Lexikon der Fernerkundung

akustische Fernerkundung

Die Darstellung der Erdoberfläche mittels satellitengestützter (oder luftgestützter) Fernerkundungstechniken hat unser Verständnis der Erde, der Ozeane und der atmosphärischen Systeme in den letzten fünf Jahrzehnten revolutioniert. Die meisten dieser Sensoren nutzen Informationen aus dem elektromagnetischen (EM) Spektrum zur Messung und Überwachung der Erde. Diese Technologien haben es ermöglicht, terrestrische Systeme und die Meeresoberfläche wiederholt mit hoher Auflösung zu kartieren. Elektromagnetische Wellen dringen jedoch nicht sehr weit durch Wasser hindurch, und da 70 % der Erde von den Ozeanen mit einer durchschnittlichen Tiefe von 3,6 km bedeckt sind, ist der überwiegende Teil des Erdballs nach wie vor äußerst schlecht kartiert. So sind schätzungsweise nur 18 % des Meeresbodens mit einer Auflösung kartiert, die mit der des Festlandes vergleichbar ist.

Akustische Fernerkundungsanwendungen

Formen von akustischen Ausbreitungsmedien

Akustische Wellen tragen Informationen über ihre Quelle und sammeln Informationen über ihre Umgebung, während sie sich ausbreiten. In fast allen Fällen umfasst die moderne akustische Fernerkundung die Aufzeichnung von Tönen durch eine Messanordnung (Array) und die Verarbeitung von Array-Signalen zur Gewinnung multidimensionaler Ergebnisse. Der Anwendungsbereich der akustischen Fernerkundung erstreckt sich über einen beeindruckenden Bereich von Signalfrequenzen (10-2 bis 107 Hz) und Entfernungen (10-2 bis 107 m) und umfasst die biomedizinische Ultraschallbildgebung, die zerstörungsfreie Bewertung, die Öl- und Gasexploration, militärische Systeme und die Überwachung des Kernwaffenteststoppvertrags. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden Ansätze entwickelt, um entfernte Quellen zuverlässig zu lokalisieren, Rauschen und Mehrwegverzerrungen aus aufgezeichneten Signalen zu entfernen und die akustischen Eigenschaften der Umgebung zu bestimmen, durch die sich die Schallwellen bewegt haben.

Obwohl die aktive akustische Fernerkundung vor allem im Unterwasserbereich eingesetzt wird, gibt es auch einige terrestrische (z. B. seismische Erkundung) und atmosphärische Anwendungen (z. B. Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio Acoustic Sounding Systems (RASS)).

Passive akustische Technologien konzentrieren sich in erster Linie auf die Messung von Schall und/oder Vibrationen in Luft, Wasser und/oder Festkörpern. Diese passiven Technologien konzentrieren sich auf drei wichtige Spektralbereiche - den für den Menschen hörbaren Bereich (20-20.000 Hz), den Bereich oberhalb des menschlichen Gehörs (>20.000 Hz) oder Ultraschall und den Bereich unterhalb der menschlichen Hörempfindlichkeit (weniger als 20 Hz) oder Infraschall. Zu den Schallquellen in diesen Bereichen gehören Geräusche von biologischen Organismen (Tiere, die mit Hilfe von Schall kommunizieren), geophysikalische Dynamik (Donner, Regengeräusche und Erdbeben) und Geräusche von vom Menschen geschaffenen Objekten (Sirenen, Straßenlärm). Zusammen bilden sie eine Geräuschkulisse.

Akustische Fernerkundung der Atmosphäre

Akustische Fernmessverfahren, z.B. das SODAR (Sonic Detection And Ranging), wenden aktiv ausgesendete Schallwellen und ihre Wechselwirkung mit der Atmosphäre zur Sondierung an. Es nutzt die Rückstreuung von Schallwellen (Schallausbreitung) an turbulenten Dichteschwankungen (Turbulenz) aus. Die Laufzeit der vom Boden ausgesandten und wieder zurückgestreuten Schallimpulse wird gemessen. Unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit wird die Höhe der Turbulenzen ermittelt. Auf diese Weise lässt sich die Mächtigkeit der turbulent durchmischten atmosphärischen Grenzschicht vom Boden aus feststellen.

Doppler-SODAR-Geräte senden die Schallimpulse in drei unterschiedliche Raumrichtungen. Neben der Laufzeit wird die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Signals (Doppler-Effekt) ermittelt, woraus sich die Windgeschwindigkeit und Windrichtung ableiten lässt. Die maximale Reichweite ergibt sich aus der Schallleistung des Senders und der Verteilung der Turbulenz. Sie umfasst in der Regel eine Schicht von 100 bis max. 1000 m.

SODAR-Messungen dienen vor allem der Aufnahme vertikaler Windprofile, Turbulenzmessungen und der Ortung unsichtbarer Abgasfahnen in den unteren Schichten der Atmosphäre.

Hydroakustische Fernerkundung

Die Akustik ist die wichtigste Methode zur Fernerkundung der Unterwasserwelt, da sich Schall über viel größere Entfernungen unter Wasser ausbreiten kann als elektromagnetische Wellen. Da etwa 70 % der Erdoberfläche von Meerwasser bedeckt sind, ist die Akustik in der Regel erforderlich, um den größten Teil der Ökosysteme der Erde und den größten Teil der festen Oberfläche, die unter Wasser liegt, zu untersuchen. Die Akustik hat sich auch zu einem wichtigen Instrument für die Fernerkundung der geophysikalischen Eigenschaften der Ozeane selbst entwickelt.

Aus historischen Gründen wird begrifflich unterschieden zwischen Sonargeräten (kurz als „Sonare“ bezeichnet), die überwiegend horizontal, und Echoloten, die überwiegend vertikal orten.

Die hydroakustische Fernerkundung stellt sowohl die Basis für die Kartographierung des Meeresbodens als auch die Erkundung von Erdölvorkommen unter den Ozeanen dar, da die klassischen Fernerkundungsverfahren auf der Basis elektromagnetischer Wellen wegen ihrer hohen Absorption in Wasser in Tiefen von mehr als ca. 50 Meter versagen.

Oft wird von passivem Sonar gesprochen, das auf die Geräusche eines anderen Objekts (eines Schiffs, eines Wals usw.) hört. Diese Angabe kann sich auf den passiven Betriebsmodus eines auch zum aktiven Senden fähigen Ortungssystems beziehen. Dabei werden nur die von Objekten eigenständig generierten Signale bzw. Geräusche empfangen, was die Tarnung des ortenden Systems schützt. In beiden Betriebsarten kann die Richtung des einfallenden Schalles bestimmt werden, eine präzise und verlässliche Entfernungsmessung ist jedoch oft nur im aktiven Betriebsmodus möglich.

Aktive Sonare benutzen das Echoprinzip wie Radaranlagen, strahlen also selbst Schallimpulse aus, deren Echo sie empfangen, aus dem sie über Laufzeit des Echos die Entfernung bestimmen. Echolote gehören zu diesem Typ. Sie werden zur Entdeckung, Entfernungsmessung und Vermessung von Unterwasserobjekten und des Geländes eingesetzt wird.

Aktive akustische Fernerkundungsmethoden erzeugen einen Schallimpuls und messen das zurückkehrende Signal (Echo), um daraus Informationen über die erfasste Umgebung abzuleiten. Diese aktiven Systeme haben diese Sensorlücke geschlossen und helfen uns, Unterwassersysteme zu verstehen, die von EM-Sensoren nur schwer erreicht werden können. Sonarsysteme (Sound Navigation and Ranging) nutzen in erster Linie Frequenzen von 1 kHz bis zu mehreren hundert kHz, und das Design und die Technik dieser Sensoren haben sich für eine Vielzahl von Anwendungen weiterentwickelt und diversifiziert:

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