To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.

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This dissertation focuses on the scattering phenomena by well-polished optical mirror surfaces. Specifically, predicting image degradation by surface scatter from rough mirror surfaces for a two-mirror telescope operating at extremely short wavelengths (9nm~30nm) is performed. To evaluate image quality, surface scatter is predicted from the surface metrology data and the point spread function in the presence of both surface scatter and aberrations is calculated. For predicting the scattering intensity distribution, both numerical and analytic methods are considered. Among the numerous analytic methods, the small perturbation method (classical Rayleigh-Rice surface scatter theory), the Kirchhoff approximation method (classical BeckmanKirchhoff surface scatter theory), and the generalized Harvey-Shack surface scatter theory are adopted. As a numerical method, the integral equation method (method of moments) known as a rigorous solution is discussed. Since the numerical method is computationally too intensive to obtain the scattering prediction directly for the two mirror telescope, it is used for validating the three analytic approximate methods in special cases. In our numerical comparison work, among the three approximate methods, the generalized Harvey-Shack model shows excellent agreement to the rigorous solution and it is used to predict surface scattering from the mirror surfaces. Regarding image degradation due to surface scatter in the presence of aberrations, it is shown that the composite point spread function is obtained in explicit form in terms of convolutions of the geometrical point spread function and scaled bidirectional scattering distribution functions of the individual surfaces of the imaging system. The approximations and assumptions in this iv formulation are discussed. The result is compared to the irradiance distribution obtained using commercial non-sequential ray tracing software for the case of a two-mirror telescope operating at the extreme ultra-violet wavelengths and the two results are virtually identical. Finally, the image degradation due to the surface scatter from the mirror surfaces and the aberration of the telescope is evaluated in terms of the fractional ensquared energy (for different wavelengths and field angles) which is commonly used as an image quality requirement on many NASA astronomy programs.

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Ultradünne Filme der 3d-Metalle auf einem magnetischen Substrat können durch die magnetische Kopplung ebenfalls eine Magnetisierung erfahren. Im allgemeinen ist die Art und Stärke der induzierten magnetischen Momente von der Dicke und der Struktur dieser Filme abhängig. In dieser Arbeit wurden speziell die Wachstumseigenschaften von Fe, Cr, Mn und V auf einem Fe(100)-Substrat bezüglich ihrer Morphologie und der Grenzflächeninter-diffusion sowie die magnetische Kopplung der Filme zum Substrat untersucht. Bei diesen Studien kam primär die streifende Oberflächenstreuung schneller Ionen (H+, He+, Ar+) mit Primärenergien von bis zu 25keV unter typischen Einfallswinkeln von 1..2° zur Oberfläche zum Einsatz. Bei einer solchen Streuung können die Projektile nicht in die Oberfläche eindringen, sondern werden von dieser reflektiert. Insbesondere die Aufnahme der spekularen Streuintensität und die Halbwertsbreite der resultierenden Streuverteilung erlaubten die Beobachtung des Wachstums-pro-zesses in Echtzeit sowie die quantitative Bestimmung von Stufendichten, kritischen Keim-größen, den Füllungsgrad atomarer Filmlagen, Aktivierungsenergien der lateralen Diffusion, die Änderung der Austrittsarbeit, sowie die Größe der thermischen Auslenkungen der Oberflächenatome. Die Anregung von Auger-Elektronen an der Oberfläche bei der streifenden Streuung von Protonen erlaubte in Verbindung mit der konventionellen Auger-Spektroskopie nach Anregung durch steil einfallende Elektronen die Bestimmung der Konzentra-tionsprofile an der Grenzfläche des Films zum Substrat bei unterschiedlich starker Grenzflächeninterdiffusion. Die Charakterisierung der magnetischen Oberflächenmomente des Fe(100) und der darauf gewachsenen 3d-Metallfilme erfolgte indirekt aus der Polarisation des Fluo-res-zenzlichts aus dem Zerfall des HeI3³P-Zustandes nach der Streuung, der durch den Einfang der polarisierten Elektronen von der Oberfläche entsprechend der dort vorhandenen Zustandsdichte besetzt wird. Grundlegende Zusammenhänge zwischen der Spin-Polarisation des HeI3³P-Zustandes und der Magnetisierung der streuenden Oberfläche wurden am Fe(100) studiert. Mittels einfacher Modelle konnte in diesen Studien die extreme Oberflächen-empfindlichkeit der angewendeten Meßmethode wie auch die qualitative Abhängigkeit der Spin-Polarisation von der elektronischen Zustandsdichte der Festkörper-Oberfläche nachgewiesen werden. Für die Interpretation der Polarisationsdaten beim heteroepitaktischen Filmwachstum war es notwendig, das Wachstum möglichst realitätsnah in einem Modell abzubilden. Dazu wurde ein bereits bestehendes Modell zur Beschreibung des homoepitakti-schen Filmwachstums auf niedrigindizierten Oberflächen weiterentwickelt, so daß auch die zeitliche Entwicklung der Interdiffusion bei heteroepitaktischem Wachstum beschrieben werden kann. Die Eichung des Modells erfolgte mit den Ergebnissen aus der Untersuchung des Wachstums mit der streifenden Ionenstreuung und der Auger-Spektroskopie. Damit wurde es erstmals möglich, die Magnetisierung der heteroepitaktisch gewachsenen 3d-Metallfilme bei nicht idealem Filmwachstum und deutlicher Grenz-flächeninterdiffusion anhand experimenteller Ergebnisse von ein und derselben Probe zu beschreiben sowie den Zusammenhang zwischen Struktur, Interdiffusion und Magnetisierung nachzuweisen. / Ultrathin films of 3d-metals on a magnetic substrate can experience a magnetization due to magnetic coupling. Commonly the induced magnetic moments depend on the thickness and the structure of these films. This work is focussed on the growth properties of Fe, Cr, Mn, and V on the Fe(100) surface with respect to the morphology and the interdiffusion at the interface as well as the magnetic coupling of the film to the substrate. In the experiments mainly the grazing surface scattering of fast ions (H+, He+, Ar+) was applied with primary energies up to 25keV and typical incidence angles of 1..2° to the surface. Using this grazing scattering geometry the projectiles cannot penetrate into but are reflected from the surface. Especially the monitoring of the specular intensity and halfwidth of the resulting scattering distribution enabled the observation of growth processes in real time as well as the quantitative determination of step density, critical growth nuclei, filling of atomic layers, activation energy of lateral diffusion on the surface, change of workfunction, and the size of thermal vibrational amplitudes of the surface atoms. The excitation of Auger electrons at the surface on one hand side by grazing scattering of protons and on the other hand side by electrons at large incidence angles was used to determine the concentration profile at the interface between film and substrate at different degrees of interdiffusion. The magnetic moments of the Fe(100) surface and the 3d-metal films grown on it was indirectly characterized by the polarization of fluorescence light from the deexcitation of HeI3³P-state after the scattering. This atomic state was filled by spin polarized electrons from the surface corresponding to the surface state densities. Basic relations between the spin polarization of the HeI3³P-state and the magnetization of the scattering surface was tested at the Fe(100) surface. Applying simple models an extreme surface sensitivity of the method used here as well as the qualitative dependence of the spin polarization from electron density of states of the surface layer was observed. For the interpretation of the polarization data recorded during heteroepitactical film growth it was necessary to model the growth realistically. Therefore an existing model for homoepitactical film growth on low index surfaces was further developed in order to describe the history of interdiffusion during heteroepitactical film growth. The parameters in the model were adjusted by means of the results from the growth studies with grazing surface scattering and Auger spectroscopy. So for the first time the description of the magnetization of heteroepitactically grown 3d-metal films with nonideal layer growth and interdiffusion both related to experimental results at the same specimen was made possible. Furthermore the interaction between film structure, interdiffusion and magnetization was shown.

The presented work investigates planar and axial channeling effects in ion-surface collisions. Therefore, energy loss and charge state distributions depending on the crystalline surface direction are recorded and analyzed. Several additional scattering parameters, like the primary energy, the outgoing charge state, the scattering angle, and the angle of incidence are varied. Multi-peak structures in the energy spectra are observed under axial channeling conditions and attributed to different trajectory classes. Using combined trajectory and inelastic energy loss calculations we are able to unambiguously assign the different peaks in the energy spectra to the different types of trajectories found in the calculations. By this, we investigate the electronic density corrugation at different metal surfaces. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluß von axialem und planarem Channeling auf den Energieverlust von oberflächengestreuten Ionen. Es werden Energieverlustspektren und Ladungsverteilungen in Abhängigkeit der Parameter Primärenergie, gestreuter Ladungszustand, Streuwinkel, Einfallswinkel und der azimuthalen Ausrichtung der Oberfläche gemessen. Im Fall von axialem Channeling beobachten wir in den Energiespektren eine Multi-Peak Struktur. Diese läßt sich auf unterschiedliche Teilchentrajektorien zurückführen. Zusammen mit theoretischen Berechnungen des inelastischen Energieverlustes kann eine eindeutige Zuordnung zwischen dem gemessenen Energieverlust und der dazugehörigen Trajektorienart gemacht werden. Diese Technik erlaubt es uns, die elektronische Dichtekorrugation an Oberflächen zu studieren.