[논문]차세대 SAR 활용을 위한 이중 채널 항공기 SAR 시스템 구축 및 간섭기법 연구

김덕진; 정정교; 김승희

차세대 SAR 활용을 위한 이중 채널 항공기 SAR 시스템 구축 및 간섭기법 연구 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.2, 2014년, pp.10 - 20

김덕진 (서울대학교 지구환경과학부) , 정정교 (서울대학교 지구환경과학부) , 김승희 (서울대학교 지구환경과학부)

초록
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지금까지 대부분의 인공위성 또는 항공기 SAR 시스템은 하나의 위상 배열 안테나를 이용하며, 단 영상을 생성하고 판독하는데 주로 사용되었지만, 차세대 SAR 시스템은 다중 편파 관측이 가능하거나 이중 채널 또는 위상 배열 안테나의 분리 모드(split-antenna mode)를 통해 간섭기법의 적용이 가능한 시스템으로 발전이 이루어지고 있다. 이러한 측면에서 이 논문은 차세대 SAR 인공위성의 새로운 분석 기법 연구와 활용 증진을 위해, 유사한 기능을 보일 수 있는 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하고, 이로부터 단일 패스 간섭기법(single-pass interferometry)을 연구한 논문이다. 공간적으로 서로 다른 위치에 있는 두 개의 SAR 채널에서 동시에 수신된 레이다 신호를 간섭적으로 처리하여, 지형의 고도 정보를 추출하거나 이동하는 물체의 속도를 탐지할 수 있도록 알고리즘을 구현하였고, 새로운 활용 분야를 모색하고자 하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 측면에서 이 논문은 차세대 SAR 인공위성의 새로운 분석 기법 연구와 활용 증진을 위해, 유사한 기능을 보일 수 있는 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하고, 이로부터 단일 패스 간섭기법(single-pass interferometry)을 연구한 논문이다. 공간적으로 서로 다른 위치에 있는 두 개의 SAR 채널에서 동시에 수신된 레이다 신호를 간섭적으로 처리하여, 지형의 고도 정보를 추출하거나 이동하는 물체의 속도를 탐지할 수 있도록 알고리즘을 구현하였고, 새로운 활용 분야를 모색하고자 하였다.
각각의 채널에 대한 reference track을 정의하여 보상하는 방법(dual reference track motion compensation)과 하나의 track을 정의한 후 각각의 채널 자료를 이 track으로 보상하는 기법(single reference track motion compensation)이다. 본 연구에서는 single reference track을 정의한 후, SAR 센서의 자세 정보와 위치 정보를 보정하여 간섭기법을 제작하고자 하였다(그림 4).
이렇듯 차세대 SAR 시스템은 안테나 분리(split-antenna)모드나 편대 비행을 통해 단일 패스 간섭기법을 적용할 수 있는 자료가 많이 획득될 예정이며, 이런 자료들을 활용한 분야가 많이 개척될 것으로 보인다. 이러한 측면에서 본 연구에서는 단일 패스 간섭기법을 적용할 수 있는 SAR 자료 생성이 가능하도록 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하고, 이로부터 적용 가능한 간섭기법 활용에 대해 연구하고자 한다.
지금까지 대부분의 인공위성 또는 항공기 SAR 시스템은 하나의 위상 배열 안테나를 이용하며, 단 영상을 생성하고 판독하는데 주로 사용되었지만, 차세대 SAR 시스템은 다중 편파 관측이 가능하거나 이중 채널 또는 위상 배열 안테나의 분리 모드(split-antenna mode)를 통해 간섭기법의 적용이 가능한 시스템으로 발전이 이루어지고 있다. 이러한 측면에서 이 논문은 차세대 SAR 인공위성의 새로운 분석 기법 연구와 활용 증진을 위해, 유사한 기능을 보일 수 있는 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하고, 이로부터 단일 패스 간섭기법(single-pass interferometry)을 연구한 논문이다. 공간적으로 서로 다른 위치에 있는 두 개의 SAR 채널에서 동시에 수신된 레이다 신호를 간섭적으로 처리하여, 지형의 고도 정보를 추출하거나 이동하는 물체의 속도를 탐지할 수 있도록 알고리즘을 구현하였고, 새로운 활용 분야를 모색하고자 하였다.

가설 설정

위와 같이 보정된 각 영상을 이용하여 간섭기법처리는 zero-Doppler 영상으로 가정하여 다음과 같은 정보를 이용하여 지형 정보를 추출하였다. 기준 고도를 기준으로 처리된 영상이 가지고 있는 위상을 각각 ∅_A(applied)와 ∅_B(applied)라고 표현할 때 다음과 같은 위상 값을 갖는다(그림 5).
즉, ∅prop,1 = ∅prop,2 또한 동시에 측정된 물체에 대한 산란 특성도 동일하다고 가정할 수 있다.

제안 방법

단일 패스 간섭기법을 이용하여 지형 정보를 추출하기 위해서, 본 연구에서는 경기도 안산시 대부도에 대한 자료를 취득하였다. GPS와 IMU에서 취득된 위치 정보와 자세 정보를 두 장의 항공기 SAR 자료에 대하여 각각 위상 보정을 수행하였다. 이렇게 획득된 정보는 식 (20)과 같이 고도에 대한 정보를 포함하고 있다(그림 6).
이러한 측면에서 새로운 SAR 시스템의 자료 처리 기법을 연구하고, 이를 통해 새로운 활용 분야를 모색하는 것은 중요하다. 따라서 차세대 SAR 시스템의 기능을 구현할 수 있도록 항공기 기반 이중 채널 SAR 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 하나의 채널에서 송신한 신호를 두 개의 SAR 안테나에서 수신하여, 단일 패스 간섭기법의 자료 획득이 가능한 시스템으로 구축되었다.
첫 번째 안테나는 전파의 송수신이 모두 가능하도록 하였으며, 두 번째 안테나는 첫 번째 안테나에서 송신한 전파를 수신만 할 수 있도록 하였다. 또한 지형의 경사도 및 이동하는 물체의 탐지 속도 범위에 따라 최적의 자료 획득이 가능하도록 두 안테나 사이의 거리(기선거리: baseline)가 10 cm에서 60 cm 사이로 조절될 수 있도록 설계하였다(그림 3). 항공기가 진행하는 방향과 수직으로 배열된 두 개의 안테나를 이용하여 지표면을 관측할 경우, 지형의 고도 정보(DEM) 추출이 가능하고(XTI), 항공기가 이동하는 방향의 앞뒤로 배열된 두 안테나로부터 이동하는 물체의 속도 탐지가 가능하다(ATI).
따라서 차세대 SAR 시스템의 기능을 구현할 수 있도록 항공기 기반 이중 채널 SAR 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 하나의 채널에서 송신한 신호를 두 개의 SAR 안테나에서 수신하여, 단일 패스 간섭기법의 자료 획득이 가능한 시스템으로 구축되었다. 항공기가 진행하는 방향에 대해 수직된 방향으로 두 개의 SAR 안테나를 배열할 때 CrossTrack InSAR 자료를 획득하고, 진행하는 방향으로 두 개의 SAR 안테나를 배열하면 Along-Track InSAR 자료를 획득 가능하도록 하였다.
2007년 독일항공우주연구소(DLR)에서 TerraSARX를 발사한 이후, 고성능․고기능의 SAR 영상 획득이 가능하게 되었다. 이후 이탈리아 우주항공국(ASI)에서 COSMO-SkyMed와 캐나다 우주국(CSA)에서 RADARSAT-2를 발사함으로써 지금 현재와 같은 SAR 시스템의 전성기를 맞이하게 되었다. 이러한 SAR 시스템들은 모두 다중 편파 자료 획득이 가능하고, 약 1 m급의 고해상도 SAR 영상 획득도 가능하다.
3 m 해상도)에서 10 km(5 m 해상도)까지 해상도에 따라 달라진다. 지표면의 고도 산출과 이동하는 물체의 속도탐지를 위해 동일한 성능을 갖는 패치형 안테나를 추가적으로 연결하여, 이중 채널 SAR 시스템이 되도록 구축하였다. 첫 번째 안테나는 전파의 송수신이 모두 가능하도록 하였으며, 두 번째 안테나는 첫 번째 안테나에서 송신한 전파를 수신만 할 수 있도록 하였다.
차세대 SAR 시스템을 위한 처리 알고리즘을 구현하고, 새로운 활용 분야에 적용 가능성을 평가하기 위해 단일 패스 간섭기법이 가능하도록 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하였다(김덕진 등, 2013a & b).
지표면의 고도 산출과 이동하는 물체의 속도탐지를 위해 동일한 성능을 갖는 패치형 안테나를 추가적으로 연결하여, 이중 채널 SAR 시스템이 되도록 구축하였다. 첫 번째 안테나는 전파의 송수신이 모두 가능하도록 하였으며, 두 번째 안테나는 첫 번째 안테나에서 송신한 전파를 수신만 할 수 있도록 하였다. 또한 지형의 경사도 및 이동하는 물체의 탐지 속도 범위에 따라 최적의 자료 획득이 가능하도록 두 안테나 사이의 거리(기선거리: baseline)가 10 cm에서 60 cm 사이로 조절될 수 있도록 설계하였다(그림 3).
이 시스템은 하나의 채널에서 송신한 신호를 두 개의 SAR 안테나에서 수신하여, 단일 패스 간섭기법의 자료 획득이 가능한 시스템으로 구축되었다. 항공기가 진행하는 방향에 대해 수직된 방향으로 두 개의 SAR 안테나를 배열할 때 CrossTrack InSAR 자료를 획득하고, 진행하는 방향으로 두 개의 SAR 안테나를 배열하면 Along-Track InSAR 자료를 획득 가능하도록 하였다.
획득한 SAR 자료의 기하 보정에 필요한 위치 및 자세 정보 획득을 위해 이중주파수 수신이 가능한 GPS안테나 및 IMU 장치에 연결하였으며, 설치된 비행기 동체에서 IMU 장치의 원점을 기준으로 GPS 안테나까지의 위치 벡터, 두 SAR 안테나까지의 위치 벡터 등도 광파기(total station) 및 레이저 거리 측정기를 이용하여 측정되었다.

대상 데이터

단일 패스 간섭기법을 이용하여 지형 정보를 추출하기 위해서, 본 연구에서는 경기도 안산시 대부도에 대한 자료를 취득하였다. GPS와 IMU에서 취득된 위치 정보와 자세 정보를 두 장의 항공기 SAR 자료에 대하여 각각 위상 보정을 수행하였다.
본 연구에서는 ATI SAR 자료 처리 및 분석을 위해 미국 NASA/JPL의 AIRSAR에 탑재된 앞뒤로 배열된 두 개의 SAR 안테나로부터 획득된 자료를 이용하였다. 부산광역시 기장군 연안을 관측한 AIRSAR의 앞뒤 두 SAR 시스템으로부터 생성된 SLC SAR 자료를 결합하여 간섭 영상을 생성하였다(그림 8).
차세대 SAR 시스템을 위한 처리 알고리즘을 구현하고, 새로운 활용 분야에 적용 가능성을 평가하기 위해 단일 패스 간섭기법이 가능하도록 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하였다(김덕진 등, 2013a & b). 본연구에 사용된 SAR 시스템은 미국 ImSAR사로부터 도입된 소형 SAR 시스템으로써 중심주파수가 10.25GHz(X-band)를 사용하며, 최대 500 MHz의 밴드 폭을 가진 chirp 신호를 사용하여 패치형 안테나로부터 방사되어 나간다. 최대 방사 전력은 40 dBm이며, 비행 고도 및 지표면의 산란 강도에 따라 수신되는 신호를 3 dB 간격으로 조절할 수 있다.
본 연구에서는 ATI SAR 자료 처리 및 분석을 위해 미국 NASA/JPL의 AIRSAR에 탑재된 앞뒤로 배열된 두 개의 SAR 안테나로부터 획득된 자료를 이용하였다. 부산광역시 기장군 연안을 관측한 AIRSAR의 앞뒤 두 SAR 시스템으로부터 생성된 SLC SAR 자료를 결합하여 간섭 영상을 생성하였다(그림 8). 이때 lever arm의 벡터 성분 중 cross-track 성분이 존재하는 경우, 해양 표면은 고도가 일정하다고 가정할 수 있기 때문에 전혀 문제가 없으나, 육상의 경우, 속도가 아닌 지형 고도로 인한 잔여 위상이 포함되게 된다.

이론/모형

이때 lever arm의 벡터 성분 중 cross-track 성분이 존재하는 경우, 해양 표면은 고도가 일정하다고 가정할 수 있기 때문에 전혀 문제가 없으나, 육상의 경우, 속도가 아닌 지형 고도로 인한 잔여 위상이 포함되게 된다. 이를 제거하기 위해 이 지역의 DEM과 cross-track기선 거리를 이용하여 제거하였다(Kim et al., 2003).

후속연구

앞으로 발사된 대부분의 인공위성 SAR 시스템은 고해상도 관측과 더불어, 다중 편파 관측과 단일 패스 간섭기법이 가능한 관측 모드가 지원될 예정이다. 이러한 측면에서 새로운 SAR 시스템의 자료 처리 기법을 연구하고, 이를 통해 새로운 활용 분야를 모색하는 것은 중요하다.
하지만 차세대 SAR 시스템에서는 동시에 두 개의 안테나에서 수신된 신호를 이용하기 때문에, 대기로 인한 오차 요인은 서로 상쇄되어 발생되지 않는다. 이렇듯 차세대 SAR 시스템은 안테나 분리(split-antenna)모드나 편대 비행을 통해 단일 패스 간섭기법을 적용할 수 있는 자료가 많이 획득될 예정이며, 이런 자료들을 활용한 분야가 많이 개척될 것으로 보인다. 이러한 측면에서 본 연구에서는 단일 패스 간섭기법을 적용할 수 있는 SAR 자료 생성이 가능하도록 이중 채널 항공기 SAR 시스템을 구축하고, 이로부터 적용 가능한 간섭기법 활용에 대해 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공위성 SAR 시스템 중 가장 성공적인 예는?	1978년에 처음으로 SAR가 탑재된 Seasat 인공위성이 미국에서 발사된 이후, 약 30년 이상 동안 SAR 인공위성은 밤낮 및 기상에 관계없이 수많은 지구 관측 자료들을 생성해오고 있다. 인공위성 SAR 시스템 중 가장 성공적인 예는 ERS-1/2(유럽우주국 : ESA), JERS-1(일본우주항공연구개발기구; JAXA), RADARSAT-1(캐나다우주국; CSA) 등이며, 2002년 유럽우주국에서 ENVISAT을 발사한 이후로 전통적인 SAR 시스템의 전성기를 맞이하기도 하였다. 하지만 이러한 전통적인 SAR 시스템은 단일 편파(ENVISAT의경우, 이중 편파가 제한적으로 가능)의 영상만이 획득 가능하였고, 지표 지형 정보를 획득하거나 미세한 변화 탐지를 위해 반복 패스 간섭기법(repeat-pass interferometry)만이 적용 가능하였다.
	반복 패스 간섭기법을 사용한 이유는?	인공위성 SAR 시스템 중 가장 성공적인 예는 ERS-1/2(유럽우주국 : ESA), JERS-1(일본우주항공연구개발기구; JAXA), RADARSAT-1(캐나다우주국; CSA) 등이며, 2002년 유럽우주국에서 ENVISAT을 발사한 이후로 전통적인 SAR 시스템의 전성기를 맞이하기도 하였다. 하지만 이러한 전통적인 SAR 시스템은 단일 편파(ENVISAT의경우, 이중 편파가 제한적으로 가능)의 영상만이 획득 가능하였고, 지표 지형 정보를 획득하거나 미세한 변화 탐지를 위해 반복 패스 간섭기법(repeat-pass interferometry)만이 적용 가능하였다. 그러다보니 전 세계의 모든 지역이 아닌 일부 지역에서만 간섭기법의 적용이 가능한 유효 영상이 획득되었다.
	SAR 간섭기법으로 추가 정보를 추출하기 위해 무엇이 달라야하는가?	SAR 간섭기법(SAR interferometry: InSAR)은 복소수 값으로 이루어진 두 개 이상의 SAR 자료를 이용하여 위상차(phase difference)를 구해 좀 더 많은 지표면 정보를 추출하는 기술이다. 이러한 추가 정보를 추출하기 위해서 두 영상은 다음 중 최소한 한 가지 점에서 달라야 한다. 예를 들면, 다른 궤도(across-track interferometry)에서 관측이 되거나, 다른 시각(alongtrack interferometry, differential interferometry) 또는 다른 파장(∆k interferometry)에서 관측이 이루어져야만 한다.

참고문헌 (7)

김덕진, 김진우, 김승희, "항공기 SAR를 활용한 정 보취득과 분석", 재난안전, 15(3), pp. 25-31, 2013b.
김덕진, 조양기, 강기묵, 김진우, 김승희, "연안 해 양기상(해상풍, 수온) 관측을 위한 항공기 원격 탐사 시스템", 바다:한국해양학회지, 18(1), pp. 32- 39, 2013a.

원문보기 상세보기
A. Moreira, G. Krieger, M. Younis, I. Hajnsek, K. Papathanassiou, M, Eineder, and F. DeZan, "Tan DEM-L: A mission proposal for monitoring dynamic earth processes", 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Vancouver, BC, pp. 1385-1388, 2011.
C. H. Gierull, I. Sikaneta, "Potential marine moving target indication (MMTI) performance of the RADARSAT constellation mission (RCM)", 9th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EuSAR), Nuremberg, Germany, pp. 404-407, 2012.
D. Kim, W. M. Moon, D. Moller, and D. A. Imel, "Measurements of ocean surface waves and currents using L- and C-band along-track interferometric SAR", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 41(12), pp. 2821-2832, 2003.

상세보기
G. Krieger, A. Moreira, H. Fiedler, I. Hajnsek, M. Werner, M. Younis, and M. Zink, "TanDEM-X: A satellite formation for high-resolution SAR interferometry", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45(11), pp. 3317-331, 2007.

상세보기
J. Janoth, S. Gantert, W. Koppe, A. Kaptein, and C. Fischer, "TERRASAR-X2- Mission Overview", 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Munich, Germany, pp. 217- 220, 2012.

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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