.
Will man beispielsweise SAR-Vorrichtungen für die Vermessung von Wasserständen in beispielsweise Seen einsetzen, so kann dies im Grunde genommen daran scheitern, dass die Wasserstandsänderungen größer als derjenige Bereich sind, innerhalb dessen eine Höhenmehrdeutigkeit vermieden werden kann.If, for example, one wishes to use SAR devices for the measurement of water levels in, for example, lakes, this can basically fail due to the fact that the water level changes are greater than the area within which height ambiguity can be avoided.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Winkelreflektorvorrichtung für SAR-Anwendungen zu schaffen, deren Einsatzbereich über bisher bekannte Winkelreflektoren für derartige Anwendungen hinausgeht.The object of the invention is to provide an angle reflector device for SAR applications whose scope goes beyond previously known angle reflectors for such applications.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Winkelreflektorvorrichtung für SAR-Anwendungen vorgeschlagen, die versehen ist mit
- – einem Winkelreflektor mit mindestens zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Reflektorflächen zur Reflektion von Radarwellen,
- – einem Kopplungselement zur mechanischen Kopplung des Winkelreflektors mit einem hinsichtlich seiner vertikalen Erstreckung veränderlichen und bei Veränderung seiner vertikalen Erstreckung den Winkelreflektor mitnehmenden Objekt auf der Erde, an dem und/oder auf dem das Kopplungselement zusätzlich entlang gleiten kann,
- – einem ortsfest angeordneten Gestell mit einer um einen spitzen oder stumpfen Winkel zur vertikalen Erstreckung des Objekts geneigt verlaufenden Führungsschiene und
- – einem an der Führungsschiene und entlang dieser verschiebbar geführten Führungselement, das mechanisch mit dem Winkelreflektor gekoppelt ist,
- – wobei mittels der Führungsschiene und des Führungselements eine Veränderung der vertikalen Erstreckung des Objekts in eine Bewegung des Winkelreflektors längs der Führungsschiene umsetzbar ist.
- An angle reflector with at least two orthogonally oriented reflector surfaces for the reflection of radar waves,
- A coupling element for the mechanical coupling of the angular reflector with an object that varies with respect to its vertical extent and that, when changing its vertical extent, takes the angle reflector along the ground, on which and / or on which the coupling element can additionally slide along,
- - A stationary arranged frame with an inclined or an obtuse angle to the vertical extent of the object extending guide rail and
- A guide element which is displaceably guided on the guide rail and along this guide and which is mechanically coupled to the angle reflector,
- - By means of the guide rail and the guide element, a change in the vertical extent of the object in a movement of the angle reflector along the guide rail is implemented.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Winkelreflektor mit mindestens zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Reflektionsflächen zur Reflektion von Radarwellen auf. Der Winkelreflektor ist mit einem Führungselement verbunden, das an einer Führungsschiene verschiebbar geführt ist. Die Führungsschiene selbst wird von einem Gestell gehalten, das ortsfest und damit insoweit unabhängig vom zu vermessenden Objekt angeordnet ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Winkelreflektorvorrichtung ein Kopplungselement auf, mit dem der Winkelreflektor beweglich mit dem Objekt mechanisch gekoppelt ist. Verändert sich die Höhe des Objekts, so bewegt sich der Winkelreflektor entlang der Führungsschiene entsprechend mit.The device according to the invention has an angle reflector with at least two orthogonally oriented reflection surfaces for the reflection of radar waves. The angle reflector is connected to a guide element, which is guided displaceably on a guide rail. The guide rail itself is held by a frame which is stationary and therefore arranged independently of the object to be measured. Furthermore, the inventive angle reflector device has a coupling element, with which the angle reflector is movably coupled to the object mechanically. If the height of the object changes, the angle reflector moves along the guide rail accordingly.
Erfindungsgemäß ist die Führungsschiene zur vertikalen Erstreckung des Objekts geneigt. Damit erfolgt erfindungsgemäß eine Umlenkung einer vertikalen Verschiebung des Winkelreflektors, die dieser in Folge einer Veränderung der Höhe des Objekts erfährt, in eine schräg gerichtete Verschiebung des Winkelreflektors, d. h. in eine schräg zur Vertikalen gerichtete Verschiebung, so dass die von der SAR-Vorrichtung ”gesehene” Entfernungsänderung abhängig von der Ausrichtung der Führungsschiene idealerweise geringer ist als in dem Fall, in dem sich der Winkelreflektor, wie bei den bekannten Systemen, ausschließlich vertikal verschiebt, wenn das Objekt eine Veränderung seiner vertikalen Erstreckung erfährt.According to the invention, the guide rail is inclined to the vertical extent of the object. Thus, according to the invention, a deflection of a vertical displacement of the angle reflector, which experiences this as a result of a change in the height of the object, in an obliquely directed displacement of the angle reflector, d. H. in a shift directed obliquely to the vertical, so that the distance change "seen" by the SAR device is ideally smaller depending on the orientation of the guide rail than in the case where the angle reflector moves vertically only, as in the known systems. when the object undergoes a change in its vertical extent.
Grundsätzlich lässt sich die erfindungsgemäße Winkelreflektorvorrichtung für die Messung von Deformationen an solchen Flächen einsetzen, bei denen eine Kopplung mit dem Kopplungselement und unter Entlanggleiten des Kopplungselements auf der sich deformierenden Fläche möglich ist. Als ”deformierte” Fläche eignet sich insbesondere eine Wasseroberfläche, wobei das Kopplungselement in diesem Beispiel ein Schwimmkörper ist. Das Gestell wird ortsfest im Gewässer, dessen Wasseroberfläche vermessen werden soll, installiert. Der Schwimmkörper treibt auf der Wasseroberfläche. Sobald sich deren Höhe ändert, verfährt der Schwimmkörper nicht nur vertikal sondern auch horizontal entlang der Oberfläche, wobei durch das Führungselement und die Führungsschiene geführt wird. Mit dem Schwimmkörper verfährt entsprechend auch der Winkelreflektor. In principle, the angle reflector device according to the invention can be used for the measurement of deformations on those surfaces in which a coupling with the coupling element and with the coupling element sliding along on the deforming surface is possible. In particular, a water surface is suitable as a "deformed" surface, the coupling element in this example being a floating body. The frame is fixed in the water, whose water surface is to be measured, installed. The float floats on the water surface. As soon as their height changes, the float moves not only vertically but also horizontally along the surface, being guided by the guide element and the guide rail. With the float moves accordingly also the angle reflector.
In entsprechender Weise lässt sich die erfindungsgemäße Winkelreflektorvorrichtung auch zur Füllstandsmessung von rieselfähigem Gut einsetzten. In beiden Fällen ist es zweckmäßig, wenn die Winkelreflektorvorrichtung zusätzlich beschwert wird (beispielsweise durch ein Ballastgewicht), um sicherzustellen, dass sie der Schwerkraft folgend ”absinkt”, wenn sich die zu vermessende Oberfläche absenkt. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Führungselement mit dem Kopplungselement mechanisch gekoppelt ist.In a corresponding manner, the inventive angle reflector device can also be used for level measurement of free-flowing material. In both cases, it is expedient if the angle reflector device is additionally weighted (for example by a ballast weight) to ensure that it "drops" following gravity as the surface to be measured lowers. In an advantageous embodiment of the invention can be provided that the guide element is mechanically coupled to the coupling element.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Winkelreflektor zur Veränderung seiner Ausrichtung relativ zur Einfallsrichtung von Radarwellen insbesondere automatisch verstellbar angeordnet ist.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that the angle reflector is arranged to change its orientation relative to the direction of incidence of radar waves in particular automatically adjustable.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Halteelement vorgesehen, mit dem der Winkelreflektor, das Kopplungselement und das Führungselement verbunden sind. Diese Konstruktion vereinfacht die Montage der Winkelreflektorvorrichtung.In a further advantageous embodiment of the invention, a holding element is provided, with which the angle reflector, the coupling element and the guide element are connected. This construction simplifies the assembly of the angle reflector device.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Winkelreflektor drei jeweils paarweise zueinander orthogonal angeordnete Reflektorflächen aufweist und/oder dass die Reflektorflächen klappbar sind und gegebenenfalls selbsttätig wieder aufrichtbar sind.In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that the angle reflector has three pairs of mutually orthogonally arranged reflector surfaces and / or that the reflector surfaces are hinged and, where appropriate, are automatically erectable again.
Die Reflektorflächen des Winkelreflektors brauchen nicht notwendigerweise als geschlossene, durchgehende Flächen ausgebildet zu sein. Es bietet sich insbesondere an, dass die Reflektorflächen des Winkelreflektors perforiert und insbesondere von Gitterelementen gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass je nach Einsatzzweck der Winkelreflektorvorrichtung deren Winkelreflektor weniger windanfällig ist, deutlich leichter ist und dass ferner sich in ihm kein Wasser ansammeln kann.The reflector surfaces of the angle reflector need not necessarily be formed as closed, continuous surfaces. It is particularly appropriate that the reflector surfaces of the angle reflector perforated and in particular are formed by grid elements. This has the advantage that, depending on the intended use of the angle reflector device whose angle reflector is less susceptible to wind, is significantly easier and that further can not accumulate in him water.
In weiterer vorteilhafter Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Führungsschiene bezüglich ihrer Neigung verstellbar an dem Gestell angeordnet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit der optimalen Anpassung der zu erwartenden Höhendifferenzmessung an die Konstruktion der Winkelreflektorvorrichtung sowie an die Empfindlichkeit des SAR-Systems infolge der Wellenlänge. Somit ist die Winkelreflektorvorrichtung durch Veränderung der Neigung für SAR-Systeme unterschiedlicher Frequenzbänder einsetzbar.In a further advantageous embodiment can be provided that the guide rail is arranged with respect to their inclination adjustable on the frame. This opens up the possibility of optimally adapting the expected height difference measurement to the construction of the angle reflector device as well as to the sensitivity of the SAR system due to the wavelength. Thus, the angle reflector device can be used by varying the slope for SAR systems of different frequency bands.
Die Erfindung kann konkret für die operationelle Beobachtung von Wasserstandsveränderungen in Feuchtgebieten oder in durch Hochwasser gefährdeten Gebieten zur Beobachtung des Ausmaßes der Überschwemmung (Katastrophenschutz) eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch weiter Levelmessungen denkbar, sofern Befestigungsstrukturen für das Gestell vorhanden sind, deren Höhe sich nicht ändern. Die Erfindung kann schließlich auch zur Kalibrierung von DInSAR-Vorrichtungen verwendet werden, um Mehrdeutigkeiten direkt anhand einer Messung (und nicht anhand von ”phase unwrapping”) auflösen zu können.Specifically, the invention may be used for the operational monitoring of wetland or flood-prone areas to monitor the level of flood (civil protection). In addition, further level measurements are conceivable, provided that attachment structures for the frame are present, whose height does not change. Finally, the invention can also be used to calibrate DInSAR devices to resolve ambiguities directly from a measurement (rather than phase unwrapping).
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Gestell um eine erste Komponente der Vorrichtung handelt, die im Boden verankert ist (von dem angenommen wird, dass er stabil ist), und zwar z. B. mittels Stahlkabeln oder zusätzlichen Streben (beide nicht gezeigt).In a further advantageous embodiment of the invention can be provided that it is the frame to a first component of the device, which is anchored in the ground (which is believed to be stable), namely z. B. by steel cables or additional struts (both not shown).
Ein aus Metallplatten ausgebildeter Winkelreflektor ist an einer Struktur montiert, die mittels einer vertikalen Strebe mit der Anbringungsstruktur verbunden ist. Eine Verbindung zwischen den beiden Strukturen erfolgt durch Gleitlager. Nachdem diese Struktur im Wasser platziert worden ist, sind der Auftrieb der Boje und das Gewicht des Winkelreflektors sowie ein Gegengewicht in einem solchen Gleichgewicht, dass sich der Winkelreflektor oberhalb der Wasserfläche, das Gegengewicht jedoch unterhalb der Wasserfläche befindet.An angle reflector formed of metal plates is mounted on a structure which is connected to the mounting structure by means of a vertical strut. A connection between the two structures is made by plain bearings. After this structure has been placed in the water, the buoyancy of the buoy and the weight of the angle reflector and a counterweight are in such equilibrium that the angle reflector is above the water surface, but the counterweight is below the water surface.
Eine Veränderung des Wasserpegels resultiert in einer (aufwärts- oder abwärtsgerichteten) vertikalen Kraft, die in die durch die schrägen Führungsschienen vorgegebene Schrägrichtung umgelenkt wird. Der Winkel α zwischen der Vertikalen und der schrägen Führungsschiene führt zu einer verbesserten eindeutigen Höhe h'u, wie bereits erläutert.A change in the water level results in an upward (upward or downward) vertical force, which is deflected in the oblique direction predetermined by the oblique guide rails. The angle α between the vertical and the oblique guide rail leads to an improved unique height h ' u , as already explained.
Der Winkelreflektor sollte derart gedreht werden, dass die Richtung seiner maximalen Rückstreuung im Wesentlichen mit der Sichtlinie des Satelliten übereinstimmt.The angle reflector should be rotated so that the direction of its maximum backscatter substantially coincides with the line of sight of the satellite.
Die vorstehend beschriebene Realisierung ist lediglich als Beispiel aufzufassen, und es sind zahlreiche Variationen möglich, sofern das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip eingehalten wird. The implementation described above is to be considered merely as an example, and numerous variations are possible, provided that the above-described principle of operation is observed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment and with reference to the drawing. In detail, they show:
Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) haben in den vergangenen Jahren zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten gefunden. Insbesondere das interferometrische SAR (InSAR) führte zu einer Erweiterung der SAR-Anwendungsmöglichkeiten, da dieses Prinzip zum Quantifizieren von Terrain-Höhen und Oberflächenverformungen verwendet werden kann. Eine neuere Anwendungsmöglichkeit auf Basis des InSAR-Prinzips besteht in der Beobachtung von Wasserpegelveränderungen in Feuchtgebieten.Synthetic aperture (SAR) radar systems have found many new applications in recent years. In particular, the interferometric SAR (InSAR) has led to an expansion of SAR applications, as this principle can be used to quantify terrain heights and surface deformities. A recent application based on the InSAR principle is to monitor water level changes in wetlands.
Der Ansatz des InSAR oder des differentiellen interferometrischen SAR (DInSAR) bietet eine hohe Auflösung beim Detektieren von Verformungsveränderungen, d. h. eine Auflösung in der Größenordnung eines Bruchteils der SAR-Wellenlänge. Bei den InSAR-Messungen handelt es sich um Phasen-Messungen, und somit sind eindeutige Messungen nur innerhalb von 2π möglich, was die Eignung des InSAR-Ansatzes für einige Anwendungsfälle einschränken kann. Beispielsweise führen beim C-Band (Wellenlänge von 5,6 cm) bei einem Einfallswinkel von 40° Mehrfache von 3,7 cm (= 5,6 cm × sin40°) einer vertikalen Verformung zu dem gleichen Phasen-Messwert und sind ohne zusätzliche Information nicht voneinander unterscheidbar. Bei Anwendungsfällen wie der Überwachung von Feuchtgebieten oder Hochwasserstandsmeldungen, bei denen größere Höhenveränderungen zu erwarten sind, kann eine zusätzliche eindeutige Messung erforderlich sein.The approach of InSAR or Differential Interferometric SAR (DInSAR) provides high resolution in detecting strain changes, ie. H. a resolution on the order of a fraction of the SAR wavelength. The InSAR measurements are phase measurements, and therefore, unambiguous measurements are only possible within 2π, which may limit the suitability of the InSAR approach for some applications. For example, at the C-band (wavelength of 5.6 cm) at an incident angle of 40 °, multiples of 3.7 cm (= 5.6 cm x
Im Folgenden wird ein Überblick über das erfindungsgemäße Konzept einer Dreiflächen-Winkelreflektorvorrichtung gegeben, mittels derer das Ausmaß an Eindeutigkeit bei gleicher Wellenlänge und gleichem Einfallswinkel effektiv verbessert wird, indem eine vertikale Bewegung eines Referenzpunkts in eine schrägverlaufende Bewegung transformiert wird. Die Vorrichtung ist verwendbar zur Erfassung eindeutiger Phasenmesswerte zur Beobachtung des Wasserpegels von Feuchtgebieten, oder für ähnliche Anwendungsfälle, bei denen Differenzen des Ausmaßes, die größer als 2π sind, zu erwarten sind. In Anbetracht dessen, dass die Erfindung mit relativ niedrigem Kostenaufwand hergestellt werden kann, ist das Konzept nicht nur für einige wenige Kalibrierungsmessungen anwendbar, sondern auch in einem Betriebsumfeld, in dem zuvor einfache Winkelreflektoren verwendet worden sind.The following is an overview of the inventive concept of a three-surface angle reflector device, by means of which the degree of uniqueness at the same wavelength and angle of incidence is effectively improved by transforming a vertical movement of a reference point into an oblique motion. The apparatus is useful for detecting unique phase measurements for monitoring the water level of wetlands, or for similar applications where differences in magnitude greater than 2π are expected. Considering that the invention can be manufactured at a relatively low cost, the concept is applicable not only to a few calibration measurements, but also in an operating environment where simple angle reflectors have previously been used.
Obwohl die Erfindung auch für andere Messungen als das Beobachten des Wasserpegels in Feuchtgebieten verwendbar ist, soll diese Verwendung in den folgenden Erläuterungen als Beispiel dienen.Although the invention is also applicable to measurements other than observing the level of water in wetlands, this use shall serve as an example in the following explanations.
Der derzeitige Ansatz zum Messen des Wasserpegels mit einem InSAR-Bild-Paar erfolgt durch Nutzung der Zweifachreflexion von bereits existierender Vegetation. Die Zweifachreflexion wird durch die Wasseroberfläche und einen vertikalen (biologischen) Schaft hervorgerufen. Der Schrägentfernungsabstand, wie er von dem Radar für diese Zweiflächen-Konfiguration gesehen wird, gleicht dem Sichtlinien-Abstand zu den Vertices der Zweiflächenform, d. h. wo die Wasseroberfläche und der Schaft einander berühren. Wenn sich der Wasserpegel verändert, bewegt sich dieser Vertex vertikal um einen Abstand h, und das SAR-Instrument misst anschließend eine Phasenveränderung, die sich proportional zu h, projiziert auf die Schrägentfernung d, verhält. Die Geometrie ist in
Das SAR-Instrument detektiert Phasenveränderungen Δφ in einer Entfernungsrichtung mit einer Empfindlichkeit
Um die eindeutige Höhe hu für Wasserpegelmessungen zu vergrößern, kann man die in
Mit dieser verbesserten Geometrie kann die eindeutige Höhe, d. h. die Eindeutigkeit der Höhe, verbessert werden, und zwar in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel α der Führungsschiene, wie
Ein Diagramm der verbesserten eindeutigen Höhe in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel θ und von dem Führungsschienen-Neigungswinkel α ist in
Ein Konstruktions-Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt
Die Reflektorvorrichtung
Im Gewässer
Der Schwimmkörper
Nachfolgend werden einige Alternativen für die Realisierung der Erfindung aufgeführt:
- – Der Winkelreflektor kann aus nur zwei vertikalen Platten ausgebildet sein, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die dritte Winkelfläche wird dann durch die Wasseroberfläche gebildet. Obwohl dieser Ansatz ein kostengünstigeres und leichtgewichtigeres Design ermöglichen kann, gilt es, folgendes zu beachten: – Der Winkelreflektor kann nicht mehr zu dem SAR-Instrument hin gekippt werden, was je nach dem Einfallswinkel zu einer geringeren Rückstreuung bei identischen Plattenbemessungen führt. – Die Wasseroberfläche ist möglicherweise während einer sie überstreichenden Bewegung, z. B. aufgrund von Wind, nicht glatt. In diesem Fall fehlt der durch die Boje bewirkte ”Mittelungs”-Effekt, und der Streumechanismus ist nicht mehr ideal (die Wasseroberfläche verläuft nicht notwendigerweise orthogonal zu den beiden vertikalen Platten).
- – Abgesehen von der Verwendung zur Beobachtung von Feuchtgebieten kann die Winkelreflektorvorrichtung auch zur Beobachtung von Höhenveränderungen in anderen Umgebungen verwendet werden. Das Erfordernis besteht darin, dass die Vorrichtung auf einer konstanten Höhe angeordnet werden kann und dass die Boje (o. dgl.) gleitbar an der Oberfläche befestigt ist, die gemessen werden soll. Mögliche alternative Anwendungen sind: – Messen des Füllpegels von Gastanks, deren Oberseite sich zusammen mit der enthaltenen Gasmenge bewegt. – Messen des Füllpegels von Kornsilos in abgelegenen ländlichen Gebieten, wo der Einsatz anderer Mittel zur Übertragung von Messdaten schwierig ist und wo die Nutzung eines existierenden SAR-Systems eine kostengünstige Alternative zu solchen periodischen Messungen bieten kann. – Messen des Hochwasserstandes in durch Hochwasser gefährdeten Gebieten, um das Ausmaß der Überschwemmungen durch Nutzung existierender SAR-Systeme aus dem Weltraum schnell und sicher erfassen zu können, wodurch der Katastrophenschutz entsprechende Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung und der Umwelt einleiten kann.
- – Bei anderen Anwendungssituationen, in denen eine sogar noch höhere Empfindlichkeit als diejenige für einen Führungsschienen-Neigungswinkel α = 0° erforderlich ist, kann die Führungsschiene auch in der anderen Richtung gekippt werden (α < 0°).
- – Die Winkelreflektorplatten können nicht nur aus massiven Metallplatten ausgebildet sein, sondern auch aus einer gitterartigen Platte oder einem Metallgitter. Dies könnte dazu beitragen, den Windwiderstand der Platten zu reduzieren und somit die Stabilität des Winkelreflektors unter Windbedingungen zu erhöhen. Zudem wird das Gewicht des Winkelreflektors reduziert.
- – Der Winkelreflektor kann mit Schlitzen oder Löchern versehen sein, so dass sich z. B. Regenwasser und kleine Verunreinigungen nicht in dem Reflektor ansammeln können.
- – Die Größe des Winkelreflektors sollte möglichst an das jeweilige SAR-System angepasst sein, so dass das reflektierte Signal stark genug ist, um eine reproduzierbare Messung zu ermöglichen.
- – Die in
6 gezeigte Anbringungs- und Gestellstruktur kann derart realisiert werden, dass der Winkel α im Feld eingestellt werden kann.
- - The angle reflector may be formed of only two vertical plates, which are aligned orthogonal to each other. The third angular surface is then formed by the water surface. Although this approach may allow for a more cost effective and lighter weight design, it is important to note the following: The angle reflector can no longer be tilted towards the SAR instrument, resulting in lower backscatter for identical plate dimensions, depending on the angle of incidence. - The water surface may be during a sweeping movement, eg. B. due to wind, not smooth. In this case, the "averaging" effect caused by the buoy is missing, and the scattering mechanism is no longer ideal (the water surface is not necessarily orthogonal to the two vertical plates).
- Apart from the use for wetland monitoring, the angle reflector device can also be used to observe changes in altitude in other environments. The requirement is that the device can be arranged at a constant height and that the buoy (or the like) is slidably mounted on the surface to be measured. Possible alternative applications are: - Measuring the filling level of gas tanks whose top moves along with the amount of gas contained. - Measuring the fill level of grain silos in remote rural areas, where the use of other means of transmitting measurement data is difficult and where the use of an existing SAR system can provide a cost effective alternative to such periodic measurements. - Measuring flood levels in flood-prone areas in order to quickly and reliably detect the extent of floods by using existing SAR systems from space, thereby enabling civil protection to take appropriate action to protect the population and the environment.
- In other application situations where an even higher sensitivity than that for a guide rail inclination angle α = 0 ° is required, the guide rail can also be tilted in the other direction (α <0 °).
- - The angle reflector plates can be formed not only of solid metal plates, but also of a grid-like plate or a metal grid. This could help to reduce the wind resistance of the plates and thus increase the stability of the angle reflector under wind conditions. In addition, the weight of the angle reflector is reduced.
- - The angle reflector may be provided with slots or holes, so that z. B. rainwater and small impurities can not accumulate in the reflector.
- - The size of the angle reflector should be adapted as far as possible to the respective SAR system, so that the reflected signal is strong enough to allow a reproducible measurement.
- - In the
6 shown mounting and frame structure can be realized such that the angle α can be set in the field.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Reflektorvorrichtungreflector device
- 1212
- Winkelreflektorcorner reflector
- 1414
- WinkelreflektorflächeCorner reflector surface
- 1616
- WinkelreflektorflächeCorner reflector surface
- 1818
- WinkelreflektorflächeCorner reflector surface
- 2020
- Halteelementretaining element
- 2222
- HaltestangeHandrail
- 2424
- Schwimmkörperfloat
- 2626
- Bojebuoy
- 2828
- Ballastgewichtballast weight
- 2929
- Gewässer (als Beispiel für ein Objekt auf der Erde)Waters (as an example of an object on earth)
- 3030
- Gestellframe
- 3232
- Pfostenpost
- 3434
- Pfostenpost
- 3636
- Führungsschieneguide rail
- 3838
- Führungselementguide element
- 3939
- Kopplungselementcoupling element
- 4040
- Doppelpfeil für Höhenveränderung der WasseroberflächeDouble arrow for height change of the water surface
- 4242
- Wasseroberflächewater surface
- 4444
- Doppelpfeil für Bewegung des WinkelreflektorsDouble arrow for movement of the angle reflector
- 4646
- SAR-VorrichtungSAR device
- 4848
- Satellitsatellite
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