Radar en SAR

Seasat 1

Magellan

Werking

Radar stamt uit de late jaren 30 van de vorige eeuw. Het principe is altijd een elektronisch installatie waarbij een antenne een korte puls radiogolven uitzendt in een bepaalde richting. Er worden bij voorkeur hoge frequenties en dus korte golflengten gebruikt. Het grootste deel van de tijd staat de installatie te wachten op terugkerende signalen. Dat moet een gevoelige ontvanger zijn, want de radiostraling die terugkeert in de antenne is maar een fractie van wat er is uitgezonden. In de radarinstallatie gebruikt men een elektronische schakelaar die steeds schakelt tussen de zender die de korte pulsen uitzendt en de ontvanger, die het grootste deel van de tijd "luistert". Sommige radarantennes bewegen rondom, zodat je een radarbeeld krijgt van de omgeving. Die zie je op een schip, bij een luchthaven en natuurlijk de buienradar. Andere radarantennes bewegen maar beperkt heen en weer, zoals de buienradar van een vliegtuig.  Nieuw zijn de phased array antennes, die stilstaan, maar waarbij de richting van de radiostraling elektronisch wordt geregeld. De tekening van Wikipedia laat zien hoe de radarantenne werkt. 

Hoe zien we de weerkaatste radiogolven?

In ronde beeldbuis wordt een elektronenstraal vanuit het midden naar de rand van het scherm bewogen. Steeds weer opnieuw. Tegelijkertijd draait die elektronenstraal mee met de antenne. Als er niets te zien is, blijft het scherm donker. Als er een weerkaatsing door een object plaatsvindt, zien we een witte stip op het scherm. Als de reflectie snel terugkomt (van een voorwerp dichtbij), verschijnt die stip meer naar het midden. Komt de reflectie laat, dan verschijnt de stip aan de rand van het scherm en is het reflecterende object ver weg. 

Het midden van het scherm is bijvoorbeeld het schip, maar het kan ook plaats van de luchthavenradar zijn. Om een beeld te krijgen is de oplichtende stof in de beeldbuis zo samengesteld, dat hij lang blijft nagloeien. Tegenwoordig worden de radar reflecties in een computer gevoerd, zodat het gemakkelijker is om allerlei informatie toe te voegen, zoals op Schiphol, waar gegevens over hoogte en identiteit van een vliegtuig aan de reflectie stip gekoppeld worden. Het computerscherm  links laat de grondradar van Schiphol zien, met de landingsbanen en vliegtuigen die zich daarop bevinden.

 

 

Op de afbeelding rechts is te zien dat een scheepsradar kustlijnen, dammen en schepen afbeeldt. Er zijn tal van storingen die nog uitgefilterd moeten worden. Golven op zee kunnen echo's geven die niet van schepen afkomstig zijn. We zien dat ook wel eens op de weerradar beelden. Op een stralende dag kunnen we dan op de Noordzee heel veel kleine wolkjes te zien die er echt niet zijn.
De afstand waarop een radar nog kan waarnemen, hangt af van de de sterkte van de zender, maar ook van de tijd tussen de pulsen. Als de radar 1000 pulsen per seconde uitstuurt, zit er tussen twee pulsen een milliseconde. In die milliseconde heeft de radiostraling (die met de lichtsnelheid reist) 300 km afgelegd. Maar omdat de radarpuls de afstand naar een object tweemaal moet afleggen (heen en terug)  is de maximale afstand bij dat aantal pulsen per seconde 150 km. Een ander gebruik van radar is hoogtemeting. Als bijvoorbeeld je vlieghoogte in een vliegtuig bekend is, kun je aan de hand van de weerkaatste signalen uitzoeken hoe hoog je boven de aarde vliegt en dus kun je met die gegevens waarnemen of je boven een gebergte terecht gaat komen, want dan wordt de afstand vliegtuig-aarde snel kleiner. Dit wordt ook als waarschuwingsradar gebruikt.

De eerste Engelse radarstations in 1937, de Homechain, werkten met heel andere antennes dan de radar die wij kennen, maar het principe was hetzelfde. Die radar werkte op een frequentie van 25 MHz. Heel laag voor tegenwoordig. Maar het werkte voldoende goed om een groep vijandelijke vliegtuigen te kunnen waarnemen. Tegenwoordig zijn de frequenties veel hoger. Meestal in de orde van 2 GHz. Hoe korter de golflengte (en hoe hoger de frequentie) hoe kleiner de details die waargenomen kunnen worden.
Het kleinste detail dat nog een reflectie kan geven is ongeveer tien maal kleiner dan de gebruikte golflengte. 2GHz geeft een golflengte van 1,5 cm. Dus die radar zou in elk nog geval reflecties kunnen krijgen van regendruppels.

SAR

Een radarantenne met grote diameter geeft een smallere bundel radiostraling en dus een hogere resolutie (links; narrow footprint)

Maar ook al worden er grote antennes gebruikt, de resolutie of scheidend vermogen is erg laag om veel details te kunnen zien. De uitgezonden radargolven zijn erg breed en de echo's van objecten worden ook over een breed gebied ontvangen.
Op een kunstmatige manier is het echter wel mogelijk om gedetailleerde beelden te krijgen met behulp van radar. Dit noemen we Synthetic Aperture Radar. Het betekent dat er op een kunstmatige manier een radar antenne met heel grote diameter kunnen nabootsen. Het werd voor het eerst getest op de tweede vlucht van de Spaceshuttle Columbia (de SIR-A). SAR is vrij ingewikkeld en er komt aardig wat wiskunde bij kijken.

SAR is bedacht om details te kunnen waarnemen, die in zichtbaar licht niet te zien zijn. Zo kunnen we met telescopen nooit op het oppervlak van de planeet Venus zien, want dat wordt verborgen achter een heel dik wolkendek. Golfhoogten op zee zijn ook niet te fotograferen. Deze twee toepassingen worden op deze pagina besproken.

Uitgezonden radarpulsen worden door het planeetoppervlak weerkaatst. Objecten en structuren geven elk een andere terugkaatsing. Objecten die verder weg zijn, geven een latere weerkaatsing dan objecten die zich dichtbij bevinden. De twee hier besproken ruimtevaartuigen bewegen zich ook nogal snel voort over het planeetoppervlak. Dit geeft een tweede verschil, namelijk de dopplerverschuiving. We kennen dit van de voorbijrijdende ambulance met sirene. De geluidsgolven veranderen van toonhoogte (frequentie). De golven worden in elkaar gedrukt (hogere toon) als de ambulance op ons af komt en uitgerekt (lagere toon) als hij van ons vandaan rijdt. Bij de radiogolven is het net zo.

Een radarpuls wordt naar het planeetoppervlak gezonden. De radarpuls wordt in alle richtingen verstrooid door het oppervlak. Een deel daarvan bereikt de antenne.

Elk object op het planeetoppervlak geeft dus een bepaalde dopplerverschuiving maar ook een bepaalde vertragingstijd. Met die informatie kan de positie van het object vastgesteld worden. Een planeet oppervlak is in de praktijk bezaaid met zulke objecten. Die worden dan weer vertaald in een groot aantal afstand/doppler cellen. Je zou dat de pixels van de opname kunnen noemen, maar die vergelijking gaat niet goed op.

De beweging van het ruimtevaartuig over de planeet is erg belangrijk. Wat er in feite gebeurt is dat de beweging van het ruimtevaartuig over de planeet een grote antenne simuleert. Soms kan een kleine satelliet radarantenne het effect krijgen van een schotel met een middellijn van 10 km! Dit komt omdat tijdens de vlucht over een planeetoppervlak dezelfde objecten een flink aantal malen over een grote afstand worden waargenomen.
SAR opnames kunnen vreemde effecten bevatten. Het gaat immers om een kunstmatig beeld, opgebouwd uit reflecties van objecten. Omdat een SAR beeld op een heel andere manier tot stand gekomen is dan een opname met lenzen heeft het een aantal ongebruikelijke eigenschappen. Een SAR opname van objecten dichtbij is net zo scherp als van veraf. Het effect kun je vergelijken met het kunnen lezen van een boek vlak voor je neus, maar ook vanaf een kilometer afstand. 

Seasat 1

Ruimtevaartuig

Seasat 1 was de eerste satelliet die om de Aarde cirkelde met een SAR aan boord. Hij  werd op 28 juni 1978 gelanceerd in een cirkelvormige baan op 800 km hoogte en een inclinatie van 108 graden, dus de baan liep ongeveer over de beide polen. Helaas zorgde een onherstelbare kortsluiting er op 10 oktober 1978 voor dat de satelliet onbruikbaar werd. Hij had 105 dagen gewerkt en 42 uur aan waarnemingsgegevens opgeleverd.

 De experimenten waren alle gericht op het verkrijgen van informatie over de oppervlakten van de oceanen. Gelukkig werd er ook land "gefotografeerd".

Daarvoor waren vijf experimenten aan boord:

De gebruikte radarfrequentie was 1.275 GHZ (L-band). Dat gaf een golflengte van 23,5 cm. De resolutie op het aardoppervlak was ongeveer 25 meter en de breedte van de waarnemingsstroken op aarde waren 100 km breed. De langwerpige antenne was 10,74 bij 2,16 m. groot. Het vermogen van de radarzender was 1 KW. Met een snelheid van 110 Mbits/s werden de gegevens naar de aarde doorgestuurd.

Resultaten

De resultaten van de Seasat waren veelbelovend.

De Golf van Mexico; SAR laat zien wat een fotografische camera niet kan laten zien. De Missisippi delta. SAR kan ook een aantal meters onder water "kijken". Hier is te zien dat de rivier onder water dijken heeft gemaakt.

Hieronder is een fraaie opname van de Waddenzee te zien, gemaakt door Seasat 1:

De stromingen, geulen, Afsluitdijk en zandplaten zijn duidelijk te zien.

Magellan

Venus is door de Russen vaak bezocht met hun uitstekende Venera landers. NASA is er minder vaak geweest, maar wat ze deden was wel weer heel bijzonder.
Venus is bedekt met een heel dicht wolkendek. Het is een helse wereld, met een atmosferische druk op het oppervlak die  90 maal groter is dan de onze en de temperatuur bedraagt 470 graden. Er zit veel zwavelzuur in de atmosfeer, dus alles wat op het hete oppervlak landt, "roest" in een hoog tempo. Om een goede kaart van Venus te maken en de zwaartekracht van de planeet te meten werd het Magellan project gestart, genoemd naar de bekende ontdekkingsreiziger. Magellan gebruikte SAR, om door de wolken heen een kaart te maken van het Venusoppervlak. Het was niet het eerste gebruik van SAR. De Pioneer Venus maakte al met eenvoudiger apparatuur SAR opnamen van Venus en liet bovendien vier sondes in de atmosfeer vallen om metingen op het Venusoppervlak te doen.

Magellan werd op 4 mei 1989 gelanceerd vanuit de Spaceshuttle Atlantis. (zie hieronder). Daarna maakte hij op weg naar Venus anderhalve omloop om de zon en na 15 maanden kwam Magellan op 10 Augustus 1990 bij Venus aan. Daar werd hij in een omloopbaan gestuurd die over de polen van Venus liep. Een omloop duurde 3 uur en 15 minuten. De baan was erg elliptisch. Die varieerde van 294 tot 8543 km boven het Venusoppervlak. Tijdens het gedeelte van de baan dat de Magellan dicht boven het Venusoppervlak was, werden stroken van 17 tot 28 km breed "gefotografeerd" met behulp van de SAR installatie. Na elke omloop werd op die manier een strook verkregen. De baan bleef hetzelfde, maar Venus draait in 243 dagen om haar as. Zodoende kreeg men bij elke omloop een nieuw gedeelte van Venus in beeld. In mei 1991 was al 84% van het oppervlak in kaart gebracht. Van mei 1991 tot september 1992 werden nog twee waarnemingsperioden uitgevoerd, waarbij de hoek waaronder de Magellan zijn radargolven uitzond, iets waren veranderd. Op die manier kun men driedimensionale (3D) kaarten samenstellen.

Van september 1992 tot mei 1993 stond de SAR installatie uit, maar werd er een constant radiosignaal uitgezonden om daarmee het zwaartekrachtveld van de planeet te meten. De zwaartekracht is nooit overal hetzelfde. Op plaatsen waar veel zwaar gesteente in de bodem zit, trekt de zwaartekracht sterker aan de satelliet dan op andere plaatsen. Dat zorgt ervoor dat een satelliet niet een mooie ellipsvormige baan volgt, maar een golfbeweging krijgt. Die golfbeweging zorgt voor een doppler effect in de ontvangen radiosignalen. En daarmee is dan weer een beeld te krijgen van de zwaartekracht verdeling op een planeet. Na mei 1993 werd er iets nieuws geprobeerd. Men liet Magellan in de atmosfeer duiken door de omloopbaan te verlagen. De baan werd langzamerhand in hoogte teruggebracht 180  bij 541 km boven het oppervlak. Nu kon men nog betere metingen doen aan de zwaartekracht. Vanaf september 1994 werd de baanhoogte nog meer verlaagd en begon men met het "windmolen" experiment. De zonnepanelen werden zo gedraaid dat  de op de vluchtrichting stonden. Dit veroorzaakte weerstand. Door te meten hoeveel men moest bijsturen om de Magellan in de juiste positie te houden kon men deze weerstand meten. Dit leverde gegevens op over de moleculen in de bovenste atmosfeerlagen van Venus. Op 11 oktober 1994 werd de baan voor de laatste maal verlaagd, waarbij Magellan in de atmosfeer van Venus dook. Veel van het ruimtevaartuig zal in die dikke atmosfeer verbrand zijn, maar ongetwijfeld zijn er nog enkele onderdelen op het oppervlak terechtgekomen.

Ruimtevaartuig

Magellan had een massa van 1035 kg. De diameter van de grote antenne was 3,7 m. De verschillende stuw- en remraketten hadden stuwkrachten tussen de 0,9 en 445 Newton. De resultaten werden met een snelheid van 268,8 of 115 kbps naar de Aarde gestuurd.

Signalen in de X en S band werden gebruikt om de zwaartekracht metingen te doen. De SAR werkte op een frequentie van 2.385 GHz, het vermogen was 325 Watt en de pulsduur 26.5 microseconde. 

De SAR resolutie was 150 m en de nauwkeurigheid van de metingen met de radiohoogtemeter 30 m. De radiometer (warmte metingen) had een nauwkeurigheid van twee graden.

 

 

Resultaten

We zijn door Magellan meer te weten gekomen over de geologie van Venus. Het oppervlak is voor het grootste deel bedekt met vulkanisch materiaal, zoals lava velden, plekken met kleine lava heuvels. Er komen ook veel schildvulkanen voor. Er zijn maar een paar inslagkraters, wat bewijst dat het oppervlak relatief jong moet zijn (minder dan 800 miljoen jaar). Recente lavastromen hebben de inslagkraters gevuld. Er komen lava kanalen voor van meer dan 6000 km lang. Dat betekent dat er in het verleden erg vloeibare lava gestroomd moet hebben dat in grote hoeveelheden uit de kraters is gestroomd. Er is geen bewijs dat Venus tektonische platen heeft, zoals de Aarde die wel heeft. Ook is er geen bewijs voor winderosie, door de combinatie van zand en harde wind. Er is dus weinig of geen wind op het oppervlak.

Hieronder een aantal opnamen van Venus, gemaakt door Magellan.

De SAR beelden zijn vertaald naar de kleur die Venus volgens de Russische Venera sondes heeft. De dikke wolken filteren het zonlicht zodanig, dat het een roodbruine gloed krijgt:

Een van de hierboven genoemde 3D opnamen van Venus:

Door een gemiddelde te nemen van de hoogste en de laagste plekken, heeft men als het ware een zeeniveau bedacht, hoewel er geen zeeŽn en meren voorkomen op Venus. Alles wat op of onder het kunstmatige zeeniveau ligt is blauw en alles wat hoger is, is in het groen en bruin afgebeeld. Zo lijkt de Venus globe op onze wereldbol:

De Zuidpool van Venus. De zwarte strepen (hierboven en hieronder) zijn gedeelten waarvan Magellan geen gegevens heeft kunnen krijgen:

Zie ook het Magellan filmpje bij "Video".

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/