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Scatterometer auf motorisierter Achse für 3D Scanning

 
 

Scatterometer senden und empfangen elektromagnetische Wellen. SnowScat ist ein polarimetrisches Scatterometer, welches Mikrowellen im Bereich von 9-18 GHz sendet, was einer Wellenlänge von 1.5 - 3 cm in der Luft entspricht. Das Instrument misst die Stärke der vom Schnee reflektierten Wellen, welche je nach Schnee unterschiedlich ist. Damit lassen sich dann Schneetiefe und Schneestruktur, wie Korngrösse und Schichtung, rechnen. Da die genauen Zusammenhänge zwischen Schnee und der Reflektion der Wellen noch Gegenstand der Forschung sind, werden auch die physikalischen Eigenschaften der Schneedecke gemessen. Eine kleine Meteostation dient dazu, Einflüsse des Wetters auf Schnee und Instrument zu verstehen.

Die Europäische Weltraumagentur (ESA) hat 2014 den Auftrag zum Ausbau von SnowScat zu einem tomographischen Scatterometer an Gamma Remote Sensing (http://www.gamma-rs.ch) und dem WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF vergeben. SnowScat nimmt nun mehrere "Bilder" der Schneedecke aus verschiedenen Winkeln entlang der geneigten Schiene auf. Aus diesen Daten lässt sich ein dreidimensionales Bild der Schneedecke berechnen. Unser Ziel ist, dass Schneeschichten gesehen werden können, ohne dass ein Schneeprofil gegraben werden muss. Als Fernziel kann möglicherweise ein ähnliches Instrument von Satelliten aus eingesetzt werden.

SnowScat wurde von GAMMA Remote Sensing AG für das ESA ESTEC project KuScat, Vertrag 42000 20716/07/NL/EL entwickelt und gebaut.

 

Hintergrund

SnowScat wurde im Jahr 2008 auf dem Weissfluhjoch in Davos erstmals getested. In Lappland (Sodankylä, Finnland) fanden dann während 4 Jahren intensive Messungen auf einer Versuchsfläche des Finnischen Meteorologischen Institutes statt, für die Vorbereitung der Satellitenmission COREH2O. Der Schnee in Lappland hat eine geringere Dichte und ist anders aufgebaut als in der Schweiz. Zusammen mit dem SLF wurden auf dieser Versuchsfläche detaillierte Schneeprofile gemessen, und erste Versuche zum Messen der Schneeschichtung durchgeführt.

Mehr Informationen zu den Messungen in Finnland finden sich hier: http://blogs.esa.int/campaignearth/2013/03/19/ready-set-snow/

Nach den Messungen in Finnland wurde SnowScat von Juli bis September 2013 auf einem Turm über einem Maisfeld in Flevoland, Holland, installiert. Bei diesem Versuch wurde die Reflektion des wachsenden Maisfeldes und die Veränderung der Bodenfeuchte untersucht.

Seit November 2014 ist nun das mit tomographischen Fähigkeiten erweiterte SnowScat in Davos Frauenkirch aufgestellt. Es wird dort bis im Frühling 2015 messen.

 

Spezifikationen von SnowScat

Stromversorgung: 230V, max ~ 60W

Gewicht: ~ 40 kg

Zulässige Aussentemperatur: -40° C to 40° C

Antennen: doppelt polarisiert, < 10° (3dB)

Antennen-Empfindlichkeit kreuz-polarisiert: < -25 dB

Frequenz: Stufenweise von 9.15 bis 17.9 GHz

Einfallswinkel: -40° bis 110°

Azimutwinkel: -180° to 180°

Polarisierung: HH, HV, VV, VH

Dynamischer Bereich des Empfängers: > 80 dB mit 16-bit ADC

Steuerung: Fernkontrolle über Ethernet

Datenspeicherung: intern, extern durch Ethernet

 

Aktualisierung des SnowScat

Die erste Version von SnowScat, wie sie in Finnland benutzt wurde, hatte ähnliche Ein- und Ausfallswinkel wie sie für einen Satelliten geplant war. Aufgrund dieser Erfahrungen wurde nun SnowScat auf eine geneigte Schiene montiert, damit die Schneeschichtung besser gemessen werden kann (Abb. 3). Auf diese Wiese kann das Scatterometer nun senkrecht zur (mittleren) Blickrichtung bewegt werden.

Die Anforderungen für die Aktualisierung waren folgende

1. Das neue System soll die Fähigkeit haben, vertikal zu Messen ohne Störungen der Schneedecke zu verursachen.

2. Neuer Neigungssensor, so dass die Orientierung der Antennen genau bestimmt ist.

3. Automatisierte Verschiebung auf einer geneigten Schiene, damit interferometrische und tomographische Messungen möglich sind.

Mit diesen Aktualisierungen wird nun getestet, ob eine dreidimensionale Abbildung der Schneedecke möglich ist, was zahlreiche neue Anwendungen möglich machen würde.