Az elektromágneses spektrum mikrohullámú sávjában gyűjtött adatok jelen-tősége ugrásszerűen megnövekedett az 1980-as években. Bár a mikrohullám szóban szerepel a mikro előtag, ez a sugárzás egyáltalán nem rövid hullámhosszú, sőt a hullámhossza a látható fény hullámhosszánál 2,5 milliószor nagyobb. A mikrohullámok hullámhossz-tartománya 1 mm-től 1 m-ig terjed.
A mikrohullámok alábbi két tulajdonsága teszi lehetővé, hogy ezeket az elektromágneses hullámokat felhasználjuk a távérzékelésben:
A hullámhossztól függően a mikrohullámú energia áthatol a ködön, a felhőkön, az esőn, a füstön.
A földfelszín teljesen másként viselkedik a mikrohullámok visszaverődésekor és elnyelésekor, mint a látható fény tartományában. A látható fény tartományban durva felszín a mikrohullámoknak elég sima. Általánosabb értelemben, mikrohullámú távérzékeléskor a felszín egészen más arcát mutatja, mint a látható fény és az infravörös tartományban.
Ebben a fejezetben bemutatásra kerülnek mind az aktív mind a passzív mikrohullámú távérzékelő rendszerek. Például a radar egy aktív mikrohullámú szenzor, mely saját energiaforrását használja és jelentősége miatt jelen fejezet legnagyobb részében ilyen rendszerek szerepelnek.
A fotografikus és a multispektrális érzékelés látványos képeivel szemben a radarfelvételek talán kevésbé látványosak, de remélhető, hogy a példákon keresztül sikerül bemutatni a mikrohullámú távérzékelés gyakorlati lehetőségeit.
A radar egy mozaikszó, mely az angol radio detection and ranging szó-összetételből származik és a világ minden nyelvébe beépült. A szó egy olyan eszközt jelöl, amelyet arra fejlesztettek ki, hogy rádióhullámok segítségével felfedezzenek bizonyos tárgyakat, ill. azok jelenlétét és meghatározzák kiterjedésüket, helyzetüket. A lejátszódó folyamatban egy rövid impulzust (mikrohullámú energiajelet) bocsá-tanak ki a vizsgált tárgy irányába, és rögzítik a jel visszaverődésének az erősségét.
A radarrendszerek nem szükségszerűen képi formátumban közlik az érzékelés eredményeit. A mikrohullámú berendezéseket, pl. a radarokat (és ugyanígy az eddig és ezután tárgyalt szenzorokat) különböző platformon, hordozóeszközön lehet elhe-lyezni, pl. a földfelszínen, repülőgépen vagy műholdon. A nem-képkészítő radarok legismertebb formája a rendőrség által használt sebességmérő. Ez a rendszer az ún. Doppler-radar rendszer, mert a kibocsátott és a visszavert jelek között fellépő Doppler-effektust (frekvencia eltolódást) használja fel a tárgy sebességének mérése-kor. A Doppler-hatás a kibocsátó és a visszaverődést okozó tárgy relatív, viszony-lagos sebességének a függvénye. Például a közeledő és a távolodó autó kürtje vagy a vonat sípja a Doppler-hatás miatt tűnik változó magasságúnak a mozdulatlan meg-figyelő számára.
A radarok másik gyakori formája a pozíciójelző radar (plan position indicator, PPI). A PPI rendszer jellegzetessége a kör alakú képernyő, melyen látható az észlelt tárgy pozíciója és távolsága a középpontban lévő megfigyelőhöz képest. A PPI rendszereket elsősorban az időjárás-előrejelzésben, a légi irányításban, a katonai fel-derítésben és a navigációban alkalmazzák.
A radarrendszer térbeli felbontása, egyebek mellett, függ az antenna mére-tétől. Bármely adott hullámhosszra igaz, hogy minél nagyobb az antenna, annál jobb a radar térbeli felbontása. A rádiócsillagászatban több száz méter átmérőjű antenná-kat is használnak már. A repülőgépes mikrohullámú távérzékelésnél a repülőgép aljá-hoz vagy tetejéhez (pl. az AWACS-amerikai katonai felderítő repülőgépek) rögzítik az oldalra néző antennát. Ezért ezeket a rendszereket oldalra néző radaroknak (SLR–side-looking radar) vagy oldalra néző repülőgépes radarnak (SLAR–side-looking airborne radar) nevezik. Az SLAR rendszerek a repülés irányával párhuzamos pász-tában óriási területekről készítenek folyamatos, szalagszerű képet.
A SLAR rendszereket katonai felderítés céljából az 1950-es évek elején fej-lesztették ki és ideális felderítő eszközzé váltak, mert azokat mindenféle időjárási körülmények között alkalmazni tudták és éjjel is készíthettek vele képeket. Bár a SLAR fejlesztése elsősorban a hadászati jelentőségű objektumok felderítésére irá-nyult, még így is igen hatékony eszköz a természetes erőforrások kutatásában.
A SLAR rendszer első nagyszabású alkalmazása a felszín térképezésében egy komplex kutatási program keretében valósult meg, melyet a panamai Darien tarto-mányban végeztek. 1967-ben kezdődött a program (Panama radar térképezés projekt) és kb. 20 ezer km2-es területről készült kép, melyeket mozaikszerűen illesztettek össze. A program sikerét fokozta az a tény, hogy a területről, az állandó felhőborítás miatt, addig nem készült légi- vagy űrfelvétel, valamint részletes térkép.[15] Az 1970-es évektől kezdve nemcsak számos kormány kezdeményezte a kiterjedt radar alkalmazási programok beindítását, hanem bányászati és olajipari társaságok is.
Az 1971-ben elindított venezuelai radaros térképezés során kb. félmillió km2-es területről készült részletes térkép. Ennek a projektnek az eredménye volt, hogy sikerült a szomszédos államok határait pontosan meghatározni, feltérképezték az ország vízkészletét, a főbb folyók korábban ismeretlen eredetét, valamint elkészült az ország geológiai térképe is. Szintén 1971-ben kezdődött a Radam Projekt (Radam = Radar of the Amazon), mely az Amazonas vízgyűjtőjét és Brazília északkeleti tarto-mányait kutatta. Ez volt a legnagyobb szabású radarprogram, amit valaha is végez-tek. A program végére (1976) több mint 160 radarkép segítségével fedték le a mintegy 8,5 millió km2-es területet. Radarképek voltak az alapjai a geológiai elemzé-seknek, az erdőállomány becslésének, a szállítási utak térképezésének, valamint az ércelőfordulások feltárásának. Nagy mennyiségben tártak fel jelentős ásványvagyont a radar által felfedezett új geológiai képződményekben.
Korábban fel nem ismert vulkáni kúpok, számos hatalmas folyó eredete vált ismertté a projekt eredményeként. A Föld többnyire felhővel borított területein a radar fontos szerepet játszhat a potenciális ásványvagyon, az erdőségek, vízkészletek, a szállítási útvonalak, a hasznosítható mezőgazdasági területek kijelölésében.
A radar rendszerek alkalmasak továbbá az óceán felszínének széleskörű moni-toringjára, pl. a szél, a hullámzás, a jégmozgás tanulmányozására.
Az űrbeli radaros távérzékelés a Seasat 1978-as felbocsátásával kezdődött, majd folytatódott a SIR (Shuttle Imaging Radar) 1980-as években végzett kísérlete-ivel. A műholdas mikrohullámú távérzékelés egyre nagyobb szerepet játszik a külön-böző földi erőforrások kutatásában.
Az ERS program része az ESA (Európai Űrügynökség–European Space Agency) Európai Földmegfigyelési Programjának (European Earth Observation Programme, EEOP), mely számos tudományterületnek nyújt segítséget, így pl. meteorológia, klimatológia, óceanográfia, földi erőforráskutatás, geodézia, geofizi-ka, stb. Az ERS program (European Remote Sensing Satellite Programme) az ESA, valamint a csatlakozó Norvégia és Kanada kezdeményezésére jött létre. Az EEOP program célja, hogy a közreműködő országok részt vegyenek a földi erőforrások feltárásában és a környezeti monitoringban. Az ERS-1 program elsődlegesen a jég és az óceán monitoringjára irányult, valamint a szárazföldek és a partmenti területek vizsgálatát tűzte ki célul. Főbb feladatai:
példákkal, alkalmazásokkal segítse az óceán, a tenger és a jég állapotának, a lejátszódó folyamatok törvényszerűségeinek jobb megismerését,
széleskörű ismeretet szolgáltasson a parti területeken és az óceánban lejátszódó folyamatokról,
az atmoszféra–óceán kölcsönhatás vizsgálata,
előrelépés az óceáni áramlások és energiaátadás megismerésében,
az arktikus, antarktikus jégtömeg változásainak és egyensúlyának becslése,
a dinamikus partmenti folyamatok és a szennyeződések monitoringja,
területhasznosítási változások hatásainak értékelése.
Mindezeket az igényeket számos egyedi eszköz segítségével érték el és a teljes rendszer (a földi és az űrbeli eszközök együttese) elsődleges feladata, hogy mindig, esetleg néhány órán belül, a világ bármely pontján felhasználható terméket állítson elő. Az ERS-1 távérzékelési, geodéziai célokat szolgált és egyben előfutára volt az 1990-es évek közepére, végére tervezett új műholdgenerációnak.
Az ERS-1 ismétlődő, globális megfigyelést végez mikrohullámú berendezései segítségével. A radar alkalmazása biztosítja a folyamatos mérést és képkészítést az időjárási viszonyoktól függetlenül. A radar áthatoló képessége kiküszöböli a változó napsugárzási feltételeket, valamint a felhőborítottságot.
A műhold számos olyan paraméter mérését végzi, melyeket korábban egyetlen műholdon sem mértek. Ezek közé tartozik az óceáni áramlatok vagy a tenger/jég fel-színek tanulmányozása. A mérési pontosság és az új mért paraméterek mellett a mikrohullámú tartományban vizsgált földfelszíni terület növekedése is fontos ered-ménynek számít. A sarki területekről vagy a déli félteke óceánjairól eddig kevés adat gyűlt össze, most ezek a területek is a vizsgálat tárgyát képezték.
A fedélzeti műszerek tervezésénél fontos szerepet játszott az az igény is, hogy lehetőség legyen a kiválasztott terület néhány órán belüli ismételt vizsgálatára. Ez elsősorban a gyakorlati meteorológia, a tengerállapot előrejelzés és a tenger-, jég-mozgás monitoring szempontjából kiemelkedő lehetőség. A fontosabb információ-felhasználók a tengeri és a partmenti hajózásban résztvevők.
E feladok megoldása érdekében az alábbi műszereket helyezték el az ERS-1 műholdon:
Az Aktív Mikrohullámú Berendezés (Active Microwave Instrumentation, AMI) kombinálja a SAR és a szél vizsgáló egység funkcióit a víz hullámzásának, a sarki jég, a parti zóna megfigyelésének céljából,
Radar Magasságmérő (Radar Altimeter) földfelszíni tárgyak és a hullámok magasságmérésére, szélsebesség mérésre és a különböző jéggel kapcsolatos paraméterek mérésére,
Pásztázó Radiométer (Along-Track Scanning Radiometer, ATSR) infravörös radiométer a tengerfelszín és a felhők tetejének hőmérsékletmérésére,
Mikrohullámú Szonda (Microwave Sounder, MWS) passzív mikrohullámú radiométer az atmoszféra teljes kicsapódó vízgőztartalmának mérésére, az ATSR része,
Nagypontosságú Távolságmérő (Precise Range and Range-rate Equipment, PRARE) nagypontosságú távolságmérés az óceánok áramlatainak megfigye-lésére, valamint geodéziai alkalmazás, pl. tengerfelszín topográfiája, kéreg- dinamika mérése,
Lézer Reflektor (Laser Retroreflector) passzív optikai eszköz a pontos földi irányítás céljából,
Szélsebességmérő (Wind Scatterometer) a tengerfelszíni szélsebesség (erősség és irány) mérésére.
Az ERS-1 berendezései
Az Aktív Mikrohullámú Berendezés – AMI
Az AMI két üzemmódban tevékenykedik: (1) képkészítő (Imaging Mode), és (2) hullám módban (Wave Mode).
A SAR képalkotó üzemmód esetén 100 km széles szalagszerű, nagyfelbontá-sú képet készít a repülési pálya irányában jobb kéz felé eső területről (IV.6. ábra). A 10 m hosszú antenna, mely párhuzamos a repülés irányával, egy impulzust küld a földfelszín felé. A kép fokozatosan épül fel a visszatérő jelekből időkésésük és intenzitásuk alapján. Az időkésés és az intenzitás elsősorban a felszín egyenetlenségétől, elektromos tulajdonságától, valamint a műhold és a felszín távolságától függ. A kép-készítő üzemmód kizárja a többi SAR üzemmód egyidejű működését, és az intenzív energiafelhasználás miatt a képkészítő üzemmód ideje maximum 12 perc minden egyes pályán. Az adatfelvételezési és átviteli sebesség rendkívül nagy, 105 Mbps, így a fedélzeti adatrögzítés lehetetlen. A képek csak a vevőállomások körzetében készül-hetnek és ezek azonnal beérkeznek az adatok vételére alkalmas állomásokra.
Az ERS-1 napszinkron, közel-poláris, közel-cirkuláris pályán kering 785 km-es magasságban. A pálya inklináció szöge 98,5°.
Az ERS-1 alkalmazási lehetőségei
Az óceánok elsődleges áramlásait a szél mozgatja, ezért a szélmezők, mint fő energiaforrások ismerete alapvető fontosságú. Az általános cirkulációban szerepet játszik a sókoncentráció, a tengerfenék topográfiája és a partvonalak futása. Az óce-áni cirkulációt leíró jelenlegi numerikus modellek képesek ugyan a főbb tulajdon-ságokat nagymértékben szimulálni, de tesztelésükre csak néhány területen, pl. a Golf-áramlásban és az USA parti sávjában került sor. Következésképpen ezek a modellek Golf-áramlás centrikusak és kevésbé pontosak a magasabb szélességek területén. A maximális sebességű áramlatok a Ny-i partvidékről indulnak, pl. a Golf-áramlás, melynek sebessége Floridánál 120 cm/s, míg más áramlásokban a víz sebessége tipikusan 20-30 cm/s. A nyugodt tengerfelszín magasságkülönbsége 100 km-es szélességben elérheti a 130 cm-t is. Ez a jelenség érzékelhető mind a magas-ságmérővel (RA) mind az infravörös radiométerrel (ATSR). Az óceánok felső 20–50 m-es rétegében jelentős emelkedések keletkeznek a változó szélrendszerek követ-keztében. Ez a réteg majdnem azonos az ún. hőtároló réteggel. Ebben a rétegben a hőátadást közvetlenül befolyásolja a szél és a különböző meteorológiai jelenségek, különösen a közepes és a magasabb szélességeken. Jelenleg a hőtároló réteg hőház-tartását hajókon elhelyezett mélységi termométerekkel mérik. A felső vízréteg (0–200 m) hőmérsékletének 1 °C-kal történő emelkedésekor a vízoszlop magassága 5 cm-rel nő, ezért az ERS-1 magasságméréseiből a hőmérséklet válto-zására lehet következtetni.
Az óceáni áramlatok rendelkeznek széles spektrumú energetikai mozgások-kal, főként örvénylések formájában. Ezek általában néhány fokkal melegebbek vagy hidegebbek, mint az őket körülvevő óceán vize. Emiatt a tengerfelszín magassága 10–50 cm-rel változik az örvény keresztmetszetében, amit a magasságmérő már érzékelni tud.
Az óceán felszínének távolsága a Föld középpontjához viszonyítva nemcsak a hullámzás és az áramlás függvénye, hanem azt a Föld belső összetétele is módosítja. A belső összetétel változása módosítja a Föld gravitációs mezőjét és a változás a ten-ger felszínének domborzatában is jelentkezik. A magasságmérő adatainak segítsé-gével készített átlagos tengerfelszín topográfiai térkép a tengeri geoid térképe.
Az ERS-1 program folytatásaként 1995. április 21-én elindult az ERS-2 nevű műhold, mely kiépítésében szinte teljes egészében megegyezik elődjével. A műsze-rek finomodtak, és egy új műszer, a légkör kémiai összetételét vizsgáló GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) nevű berendezés került a fedélzetre.
Az Endeavour űrsikló fedélzetén (STS-99) működött 2000. februárjában, a 11-napos SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) program keretében, az a radarrendszer, mellyel a Föld felszínének kb. 80 %-ról készítettek digitális dombor-zati térképet. Az NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) és a NASA által vezetett nemzetközi program során a digitális domborzatmodell két felbontásban készült el: 1, ill. 3 szögmásodperces felbontással. 2003. végén tették közzé a 3 szögmásodperc felbontású modelleket (Magyarországé 2003. novemberében) a világhálón.[16]
A mérés során egy 3-elemű radarrendszert használtak. Az űrsikló nyitott rak-terében maradt a fő antenna, mely egy C- és egy X-sávú antennát, egy az antenna pozícióját mérő berendezést tartalmazott.
Mindkét antenna tudta továbbítani, ill. fogadni a radaljeleket. A külső an-tenna egy 60 m hosszúságú tartószerkezet végén helyezkedett el. A külső antenna szintén C- és X-sávú antennákat és két GPS berendezést tartalmazott, de az anten-nák csak a radarjelek fogadására voltak képesek. A lefedett terület szélessége a C-sávban 225 km, míg a jobb felbontású képet adó X-sávú méréskor 50 km.
A mérés alapja a radar-interferometria. A C-sávú radar HH és VV polari-záltságú radarjelekkel dolgozik, míg az X-sávú antenna csak VV polarizáltságú je-lekkel. A fő- és a mellékantenna távolsága (60 m) megfelel az interferometriai bá-zisvonalnak. A főantenna által kibocsátott jelek a földfelszíni tárgyakról visszaverődnek és a fő- és a mellékantenna fogadja a visszaverődő radarhullámokat.
Az interferométer a bázisvonal két végén elhelyezkedő antennákra érkező radarjel fáziskülönbségét méri. A fáziskülönbség pontos méréséből megállapítható a jeladó és a tárgy távolsága, a jeladó helyzetének ismeretében pedig a földfelszíni tárgy tengerszint feletti magassága.
۩ Magyarország domborzata az SRTM felvételen - video video/srtm.mpg
Az SRTM mérési eredményeinek feldolgozása után, az É 60° és D 57° szé-lességi körök között található területekre, a jelenleg legpontosabb globális digitális domborzatmodell jött létre, mely kiválóan használható hidrológiai, geomorfológiai, stb. modellek készítésekor.[17]
[15] Golley, F. B. 1998. NPP Tropical Forest: Darien, Panama, 1967-1968. – in:http://www-eosdis.ornl.gov/NPP/site_des/drn_des.html
[16] ftp://edcsgs9.cr.usgs.gov/pub/data/srtm/Eurasia/
[17] Tímár G. et al: Űrtechnológia a digitális domborzati modellezésben: az SRTM adat-bázis – Geodézia és Kartográfia LV. évf. 2003/12 sz. pp. 11-15.