대기보정을 통한 GB-SAR 시스템의 변위측정 정밀도 향상 이재희 지도교수: 이훈열 강원대학교 지구물리학과 RS/GIS Lab.

발표순서 1. 서론 2. GB-SAR system 3. GB-SAR 영상 4. 대기보정 5. 결론 4.1. 상대습도를 이용한 대기보정 4.2. 온도를 이용한 대기보정 4.3. 기압을 이용한 대기보정 4.4. 보정법의 적용 및 결과 5. 결론

서론 SAR (Synthetic Aperture Radar)의 특징 : 낮과 밤의 구분 없이, 강우·강설의 조건에서 영상화 가능 : 해상도는 수 cm로 향상되어 지표의 미세한 변화 감지 가능 GB-SAR(Ground Based-SAR)의 특징 : SAR의 원리를 지상에서 적용 : 다양한 구성 및 배치 가능 - frequency : L, C, X, Ku, Ka, etc - polarization : VV, VH, HV, HH : 고정된 상태에서의 정밀한 반복측정을 통해 다양한 간섭기법의 활용 가능 : 현재 댐이나 사면, 건물 등에 대한 안정성 평가(leva et al., 2003; Martinez et al., 2005; Tarchi et al., 2003)등에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있음

연구의 목적 GB-SAR 시스템을 이용하여 대상 지역을 영상화하고 이를 이용하여 시스템의 안정성 평가 Phase 변화 분석을 통해 GB-SAR 시스템의 운용 및 분석간 영향을 끼치는 요소에 대해 파악하고 정밀도 향상을 위한 보정 방법 제시 보정 방법 산출 시 다파장(C-band 안테나, X-band 안테나 사용)및 다편파 실험을 통해 주파수 및 편파별 적용 차이 확인 제시된 보정 방법을 통한 정밀도 향상 확인 *간섭기법 : 동일 지역에 대해 시간, 안테나의 공간적 위치, center frequency 등을 달리하여 획득한 SAR 영상의 phase 차이를 이용하는 기법으로(이훈열 외 2007) 대상 지역내의 지형이나 특정 산란체에 대한 움직임을 알아낼 수 있음

GB-SAR system Vector Network Analyzer : radio frequency의 발생과 처리 Power amplifier : 신호의 증폭 RF switch : 편파의 자동 변경 Antenna : 신호의 송∙수신 Motion controller : rail에서의 움직임 제어

실험 parameter C-band antenna X-band antenna C-band measurement X-band measurement Center frequency 5.3 GHz 9.65 GHz Bandwidth(BR) 600 MHz Number of samplings(NR) 1601 Power VNA(0dBm)+amp(33dBm) VNA(0dBm)+amp(37.8dBm) Azimuth step(Δx) 5 cm Azimuth length 5 m Max. of range direction(Rmax) 200 m Angle of image(Xwidth) 0.566 X range(max:113 m) 0.311 X range(max:62 m) C-band antenna X-band antenna

실험 장소 및 시간 총 실험횟수 C-band : 298회 X-band : 350회 실험 날짜 사용 안테나 실험횟수 2008. 11/03 ~ 11/05 C-band 160 2009. 02/06 ~ 02/08 X-band 123 2009. 02/08 ~ 02/09 49 2009. 02/09 ~ 02/10 48 2009. 04/22 ~ 04/23 78 2009. 07/22 ~ 07/23 60 2009. 07/29 ~ 07/30 2009. 07/30 ~ 07/31 70 총 실험횟수 C-band : 298회 X-band : 350회 한국지질자원연구원 (IKONOS satellite @google earth)

trihedral corner reflector와 실제 실험 영상 시스템에서 바라 본 관찰지역

GB-SAR 영상 VV-pol VH-pol C-band image(2008/11/03) VV-pol VH-pol X-band image(2009/02/06)

phase 추출 각 영상의 reflector에 대한 phase 지속적으로 모니터링 GB-SAR 영상의 phase(Φ, radian)는 , 이를 거리에 대한 식으로 표현 시 phase( Φ)의 변화에 따라 거리(R)가 변하게 되며, 고정된 산란체가 움직인 것으로 착각할 수 있음 phase 변화 분석 시 phase unwrapping 과정을 거쳐야 함 C-band 실험에서 1 radian의 증가는 -4.5 mm, X-band 실험에서 1 radian의 증가는 -2.47 mm의 효과

phase unwrapping phase 변화의 규칙성을 찾아 unwrapping 과정을 거쳐야 함 wrapped phase (radian) unwrapped phase 2.566 -10(= 2.566 - 4π) -1.717 -8(= -1.717 - 2π) 0.283 -6(= 0.283 - 2π) 2.283 -4(= 2.283 - 2π) -2 2 -2.283 4(= -2.283 + 2π) -0.283 6(= -0.283 + 2π) 1.171 8(= 1.171 + 2π) -2.566 10(= -2.566 + 4π) phase 변화의 규칙성을 찾아 unwrapping 과정을 거쳐야 함

시간에 따른 phase 변화 양상 2008/11/03, C-band VV-pol 2009/02/06, X-band VV-pol RMS Error VV VH HV HH phase (radian) length (mm) 08/11/03 1.008 4.54 1.021 4.60 0.930 4.19 0.948 4.27 09/04/22 1.085 4.89 1.042 4.69 1.016 4.58 1.059 4.77 09/07/22 0.543 2.45 0.546 2.46 0.555 2.50 0.547 09/02/06 0.931 2.30 0.817 2.02 0.756 1.87 0.914 2.26 09/02/08 0.965 2.38 1.004 1.124 2.78 0.992 09/02/09 1.201 2.97 1.255 3.10 1.296 3.20 1.178 2.91 09/07/29 1.501 3.71 1.503 1.480 3.65 1.486 3.67 09/07/30 1.256 1.342 3.31 1.117 2.76 1.228 3.03

GB-SAR 간섭영상 (M10-M1) (M20-M1) (M30-M1) (M70-M1) (M5-M1) (M2-M1) 2008/11/03, C-band VV-pol -π π

(M2-M1) (M70-M1) (M5-M1) (M123-M1) (M20-M1) 2008/11/03, X-band VV-pol -π π

Center frequency [GHz] 모션부분의 오차 발생 Used antenna C-band Center frequency [GHz] 5.3 Range bandwidth [GHz] 0.2 Number of points 1601 Azimuth Step [m] 0.02 Azimuth length [m] 5 Rmax = 600 m Xwidth = 1.415 X range(max: 849m) 모션부분에서 발생하는 error의 경우, azimuth 방향으로의 fringe가 발생하므로 본 연구에서의 실험은 모션부분에서의 error는 아니라고 판단 2007/03/19 21:24분부터 약 2시간 측정

대기보정 Phase 분석을 통하여 시간이 흐름에 따라 고정된 산란체도 마치 이동한 것과 같은 착각을 일으킬 수 있음을 확인 오차의 원인은 시스템의 모션부분에서의 오차, cable 오차, 매질의 변화에 의한 오차, 원인을 알 수 없는 오차로 가정 - cable에서의 오차는 매 실험 시 수행하는 calibration을 통해 최소화 모션부분에서의 오차는 간섭영상을 통해 무시 레이더 빔이 대기 중을 진행함에 따라 에너지가 강수입자, 먼지, 연기 등과 상호작용할 때 에너지 손실이 발생. 이러한 에너지 손실을 에너지 감쇠라 하며, 손실양은 목표물까지의 거리, 목표물의 크기와 성분 및 radar pulse의 파장에 따라 좌우됨 (레이더 기상학; 이종호와 류찬수, 2009) 선행 논문에서 기상요소 중 온도와 습도 그리고 기압이 phase의 변화에 영향을 끼침(Pipia et al., 2008) 대기요소들은 내부적으로 서로 관련Wiesner, 2002)

R=range(시스템으로부터 산란체까지의 거리) 보정식의 산출방법 대기 요소 중 상대습도, 온도, 기압을 이용 기상 data는 지질자원연구원에서 직선거리로 약 1 km에 위치한 대전지방 기상청의 분단위 자동기상관측자료(AWS : Automatic Weather System) 이용 한 번의 실험이 이루어지는 시간은 약 20분으로, 각 실험에 대한 분 단위 data 20개를 평균하여 각 실험에 대한 기상상태로 가정하여 처리 대기요소와의 비교 자료는 phase/range (radar의 에너지 감쇠는 거리의 영향을 받기 때문에 일정한 거리로 변환) 대기 요소와 phase/range의 관계를 그래프로 나타냈으며 대부분의 경우를 1차식으로 판단하여 다음과 같이 표현 R=range(시스템으로부터 산란체까지의 거리) a=기울기, b=절편, E=기상요소

coefficient of correlation 습도보정 대기 중 존재하는 수증기 및 산소는 레이더 전자파의 감쇠를 유발(Battan, 1973) coefficient of correlation VV VH HV HH C-band 2008/11/03 -0.914 -0.888 -0.937 -0.918 2009/04/22 -0.941 -0.904 -0.902 -0.919 2009/07/22 -0.973 -0.969 -0.965 X-band 2009/02/06 -0.870 -0.846 -0.813 -0.897 2009/02/08 -0.956 -0.949 -0.929 -0.961 2009/02/09 -0.990 -0.993 -0.992 -0.985 2009/07/29 -0.935 -0.948 -0.946 -0.945 2009/07/30 -0.954 -0.955 VV VH HV HH C-band a 0.000020 0.000019 b -0.001257 -0.001231 -0.001228 -0.001255 X-band 0.000027 -0.001232 -0.001264 -0.001273 -0.001268

coefficient of correlation 온도보정 온도는 태양 복사의 영향을 받는 것으로 구름이 많을 경우 복사량 감소로 온도는 낮아지며, 이는 대기 중 습도가 높은 경우에도 나타남(Wiesner, 2002) coefficient of correlation VV VH HV HH C-band 2008/11/03 0.935 0.908 0.950 0.931 2009/04/22 0.873 0.837 0.825 0.851 2009/07/22 0.932 0.926 0.925 0.933 X-band 2009/02/06 0.895 0.890 0.910 2009/02/08 0.983 0.987 0.968 0.986 2009/02/09 0.989 0.988 2009/07/29 0.896 0.913 0.907 2009/07/30 0.853 VV VH HV HH C-band a -0.000080 -0.000081 -0.000079 b 0.001104 0.001235 0.001206 0.001213 X-band -0.000125 -0.000120 0.002265 0.002241 0.002220 0.002256

coefficient of correlation 기압보정 기압의 분포는 고도와 온도의 영향을 받으며, 동일 고도의 경우 온도의 상승은 기압의 감소로 이어짐(Wiesner, 2002) coefficient of correlation VV VH HV HH C-band 2008/11/03 -0.557 -0.538 -0.555 -0.544 2009/04/22 -0.681 -0.657 -0.627 -0.655 2009/07/22 -0.871 -0.868 -0.864 X-band 2009/02/06 -0.578 -0.537 -0.625 2009/02/08 0.346 0.395 0.350 0.371 2009/02/09 -0.963 -0.965 -0.967 -0.962 2009/07/29 -0.772 -0.749 -0.750 -0.774 2009/07/30 -0.478 -0.508 -0.498 -0.463 VV VH HV HH C-band a 0.000146 0.000144 0.000140 0.000142 b -0.145061 -0.146014 -0.141657 -0.144005 X-band 0.000135 -0.141448 -0.141572 -0.141048 -0.136366

보정법의 적용 및 결과 상대습도와 온도를 통해 산출한 기울기 및 절편을 이용하여 GB-SAR를 이용하여 얻은 raw-phase에 적용 기압의 경우는 제외하였는데 그 이유는 상관관계가 낮고 일부에서는 양의 상관관계를 보이는 등 그 신뢰도가 떨어진다고 판단하였기 때문 보정 후의 RMS error 산출 가장 적합한 대기 보정법을 선택하기 위해 산출한 RMS error 비교 C-band 실험에서의 결과 2008/11/03 2009/04/22 2009/07/22

대부분의 경우에서 보정 후의 RMS error는 감소 X-band 실험에서의 결과 2009/02/06 2009/02/08 2009/02/09 2009/07/29 2009/07/30 대부분의 경우에서 보정 후의 RMS error는 감소

RMS error의 비교 RMS error(mm) VV VH HV HH C-band 2008/11/03 before correction 4.54 4.60 4.19 4.27 after H-correction 2.74 2.75 2.23 2.38 after T-correction 4.14 4.66 4.52 2009/04/22 4.89 4.69 4.58 4.77 1.04 1.26 1.24 1.14 1.65 1.88 1.90 1.74 2009/07/22 2.45 2.46 2.50 0.63 0.68 0.65 0.96 1.00 1.05 X-band 2009/02/06 2.30 2.02 1.87 2.26 1.50 1.76 1.93 1.33 1.92 2.36 2.47 2009/02/08 2.78 0.71 0.83 1.06 0.72 0.78 0.33 0.39 0.70 2009/02/09 2.97 3.10 3.20 2.91 1.16 1.12 1.21 0.30 0.20 0.28 0.35 2009/07/29 3.71 3.65 3.67 1.18 1.13 1.07 1.62 1.57 2009/07/30 3.31 2.76 3.03 1.22 1.41 0.98 1.10 1.37 1.54 1.27 1.29 C-band 실험 중 2008/11/03 에서의 온도보정 결과와, X-band 실험 중 2009/02/06에서의 온도 보정의 결과를 제외한 나머지 결과는 모두 보정 후 RMS error는 감소 C-band 에서의 최고 보정 효과 - 습도보정: 3.85 mm(04/22 at VV-pol) - 온도보정: 3.24 mm(04/22 at VV-pol) X-band 에서의 최고 보정 효과 - 습도보정: 2.63 mm(07/29 at HH-pol) - 온도보정: 2.92 mm(02/09 at HV-pol)

결론 중심주파수가 5.3 GHz인 C-band, 9.65 GHz인 X-band 안테나를 사용한 GB-SAR 시스템을 통하여 한국지질자원연구원의 잔디밭 일대를 장기간 모니터링 Reflector의 모든 phase는 변화를 보였으며 그 크기는 파장과 편파에 따라 다른 값을 보임(최고 변화는 C-band : 15.8 mm-2008/11/03 at VH pol, X-band : 8.5 mm-2009/07/30 at VV pol였으며 평균 변화는 약 5 mm와 3.5 mm) 간섭영상을 통해 GB-SAR 시스템의 안정성은 문제가 없다고 판단 실험 당시의 기상요소(상대습도, 온도, 기압)와 phase 변화의 상관관계를 통해 이에 의한 영향이 큰 것으로 판단 기상 요소와 phase 변화와의 관계를 1차식으로 표현하여 기울기와 절편을 산출 산출된 기울기와 절편은 파장에 따라 다르게 나타났지만, 같은 기상요소의 경우 편파에 따른 차이는 크지 않음

상관관계 및 상관계수를 통해 신뢰도를 판단 -상대습도와 기압의 경우 phase 변화와 음의 상관관계, 온도는 양의 상관관계를 보임 -상관계수의 경우, C-band와 X-band 모두에서 상대습도와의 관계가 가장 높게(C-band : 0.93, X-band : 0.94)나타났으나 온도의 결과 (C-band : 0.90, X-band : 0.92) 와 큰 차이를 보이지 않았으며, 모든 경우에서 기압의 경우가 가장 낮게(C-band : 0.69, X-band : 0.48) 나타남 보정 후 대부분의 경우에서 RMS error는 감소 -습도 보정 후 최대 및 평균 감소는 C-band에서 8.6 mm, 2.4 mm, X-band에서 3.2 mm, 1.7 mm -온도 보정 후의 경우 C-band에서 6.8 mm, 1.4 mm, X-band에서 6.7 mm, 1.7 mm 감소 대기 보정을 통한 GB-SAR의 변위측정 정밀도를 향상시 상대습도를 이용하는 것이 가장 타당하다고 할 수 있으나, 온도를 이용한 보정도 함께 수행되어야 한다고 결론 하지만 상대습도나 온도를 이용한 경우에도 미세한 phase 변화는 남아 더 효과적인 보정방법의 제시가 필요할 것으로 판단하였으며, 효과적인 보정 방법이 제시될 경우 GB-SAR 시스템을 통한 변위 측정이 더 높은 정밀도로 이루어질 것이라 기대

감사합니다.