정지궤도기상위성 연구 실무그룹 발표 자료 2013. 10. 4. 발표자 : 김 재 관 국가기상위성센터.

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1 정지궤도기상위성 연구 실무그룹 발표 자료 발표자 : 김 재 관 국가기상위성센터

2 Out-of-Band Response Spatial Sampling Distance and Resolution Modulation Transfer Function SNR and NEdT Dynamic Range Radiometric Calibration Accuracy Radiometric Stability Radiometric Linearity Saturation Recovery Pixel Response Non-Uniformity

3 2.4.3 Out-of-Band Response

4 2.4.3 Out-of-Band Response In-band Out-of-band
This page is for your information In-band 동일 대역/채널/포트/연결 상에서 주 정보와 제어 정보 함께 전송 예) HTTP: 동일 포트로 제어 및 데이터(혹은 요청 및 응답 정보) 전송 Out-of-band 1. 다른 대역/채널/포트/연결 상에서 주 정보와 제어 정보 분리 전송 예) FTP: 데이터 연결(Port 20 담당), 제어 연결(Port 21 담당) 2. 데이터 사용 주파수대보다 낮은, 또는 높은 주파수 사용함으로써 데이터가 전송되는 통신로와 같은 통신로를 사용하여 제어 신호를 송수신하는 (아날로그 신호를 사용하는) 신호 방식 → 유효 대역폭 감소 초래 예) 음성 채널의 대역은 0~4,000Hz (VF-channel) → 대역폭: 4,000Hz 말 소리 전송은 300~3,300Hz 사용 → 대역폭 내외 전송 신호에 따라, ① in-band: Pulse dialing, DTMF Dialing, ②out-of-band: R2 line signaling

5 Out-of-Band Response Out-of-band response requirement (대역 외 신호 응답 요구사항): 대역 외 파장 신호 응답(Out-of-band wavelength response)은 대역 내 파장 신호 응답의 1% 이하여야 한다. Scene-weighted integral 응답 조건: ∙ In-Band Wavelength Response: 1% 포인트 사이 응답 ∙ Out-of-band wavelength Response: 1% 포인트 제외한 0.3~20μm 사이 응답 (영상: 3μm 이하의 중심 파장 갖는 밴드는 100% 알베도, 그 이상 밴드는 300K 흑체) 1% 포인트 외부 피크 응답 제한 어려움 → 총 통합 에너지 제한으로 대체

6 Out-of-Band Response Out-of-band wavelength response (ABI class measured data) - 모든 밴드는 설계에 의해 큰 마진 갖고 각 요구사항에 부합 - run-to-run 편차가 마진에 비해 작기 때문에 CBE, CEW 값 제공하지 않음

7 2.4.4 Spatial Sampling Distance and Resolution

8 2.4.4 Spatial Sampling Distance and Resolution
AMI는 설계에 따라 샘플링 공간거리(SSD)와 해상도(resolution) 요구사항에 완전 충실함 - SSD: Level 0 자료 이용 측정 Resolution: Level 1C 자료 이용 측정 - NS SSD는 디텍터 간 물리공간에 비례하기 때문에 탑재체 기본 특성 - EW SSD는 운영자에 의해 결정됨: EW SSD= 𝑠𝑐𝑎𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑒 비, → CBE=CWE

9 2.4.4 Spatial Sampling Distance and Resolution
Exelis의 추가 제공 사항 - RFP는 Level 1C 공간 응답 요구사항 명시하지 않음 → GEO-KOMPSAT-2A 미션에 부합하기 위해 KARI에 솔루션 제공 - 0.5/1/2 km 해상도 픽셀 격자 리샘플링 지원하는 ABI의 11/22/44 μm Level 1C SSD 사용함 ※ ABI class 영상기들에 관한 Exelis 문서와 논문에서 샘플 각거리 (angular sampling distance, ASC) 사용하나, 이는 SSD의 또 다른 이름

10 2.4.5 Modulation Transfer Function

11 Exelis의 AMI는 Nyquist frequency에 큰 마진을 갖고, 영상에 뛰어난 해상력을 유지한다.
Modulation Transfer Function AMI는 PTM (ABI) 자료로부터 모든 MTF 요구사항에 부합함을 확인함 - 영상의 뛰어난 해상력 유지를 위해 가장 높은 주파수 응답 확인 위한 Nyquist 요구사항 중요 - MTF 요구사항은 Level 0 자료에 대해 명시되나, Level 1C 자료 위한 GOES MTF 요구사항에 부합하는 리샘플링 알고리즘과 관련해서도 최대한 활용함 Exelis의 AMI는 Nyquist frequency에 큰 마진을 갖고, 영상에 뛰어난 해상력을 유지한다.

12 2.4.5 Modulation Transfer Function
This page is for your information MTF (Modulation Transfer Function) - 광학 전달: 광학적 전달 함수(응답함수)의 절대값 - 사진 필름: 피사체의 미세 부분의 재현 능력. 입력광의 콘트라스트에 대한 필름 면의 유효 노광의 비를 입력광의 공간 주파수의 함수로 나타낸 것 - 영상처리: 공간주파수의 특성을 나타낸 것으로 적당한 테스트 차트를 원영상으로 보내고, 수상 패턴의 공간주기 내의 최대, 최소의 각 농도를 각각 D’, D’’라 하면, C=(D’-D”)/(D’+D”)를 공간 주파수의 함수로 표시한 것 - 적외 센서: 콘트라스트 함수로써 공간 분해능을 측정한 것 - 디지털 카메라: MTF 차트를 이용해 영상의 대비(콘트라스트)와 선예도(해상력)를 체크하는 것 ※ 광학 전달 함수(Optical Transfer Function, OTF) OTF=MTF×exp(PTF), PTF=위상 전달 함수

13 2.4.5 Modulation Transfer Function
This page is for your information MTF (Modulation Transfer Function) - 디지털 카메라 예시 출처:

14 2.4.5 Modulation Transfer Function
This page is for your information MTF (Modulation Transfer Function) - COMS MI 예시

15 2.4.5 Modulation Transfer Function
This page is for your information Nyquist Theory 1. Sampling theorem - 샘플링은 샘플을 추출하는 것. 예) 가청주파수가 20~20,000Hz 일 때, 일정한 간격으로 값을 추출하는 것을 샘플링이라고 함. 일정한 간격을 유지해야 하기 때문에, 간격은 최대한으로 잡아야 함. 가청주파수의 최대값인 20,000Hz로 샘플링 하면 됨. → 1초 동안 20,000개 추출 저장 의미. 샘플링 값이 클수록 음질 좋아짐. 2. Nyquist theorem (Wyman Ellsworth Nyquist, 미국 통계학자) - Nyquist에 따르면 아날로그 데이터를 디지털로 샘플링 하려면 그 주파수의 2배가 필요하며, 오차범위는 10%라고 함. 예) 가청주파수의 경우, 20,000의 2배인 40,000에 10%를 더해, 44,000Hz 즉, 44kHz 여야 함. ※DVD 경우, 음질 극대화시키려고 48kHz 채택 3. Nyquist frequency - 아날로그-디지털 변환에 의해 연속신호를 시계열로 바꾸는 샘플링 과정에서 샘플 간격에 따라 식별 가능한 최대 주파수. - Sampling rate (Nyquist rate)의 절반.

16 2.4.6 SNR and NEdT

17 2.4.6 SNR and NEdT AMI는 SNR과 NEdT 모든 요구사항에 큰 마진을 갖고 부합함
- 궤도상 조건의 최악의 경우로 가정한 ABI PTM 의 측정 성능에 기초함 - Dynamic range를 여유 있게 설계하였기 때문에 모든 영상이 표출하는 값 포함 (100% 알베도 및 240K와 300K 의 표출 값) - SNR과 NEdT가 가장 중요한 성능 파라미터, 마진 우선 대상(GOES 기상자료 사용자들과 논의) - SNR과 NEdT 요구사항은 Level 1A 자료에 대해 명시되나, Level 1C 리샘플링 알고리즘 연관 활용 SNR: Signal to Noise Ratio NEdT: Noise Equivalent Differential Temperature

18 2.4.7 Dynamic Range

19 2.4.7 Dynamic Range AMI는 모든 Dynamic range 요구사항에 큰 마진을 갖고 부합함
- 예전 위성 영상에서는 값 포화(saturation)되었던 이미지로부터 정보 추출 가능함 의미 - 배경잡음 최고조와 미광(Stray light) 유입을 포함한 궤도상 최악의 경우로 조정한 ABI PFM 측정 성능에 기초 - 최악의 경우 우주 보기 값의 non-zero count를 위해 FPA(Focal Plane Array)에 offset 둠 - 영상 최고값이 포화되지 않도록 ABI class 영상기들의 FPA에 노출 조정 독립 기능 부여

20 2.4.7 Dynamic Range Dynamic range
This page is for your information Dynamic range - 광학: 허용출력 왜곡으로 제한된 최대신호 진폭과 잡음·드리프트가 허용되는 최소신호 진폭의 비. 증폭기가 유효하게 작동하는 진폭 범위(다이내믹 영역) - 음향: 한 음량에서 가장 조용한 소리와 가장 큰 소리의 차이. 예) 오케스트라: 80~90dB - 카메라: 센서가 수광할 수 있는 최소값과 최대값의 폭. ※ High Dynamic Range (HDR) - HDR photography: 사람이 보는 만큼 밝은 부분과 어두운 부분을 모두 볼 수 있게 사진을 얻기 위해 노출을 밝게 찍은 사진과 어둡게 찍은 사진을 촬영해 화소 단위로 적절하게 조합하는 기법 - Tone-mapping: LDR, SDR 장치에 HDR 효과를 내기 위해 전반적으로 콘트라스트를 감소시켜 예술적인 효과를 나타내거나 유지하는 기법 출처:

21 2.4.8 Radiometric Calibration Accuracy

22 2.4.8 Radiometric Calibration Accuracy

23 2.4.8 Radiometric Calibration Accuracy
AMI는 절대 복사검정 요구사항에 큰 마진을 갖고 부합함 - NASA에 의해 재검토/승인된 ABI PFM 절대 복사 검정 측정 값(검정 불확정성 조합)과 일치 - 여유 있는 dynamic range 설계에 따라 영상 모든 표출 값 포함 - 검정 불확정성은 미광 유입의 최악 시나리오 하에서 조차 큰 마진 가짐 → IR3.8 밴드의 불확정성은 미광에 의해 0.3K 오차 태양-위성-지구 각 7.5도 (GOES N 영상기 경우 오차는 20K에 육박) → IR3.8 이외의 밴드는 오차 훨씬 더 적음 ※ Uncertainty estimation CWE = CBE + uncertainty

24 2.4.9 Radiometric Stability

25 2.4.9 Radiometric Stability
AMI는 충분히 복사 안정성 요구사항을 준수함 (섹션 에 정의된 스케줄대로 검정 수행 경우) - 복사 안정성 요구사항은 궤도상 검정 동안 검정 정확도의 드리프트(특성변화) 의미 - ABI 요구사항 내용 권장 1. 가시채널 경우 - 운영 수명 동안 절대 검정 복사휘도 드리프트 : 0.5% 이하 2. 3μm 이하 밴드 경우 - on-board 검정 기능 수행. FD 영상 99% 픽셀 검정 전후 비교로 변화 0.5% 이하 3. 3μm 이상 밴드 경우 - 정지궤도 조건에서 300K 검정 소스 관측 동안 검정 간 변화는 0.2K 이하 - 검정 간 반복성은 영상 간 흑체 검정의 평균 차이인 LA(2,000×2,000)의 RMS 계산으로 평가 → 복사휘도 단위로 계산 후, 300K의 온도에 참조하여 온도 단위로 변환

26 2.4.10 Radiometric Linearity

27 2.4.10 Radiometric Linearity
AMI는 PTM 테스트 결과에 기초한 복사 안정성(선형성) 요구사항을 충분히 준수함 - 복사 선형성 요구사항으로 ABI 요구사항 내용 권장 1. IR3.8 밴드 경우 - AMI는 375K 보다 낮은 온도의 모든 값들이 선형 최상의 fit으로부터 375K의 1% 이내의 선형 복사 응답을 가져야 함 2. IR3.8 이외의 밴드 경우 - Dynamic range에 속하는 모든 값들이 선형 최상의 fit으로부터 Nmax의 1% 이내의

28 Saturation Recovery

29 2.4.11 Saturation Recovery AMI는 모든 디텍터들이 포화 조건으로부터 50ms 이내에 충분한 성능 회복함
- ABI PTM FPA 테스트 결과 1. 5μm 이하 밴드 경우 - 포화 수준(saturation-level) 신호를 가지고 ABI PTM FPA 테스트 결과 50ms 이내에 회복 2. 5μm 이상 밴드 경우 - 태양 광자 플럭스는 장파장에서 빠르게 사라져버리기 때문에 발생 가능성 희박

30 2.4.12 Pixel Response Non-Uniformity

31 PRNU는 Exelis의 표준 복사 검정 프로세스에 의해 역점을 두어 다뤄진다.
Pixel Response Non-Uniformity AMI는 PTM 측정 결과에 기초한 복사 안정성 요구를 충분히 준수함 - 화소 간 반응 비균일성(PRNU)은 개별 디텍터 반응의 드리프트 결과 혹은 검정 간 오프셋의 결과로 검정된 데이터의 공간 노이즈의 한 측정 단위. (한 밴드의 모든 디텍터 간 측정) - 디텍터 오프셋(검정 방정식의 intercept)을 업데이트하기 위해 매 30초마다 우주보기 수행 → 복사 정확도 요구사항 대응 및 영상 품질의 한 인자인 PRNU 값 줄이는 효과 PRNU는 Exelis의 표준 복사 검정 프로세스에 의해 역점을 두어 다뤄진다.

32 2.4.12 Pixel Response Non-Uniformity
PRNU 계산 (SNR의 역수 보다 작아야 함) 우주보기 샘플 수집(뒤이어 30초 간 100% 알베도 및 300K 영상 관측, 이후 반복 과정:LTS) 2. 각 디텍터마다 256 샘플 평균 3. PRNU 측정 기준 만들기 위해 LTS의 첫 256 샘플 평균 4. 나머지 LTS는 512 샘플 그룹으로 각각 분할되고, 각 그룹(g)은 평균 영상 복사휘도로 각 디텍터마다 계산되고, 모든 디텍터 비교(교차) 계산됨

33 2.4.12 Pixel Response Non-Uniformity
PRNU 계산 (SNR의 역수 보다 작아야 함) 5. 각 그룹의 PRNU는 디텍터 간 비교(교차)되는 모든 열(row) 값의 표준편차로 정의 6. 합격 기준은: - IR 계열 밴드에 대해서, 300K에서의 NEdT 요구사항은 등가의 SNR 요구사항으로 변환됨

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