대기보정을 통한 GB-SAR 시스템의 변위측정 정밀도 향상

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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

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

8 trihedral corner reflector와 실제 실험 영상
시스템에서 바라 본 관찰지역

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

10 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 mm의 효과

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

12 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

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

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

15 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 = 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

16 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)

17 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

18 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 b X-band

19 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 b X-band

20 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 b X-band

21 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

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

23 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)

24 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

25 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

26 감사합니다.