GB-SAR의 간섭기법을 통한 물체의 변위 측정 및 대기보정 이재희*, 이훈열*, 조성준**, 성낙훈**, 김정호** * 강원대학교 지구물리학과, * * 한국지질자원연구원 지반안전연구부

목 차 1. 서론 2. 본론 2.1 GB-SAR영상에서의 변위 추출 3. 결론 2.2 측정 변위와 실제변위의 비교 목 차 1. 서론 2. 본론 2.1 GB-SAR영상에서의 변위 추출 2.2 측정 변위와 실제변위의 비교 2.3 대기보정 2.4 보정 후 변위와 실제변위의 비교 3. 결론 발표순서는 서론, 연구방법, 결론의 순입니다.

1. 서 론 GB-SAR(Ground Based-SAR)의 특징 : 항공기 및 인공위성 SAR를 지상에서 적용 1. 서 론 GB-SAR(Ground Based-SAR)의 특징 : 항공기 및 인공위성 SAR를 지상에서 적용 : 태양 고도와 기상상태의 영향이 적음 : 레일 시스템을 이용한 정밀 반복측정을 통해 다양한 간섭기법의 활용이 가능 서론입니다. GB-SAR는 인공위성이나 항공기 SAR의 원리를 지상에서 적용한 것으로, SAR의 장점인 야간촬영이 가능하다는 것과 기상의 영향이 적다는 것을 그대로 지닙니다. 이에 추가적으로 레일 시스템을 이용하기 때문에 정밀한 반복 측정이 가능하게 되어 다양한 간섭기법의 활용이 가능하다는 GB-SAR만의 장점을 지닙니다.

GB-SAR의 개발 및 활용 : 항공기 및 인공위성 SAR의 검보정 및 개념 설계용 : 여러 응용분야(지반 침하량 계측, 눈사태 감지, 사면·빌딩·댐 안정성 평가 등)에도 적용 : 이탈리아와 영국을 비롯한 유럽과 일본 등에서 기술개발이 활발하게 이루어지고 있음 : 국내에서는 2007년 처음으로 GB-SAR 시스템이 개발됨 (이훈열 외, 2007)

: GB-SAR 간섭기법을 이용하여 이동산란체의 변위를 측정하고 실제 변위와의 비교를 통해 정밀도를 분석 연구 목적 : GB-SAR 간섭기법을 이용하여 이동산란체의 변위를 측정하고 실제 변위와의 비교를 통해 정밀도를 분석 : 대기 중 습도 변화에 따른 마이크로파의 지연효과를 보정하고 변위정밀도의 변화를 분석 이에 따른 연구 목적으로, GB-SAR의 간섭기법을 이용하여 이동산란체의 변위를 측정하고, 이를 실제변위와 비교하여 그 정밀도를 분석하였습니다. 추가적으로 마이크로파는 대기 중의 습도 변화에 따라 지연효과가 나타나는데 이에 대한 보정을 실시함으로서, 변위에 대한 정밀도의 변화를 분석하였습니다.

GB-SAR 시스템과 측정 조건 - Range bandwidth : 600 MHz - IF BW : 1 KHz - Center frequency : 5.3 GHz - Range bandwidth  : 600 MHz - IF BW : 1 KHz - Number of points : 1601 - Rmax : 200m - Azimuth length : 5 m - Azimuth Step : 5 cm - Power : VNA 0 dBm + Amp 33 dBm - Microwave switch 사용 본 실험에서 사용한 GB-SAR시스템의 모습입니다. 안테나는 중심 주파수가 5.3GHz인 C밴드 안테나이며, 밴드폭은 600MHz입니다. 신호의 증폭을 위해 마이크로파 앰프를 설치하였고, 이와 같은 조건에 의해 최대 관측거리는 200m가 됩니다. 레일의 총 길이는 5미터이며, 이동간격은 5cm입니다. 다편파 측정 및 분석을 위해 마이크로파 스위치도 설치하였습니다.

연구 지역 및 측정 일시 지질자원연구원의 잔디밭 일대 (2007년 7월 18일 오후 3시 53분 ~ 6시 29분) 연구지역은 대전에 위치한 지질자원연구원의 잔디밭일대 입니다. GB-SAR시스템을 통한 영상은 흰색으로 표현된 부채꼴 모양으로 나타납니다. 노란색의 체크표시는 대기보정에 쓰일 고정산란체- 나무와 지자기 관측함을 나타내며 거리는 90미터에 1개, 120미터에 한 개, 150지점에 두 개 입니다. 빨간색의 삼각형은 이동산란체로 쓰인 trihedral corner reflector를 나타내며 시스템으로부터 약 160미터 지점에 위치하고 있습니다. 지질자원연구원의 잔디밭 일대 (2007년 7월 18일 오후 3시 53분 ~ 6시 29분)

이동산란체의 변위 조절 이동산란체는 trihedral corner reflector이며, 자를 이용하여 시스템방향으로1mm, 6mm, 10mm, 30mm, 40mm 이동 시킴 이동산란체로 쓰인 trihedral corner reflector는 다음과 같이 자를 이용하여 시스템 방향으로, 1, 6, 10, 30, 40 mm 씩 이동시켰습니다.

GB-SAR 영상 (b) VV 편파 (a) HH 편파 (c) VH 편파 (d) HV 편파 다음은 GB-SAR영상입니다. a,b,c,d는 각각 HH, VV, VH, HV편파를 나타냅니다. 빨간색 타원으로 표시한 하얀색의 강한 신호는 이동산란체에 의한 신호입니다. (c) VH 편파 (d) HV 편파

2. 본 론 2.1 GB-SAR 영상에서의 변위 추출 영상에서의 위상은 변위변화율은 λ =0.0566m 이므로, 변위변화율은 -0.222radian/mm가 됨 다음으로 연구 방법입니다. 먼저 GB-SAR영상에서의 변위 추출에 대한 내용입니다. GB-SAR영상에서 위상 파이는 마이너스 람다분의 사파알의 값을 나타냅니다. 그리고 변위변화율은 거리 알에 대한 미분값으로 마이너스 람다운의 사파이의 값을 나타냅니다. 본 실험에 쓰인 안테나의 파장, 람다는 0.0566미터이므로 , 이에 따른 변위변화율은 -0.222라디안/mm의 값을 나타냅니다. 이 변위변화율의 의미는 산란체가 1mm 이동 시 변위는 -0.222라디안의 값을 나타낸다는 것으로 이를 통해 변위를 추출하게 됩니다.

Unwrapping 과정 HH 편파에서의 unwrapping 과정 위상을 이용하여 변위로 변환 시에는 다음과 같은 언랩핑 과정을 거치게 됩니다. 다음 그림은 예로서, HH편파에서의 언랩핑 과정을 나타내고 있습니다. GB-SAR영상에서 위상값은 분홍색으로 표현된 –파이에서 +파이 사이의 값만을 표현합니다. 이는 이 범위 밖의 값을 범위 안으로 옮기는 랩핑을 거쳤기 때문입니다. 때문에 변위로의 변환 시에는 반대 과정인 언랩핑 과정을 거쳐야합니다. 이때에는 위상의 변화 양상을 파악하여 2파이의 값을 더해주거나 빼주는 과정을 거치게 됩니다. HH 편파에서의 unwrapping 과정

거리 변환과정 Reflector 변위(mm) Wrapped (radian) Unwrapped 측정변위 (mm) -3.1412 -3.1412 -1 -2.7904 -1.5791 -6 -1.7216 -6.3900 -10 -1.0817 -9.2705 -30 3.0930 -28.0622 -40 -1.1421 5.1411 -37.2809 다음은 이렇게 언랩핑을 거친 위상값을 이용하여 거리로 변환을 하게 됩니다. 다음의 표는 HH편파의 경우를 예로서 나타냈습니다. 언랩핑을 마친 위상은 파이는 마이너스 람다분의 사파이알의 반대과정인 알은 마이너스 사파이분의 람다파이의 식을 이용하여 거리 알로 나타낼 수 있습니다. 이때 이동산란체가 움직이지 않았을 때의 거리 값 알을 알제로로 하고 각각의 알의 값에서 이 값을 빼주어 변위로 나타내게 됩니다. 이때 거리가 마이너스의 값을 나타내는 것은 이동산란체가 시스템방향으로 움직였음을 의미합니다. HH 편파에서의 거리 변환과정

2.2 측정변위와 실제변위의 비교 HH, VV 편파에서는 상관계수가 0.9995를, VH, HV 편파에서는 상관계수가 0.9996을 나타냄 이렇게 구한 측정변위와 실제 변위와의 관계를 그래프로 나타내었습니다. 각각의 그래프에서 x축은 이동산란체의 실제 변위, y축은 GB-SAR시스템을 통한 측정변위를 나타냅니다. HH, VV편파에서는 상관계수가 0.9995를, VH,HV편파에서는 상관계수가 모두 0.9996의 값을 나타내고 있습니다. 이동산란체의 최대 변위인 40mm지점에서의 측정오차는 약 2~3mm를 보이고 있습니다.

: 마이크로파의 전파속도는 대기의 영향을 받게 되며, 이때 가장 큰 영향을 주는 요소는 습도변화 2.3 대기보정 : 마이크로파의 전파속도는 대기의 영향을 받게 되며, 이때 가장 큰 영향을 주는 요소는 습도변화 : 습도변화와 마이크로파의 전파거리에 따른 대기보정식을 만들어 이동산란체의 변위에 적용 다음은 대기보정에 대한 내용입니다. 마이크로파의 전파과정에서 전파속도는 대기의 영향을 받게 됩니다. 이중 가장 큰 영향은 습도이며, 실험시간에 대한 습도변화와 시스템과 고정산란체간의 거리를 이용하여 선형적인 방정식을 구하였습니다. 이를 대기보정식이라고 하였으며, 이를 이용하여 대기 요소의 영향을 제거하는 것을 대기보정이라 하였습니다.

대기보정식 산출 기상청 제공 대전의 분 단위 기상자료

산출된 대기보정식 습도의 영향을 받는 위상 96개 데이터 = 4 편파 Х 4개 고정산란체 Х 6회 측정 = 4 편파 Х 4개 고정산란체 Х 6회 측정 다음 그래프에서 x축은 습도, y축은 1m당 위상 변화를 나타냅니다. 고정산란체의 위치는 시스템으로부터 각각 다르기 때문에 거리로 나누어 일정한 위상 변화로 나타냈습니다. 96개 위상의 추세선의 관계식은 다음과 같이 y는 -0.000432x + 0.020601의 값을 나타내고 있습니다. 이때 x는 시스템으로부터의 거리를 나타내며, 이동산란체의 거리인 160을 곱하여 각각의 편파에 대해 보정을 하였습니다. 습도의 영향을 받는 위상 산출된 대기보정식

보정 후 변위 비교 Reflector 변위(mm) 보정 전 측정변위(mm) 보정 후 변위 (mm) -1 -1.5791 -1 -1.5791 -0.8480 -6 -6.3900 -5.6937 -10 -9.2705 -9.7697 -30 -28.0622 -29.9557 -40 -37.2809 -40.0695 HH 편파의 실제 변위와 대기보정 전/후 변위

2.4 보정 후 변위와 실제변위의 비교 HH, VV 편파에서는 상관계수가 0.9999를, VH, HV 편파에서는 상관계수가 0.9997을 나타냄 다음의 그래프는 보정후의 변위와 실제변위를 비교한 것입니다. 이때 x축은 이동산란체의 실제변위, y축은 보정 후 변위입니다. HH, VV편파는 상관계수가 더 높아져 0.9999의 값을 VH,HV편파에서는 0.9997의 값을 나타내고 있으며, 이때 최대 변위인 40mm에서의 변위 오차는 약 1mm의 값을 나타내고 있습니다.

co-pol의 변화

cross-pol의 변화

3. 결 론 : GB-SAR의 간섭기법을 이용하여 약 160 m 지점에 위치한 이동산란체의 변위 측정 3. 결 론 : GB-SAR의 간섭기법을 이용하여 약 160 m 지점에 위치한 이동산란체의 변위 측정 : 측정 변위와 실제 변위의 상관계수는 co-pol에서 0.9995, cross-pol에서 0.9996이었으며, 최대오차는 약 2~3mm : 습도에 대한 대기보정 후 상관계수는  co-pol에서 0.9999, cross-pol에서 0.9997로 향상되었으며, 최대 오차는 약 1mm 를 나타냄으로써, 대기보정이 필요함을 증명 : 편파에 따른 상관계수 및 최대오차의 차이를 나타냈는데 이는 고정산란체의 편파에 따른 산란 특성의 차이로 판단 결론입니다. GB-SAR의 간섭기법을 이용하여 약 160미터 지점에 위치한 이동산란체의 움직임을 측정하였습니다. 측정 변위와 실제변위의 상관계수는 0.9995이상으로 나타났으며, 최대 변위인 40mm 에서의 오차는 2~3mm로 나타났습니다.

감사합니다.