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문제 정의
- 본 논문의 목적은. radiative transfer 이론을 적용하여 개발된 지표면 산란 모델을山 수풀 지형의 후방 산란 계수 측정값과 비교함으로써 산란 모델의 정확성을 검증하고자 한다. 기존의 지표면 측정 데이터들이 많이 발표되어 있지만叫 편파별 측정 데이터들이 아니든지, 지표면 데이터(ground truth)가 충분하지 않아서 이용하기에 문제점이 있고, 본 연구실의 측정 데이터가 일부 있지만邸], 여러 입사각과 여러 수분 함유량 정도에 따른 데이터가 필요하였기에 본 측정이 필요하게 되었다.
- radiative transfer 이론을 적용하여 개발된 지표면 산란 모델을山 수풀 지형의 후방 산란 계수 측정값과 비교함으로써 산란 모델의 정확성을 검증하고자 한다. 기존의 지표면 측정 데이터들이 많이 발표되어 있지만叫 편파별 측정 데이터들이 아니든지, 지표면 데이터(ground truth)가 충분하지 않아서 이용하기에 문제점이 있고, 본 연구실의 측정 데이터가 일부 있지만邸], 여러 입사각과 여러 수분 함유량 정도에 따른 데이터가 필요하였기에 본 측정이 필요하게 되었다.
제안 방법
- 깊이。~5 cm에서 토양 샘플 2~3개(약 200 ~300 g)를 채취하여 무게를 재고, 완전 건조시킨 후무게를 재어, 물의 부피와 토양의 부피 비(ratio)인 volumetric 수분 함유량 也/cnF/cm')를 다음 식처럼 계산하였다[4].
- 8 m이었으며 입사각 30°, 40°, 50°, 60。에서 측정하였다. 보정용 target으로는 Trihedral 전파 반사기를 사용하였으며 전파 반사기 측정은 잡음을 제거하기 위해 스티로폼 위에 올려놓고 빔이 지면에 도달하는 중심-거리(3)) 만큼의 거리에서 측정하였다.
- 시스템을 구현하였다. 본 scatterometer 의송 수신 기로는 네트워크 분석기(HP8753D)를 사용하였고, R 밴드 표준 혼 안테나 두 개를 동축선으로 송수신기에 연결하여 간단하게 full polarimetric scatterometer 시스템을 그림 1과 같이 구성하였다. 측정주파수로는 1.
- 본 연구에서는 R 밴드용(1.7~2.0 GHz) polarimetric scatterometer 시스템을 구현하여 한강 생태 공원 내 수풀 지형을 후방 산란 계수를 편파 별로 측정하였다. 고정된 각도(40도)에서 다양한 수분 함유량 상태 수풀의 후방 산란 계수와 고정된 수분 함유량에서 다양한 입사 각도의 데이터를 얻었다.
- 산란 세기의 비로 투과 행렬 값을 얻고, 여기서 후방 산란 계수를 계산하게 되며, 이 모델의 자세한 수식 유도는 참고문헌 [1]에 있으므로 이 논문에서는 생략한다. 이 산란 모델은 단지 10개의 변수들(수분함유량, RMS 표면 높이, 풀 층 높이, 잎의 밀도, 잎 길이, 잎 넓이, 나무 줄기 밀도 나무 줄기 길이, 나무 기둥 밀도, 나무 기둥 길이)을 입력하면 된다.
- 측정 일자마다 토양 위에 자란 잎의 크기(길이와 넓이), 밀도, 각도, 수분 함유량 등의 입력 변수를 얻기 위해 균일한 곳에서 30 cmx30 cm의 샘플 2곳을 선정하여, ground truth를 측정하였다. 수풀을 모두 채취한 후 무게를 재고, 완전건조 후 무게를 비교하여 수분 함유량(弛)을 구하였으며, 수풀의 길이 폭, 밀도 등을 측정하였다.
- 지표면의 특성에는 지표면 거칠기, 토양 수분 함유량과 풀 층 특성 변수들(밀도, 크기 각도, 수분 함유량 등)이 있다. 우선, 지표면 토양의 거칠기를 나타내는 변수인 s(rms 표면 높이)와 /(표면 상관 길이)을 구하기 위해서는 일정 거리 만큼의 지표면 높이를 정확하게 측정해야 하고, 이를 위해 지표면 높이 측정기(surface profiler)를 제작하였다. 그.
- 우선, 측정을 위해 R-밴드 polarimetric scatterometer 시스템을 구성했으며 한강 생태 공원의 수풀 지형을 한 달간 2~3일 간격으로 측정하였다. 입사 각도는 30°~6俨까지이며 1.
- 고정된 각도(40도)에서 다양한 수분 함유량 상태 수풀의 후방 산란 계수와 고정된 수분 함유량에서 다양한 입사 각도의 데이터를 얻었다. 이전에 개발하였던 지표면 산란 모델의 정확성을 검토하기 위흐d서, 정확 후방 산란 계수를 얻는 외에 지표면의 상태 특성(ground truth)을 정확하게 추출하였다. 후방산란 계수 측정값과 산란 모델을 비교한 결과 동일편파(vv와 hh 편파)의 데이터는 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었으며, 교차 편파의 경우 2~3 曲의 편차가 있음을 알 수 있었다.
- 덮여 있는 지역이다. 측정 일자마다 토양 위에 자란 잎의 크기(길이와 넓이), 밀도, 각도, 수분 함유량 등의 입력 변수를 얻기 위해 균일한 곳에서 30 cmx30 cm의 샘플 2곳을 선정하여, ground truth를 측정하였다. 수풀을 모두 채취한 후 무게를 재고, 완전건조 후 무게를 비교하여 수분 함유량(弛)을 구하였으며, 수풀의 길이 폭, 밀도 등을 측정하였다.
- 측정 장소로는 측정이 용이하고 비교적 한적한 한강 생태 공원의 수풀 지형으로 선정하였고, 여기에 타워를 설치하였으며, 안테나 세트를 삼각대에 고정하여 타워 위에 설치한 후에 각도 별로 30번씩 다른 지 역들에서 의 전파 산란을 vv-, hh-, vh-, hv- 편파별로 측정하였다. 지표면에서 안테나까지의 높이 (力)는 4.
- 측정은 독립적인 지표면 샘플을 얻기 위해 측정 타워를 증심으로 회전하면서 각 각도 별로 30번씩 측정하였다. 그림 4는 30번의 측정 중 한 번의 결과를 나타내는 것이며 입사각이 40。이고 time gating 후 L6~2.
- 후방 산란 계수를 측정하기 위해 우선 R 밴드 scatterometer 시스템을 구현하였다. 본 scatterometer 의송 수신 기로는 네트워크 분석기(HP8753D)를 사용하였고, R 밴드 표준 혼 안테나 두 개를 동축선으로 송수신기에 연결하여 간단하게 full polarimetric scatterometer 시스템을 그림 1과 같이 구성하였다.
대상 데이터
- 0 GHz) polarimetric scatterometer 시스템을 구현하여 한강 생태 공원 내 수풀 지형을 후방 산란 계수를 편파 별로 측정하였다. 고정된 각도(40도)에서 다양한 수분 함유량 상태 수풀의 후방 산란 계수와 고정된 수분 함유량에서 다양한 입사 각도의 데이터를 얻었다. 이전에 개발하였던 지표면 산란 모델의 정확성을 검토하기 위흐d서, 정확 후방 산란 계수를 얻는 외에 지표면의 상태 특성(ground truth)을 정확하게 추출하였다.
- 본 측정 지역은 키가 큰(약 70 cm 정도) 일년생 풀들로 덮여 있는 지역이다. 측정 일자마다 토양 위에 자란 잎의 크기(길이와 넓이), 밀도, 각도, 수분 함유량 등의 입력 변수를 얻기 위해 균일한 곳에서 30 cmx30 cm의 샘플 2곳을 선정하여, ground truth를 측정하였다.
데이터처리
- 1 GHz의 주파수 대역에서의 측정 결과이다. 주파수의 시작 부근과 끝 부근에서는 Fourier 변환과정에서 aliasing 효과로 잡음의 영향이 있기 때문에 측정 데이터에서 1.7~2.0 GHz 대역만 선택하여 사용하였고 30개 데이터의 평균값을 취하였다.
성능/효과
- 입사각 50°, 60。에서도 같은 방법으로 시간 영역을 예측할 수 있으며 그림 2에서 예측값과 측정값이 같음을 확인할 수 있었다. Footprint를 확인한 후 네트워크 분석기의 time gating 기능으로 지면 산란 이외의 잡음을 제거하여 측정함으로써 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있었다.
- 측정 잡음을 제거하기 위해 time gating 방법을 적용했으며 보정 targete 자체 제작한 Trihedral comer reflect。!를 사용하였다. 또한 지표면의 특성 (ground truth)을 측정하기 위해 surface profi- lometer를 제작하여 지표면의 거칠기 변수인 RMS 표면 높이 s와 표면 상관길이 /을 측정하였고, 토양 샘플을 취득하여 토양의 수분 함유량을 측정하였으며, 여러 종류의 식물 층 샘플을 취득하여 잎의 밀도 길이 폭, 수분 함유량 등을 측정한였다勺 입사각 도의 변화와 지표면 수분 함유량의 변화에 따른 후방 산란 계수 측정값을 얻을 수 있었으며 지표 산란 모델과 비교한 결과 동일 편파의 경우 비교적 잘 일치했으며 교차 편파의 경우 보정을 해줌으로써 산란 모델의 정확성을 얻을 수 있었다.
- 그림 7은 이상의 조건을 지표면 산란 모델에 적용하여 입사 각도에 따른 산란 계수의 변화를 계산한 결과로서, 편파 별로 전체 산란에 대한 각 산란 방식의 기여도를 나타낸 것이다. 모든 편파에서 지표면에서의 직접 산란(G)과 풀 층에서의 직접 산란(C)이 산란 계수 값을 결정하는 주요 변수임을 알 수 있었다.
- 38 cm3/ cn?이었으며 이는 토양의 마른 정도가 중간에서부터 비 온 후의 젖은 상태까지이며 마른 흙에 대해서는 측정을 하지 못하였다. 측정값과 산란 모델의 결과는 vv-, hh-편파에서 비교적 잘 일치하며, 교차 편파는 모델이 낮은 값을 보인다. 이는 고차 다중 산란이 모델에서 배제되었기 때문이며, 이 경우에 약 2~3 dB 정도를 보정할 경우 측정 결과와 잘 일치함을 알 수 있다.
- 본 scatterometer 의송 수신 기로는 네트워크 분석기(HP8753D)를 사용하였고, R 밴드 표준 혼 안테나 두 개를 동축선으로 송수신기에 연결하여 간단하게 full polarimetric scatterometer 시스템을 그림 1과 같이 구성하였다. 측정주파수로는 1.85 GHz를 중심으로 0.5 GHz의 대역폭에서 측정함으로써, Fourier 변환을 이용하여 time gating 기능을 이용할 수 있었고, 이 기능으로 수풀에 대한 후방 산란 이외의 잡음(안테나 어댑터, 안테나 지지대 등에서의 반사파들)을 제거하여 마치 전파 무반향실 측정과 같은 효과를 볼 수 있었다.
- 이전에 개발하였던 지표면 산란 모델의 정확성을 검토하기 위흐d서, 정확 후방 산란 계수를 얻는 외에 지표면의 상태 특성(ground truth)을 정확하게 추출하였다. 후방산란 계수 측정값과 산란 모델을 비교한 결과 동일편파(vv와 hh 편파)의 데이터는 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었으며, 교차 편파의 경우 2~3 曲의 편차가 있음을 알 수 있었다. 이는 산란 모델 계산에서고 차의 다중 산란(multiple scattering)을 고려하지 않은 영향으로 보이며 w 편파와 hh 편파의 경우 다중산란에 의한 영향이 크지 않지만 교차 편파의 경우 다중 산란의 영향이 크게 작용함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이는 고차 다중 산란이 모델에서 배제되었기 때문이며, 이 경우에 약 2~3 dB 정도를 보정할 경우 측정 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 교차 편파에서의 정확한 보정 정도를 결정하기 위해서는 다양한 상태의 지표면에 대한 측정 데이터를 획득하든지, 몬테카를로 방식의 수치 해석적 연구를 통해 향후에 더 연구해야 할 것이다.
- 따라서, 지표면 산란 모델 교차 편파의 경우 2~3 dB 보정을 할 경우 산란 모델의 정확성을 높일 수 있을 것이다. 교차 편파의 보정 정도를 정확하게 예측하기 위해서는 향후에 다양한 환경에서의 측정 데이터를 더 확보할 필요가 있으며, 몬테카를로 방식의 수치 해석적 연구 등을 통해서 연구의 범위를 확대해나갈 필요가 있다.
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