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문제 정의
- 이 논문에서는 강원대와 한국지질자원연구원의 협 력으로 설계 제작된 GB-SAR 시스템을 소개하고, 다양한 모드의 영상 획득을 통하여 SAR의 편파기법 (polarimetry) 및 간섭기법(interferometiy)을 시험적으로 구현한 내용을 소개하고자 한다.
- 이 실험에서는 모든 편파의 SAR 영상을 얻어 SARPolarimetry 기법을 실험하였고, DInSAR, CrossTrack InSAR, Delta-f InSAR, 및 PSInSAR와 같은 다양한 GB-SAR 간섭기법의 가능성을 살펴보았다. 이를 위하여 Table 2에서와 같은 시스템 구성으로 측정을 실시하였고 결과 영상을 다음과 같이 분석하였다.
제안 방법
- 안테나는 Ortho-Mode Transducer를 이용한 dual-polarization square horn antenna를 사용하였다. 주파수 대역은 5-5.6GHz, 중심 주파수는 5.3GHz 로서 ERS-1/2, Envisat, RadarsatT과 같은 인공위성 SAR 영상과 동일한 C-band를 사용하도록 설계되었다(Table 1). 송신과 수신 포트는 마이크로파 스위치를 이용하여 자동으로 제어되어 다중 편파(VV, VH, HV, HH) 자료를 동시에 획득한다.
- 벡터 네트워크 분석기를 기반으로 dual-polarization square horn antenna, 마이크로파 앰프, 마이크로파 스위치, 스텝 모터 등을 이용하는 모션 시스템으로 구성된 GB-SAR 시스템을 개발하였다. GB-SAR는 지상시스템의 안정성과 운영의 유연성 덕분에 다양한 영상획득 모드를 구현할 수 있음을 실험으로 확인하였으며, 다양한 파장대의 다편파 SAR 영상를 비롯하여 DInSAR, Coherence, Cross-Track InSAR, Delta-fInSAR, PSInSAR와 같은 SAR 기술의 거의 모든 분야에 있어서 응용의 가능성을 보여주었다.
- 각 2m 길이의 레일 세 개를 연결하여 총 6 m의 레일을 만들었다. 모션 컨트롤러 및 스텝 모터를 이용하여 안테나의 수평적 혹은 수직적 이동이 가능하도록 하여, 수평적 이동은 SAR 영상화에, 수직적 이동은 SAR 간섭기법을 구현하기 위한 수직기선(vertical baseline)을 만들 수 있도록 설계하였다. 레 일위에 GB-SAR 시스템을 모두 탑재할 수 있도록 플랫폼을 만들었는데, 이는 스캔 도중 RF 케이블의 움직임을 없애고 시스템의 중량을 무겁게 하여 물리적으로 안정시키기 위함이다.
대상 데이터
- VNA는 30KHz~6GHz 대역까지 사용이 가능한 Agilent 8753ES 기종을 이용하였다. 이 기종의 최대파워는 10 dBm로 제한되어 있기 때문에 마이크로파 앰프를 사용하여 최대 출력을 33 dBm (2W)까지 높여주었다.
- 3GHz 로서 ERS-1/2, Envisat, RadarsatT과 같은 인공위성 SAR 영상과 동일한 C-band를 사용하도록 설계되었다(Table 1). 송신과 수신 포트는 마이크로파 스위치를 이용하여 자동으로 제어되어 다중 편파(VV, VH, HV, HH) 자료를 동시에 획득한다.
- 있다. 각 2m 길이의 레일 세 개를 연결하여 총 6 m의 레일을 만들었다. 모션 컨트롤러 및 스텝 모터를 이용하여 안테나의 수평적 혹은 수직적 이동이 가능하도록 하여, 수평적 이동은 SAR 영상화에, 수직적 이동은 SAR 간섭기법을 구현하기 위한 수직기선(vertical baseline)을 만들 수 있도록 설계하였다.
- Fig. 2와 같이 한국지질자원연구원의 동쪽 건물 옥상에 GB-SAR를 설치하여 가시거리를 확보하였다. Fig.
이론/모형
- 앰프의 비가역적 특성 때문에 송신과 수신을 각각 담당하는 두 개의 안테나를 적당한 간격을 두고 설치하였다. 안테나는 Ortho-Mode Transducer를 이용한 dual-polarization square horn antenna를 사용하였다. 주파수 대역은 5-5.
- 그러나 GB-SAR는 레일에 근접한 거리를 제외한 대부분의 이미지 영역에서 합성구경이 레일의 길이로 제한되기 때문에 partial-focusing이라 할 수 있으며, 해상도 역시 거리의 함수로 주어진다. GB-SAR 영상화는 처리시간과 메모리를 고려하여, 근거리용으로는 일반적인 인공위성 SAR 프로세싱에 많이 사용되는Range-Doppler (RD) 알고리즘을 사용하였고(이훈열, 2005), 원거리용으로는 Deramp-FFT (DF) 알고리즘을 사용하였다.
- 획득함으로서 산란체의 특징을 보다 잘 알 수 있으며, 이를 이용하여 SAR polarimetry를 구현할 수 있다. 또한 영상이 얻어지는 시간, 안테나의 공간적 위치, 혹은 중심 주파수를 달리하여 영상을 얻고, 각 영상의 위상차를 이용하여 산란체의 움직임이나 지형을 알아내는 기술인 SAR 간섭기법(Interferometry)을 이용할 수 있다.
성능/효과
- 5(a)는 T2-T1의 위상차로서 약 30분 동안의 시간차를 두고 얻어진 DlnSAR의 일례를 보여주고 있다. 두 영상이 얻어진 약 1시간 동안 겨울철 잔디, 제방, 건물과 같은 안정된 산란체에서는 위상의 변화가 거의 없으나, 숲, 그림자 지역, 도로의 차량과 같이 불안정한 산란 체나 안테나의 방사 패턴으로 인하여 신호가 낮은 외곽 영역에서는 위상이 심하게 변동하고 있는 것을 보여주고 있다.
- 3 m, 주파수 기선은 # = -10 MHz이다. 이 실험에서 R = 100 m일 때의 위상차의 거리 변화율은 Cross-Track InSAR의 -8.0과 Delta-f InSAR의 24.0을 합한 16.0 degree/meter이며, 거리가 증가함에 따라 Cross-Track InSAR의 거리 변화율은 R2 에 따라 점점 줄어들어 Delta-f InSAR의 거리변화율인 24.0 degree/meter으로 수렴한다. 위상차의 고도변화율은 Cross-Track InSAR와 동일한 -38.
- 첫째, GB-SAR에서는 간섭 영상간의 기선 (baseline)이 정확하게 조절되기 때문에 기선을 측정하거나 추측하는 알고리즘이 필요가 없으며, 둘째, zero- baseline을 구현할 수 있어서 지형 고도에 의한 간섭위상이 전혀 발생되지 않아 외부 DEM 자료가 필요 없다. 셋째, 마이크로파의 전파 경로가 인공위성에 비해 매우 짧기 때문에 대기 효과를 거의 무시할 수 있다. 넷째, 영상 간 시간적 기선 (temporal baselin④이 수십 분으로매우 짧아서 변위량이 비교적 큰 산란체인 경우에도 phase unwrapping 과정 없이 모니터링이 가능하다.
- 셋째, 마이크로파의 전파 경로가 인공위성에 비해 매우 짧기 때문에 대기 효과를 거의 무시할 수 있다. 넷째, 영상 간 시간적 기선 (temporal baselin④이 수십 분으로매우 짧아서 변위량이 비교적 큰 산란체인 경우에도 phase unwrapping 과정 없이 모니터링이 가능하다. 한편, Noferini et al.
- horn antenna, 마이크로파 앰프, 마이크로파 스위치, 스텝 모터 등을 이용하는 모션 시스템으로 구성된 GB-SAR 시스템을 개발하였다. GB-SAR는 지상시스템의 안정성과 운영의 유연성 덕분에 다양한 영상획득 모드를 구현할 수 있음을 실험으로 확인하였으며, 다양한 파장대의 다편파 SAR 영상를 비롯하여 DInSAR, Coherence, Cross-Track InSAR, Delta-fInSAR, PSInSAR와 같은 SAR 기술의 거의 모든 분야에 있어서 응용의 가능성을 보여주었다. 이 시스템은 향후 자연 및 인공 구조물의 안정성 계측, DEM 제작, 산란체의 물성 조사와 같은 실용적 측면에 근접해 있으며, 새로운 SAR 시스템의 개념 설계에도 유용할 것으로 전망된다.
후속연구
- 5 m의 고도 차이가 있을 경우 하나의 간섭띠를 이룬다. 이 영싱에서는 Cross-Track InSAR의 이론적 간섭 띠를 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 향후 GB- SAR 시스템의 편리한 운용성을 이용하여 산란체의 위치와 형태에 따라 수직기선, 거리, 시스템의 고도 등을 조절하여 DEM 형성의 최적 조건을 설계할 수 있을 것이다.
- , 2001)와 비슷한 개념이지만 이에 비해 여러가지 장점이 있다. 첫째, GB-SAR에서는 간섭 영상간의 기선 (baseline)이 정확하게 조절되기 때문에 기선을 측정하거나 추측하는 알고리즘이 필요가 없으며, 둘째, zero- baseline을 구현할 수 있어서 지형 고도에 의한 간섭위상이 전혀 발생되지 않아 외부 DEM 자료가 필요 없다. 셋째, 마이크로파의 전파 경로가 인공위성에 비해 매우 짧기 때문에 대기 효과를 거의 무시할 수 있다.
- 99 이상(빨간색 부분)인 산란체의 위상 변화는 1° 이하로 유지되었다. 따라서 향후 PSInSAR를 이용한 산란체의 장시간 변위 측정에 있어서 정확도가 1 mm 이하로 확보될 것으로 판단되나, 시스템의 정밀도에 대해서는 앞으로 실험을 통해 보다 구체적으로 입증할 필요가 있다.
- GB-SAR는 지상시스템의 안정성과 운영의 유연성 덕분에 다양한 영상획득 모드를 구현할 수 있음을 실험으로 확인하였으며, 다양한 파장대의 다편파 SAR 영상를 비롯하여 DInSAR, Coherence, Cross-Track InSAR, Delta-fInSAR, PSInSAR와 같은 SAR 기술의 거의 모든 분야에 있어서 응용의 가능성을 보여주었다. 이 시스템은 향후 자연 및 인공 구조물의 안정성 계측, DEM 제작, 산란체의 물성 조사와 같은 실용적 측면에 근접해 있으며, 새로운 SAR 시스템의 개념 설계에도 유용할 것으로 전망된다. 향후 시스템의 안정성, 정밀도, 및 현장 적용성에 대한 평가가 이루어질 계획이다.
- 이 시스템은 향후 자연 및 인공 구조물의 안정성 계측, DEM 제작, 산란체의 물성 조사와 같은 실용적 측면에 근접해 있으며, 새로운 SAR 시스템의 개념 설계에도 유용할 것으로 전망된다. 향후 시스템의 안정성, 정밀도, 및 현장 적용성에 대한 평가가 이루어질 계획이다.
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