[논문]토양 수분 모니터링용 마이크로파 라디오미터 수신기 설계

손홍민; 박홍균

doi:10.13067/jkiecs.2014.9.2.173

토양 수분 모니터링용 마이크로파 라디오미터 수신기 설계
Design of a Microwave Radiometer Receiver for Soil Moisture monitoring 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.2, 2014년, pp.173 - 180

손홍민 (호남대학교 대학원 전파공학과) , 박홍균 (호남대학교 대학원 전파공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 토양에서 복사되는 마이크로파 대역의 미약한 열잡음 전력을 수신하여 토양 수분 함유량의 변화를 실시간으로 원격모니터링이 가능한 L-Band 마이크로파 라디오미터를 설계하는 내용에 관하여 기술한다. 토양 수분 함유량 0%~50%의 측정범위와 최대 오차 2%의 목표 성능을 달성하기 위해 토양 수분함유량에 따른 토양의 복사특성을 연구 및 목표 사양을 도출하였으며, 이를 바탕으로 도출된 사양을 만족시키는 마이크로파 라디오미터의 수신기를 설계 및 제작하였다. 제작된 수신기는 주파수 1390MHz, 대역폭 40MHz으로 50dB의 시스템 이득과 1.54dB의 NF를 가지며, 최대 0.313K, 평균 0.19K의 수신감도를 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development process of a L-Band microwave radiometer for remote sensing of soil-moisture are described in this paper. Achieving the development aim of the measurement accuracy within 2% for soil moisture content of 0~50%, the requirements and specifications of the microwave radiometer and its receiver are drawn. The receiver with high gain, high sensitivity is designed and implemented to satisfy these requirements and specifications. The receiver has the bandwidth of 40 MHz, the system gain of 50 dB and the sensitivity of average value 0.19 K, maximum value 0.313K at 1390 MHz.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 토양 수분 함유량의 변화를 실시간으로 원격 모니터링이 가능한 L-Band 마이크로파 라디오미터의 수신기 설계 및 제작에 관해 기술하였다. 토양 함수율의 변화에 따른 지표면의 마이크로파 복사특성을 분석하여 0～50% 범위의 토양 수분 을 2%의 감도로 측정이 가능한 라디오미터의 설계 사양을 도출하였으며, 도출된 사양을 만족시키는데 필요한 라디오미터 수신기를 설계, 제작하였다.
표 1의 마이크로파 라디오미터의 설계 사양을 만족시키는데 요구되는 수신기 사양에 대해 검토하였다. 관측 물체와 안테나 간의 거리가 수 m이내이며 라디오미터용 안테나로 1GHz 대역의 표준 피라미드 혼 안테나를 사용하는 경우, 표 1 범위의 휘도온도 T_B에 의한 안테나 출력, 즉 안테나 온도 T_A의 범위는 외국 연구 개발 관련 문헌 및 실험 자료로부터 근사적으로 175～310K 정도로 얻어진다[10]～[13].

제안 방법

-101dBm 이하의 미약한 잡음전력을 고감도로 검출하기 위해 라디오미터 수신기는 저 손실, 고이득, 저 잡음 특성을 동시에 추구하면서 소형 경량, 저 소비전력으로 구현해야 하므로 수신기의 시스템 구조는 그림 3과 같이 호모다인(Homodyne)방식의 전 전력형으로 설계하였다.
-80～51℃까지 3℃씩 항온조의 내부온도를 가변시켜 입력 잡음전력의 변화에 따른 수신기의 출력전압의 변화를 측정하였다. 출력전압은 디지털 멀티미터를 PC와 연결하여 각 온도 당 1초의 간격으로 300개씩의 샘플을 측정하였다.
제작된 수신기의 동작 입력전력 범위 및 시스템 이득을 측정하였다. 고주파 신호발생기의 1,390MHz출력신호를 감쇄기를 이용하여 -115～-25dBm까지 1dB씩 가변하여 수신기에 입력시킨 후 입력전력의 변화에 대한 RF부의 출력전력을 스펙트럼 분석기로 측정하였다. 그림 5는 측정결과로 수신기는 -115～-40dBm 까지의 입력전력에 대해 50dB의 이득으로 선형적으로 동작함을 확인할 수 있었다.
관측 시 주위의 지형이나 지물로부터 복사파가 안테나의 빔 내부로 입사되는 것을 최소화 하기위해 입사각은 45°로 결정하였다.
본 논문에서는 먼저 토양 수분 함유량에 따른 지표면의 마이크로파 복사 특성을 분석하고, 그 분석 결과를 토대로 토양 함수율((수분의 부피 /토양의 부피)×100) 0～50% 범위에서 2%의 변화를 원격으로 검출 가능한 마이크로파 라디오미터의 사양을 도출한다.
05～40%이다[15]. 본 연구에서는 표준토양의 토성비범위 내에서 각각 중간에 가까운 비율로 구성된 식양 토(진흙 35%, 양토 40%, 모래 30%)로 적용하였다. 그림 2는 관측 입사각이 45°일 때 1,400 MHz에서 토양 함수율의 변화에 대한 복사 휘도온도 TB의 변화를 나타낸 그래프로 토양의 온도 범위를 -10～40℃까지 고려할 경우, 0～50% 범위의 토양 함수율 변화에 대한 복사 휘도온도 T_B의 변화 범위는 139.
0～50% 범위에서 2%의 변화를 원격으로 검출 가능한 마이크로파 라디오미터의 사양을 도출한다. 이어 도출된 사양을 만족시키데 필요한 라디오미터 수신기를 설계 제작하고, 측정을 통해 제작된 수신기의 성능을 평가한다.
제작된 수신기의 동작 입력전력 범위 및 시스템 이득을 측정하였다. 고주파 신호발생기의 1,390MHz출력신호를 감쇄기를 이용하여 -115～-25dBm까지 1dB씩 가변하여 수신기에 입력시킨 후 입력전력의 변화에 대한 RF부의 출력전력을 스펙트럼 분석기로 측정하였다.
-80～51℃까지 3℃씩 항온조의 내부온도를 가변시켜 입력 잡음전력의 변화에 따른 수신기의 출력전압의 변화를 측정하였다. 출력전압은 디지털 멀티미터를 PC와 연결하여 각 온도 당 1초의 간격으로 300개씩의 샘플을 측정하였다. 그림 6은 측정된 수신기의 출력전압 데이터로 항온조의 온도가 상승함에 따라 입력 잡음전력이 증가하므로 출력전압이 증가함을 확인할 수 있다.
마이크로파 라디오미터 수신기는 열잡음 전파를 검출하므로 열잡음 입력전력의 변화에 따른 출력전압의 변화 특성 및 수신 감도 ΔT의 측정이 필요불가결하다. 측정 방법은 수신기 입력단의 안테나를 정합저항으로 대체한 후, 물리온도 TK로 외부와 차단된 항온조 내에 설치하여 정합저항에 의해 수신기로 전달되는 열잡음 입력전력의 변화에 대한 출력전압을 측정한다[5]～[8],[16]. 수신기로 전달되는 잡음전력 P_n이 안테나에 의해 수신되는 전력 P_A와 같을 경우 식(7) 이 성립되어 안테나 온도 T_A는 항온조 온도 T와 같다.
본 논문에서는 토양 수분 함유량의 변화를 실시간으로 원격 모니터링이 가능한 L-Band 마이크로파 라디오미터의 수신기 설계 및 제작에 관해 기술하였다. 토양 함수율의 변화에 따른 지표면의 마이크로파 복사특성을 분석하여 0～50% 범위의 토양 수분 을 2%의 감도로 측정이 가능한 라디오미터의 설계 사양을 도출하였으며, 도출된 사양을 만족시키는데 필요한 라디오미터 수신기를 설계, 제작하였다. 제작된 수신기는 105mm × 98mm의 크기를 가지며 주파수는 1390MHz, 대역폭은 40MHz, 시스템 이득은 50dB, 시스템 NF는 1.

대상 데이터

값 및 함수율의 변화에 대해그 변화치가 상대적으로 큰 주파수, 입사각, 편파 등 관측 파라미터의 적절한 선정이 중요하다. 0～50% 이상의 넓은 범위에 이르는 토양 함수율의 변화에 대해 측정에 적절한 크기의 T_B값과 비교적 큰 민감도를 나타내는 주파수 대역은 L-band 부근의 낮은 주파수대역으로[10]～[13], 이 주파수 대역에서 타 업무용 전파로부터의 간섭(RFI)을 고려하여 수동형 지구탐사용으로 분배된 대역[14]내로 선정하였다. 결정한 관측주파수 대역은 중심 주파수 1390MHz, 대역폭은 40MHz이다.
제작된 수신기는 105mm × 98mm의 크기를 가지며 주파수는 1390MHz, 대역폭은 40MHz, 시스템 이득은 50dB, 시스템 NF는 1.54dB의 고이득 저 잡음의 특성을 가진다.

성능/효과

결정된 관측 주파수에서 편파 및 입사각에 대한 토양의 복사 휘도온도 TB의 특성은 수직 편파가 수평 편파보다 TB값은 크고 함수율의 변화에 대한 민감도는 수평 편파가 수직 편파보다 약간 크게 나타나며, 입사각에 대해서는 수직 편파의 경우 0～60°까지는 각이 증가함에 따라 TB값이 증가하나 60～90°사이에서는 급격히 감소한다.
소비전력 또한 201mW로 소형 경량 저소비 전력으로 구현하였다. 고주파 신호발생기와 스펙트럼 분석기 및 항온조를 이용한 성능 측정 결과, 제작된 수신기는 -115～-40dBm의 입력전력에 대해 0.313K 이하의 감도로 선형적으로 동작함이 확인되어 토양 수분 원격 모니터링용 마이크로파 라디오미터의 목표 사양을 충분히 만족 시킬 것으로 기대된다. 향후 제작된 수신기과 표준 피라미드 혼 안테나로 구성한 라디오미터로 Field test를 수행하여 토양 수분의 원격 측정에 관한 성능평가를 실행할 예정이다.
수신기의 감도 ∆T는 최대 0.313K, 평균수신감도는 0.19K으로 목표성능인 0.45K에 도달하였다. 제작된 수신기의 측정결과는 표 5에 정리하였으며, 이를 통해 제작된 수신기는 목표 사양에 모두 만족함을 확인하였다.
45K에 도달하였다. 제작된 수신기의 측정결과는 표 5에 정리하였으며, 이를 통해 제작된 수신기는 목표 사양에 모두 만족함을 확인하였다.
제작한 각 단 부품의 측정값 및 이에 의해 산출된 시스템 이득과 NF를 표 3의 우측에 나타내었다. 측정 값으로 산출한 시스템 이득 및 NF는 각각 50dB 및 1.54dB로 표 2의 수신기 설계 사양을 충족시켰다.

후속연구

313K 이하의 감도로 선형적으로 동작함이 확인되어 토양 수분 원격 모니터링용 마이크로파 라디오미터의 목표 사양을 충분히 만족 시킬 것으로 기대된다. 향후 제작된 수신기과 표준 피라미드 혼 안테나로 구성한 라디오미터로 Field test를 수행하여 토양 수분의 원격 측정에 관한 성능평가를 실행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 라디오미터는 무엇인가?	마이크로파 라디오미터는 그림 1과 같이 물체 자체로부터 복사되는 마이크로파 대역의 열잡음 전파를 안테나를 통해 고이득, 고감도, 광대역 수신기로 수신 하여 그 출력 전압으로부터 물체의 복사 전력을 휘도 온도(Brightness Temperature)로 측정하여 관측 물체및 주변 환경에 대한 정보를 수집하는 대표적인 비접촉식 수동형 마이크로파 원격 탐사 센서이다[5]. 마이크로파 대역의 전파를 사용함으로 기상이나 대기 상태의 영향이 적으며 야간에도 관측이 가능한 전천후 센서로 수면의 온도, 염분농도 및 수면 유출 기름 층 등의 원격 측정에 유용하여 해양 관측 및 수자원의 환경 모니터링에 폭 넓게 활용되고 있다[6,7,8,9].
	본 논문에서 설계한 라디오미터 수신기의 시스템 NF는 어떤 특성을 갖는가?	토양 함수율의 변화에 따른 지표면의 마이크로파 복사특성을 분석하여 0～50% 범위의 토양 수분 을 2%의 감도로 측정이 가능한 라디오미터의 설계 사양을 도출하였으며, 도출된 사양을 만족시키는데 필요한 라디오미터 수신기를 설계, 제작하였다. 제작된 수신기는 105mm × 98mm의 크기를 가지며 주파수는 1390MHz, 대역폭은 40MHz, 시스템 이득은 50dB, 시스템 NF는 1.54dB의 고이득 저 잡음의 특성을 가진다. 소비전력 또한 201mW로 소형 경량 저소비 전력으로 구현하였다.
	토양의 함수율은 어디에 활용되고 있는가?	토양 수분은 지표면과 대기간의 물과 에너지 순환에 결정적인 영향을 미치는 수문기상 인자로 토양의 함수율은 강우량 예측, 기상 및 기후변화, 기후 모델 연구, 수자원 관리 및 수문학적 모델링 등에 폭넓게 활용되고 있으며, 가뭄, 홍수, 산불 등의 재해관리나 산림, 농작물, 초지 등의 생육상태 및 생태환경에 관한 중요한 정보를 제공한다[1,2,3].

참고문헌 (16)

Y. A. Liou and A. W. England, "A land surface process/radiobrightness model with coupled heat and moisture transport in soil," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 36, no. 1, Jan. 1998, pp. 273-286.

상세보기
E. Hong, "Soil moisture monitoring and recession characteristics analysis in conifer forest," The Korea Society of Agricultural Engineers, vol. 53, no. 4, 2011, pp. 1-9.
T. J. Jackson, D. M. Le Vine, A. J. Griffis, D. C. Goodrich, T. J. Schmugge, C. T. Swift, and P. E. O'Neill, "Soil moisture and rainfall estimation over a semiarid environment with the ESTAR microwave radiometer," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 31, no. 4, July 1993, pp. 836-841.

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K. Kim and N. Lee, "Measurement of Soil moisture content Using RF Impedance in the Range of 1 th 30MHz," The Korea Society of Agricultural Engineers, vol. 40, no. 14, 1998, pp. 79-88.
F. T. Ulaby, R. K. Moore, and A. K. Fung, Microwave Remote Sensing Active and Passive volume I : Microwave Remote Sensing Fundamentals and Radiometry. Artech House Inc., 1981.
H.-M. Son and J.-B. Yun, "Development of a microwave radiometer for remote sensing of water surface temperature," J. of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 23, no. 9, 2012, pp. 1107-1115.

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H.-M. Son and J.-B. Yun, " Development of a L-Band microwave radiometer for remote sensing of water surface salinity," J. of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 24, no. 9, 2013, pp. 900-907.

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H.-M. Son and J.-W. Park, "Development of a microwave radiometer for remote sensing of oil spill on the water surface," J. of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol.22, no. 9, 2011, pp. 858-867.

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D. M. Le Vine and M. Kao, "Remote sensing of ocean salinity : Result from the delaware coastal current experiment," J. of Atmosphere and Ocean Technology, vol. 15, Dec. 1998, pp. 1478-1484.
J.-P. Wigneron, L. Laguerre, and Y. H. Kerr, "A simple parameterization of L-Band microwave emission from rough agricultural soils," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 39, no. 8, Aug. 2001, pp. 1697-1707.

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A. Guha, J. M. Jacobs, T. J. Jackson, M. Cosh, E. Hsu, and J. Judge, "Soil moisture mapping using ESTAR from the Southern Great Plains experiment," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 41, no. 10, 2003, pp. 2392-2397.

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F. T. Ulaby, R. K. Moore, and A. K. Fung, Microwave Remote Sensing Active and Passive Volume III : From Theory and Applications. Artech House Inc., 1986.
T. J. Jackson, T. J. Schmugge, P. E. O'Neill, and M. B. Parlange, "Soil water infiltration observation with microwave radiometers," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 36, no. 5, Sep. 1998, pp. 1376-1383.

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Frequency Allocation Table of Korea, Korea Radio Promotion Association 2013.
J.-Y. Hong, J.-M. Ju, S.-H. Han, and Y. Oh, "Numerical Analysis of the Ground Penetrating Radar's Return Signal for Mine Detection at Various Frequencies and Soil Conditions," J. of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 23, no. 12, 2012, pp. 1412-1415.

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J.-W. Park, Y.-U. Choi, H.-L.Cho, and H.-M. Son, "Design and implementation of radio sensor receiver for measuring the position of the Sun," J. of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 20, no. 9, 2009, pp. 943-953.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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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