Ergänzung 2.16: Das Seitensichtradar (3/3)

Nachweis von Öl

Wir haben auf den vorherigenSeiten gesehen, dass das SLAR ein abbildendes Radar ist, und mit seinen Daten Bilder der Radar-Rückstreuung des beflogenen Gebiets erzeugt werden können. Die Rückstreuung von der Meeresoberfläche ist von Wind und Wellen abhängig. Gibt es gar keinen Wind, so treten auch keine Wellen auf und die Meeresoberfläche ist fats ideal glatt. Unter solchen Bedingungen werden Radar-Strahlen an der Wasseroberfläche wie Licht an einem Spiegel reflektiert: außer den (eh nicht genutzten) vertikal nach unten gerichtete Strahlen werden unter diesen Bedingungen alle Radar-Pulse vom Flugzeug weg reflektiert und keine Rückstreuung detektiert werden. Wind erzeugt Wellen: bei Windgeschwindigkeiten von etwas mehr als 50 cm/s zunächst Kapillarwellen mit Wellenlängen von wenigen Millimetern, und dann bei höheren Windgeschwindigkeiten auch langwelligere Schwerewellen. Diese Rauigkeit der Wasseroberfläche führt zu rückgestreuten Signalen, die von der SLAR-Antenne selbst bei großen Einfallswinkeln der Radar-Pulse an der Meeresoberfläche detektiert werden können. Dies liegt daran, dass es immer Wellenfacetten mit einer Orientierung derart gibt, dass das Lot auf der Facette in Richtung des Flugzeugs weist, so dass eine Reflexion zur SLAR-Antenne hin stattfinden kann.

Eine raue Wasseroberfläche erzeugt diffuse Reflexion der Radar-Strahlen, und ein kleiner Bruchteil der reflektierten Welle kann von der SLAR-Antenne empfangen werden. Ein Ölfleck dämpft die Wellen an der Wasseroberfläche, die Rückstreuung nimmt deutlich ab und das Signal geht verloren.

Genauer erklärt: Bragg-Streuung ↓ ↑

Das von der rauen Wasseroberfläche empfangene Radar-Signal entsteht durch Bragg-Streuung der Radar-Welle an kurzen Schwerewellen und Kapillarwellen. Wir betrachten Wasserwellen mit einer Wellenlänge d. Eine Radar-Welle mit der Wellenlänge λ trifft unter dem Einfallswinkel θ auf die Wasseroberfläche. Eine resonante Reflexion in Richtung der einfallenden Welle kann dann stattfinden, wenn die Bedingung für Bragg-Streuung erfüllt ist:

$dsin\theta =\frac{\lambda }{2}$

Offensichtlich müssen die Wellenlängen des Radar und der Wasserwellen in gleicher Größenordnung sein: Kapillarwellen mit Wellenlängen von wenigen Millimetern bis Zentimetern führen zu resonanter Bragg-Rückstreuung der Zentimeter- Radar-Wellen. Dieser Effekt wird von langwelligeren Schwerewellen an der Wassseroberfläche und von Meeresströmungen - welche die Rauigkeit der Wasseroberfläche beeinflussen - moduliert, weshalb sich diese Phänomene ebenfalls in Radar-Bildern abzeichnen.

Der Nachweis von Öl an der Meeresoberfläche beruht auf der unterschiedlichen Rückstreuung eines Ölflecks im Vergleich zum umgebenden nicht verschmutzten Gebiet. Öl an der Wasseroberfläche dämpft Kapillarwellen sehr effizient, die winderzeugten Rippel verschwinden, und die Rückstreuung in Richtung der SLAR-Antenne geht erheblich zurück. Dieser wellendämpfende Effekt tritt bereits bei sehr geringen Oberflächenfilmen von wenigen Mikrometern Dicke auf, und wurde sogar an Filmen beobachtet, die nur eine Moleküllage dick sind (sogenannte monomolekulare Filme). Aus diesem Grund ist das SLAR ein sehr effizientes Instrument für die Detektion von Ölfilmen. Es lassen sich jedoch keine Hinweise auf die Dicke von Ölfilmen aus den Radar-Bildern ableiten.

SLAR-Aufnahme eines Schiffs, das sich wegen seiner starken Rückstreuung als weißer Fleck abbildet. Das Schiff gibt Öl ab, was infolge der verringerten Rückstreuung infolge der Wellendämpfung durch die dunkle Struktur sichtbar wird. Der Flugkurs verläuft parallel zum linken Rand des Bilds, was den Intensitätsverlust der Rückstreuung im Bild von links nach rechts - d.h. mit zunehmender Entfernung -erklärt.
Quelle: The Archimedes 2 Experiment, Joint Research Centre, Ispra Establishment

Weiterführende SEOS-Seiten

• Arbeitsblatt: Detektion von Öl über große Entfernungen mit Radar, als html-Seite oder als druckbare rtf-Datei
• Visuelle Untersuchung von Ölflecken
• Das Mikrowellenradiometer (MWR)
• Der UV/IR-Scanner
• Der Laserfluorosensor (LFS)