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문제 정의
- 본 논문에서는 X-band 파장 대역에서 얼음의 두께를 측정하기 위해 9.5 GHz의 중심주파수를 사용하는 안테나를 이용하여 지상용 마이크로파 산란계를 구축하였고, 현장탐사를 수행하였다. 산란계 탐사 결과 X-band 파장 대역에서 마이크로파는 얼음을 투과하여 얼음/물 경계면에서 산란됨을 확인할 수 있었고, 이로부터 얼음의 두께를 산출할 수 있었다.
제안 방법
- 1. Ground-based microwave scatterometer used in this study.
- 안테나는 향후 항공기 탑재 시스템으로의 발전을 도모하기 위해 높은 이득(gain)을 얻기 위한 고지향성 안테나로 설계되었으며, 이로 인해 안테나의 대역폭(bandwidth)은 중심주파수의 약 10%에 해당하는 1 GHz를 갖는다. 구축된 산란계를 이용하여 X-band 파장 대역에서 마이크로파의 얼음 투과 및 두께 측정이 가능한지 검토하였고, 하천 얼음에서 레이더 후방산란을 측정하여 얼음의 두께를 산출하였다. 그리고 산란계 탐사자료로부터 얼음 두께 지도(ice thickness map)를 제작하여 얼음 두께의 공간적 변화를 관찰하였다.
- 이는 안테나가 얼음 표면에 밀착된 상태에서 송수신 마이크로파가 서로 심한 간섭을 일으키기 때문으로 판단된다. 그러나 안테나를 얼음 표면으로부터 13 cm 높이에 위치시킨 경우 산란계 시스템은 두 개의 강한 후방산란을 측정하였다(Fig. 3(b)).
- 구축된 산란계를 이용하여 X-band 파장 대역에서 마이크로파의 얼음 투과 및 두께 측정이 가능한지 검토하였고, 하천 얼음에서 레이더 후방산란을 측정하여 얼음의 두께를 산출하였다. 그리고 산란계 탐사자료로부터 얼음 두께 지도(ice thickness map)를 제작하여 얼음 두께의 공간적 변화를 관찰하였다.
- 마이크로파 산란계 측정 결과로부터 산출된 얼음의 두께는 점 자료(point data)이므로 후방산란이 측정되지 않은 지점에서의 얼음 두께 추정을 위해 산란계 측정 자료를 바탕으로 크리깅(kriging) 보간법을 수행하였다. Fig.
- 총 1262개의 유효자료에 식 (4)를 적용하여 얼음의 두께를 산출하였다. 마이크로파 산란계 탐사가 수행된 지점 중 세 지점에서 얼음의 두께를 실측하였고, 이를 산란계로 측정된 얼음 두께와 비교하였다(Table 2). 세 지점에서 마이크로파 산란계로 측정된 얼음의 두께는 실측 두께와 비교하여 각각 2.
- 본 연구에서는 X-band SAR 시스템과의 연계성을 고려해 9.5 GHz의 중심주파수를 사용하는 안테나를 이용하여 지상용 마이크로파 산란계를 구축하였다. 안테나는 향후 항공기 탑재 시스템으로의 발전을 도모하기 위해 높은 이득(gain)을 얻기 위한 고지향성 안테나로 설계되었으며, 이로 인해 안테나의 대역폭(bandwidth)은 중심주파수의 약 10%에 해당하는 1 GHz를 갖는다.
- 본 연구에서는 후방산란 신호의 손실을 가정 적게 하기 위하여 안테나의 마이크로파입사각을 0o로 설정하였다.
- 산란계로부터 얼음 두께 측정을 위한 현장탐사를 수행하기 전에 X-band 파장 대역에서 얼음 두께 측정의 가능성을 검토하기 위한 예비탐사를 수행하였다. 예비탐사는 2011년 1월 6일 강원대학교 학내에 위치한 저수지인 연적지에서 수행하였다.
대상 데이터
- Fig. 6(a)는 공기/얼음과 얼음/물 경계면에서의 후방산란이 잘 구분되는 자료로써 얼음 두께 측정에 사용하였다. 그러나 Fig.
- 본 연구에 사용된 안테나는 높은 이득을 얻기 위한 고지향성의 안테나로 설계되었다. 따라서 빔 폭은 15o로 좁고, 안테나 return loss가 10 dB 이상으로 정의되는 대역폭(B)은 중심 주파수에 비해 좁은 1 GHz이다.
- 마이크로파 산란계는 지표면의 정규화된 radar cross section(RCS)을 측정하는 능동 원격탐사(active remote sensing) 시스템이다. 본 연구에 사용된 지상용 마이크로파 산란계는 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer, VNA), 안테나, 마이크로파 케이블, 노트북 컴퓨터 등으로 구성된다(Fig. 1). 안테나는 9.
- 이는 VNA의 제한된 파워가 영향을 준 것으로 판단된다. 본 연구에서는 얼음 두께 측정을 위한 안테나의 적절한 높이로 13 cm를 선택하였고, 이를 현장탐사에 적용하였다.
- 산란계 현장탐사는 춘천호의 유입지류인 지암천의 하류(강원도 춘천시 서면 오월리)에서 수행되었다(Fig. 4). 지암천의 하류는 유속이 비교적 빠르며, 동절기에는 낮은 기온과 강한 바람으로 인해 수십 cm 두께의 얼음이 형성된다.
- 안테나는 9.5 GHz (X-band)의 중심주파수(fc)를 사용하는 dual-polarized square horn 안테나를 사용하였으며, VNA는 Agilent Technologies사의 8720D 모델을 사용하였다(Table 1).
- 약 1시간 동안 탐사를 수행하여 총 1398개의 마이크로파 산란계 측정 자료를 획득하였다. Fig.
- 산란계로부터 얼음 두께 측정을 위한 현장탐사를 수행하기 전에 X-band 파장 대역에서 얼음 두께 측정의 가능성을 검토하기 위한 예비탐사를 수행하였다. 예비탐사는 2011년 1월 6일 강원대학교 학내에 위치한 저수지인 연적지에서 수행하였다. 얼음으로부터 후방산란을 측정하기 전에 얼음의 두께가 16 cm임을 실측을 통해 확인하였다.
- 지암천의 하류는 유속이 비교적 빠르며, 동절기에는 낮은 기온과 강한 바람으로 인해 수십 cm 두께의 얼음이 형성된다. 현장탐사는 2011년 1월 25일에 수행되었으며, 얼음 표면에 눈이 존재하였으나 수분이 적은 건조한 상태였다. Fig.
성능/효과
- 일반적으로 하천 및 호수의 얼음 두께는 급격하게 변화하지 않는데, 크리깅 보간법을 통해 산출된 지암천 얼음 두께는 일부 영역에서 급격한 변화를 나타냈다. 마이크로파 산란계 탐사로부터 측정된 얼음 두께를 검토한 결과 일부 지역에서 인접한 측정 지점에 비해 얼음 두께의 차이가 큰 측정 지점이 있음을 확인할 수 있었다. 이는 마이크로파 산란계 시스템의 후방산란 측정 오류 때문에 발생한 이상값(outlier)으로써 크리깅 보간법을 수행할 때 제거해 줄 필요가 있다.
- 본 연구를 통하여 X-band 파장 대역에서 얼음의 두께 측정이 가능함을 확인하였고, 하천 얼음 두께의 공간적 변화를 분석할 수 있었다. 이 연구는 향후 X-band SAR 시스템과 항공기 탑재 산란계 시스템의 활용분야 확대에 기여할 것으로 판단된다.
- 5 GHz의 중심주파수를 사용하는 안테나를 이용하여 지상용 마이크로파 산란계를 구축하였고, 현장탐사를 수행하였다. 산란계 탐사 결과 X-band 파장 대역에서 마이크로파는 얼음을 투과하여 얼음/물 경계면에서 산란됨을 확인할 수 있었고, 이로부터 얼음의 두께를 산출할 수 있었다. 마이크로파 산란계로 측정된 지암천 하류의 얼음 두께는 대부분 50 cm로 균일하였으며, 하천의 유속이 빨라지는 지점에서 얼음은 30 ~ 40 cm의 얇은 두께를 나타냈다.
- 8 cm로 계산된다. 현장에서 실측된 얼음의 두께(16 cm)를 고려할 때 두 개의 강한 후방산란은 각각 공기/얼음과 얼음/물 경계면에서의 후방산란임을 확인할 수 있으며, 이를 통해 산란계를 이용한 얼음 두께 측정이 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이 연구는 향후 X-band SAR 시스템과 항공기 탑재 산란계 시스템의 활용분야 확대에 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 보다 넓은 대역폭을 사용할 수 있는 안테나를 이용하여 얼음에서의 거리 해상도를 높인다면 얼음 두께 측정을 위한 마이크로파 산란계의 독자적인 활용분야가 형성될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구를 통하여 X-band 파장 대역에서 얼음의 두께 측정이 가능함을 확인하였고, 하천 얼음 두께의 공간적 변화를 분석할 수 있었다. 이 연구는 향후 X-band SAR 시스템과 항공기 탑재 산란계 시스템의 활용분야 확대에 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 보다 넓은 대역폭을 사용할 수 있는 안테나를 이용하여 얼음에서의 거리 해상도를 높인다면 얼음 두께 측정을 위한 마이크로파 산란계의 독자적인 활용분야가 형성될 수 있을 것으로 기대된다.
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