본 논문은 수면의 기름 유출 유무, 유출된 기름의 분포 및 확산에 관한 정보를 실시간 원격으로 수집할 수있는 마이크로파 라디오미터의 개발에 관한 연구 내용을 기술한다. 먼저 수면에 유출된 두께 0~4 mm 범위의 기름층을 0.2 mm 이내의 오차로 원격 측정이 가능한 마이크로파 라디오미터의 개발 목표 성능을 달성하기 위해 요구되는 목표 사양을 도출하였으며, 이를 토대로 라디오미터 수신기를 설계하였다. 설계된 수신기의 시스템 이득과 잡음 지수의 budget 분석을 통해 설계의 적절성을 점검하였으며, 이 결과를 활용하여 수신 주파수 10.65 GHz, 대역폭 58 MHz로 47.3 dB의 시스템 이득과 0.46 K 이내의 수신 감도를 갖는 고이득, 고감도 수신기를 제작하였다. 제작된 수신기와 표준 혼 안테나로 구성된 마이크로파 라디오미터로 실제 수면 유막을 대상으로 실험한 결과, 0.13 mm 이내의 오차로 0~5 mm 범위의 유막 두께를 측정하는데 성공하여 목표 성능이 만족함을 검증하였다.
본 논문은 수면의 기름 유출 유무, 유출된 기름의 분포 및 확산에 관한 정보를 실시간 원격으로 수집할 수있는 마이크로파 라디오미터의 개발에 관한 연구 내용을 기술한다. 먼저 수면에 유출된 두께 0~4 mm 범위의 기름층을 0.2 mm 이내의 오차로 원격 측정이 가능한 마이크로파 라디오미터의 개발 목표 성능을 달성하기 위해 요구되는 목표 사양을 도출하였으며, 이를 토대로 라디오미터 수신기를 설계하였다. 설계된 수신기의 시스템 이득과 잡음 지수의 budget 분석을 통해 설계의 적절성을 점검하였으며, 이 결과를 활용하여 수신 주파수 10.65 GHz, 대역폭 58 MHz로 47.3 dB의 시스템 이득과 0.46 K 이내의 수신 감도를 갖는 고이득, 고감도 수신기를 제작하였다. 제작된 수신기와 표준 혼 안테나로 구성된 마이크로파 라디오미터로 실제 수면 유막을 대상으로 실험한 결과, 0.13 mm 이내의 오차로 0~5 mm 범위의 유막 두께를 측정하는데 성공하여 목표 성능이 만족함을 검증하였다.
In this paper, we propose a microwave radiometer for remote sensing of oil spills on the water surface. In order to achieve the development aim of the measurement accuracy within 0.2 mm for oil slicks of 0~4 mm thickness, the requirements of the microwave radiometer and the specifications of its rec...
In this paper, we propose a microwave radiometer for remote sensing of oil spills on the water surface. In order to achieve the development aim of the measurement accuracy within 0.2 mm for oil slicks of 0~4 mm thickness, the requirements of the microwave radiometer and the specifications of its receiver are drawn. From these requirements and specifications, the receiver with high gain, high sensitivity is designed and implemented. The receiver has the bandwidth of 58 MHz, the system gain of 47.3 dB and the sensitivity of 0.46 K at 10.65 GHz. The processes of design and implementation of the receiver are described in this paper. The effectiveness of the proposed microwave radiometer in the measurement of oil slicks is demonstrated experimentally. The results show the microwave radiometer can detect the oil slicks for 0~5 mm thickness within the accuracy of 0.13 mm successfully.
In this paper, we propose a microwave radiometer for remote sensing of oil spills on the water surface. In order to achieve the development aim of the measurement accuracy within 0.2 mm for oil slicks of 0~4 mm thickness, the requirements of the microwave radiometer and the specifications of its receiver are drawn. From these requirements and specifications, the receiver with high gain, high sensitivity is designed and implemented. The receiver has the bandwidth of 58 MHz, the system gain of 47.3 dB and the sensitivity of 0.46 K at 10.65 GHz. The processes of design and implementation of the receiver are described in this paper. The effectiveness of the proposed microwave radiometer in the measurement of oil slicks is demonstrated experimentally. The results show the microwave radiometer can detect the oil slicks for 0~5 mm thickness within the accuracy of 0.13 mm successfully.
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문제 정의
본 논문에서는 수면 기름 유출로 인한 피해를 최소한으로 줄이기 위해 유출된 기름을 조기에 실시간 원격으로 모니터링할 수 있는 10 GHz 대역의 마이크로파 라디오미터의 개발에 관해 기술하였다. 먼저, 수면에 유막이 형성되었을 경우 마이크로파 대역의 복사 특성의 변화를 분석하였고, 이를 토대로 1차 개발 성능 목표를 검출 가능 유막 두께 0～4 mm, 측정 오차 0.
본 논문에서는 수면의 유류 오염 유무, 기름의 두께 등 분포 및 확산 상태를 실시간, 전천후로 모니터링하기 위한 원격 탐사 센서로 10 GHz 대역의 마이크로파 라디오미터의 시스템 개발에 관해 기술한다. 먼저 개발 목표 성능을 제시하고, 요구되는 목표 사양의 도출, 수신기의 설계, 제작 및 측정 과정과 결과를 소개한다.
표 1의 측정 휘도 온도 범위 및 감도를 갖는 라디오미터에 요구되는 수신기의 설계 사양에 대해 검토하였다. 마이크로파 라디오미터의 안테나로 10 GHz 대역의 표준 피라미드 혼 안테나를 사용하여 표 1의 휘도 온도 범위의 TB에 의한 안테나 출력, 즉 안테나 온도 TA의 범위는 외국의 문헌 및 실험 자료로부터 근사적으로 110～240.
제안 방법
2 mm 이내로 결정하였으며, 목표 성능의 달성에 요구되는 라디오미터의 사양 및 수신기의 설계 사양을 도출하였다. 도출된 사양을 만족하는 수신기를 설계 제작하였다. 제작된 수신기는 주파수 10.
입력 전력이 -100 dBm 이하의 미약한 잡음 신호를 고감도로 검출하기 위해서는 수신기는 저 손실, 저 잡음, 고이득의 특성을 동시에 추구할 수 있는 구조이어야 한다. 또한, 소형 경량, 저 소비 전력으로 구현이 요구됨으로 본 연구에서는 슈퍼헤테로다인 방식을 채용한 전 전력형 라디오미터로 결정하였다.
본 논문에서는 수면의 유류 오염 유무, 기름의 두께 등 분포 및 확산 상태를 실시간, 전천후로 모니터링하기 위한 원격 탐사 센서로 10 GHz 대역의 마이크로파 라디오미터의 시스템 개발에 관해 기술한다. 먼저 개발 목표 성능을 제시하고, 요구되는 목표 사양의 도출, 수신기의 설계, 제작 및 측정 과정과 결과를 소개한다. 이어 실제 수면에 형성된 유막의 두께 변화에 대한 라디오미터의 검출 성능을 평가한다.
본 논문에서는 수면 기름 유출로 인한 피해를 최소한으로 줄이기 위해 유출된 기름을 조기에 실시간 원격으로 모니터링할 수 있는 10 GHz 대역의 마이크로파 라디오미터의 개발에 관해 기술하였다. 먼저, 수면에 유막이 형성되었을 경우 마이크로파 대역의 복사 특성의 변화를 분석하였고, 이를 토대로 1차 개발 성능 목표를 검출 가능 유막 두께 0～4 mm, 측정 오차 0.2 mm 이내로 결정하였으며, 목표 성능의 달성에 요구되는 라디오미터의 사양 및 수신기의 설계 사양을 도출하였다. 도출된 사양을 만족하는 수신기를 설계 제작하였다.
사고 관련 자료 및 외국의 연구 개발, 실험 사례 문헌 등을 참고로 하여[3],[4],[7],[10],[11] 빈번하게 일어나는 중유, 등유, 휘발류 등 석유 계통의 기름 유출로 인한 오염을 초기 단계에 발견할 수 있도록 마이크로파 라디오미터의 1차 개발 성능을 검출 가능한 유막의 두께 범위는 0～4 mm, 측정 오차는 0.2 mm 이내로 목표를 두었다.
표 3에 수신기를 구성하는 각 단 부품의 설계 목표와 시스템의 이득 및 잡음 지수 budget을 산출한 결과를 나타내었다. 수신기 제작 시 각 부품 간의 부정합 및 전송 손실 등을 고려하여 이득에 대한 마진과 입력단의 커넥터 등에서 발생할 잡음 지수 마진 등을 고려하였다. 산출 결과, 수신기의 전체 이득은 47.
그림 4는 설계한 수신기의 구조를 나타낸 블록도이다. 수신기의 잡음 지수를 낮추기 위해 2 stage LNA를 첫 단에 배치하였으며, 10 GHz 대역만을 통과하는 RF BPF를 사용하였다. 10 GHz 대역의 신호를 1.
항온조의 내부 온도를 198～324 K(-75～51 ℃)까지 3 K씩 변화시켜 입력 잡음 전력의 변화에 따른 출력 전압을 측정하였다. 수신기의 출력 전압은 멀티미터를 PC에 연결하여 실시간으로 각 온도 당 0.5초 간격으로 100개의 샘플을 측정하였다. 그림 7에 측정된 출력 전압 데이터의 평균값과 표준 편차를 나타낸 것으로 온도 변화에 대해 출력 전압이 선형적으로 변화함을 알 수 있다.
초기 단계의 성능실험으로 그림 8과 같이 안테나와 수면 사이의 거리는 70 cm, 입사각 45°로 수면 유막으로부터 복사되는 전력을 측정하였다. 유막은 실험용 수조에 물을 약 30 cm 채워넣은 후 그 위에 기름을 부어 두께를 0～15 mm까지 증가시켜 측정하였다. 사용된 유류는 중유를 사용하였다.
먼저 개발 목표 성능을 제시하고, 요구되는 목표 사양의 도출, 수신기의 설계, 제작 및 측정 과정과 결과를 소개한다. 이어 실제 수면에 형성된 유막의 두께 변화에 대한 라디오미터의 검출 성능을 평가한다.
유막의 TB는 그림 3과 같이 두께에 의해 진동하는 특성을 가지므로, 따라서 복소 유전율의 실수부가 2부근인 일반적인 석유 계통 기름[4],[10]을 대상으로 0～4 mm의 검출 두께 범위를 만족하기 위해서는 관측 주파수는 10 GHz 대역 이하로 선택해야 한다. 전파의 기상의 영향 및 대기의 투과성[6], RFI, 안테나 및 시스템의 사이즈, 소자 구매의 용이성 및 가격, 제작의 난이도 등을 고려하여 수동 원격 탐사용으로 분배된 주파수 대역[13]으로 선택하였다. 결정된 관측 주파수 대역은 중심 주파수 10.
제작된 10 GHz 대역 라디오미터의 동작 입력 전력 범위 및 이득을 고주파 신호 발생기와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 고주파 신호 발생기의 10.
46 K 이내의 감도로 선형적으로 동작함을 확인하였다. 제작된 수신기에 표준 피라미드 혼 안테나를 연결하여 깊이 30 cm의 수면 위에 두께 0～15 mm의 중류 유막을 형성하여 검출 성능 실험을 하였다. 실험 결과, 0～5 mm 범위의 유막 두께를 0.
제작된 수신기와 FMI사의 표준 피라미드 혼 안테나로 구성된 마이크로파 라디오미터로 실제 수면에 유막을 형성하여 유막 두께의 변화에 대한 검출 성능을 실험하였다. 초기 단계의 성능실험으로 그림 8과 같이 안테나와 수면 사이의 거리는 70 cm, 입사각 45°로 수면 유막으로부터 복사되는 전력을 측정하였다.
초기 단계의 성능실험으로 그림 8과 같이 안테나와 수면 사이의 거리는 70 cm, 입사각 45°로 수면 유막으로부터 복사되는 전력을 측정하였다.
제작된 10 GHz 대역 라디오미터의 동작 입력 전력 범위 및 이득을 고주파 신호 발생기와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 고주파 신호 발생기의 10.65 GHz 신호를 attenuator를 이용하여 -110～-35 dBm까지 가변하여 수신기에 입력, 입력 전력의 변화에 대한 IF부의 출력 전력, 즉 검파부의 입력 전력을 스펙트럼 분석기로 측정하였다. 그림 6은 수신기의 입력 전력의 변화에 대한 출력 전력의 변화 및 시스템 이득 특성을 나타내었다.
항온조를 이용하여 입력 잡음 전력의 변화에 대한 출력 전압의 변화를 측정하여 안테나 온도-출력 전압의 환산 그래프와 환산식, 수신 감도를 구하였다. 제작된 수신기는 -107～-39 dBm의 입력 전력에 대해 0.
항온조의 내부 온도를 198～324 K(-75～51 ℃)까지 3 K씩 변화시켜 입력 잡음 전력의 변화에 따른 출력 전압을 측정하였다. 수신기의 출력 전압은 멀티미터를 PC에 연결하여 실시간으로 각 온도 당 0.
대상 데이터
따라서, 관측 편파는 수평 편파를, 입사각은 유막의 TB 값 및 두께 변화에 대한 변화량이 가장 크게 나타나는 50°에 가까운 45°로 선정하였다.
유막은 실험용 수조에 물을 약 30 cm 채워넣은 후 그 위에 기름을 부어 두께를 0～15 mm까지 증가시켜 측정하였다. 사용된 유류는 중유를 사용하였다. 10 GHz 대역에서 중류의 유전율은 2+j0.
수신기의 종단에 위치하는 검파부는 Analog Device사의 AD8313를 이용하였다. AD8313는 DC～2.
제작된 수신기는 주파수 10.65 GHz, 대역폭 58 MHz로 47.3 dB의 시스템 이득과 NF 1.38 dB의 고이득, 고감도 특성을 가지며, size는 255 mm×200 mm이고, 소비 전력은 2.7 W로 소형 경량 저소비 전력으로 구현하였다.
성능/효과
13 mm의 오차로 검출이 가능함을 의미한다. 그림 10과 표 7을 통해 제작된 마이크로파 라디오미터는 0～5 mm까지의 유막 두께를 0.13 mm 이내의 오차로 검출이 가능하여 목표 성능이 충족되었음을 확인할 수 있었다.
3 dB의 이득을 가지고 선형적으로 동작함을 알 수 있다. 또한, 고주파 잡음 지수 측정기로 측정한 결과, NF는 1.38 dB였다.
수신기 제작 시 각 부품 간의 부정합 및 전송 손실 등을 고려하여 이득에 대한 마진과 입력단의 커넥터 등에서 발생할 잡음 지수 마진 등을 고려하였다. 산출 결과, 수신기의 전체 이득은 47.5 dB, 잡음 지수 2.1 dB로 표 2의 수신기 설계 목표 사양을 만족시킴을 알 수 있다.
제작된 수신기에 표준 피라미드 혼 안테나를 연결하여 깊이 30 cm의 수면 위에 두께 0～15 mm의 중류 유막을 형성하여 검출 성능 실험을 하였다. 실험 결과, 0～5 mm 범위의 유막 두께를 0.13 mm 이내의 오차로 검출이 가능함을 확인하였다.
항온조를 이용하여 입력 잡음 전력의 변화에 대한 출력 전압의 변화를 측정하여 안테나 온도-출력 전압의 환산 그래프와 환산식, 수신 감도를 구하였다. 제작된 수신기는 -107～-39 dBm의 입력 전력에 대해 0.46 K 이내의 감도로 선형적으로 동작함을 확인하였다. 제작된 수신기에 표준 피라미드 혼 안테나를 연결하여 깊이 30 cm의 수면 위에 두께 0～15 mm의 중류 유막을 형성하여 검출 성능 실험을 하였다.
제작된 수신기의 측정 결과를 표 6에 정리하였다. 제작된 수신기는 설계 목표 사양을 모두 만족함을 알 수 있다.
후속연구
보다 정밀한 검출을 위해서는 현재의 10 GHz 대역에 20 GHz 이상의 주파수를 추가로 채용, 복수 개의 주파수 대역에 의한 관측이 필요하며, 파도 등 표면 상태 및 해수면 유막 등 여러 종류의 시료 및 환경을 대상으로 한 실험이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수면의 기름 유출을 원격으로 모니터링할 수 있는 센서에는 무엇이 있는가?
수면의 기름 유출을 원격으로 모니터링할 수 있는 센서로 적외선 센서, 마이크로파 산란계 및 SAR(합성 개구 레이더), 그리고 마이크로파 라디오미터 등이 이용된다[3],[4]. 적외선 센서는 기상 및 대기 상태에 크게 영향을 받아 구름, 비, 눈이나 안개, 수증기, 황사 등이 존재할 경우 측정이 불가능하다.
마이크로파 산란계나 SAR의 경우 측정치로부터 특정한 물리적 파라미터에 대한 정보를 추출하는 것이 쉽지 않은 이유는?
마이크로파 산란계나 SAR의 경우 전파 대역을 사용함으로 전천후로 관측이 가능하나, 능동형으로 송신기와 수신기 모두가 필요하여 시스템이 복잡하며 전력 소모가 크다. 또한, 관측 대상에 랜덤(random)하게 분포되어 있는 수많은 산란점으로부터 산란파가 수신되므로 처리해야할 데이터량이 많고, 랜덤한 표면 상태와 매질 특성에 의한 산란과 그 위에 마이크로파와의 상호 작용이라는 복잡한 물리적 과정이 개재되어 있어 측정치로부터 특정한 물리적 파라미터에 대한 정보를 추출하는 것이 쉽지 않다[5].
적외선 센서는 어느 조건에서 측정이 불가능한가?
수면의 기름 유출을 원격으로 모니터링할 수 있는 센서로 적외선 센서, 마이크로파 산란계 및 SAR(합성 개구 레이더), 그리고 마이크로파 라디오미터 등이 이용된다[3],[4]. 적외선 센서는 기상 및 대기 상태에 크게 영향을 받아 구름, 비, 눈이나 안개, 수증기, 황사 등이 존재할 경우 측정이 불가능하다. 마이크로파 산란계나 SAR의 경우 전파 대역을 사용함으로 전천후로 관측이 가능하나, 능동형으로 송신기와 수신기 모두가 필요하여 시스템이 복잡하며 전력 소모가 크다.
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