Sensor

Engl. sensor, franz. capteur; im allgemeinen technischen Sprachgebrauch bezeichnet der Begriff jede Art von Funktions- oder Bauelement das eine physikalische Größe wie Druck, Temperatur, Lichtintensität oder Beschleunigung in elektrische Signale umwandelt. Häufig wird deshalb auch von "Messgrößenaufnehmer" gesprochen.

Im Sprachgebrauch der Fernerkundung ist der Begriff 'Sensor' wesentlich schärfer definiert und bezeichnet ein Nutzlastelement auf einem Satelliten, einem Flugzeug, einem Ballon oder einer anderen Fernerkundungsplattform zur Ausführung einer bestimmten Fernerkundungsaufgabe, d.h. zur Sammlung von Daten über Erdprozesse oder atmosphärische Komponenten.

So ist beispielsweise AVHRR einer der Sensoren auf den Satelliten der NOAA-TIROS-Serie. Der Begriff 'Instrument' wird häufig synonym zu 'Sensor' verwendet, obwohl 'Sensor' eigentlich nur das sensitive Element (z.B. CCD-Chip) bezeichnet. Bei strenger Unterscheidung beinhaltet das Wort 'Instrument' das ganze System inklusive Optik und Datenauslesung.

DIN 18716-3 definiert: "Ein Sensor der Fernerkundung ist ein Instrument, das elektromagnetische Strahlung empfängt und so in Signale umwandelt, dass daraus ein Bild erzeugt werden kann. Als Sensoren der Fernerkundung werden vor allem eingesetzt

• die Kamera zur photographischen Aufnahme
• der Scanner zur Datenaufnahme durch Abtastung
• das Radarsystem zur Aufnahme nach dem Radarprinzip."

Herbert J. Kramer definiert den Begriff 'Sensor' wie folgt: "An instrument (generic term), usually consisting of optics, detectors, and electronics that collects radiation and converts it to some other form. The form may be a certain pattern (an image, a profile, etc.), a warning, a control signal, or some other signal."
Da Fernerkundungssensoren, im Gegensatz zu den In-Situ-Messverfahren, keinen direkten Kontakt zum zu erkundenden Objekt (z.B. Erdoberfläche, Atmosphäre, Wolken etc.) haben, werden räumliche Verteilung (Textur) und/oder Eigenschaften wie Intensität, spektrale Eigenschaften oder Polarisation der Strahlung gemessen. Demnach muss ein Fernerkundungssensor folgende Eigenschaften besitzen:

• Radiometrische Definition: Die Lichtintensität eines bestimmten Punktes des untersuchten Objektes muß vom Sensor eindeutig einem Meßwert zugeordnet werden.
• Spektrale Definition: Jeder Wellenlängenbereich der von einem sichtbaren Punkt des untersuchten Objekts reflektierten bzw. emittierten Strahlung muß vom Sensor eindeutig gemessen werden können.
• Räumliche Definition: Jeder sichtbare Punkt des untersuchten Objektes muß separat und mit einer eindeutigen geometrischen Beziehung angebildet werden.

Unterscheidungsmerkmale von Sensorsystemen beziehen sich z.B. auf die verwendete Optik bzw. Antenne. Deren Wahl legt die Größe der beobachteten Region und die räumliche Auflösung fest. Die verwendeten Halbleiterdetektoren sind für unterschiedliche Spektralbereiche ausgelegt, und der Bahnverlauf des Satelliten (Orbit) bestimmt die Überflugszeiten und Wiederholraten sowie ebenfalls den Beobachtungsbereich.

Bei den drei Gruppen von Sensoren können sich Höhenunterschiede und Projektionsart ganz unterschiedlich auf die Bildgeometrie auswirken:

• Photographische Systeme bilden die Erdoberfläche in Zentralperspektive ab. Höher gelegene Geländepunkte, d.h. Punkte oberhalb einer zu wählenden Bezugshöhe, werden dabei in Senkrechtbildern von der Bildmitte radial nach außen versetzt (und umgekehrt) wiedergegeben.
• Scanner-Systeme ergeben - ideale Flugbahnen vorrausgesetzt - eine Mischprojektion aus paralleler (in Flugrichtung) und zentraler Projektion (senkrecht zur Ebene). Demnach werden höher gelegene Punkte (im Gegensatz zur Photographie) senkrecht zur Flugrichtung nach Außen versetzt.
• Radar-Systeme weisen ebenfalls eine gemischte Projektion auf: In der Flugrichtung liegt eine Parallelprojektion vor; senkrecht zur Bildebene eine Schrägentfernungsprojektion in der höher gelegene Geländepunkte, die ja von der ausgesandten Wellenfront zuerst getroffen werden, zum Flugweg hin versetzt erscheinen.

Jeder Sensor ist für Strahlung in einem bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich. Für die meisten Fernerkundungsanwendungen sind Daten mehrerer Spektrahlbereiche nützlicher als die nur eines Bereichs. Daher wendet man unterschiedliche Techniken an, um mit einem Multispektralsensor Daten gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen zu erfassen.

Die überwiegende Anzahl der Sensoren basiert auf der Halbleitertechnologie, wie beispielsweise CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Chips, die bei Digitalkameras eingesetzt werden, oder einzelnen Photodioden wie die Indium-Gallium-Arsenid Photodiode (InGaAS), die Lawinenphotodiode (SPAD), die hauptsächlich in Lasersystemen eingesetzt werden.

Grundsätzlich wird zudem zwischen "aktiven" und "passiven" Sensoren unterschieden:

Aktive Sensoren wie beispielsweise SAR, Radar-Altimeter oder LIDAR senden selbst Strahlung zum Objekt und messen den zum Sensor zurückreflektierten Anteil. Passive Sensoren beobachten entweder die vom Objekt selbst emittierte Strahlung (meist in den Spektralbereichen des Infraroten oder der Mikrowellen) oder vom Objekt reflektiertes Sonnenlicht.

Beispiel-Bildpaar:

Das folgende Bildpaar verdeutlicht einige der Unterschiede zwischen passiven und aktiven Sensoren. Die obere Abbildung ist ein Luftbild der Amundsen-Scott-Forschungsstation am Südpol.

Das untere Bild zeigt das gleiche Objekt, in etwa aus gleichem Beobachtungswinkel und vergleichbarem Größenmaßstab, aufgenommen mit dem kanadischen RADARSAT. Dieser Satellit setzt das aktive Radar-Verfahren ein.

Das Bild enthüllt eine verlassene Gebäudegruppe (links unterhalb der hellen Kuppel), die inzwischen vom Schnee bedeckt und im Foto nicht erkennbar ist.

Passive vs. aktive Sensoren Quelle: NASA Earth Observatory

Bild-Sensoren erzeugen gleichzeitig mit der Aufnahme elektromagnetischer Strahlung ein Bild. Das Bild entsteht in der Fokalebene eines Objektivs und wird auf photographischem Film oder durch ein Flächenarray von Detektoren erfasst.

Photographische Aufklärungssensoren sind in ihrer einfachsten Form Kamerasysteme mit großen Brennweiten. Je größer das Objektiv ist, umso kleinere Objekte können aufgespürt werden. Derartige Systeme beinhalten heute eine Vielfalt komplizierter Elektronik, um bessere Aufnahmen zu gewährleisten. Aber auch solche Systeme benötigen wolkenlose Sicht, gute Lichtverhältnisse und einen starken Farbkontrast zwischen dem Zielobjekt und seiner Umgebung. In der Regel werden heute die Aufnahmen digitalisiert, zu einer Bodenstation geschickt und dort aus dem elektronischen Code rekonstruiert.

Scannende Sensoren nutzen einen Detektor oder eine Detektorzeile, um Daten in einem dynamischen Vorgang aufzunehmen. Solche Daten können anschließend zu einem Bild zusammengefügt werden.

Daneben gibt es weitere Begriffe, die spezielle Klassen von Sensoren bezeichnen, z.B. abbildende Spektrometer, Sounder, etc.

Weitere Informationen, u.a. Sensor- bzw. satellitenspezifische Suchmöglichkeit nach Satellitenbildern über eine Liste der Sensoren bzw. Satelliten:

• Remote Sensors - Current, Future and historic Missions (NASA EARTHDATA)
• Catalogue of Satellite Instruments (The Earth Observation Handbook)
• Visible Earth - A catalog of NASA images and animations of our home planet
• Remote Sensors (Earthdata NASA)
• The Earth Observation Handbook - CEOS Mission, Instruments and Measurements Database Online (CEOS / ESA)
• Measurements - Übersicht über verschiedene Bereiche, in denen Messungen durchgeführt werden: Land, Atmosphäre, Ozeane, Eis und Schnee (CEOS EO Handbook)
• Airborne Sensors - aktuelle Liste von Sensoren für Luftfahrzeuge mit Beschreibungen (eoportal)
• Satellite Missions Database - aktuelle Liste der Satellitenmissionen mit Beschreibungen der Sensoren (eoportal)