레이더 간섭도는 대기오차, 위성 궤도 오차, 처리 오차 등 다양한 오차를 포함하고 있다. 특히 이온층에 의한 위상 지연오차는 파장과 비례 관계에 있기 때문에 장파장을 사용하는 레이더 영상의 경우 이에 대한 오차 보정이 필수적으로 요구된다. 그에 관한 연구로 최근 멀티간섭기법(Multiple ApertureSAR Interferometry, MAI)에 기반된 레이더 간섭도 위상 오차 보정 기법이 개발되었다. 본 연구에서는 이 기법에 대한 소개와 간섭도 생성이 불가능한 지역에 대해서 방향 필터를 이용한 활용 방법을 제시했다. 또한 제시된 방법을 서해 연안 지역을 포함하는 ALOS PALSAR 간섭쌍에 대해 적용하였다. 우선, 기법 비교를 위해 일반적으로 궤도 오차 보정에 많이 사용되는 2차원 다항식 보정 기법을 이용하여 레이더 간섭도의 위상 오차 보정을 수행했다. 그 결과 비행방향을 따라 초기 레이더 간섭도와 같이 저주파 싸인 곡선 형태의 위상 패턴이 그대로 남아 있으며 이는 이온층에 의한 오차 보정이 제대로 수행되지 않았음을 의미한다. 이에 반해, 제시된 방법을 적용한 결과 간섭도 전체에서 특정 패턴이 없어졌으며 비행방향을 따라 ${\pm}1rad$ 내의 안정된 위상 값을 유지하며 이온층에 의한 레이더 간섭도의 위상 왜곡 보정 적용이 잘 되었다. 제안된 방법은 효과적으로 이온층에 의한 위상 오차를 보정함으로써 L- 혹은 P-밴드 시스템의 레이더 간섭도 정확성과 활용성을 높일 수 있는 중요 기술이 될 것이다.
레이더 간섭도는 대기오차, 위성 궤도 오차, 처리 오차 등 다양한 오차를 포함하고 있다. 특히 이온층에 의한 위상 지연오차는 파장과 비례 관계에 있기 때문에 장파장을 사용하는 레이더 영상의 경우 이에 대한 오차 보정이 필수적으로 요구된다. 그에 관한 연구로 최근 멀티간섭기법(Multiple Aperture SAR Interferometry, MAI)에 기반된 레이더 간섭도 위상 오차 보정 기법이 개발되었다. 본 연구에서는 이 기법에 대한 소개와 간섭도 생성이 불가능한 지역에 대해서 방향 필터를 이용한 활용 방법을 제시했다. 또한 제시된 방법을 서해 연안 지역을 포함하는 ALOS PALSAR 간섭쌍에 대해 적용하였다. 우선, 기법 비교를 위해 일반적으로 궤도 오차 보정에 많이 사용되는 2차원 다항식 보정 기법을 이용하여 레이더 간섭도의 위상 오차 보정을 수행했다. 그 결과 비행방향을 따라 초기 레이더 간섭도와 같이 저주파 싸인 곡선 형태의 위상 패턴이 그대로 남아 있으며 이는 이온층에 의한 오차 보정이 제대로 수행되지 않았음을 의미한다. 이에 반해, 제시된 방법을 적용한 결과 간섭도 전체에서 특정 패턴이 없어졌으며 비행방향을 따라 ${\pm}1rad$ 내의 안정된 위상 값을 유지하며 이온층에 의한 레이더 간섭도의 위상 왜곡 보정 적용이 잘 되었다. 제안된 방법은 효과적으로 이온층에 의한 위상 오차를 보정함으로써 L- 혹은 P-밴드 시스템의 레이더 간섭도 정확성과 활용성을 높일 수 있는 중요 기술이 될 것이다.
Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is affected by various noise source such as atmospheric artifact, orbital error, processing noise etc.. Especially, one of the dominant noise source for long-wave SAR system, such as ALOS PALSAR (L-band SAR satellite) is the ionosphere effect because p...
Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is affected by various noise source such as atmospheric artifact, orbital error, processing noise etc.. Especially, one of the dominant noise source for long-wave SAR system, such as ALOS PALSAR (L-band SAR satellite) is the ionosphere effect because phase delays on radar pulse through the ionosphere are proportional to the radar wavelength. To avoid misinterpret of phase signal in the interferogram, it is necessary to detect and correct ionospheric errors. Recently, a MAI (Multipler Aperture SAR Interferometry) based ionospheric correction method has been proposed and considered one of the effective method to reduce phase errors by ionospheric effect. In this paper, we introduce the MAI-based method for ionospheric correction. Moreover we propose an efficient method that apply the method over non-coherent area using directional filter. Finally, we apply the proposed method to the ALOS PALSAR pairs, which include the west sea coast region in Korea. A polynomial fitting method, which is frequently adopted in InSAR processing, has been applied for the mitigation of phase distortion by the orbital error. However, the interferogram still has low frequency of Sin pattern along the azimuth direction. In contrast, after we applied the proposed method for ionospheric correction, the low frequency pattern is mitigated and the profile results has stable phase variation values within ${\pm}1rad$. Our results show that this method provides a promising way to correct orbital and ionospheric artifact and would be important technique to improve the accuracy and the availability for L-band or P-band systems.
Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is affected by various noise source such as atmospheric artifact, orbital error, processing noise etc.. Especially, one of the dominant noise source for long-wave SAR system, such as ALOS PALSAR (L-band SAR satellite) is the ionosphere effect because phase delays on radar pulse through the ionosphere are proportional to the radar wavelength. To avoid misinterpret of phase signal in the interferogram, it is necessary to detect and correct ionospheric errors. Recently, a MAI (Multipler Aperture SAR Interferometry) based ionospheric correction method has been proposed and considered one of the effective method to reduce phase errors by ionospheric effect. In this paper, we introduce the MAI-based method for ionospheric correction. Moreover we propose an efficient method that apply the method over non-coherent area using directional filter. Finally, we apply the proposed method to the ALOS PALSAR pairs, which include the west sea coast region in Korea. A polynomial fitting method, which is frequently adopted in InSAR processing, has been applied for the mitigation of phase distortion by the orbital error. However, the interferogram still has low frequency of Sin pattern along the azimuth direction. In contrast, after we applied the proposed method for ionospheric correction, the low frequency pattern is mitigated and the profile results has stable phase variation values within ${\pm}1rad$. Our results show that this method provides a promising way to correct orbital and ionospheric artifact and would be important technique to improve the accuracy and the availability for L-band or P-band systems.
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가설 설정
5. (a) Corrected InSAR interferograms generated using the proposed method (b) Corrected InSAR interferograms generated using only the orbital phase.
1) BT is the temporal baseline between master and slave SAR pair.
제안 방법
3) 이를 실제 데이터에 적용하여 레이더 간섭 도의 이온층 왜곡 보정 전·후 결과를 분석하고자 한다.
ALOS PALSAR 자료를 이용하여 이온층에 의한 간섭도 왜곡을 확인하기 위하여 레이더 간섭도와 MAI 간섭도를 생성하였다. 레이더 간섭도는 최초 생성된 Single Look Complex (SLC) 영상에서 거리방향과 비행 방향의 공간 해상도를 맞추고 긴밀도를 높이기 위하여 거리방향으로 5룩(look)과 비행방향으로 20룩의 멀티룩 처리를 수행하였다.
MAI 간섭도는 한 쌍의 ALOS PALSAR RAW 데이터로부터 서로 다른 도플러 중심주파수를 이용하여 두 장의 SCL 영상을 제작하게 되며 Forward-looking SLC와 Backward-looking SLC의 도플러 중심주파수로부터 비행방향 Common band filtering에 의하여 798.9 Hz의 비행방향 처리 밴드폭을 이용하여 생성하였다. 각각의 Forward-looking SLC와 Backward-looking SLC 영상으로 부터 멀티룩을 수행한 후 Forward 간섭도와 Backward 간섭도를 생성하고 Flat-Earth 위상과 지형위상을 제거한 MAI 간섭도를 생성하였다(Jung et al.
9 Hz의 비행방향 처리 밴드폭을 이용하여 생성하였다. 각각의 Forward-looking SLC와 Backward-looking SLC 영상으로 부터 멀티룩을 수행한 후 Forward 간섭도와 Backward 간섭도를 생성하고 Flat-Earth 위상과 지형위상을 제거한 MAI 간섭도를 생성하였다(Jung et al., 2009). MAI 간섭도 역시 Goldstein 필터 적용 및 MCF 알고리즘을 적용하였다.
그러므로 긴밀도가 낮은 지역 혹은 MAI 간섭도에서 국지적으로 변위가 큰 지역을 마스킹 한 후 방향 필터(Wegmüler et al.,2006)를 이용하여 필터링된MAI 간섭도를 생성한다.
ALOS PALSAR 자료를 이용하여 이온층에 의한 간섭도 왜곡을 확인하기 위하여 레이더 간섭도와 MAI 간섭도를 생성하였다. 레이더 간섭도는 최초 생성된 Single Look Complex (SLC) 영상에서 거리방향과 비행 방향의 공간 해상도를 맞추고 긴밀도를 높이기 위하여 거리방향으로 5룩(look)과 비행방향으로 20룩의 멀티룩 처리를 수행하였다. 이에 따라, 레이더 간섭도의 픽셀 크기는 거리방향과 비행방향으로 각각 약 45m × 60m이며 MAI 간섭도에 대해서도 동일한 멀티룩 처리를 수행하였다.
두 번째, 국지적으로 발생하는 비행방향 변위를 마스킹하거나 혹은 긴밀도가 낮은 지역, 호수 또는 바다 인접 지역으로 간섭도 생성이 불가능한 지역에 대해서는 방향 필터링을 통하여 이를 해결함으로써 더욱 다양한 지역에서 기법 적용이 가능하다. 마지막으로 적분 상수 결정 과정에서, 기존 기법의 경우 거리 방향에 대한 함수로써 계산을 수행하였기 때문에 비행방향 인접 픽셀에 대하여 불연속성이 나타날 수 있지만 제안된 방법에서는 거리방향과 비행방향을 동시에 고려하여 단점을 극복하였다. 이와 같이 제시된 방법을 이용하여 기존 방법에 비해 다양한 지역에서 적용이 가능하기 때문에 기존에 비해MAI 기반 이온층 보정 기법의 활용성이 증대되었으나 영상 전체적으로 비행방향으로의 실제 변위가 존재하면 이온층에 의한 오차와 실제 변위를 구분할수 없기 때문에 이 경우에는 여전히 기법 적용의 한계가 존재한다.
본 연구에서는 2008년 6월 22일과 2009년 6월 25일에 획득된 Advanced Land Observing Satellite Phase Array type L-band Synthetic Aperture Radar (ALOS PALSAR) 자료를 이용하여 이온층에 의한 레이더 간섭도 왜곡 보정을 수행하였으며 그 결과를 검증하였다. Table 1은 제시된 방법론 적용을 위해 실험에 사용된 ALOS PALSAR 영상의 특성을 보여주고 있다.
본 연구에서는 최근 개발된 MAI 기반 이온층 위상 왜곡 오차 감소 기법에 대해 소개하고 간섭도 생성이 불가능한 지역에서의 적용이 어려운 단점을 극복하기 위해 방향 필터를 이용하였다. 2008년 6월과 2009년 6월에 취득된 L-band ALOS PALSAR 간섭쌍으로부터 레이더 간섭도 및MAI 간섭도를 생성한 결과, 레이더 간섭도에서는 비행방향을 따라 영상 전체에서 줄무늬 패턴이 보였으며MAI 간섭도에서 비행방향으로 streaking 현상을 통해 이온층에 의한 위상 왜곡 효과가 나타남을 확인하였다.
2008년 6월과 2009년 6월에 취득된 L-band ALOS PALSAR 간섭쌍으로부터 레이더 간섭도 및MAI 간섭도를 생성한 결과, 레이더 간섭도에서는 비행방향을 따라 영상 전체에서 줄무늬 패턴이 보였으며MAI 간섭도에서 비행방향으로 streaking 현상을 통해 이온층에 의한 위상 왜곡 효과가 나타남을 확인하였다. 연구에 사용된 영상의 경우 간섭도 생성이 불가능한 서해 지역을 포함하고 있기 때문에 방향 필터를 이용하여 보간된 MAI 간섭도를 적용하였다.
, 2006). 이를 위해 거리방향으로는 매우 길고 비행방향으로는 짧은 window를 설정하고 MAI 간섭도의 줄무늬 방향에 맞춰 MAI 간섭도의 방향 패턴 성분을 추출하는 방향필터를 적용하고 보간을 수행하였다. Fig.
이에 따라, 레이더 간섭도의 픽셀 크기는 거리방향과 비행방향으로 각각 약 45m × 60m이며 MAI 간섭도에 대해서도 동일한 멀티룩 처리를 수행하였다.
, 2013)에 비하여 다음과 같은 장점이 있다. 첫 번째, 위성 궤도 오차와 이온층 위상 왜곡에 의한 오차 성분을 동시에 계산하여 기존 기법 적용 시 발생하는 위성 궤도에 의한 위상 오차를 제거하였다. 두 번째, 국지적으로 발생하는 비행방향 변위를 마스킹하거나 혹은 긴밀도가 낮은 지역, 호수 또는 바다 인접 지역으로 간섭도 생성이 불가능한 지역에 대해서는 방향 필터링을 통하여 이를 해결함으로써 더욱 다양한 지역에서 기법 적용이 가능하다.
대상 데이터
Table 1은 제시된 방법론 적용을 위해 실험에 사용된 ALOS PALSAR 영상의 특성을 보여주고 있다. 위성의 상향(Ascending) 궤도에서 취득된 자료로 두 영상은 약 1년의 시간 간격으로 촬영되었으며 수직 기선 거리는 약 -700 m이다.
데이터처리
6은 이온층에 의한 위상 오차의 보정 효과 분석을 위하여 비행방향으로의 프로파일 값 분포이다. 위상의 변화 패턴 분석을 위해 프로파일을 따라 거리방향 10 pixel, 비행방향 10 pixel 씩 각 100 pixel 마다 평균값을 표시하였다. 초기 레이더 간섭도의 위상은 약 -2.
이론/모형
, 2009). MAI 간섭도 역시 Goldstein 필터 적용 및 MCF 알고리즘을 적용하였다.
5(a)). 또한 2D polynomial fitting 방법으로 계산된 궤도 오차 값을 이용하여 보정된 레이더 간섭도를 생성 하였다(5(b)). 이온층에 의한 위상 왜곡 오차값과 궤도 오차를 함께 고려하여 보정한 경우 레이더 간섭도 전체 영상에서 특별한 패턴을 보이지 않았으나 2차원 다항식 보정 방법을 이용하여 궤도 오차만을 보정한 경우에는 간섭도 전체 영역에서 비행방향으로 줄무늬 패턴이 계속 남아있으며 이는 궤도 오차만을 보정할 경우 간섭 도의 오차보정이 제대로 수행되지 않음을 의미한다.
이에 따라, 레이더 간섭도의 픽셀 크기는 거리방향과 비행방향으로 각각 약 45m × 60m이며 MAI 간섭도에 대해서도 동일한 멀티룩 처리를 수행하였다. 또한, 레이더 간섭도의 지형에 의한 위상 효과 보정을 위하여 Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model (SRTM DEM)을 사용하였으며 레이더 간섭도의 긴밀도 향상을 위하여 Goldstein 필터를 적용한 후 Minimum Cost Flow (MCF) 알고리즘을 이용하여 위상 불구속화(unwrapping)을 수행하였다.
4(b)). 한편, 본 연구에서 제시된 방법과 이온층에 의한 보정을 고려하지 않은 레이더 간섭도 비교를 위해 위성 궤도 보정 기법으로 많이 사용되고 있는 2차원 다항식 보정 방법(Rosen et al., 2004) 을 이용하여 위성 궤도 오차를 계산하였다(Fig. 4(c)).
성능/효과
본 연구에서는 최근 개발된 MAI 기반 이온층 위상 왜곡 오차 감소 기법에 대해 소개하고 간섭도 생성이 불가능한 지역에서의 적용이 어려운 단점을 극복하기 위해 방향 필터를 이용하였다. 2008년 6월과 2009년 6월에 취득된 L-band ALOS PALSAR 간섭쌍으로부터 레이더 간섭도 및MAI 간섭도를 생성한 결과, 레이더 간섭도에서는 비행방향을 따라 영상 전체에서 줄무늬 패턴이 보였으며MAI 간섭도에서 비행방향으로 streaking 현상을 통해 이온층에 의한 위상 왜곡 효과가 나타남을 확인하였다. 연구에 사용된 영상의 경우 간섭도 생성이 불가능한 서해 지역을 포함하고 있기 때문에 방향 필터를 이용하여 보간된 MAI 간섭도를 적용하였다.
레이더 간섭도에서 궤도 오차만을 수행한 경우 위상 분포 범위가 조금 줄어든 정도에 불과하였지만, 이온 왜곡 오차와 궤도 오차를 같이 고려할 경우 위상의 변화 범위가 ±1 rad으로 비교적 안정되어 있으며 저주파 sin 형태의 패턴이 없어졌음을 확인 할 수 있다.
이온층에 의한 레이더 간섭도 왜곡은 주로 극지방, 적도 지방 또는 대규모 단층지대에 자주 발생하지만 태양 활동에 의해 중위도 지방에 속하는 우리나라에도 가끔씩 이온층에 의한 레이더 간섭도 오차가 발생한다. 연구지역에서 서울 및 인천과 같은 도시 지역의 경우 긴밀도 0.4 이상의 값을 보이지만 그 외 지역은 상대적으로 긴밀도가 낮음을 확인할 수 있다. 낮은 긴밀도는 간섭도의 노이즈를 증가시키는 원인이 되며 더욱이 우리나라의 경우 바다와 인접한 지역이 많기 때문에 기존의MAI 기반 이온층 보정 방법을 바로 적용 하기 어려운 한계가 있다.
, 2013a). 이는 기존의 오프셋 트래킹 방법 대신 멀티 간섭기법(Multipler Aperture SAR Interferometry, MAI) 기법을 이용함으로써 데이터 처리 시간이 많이 소요되는 단점을 극복했다. 또한 offset tracking 방법보다 약 2배 좋은 정확도를 보이며(Jung et al.
레이더 간섭도에서 궤도 오차만을 수행한 경우 위상 분포 범위가 조금 줄어든 정도에 불과하였지만, 이온 왜곡 오차와 궤도 오차를 같이 고려할 경우 위상의 변화 범위가 ±1 rad으로 비교적 안정되어 있으며 저주파 sin 형태의 패턴이 없어졌음을 확인 할 수 있다. 이는 초기 레이더 간섭도에서 발생하는 저주파 형태의 오차 보정이 효과적으로 되었음을 의미하며 궤도 오차만을 이용한 간섭도 보정기법 비하여 더욱 향상된 결과를 획득 할 수 있었다.
이에 반해, 제안된 방법 적용을 통하여±1rad 사이의 안정된 위상 변화값이 계산되었으며 영상 전체에서 특정 패턴도 없어졌음을 확인하였다.
후속연구
첫 번째, 위성 궤도 오차와 이온층 위상 왜곡에 의한 오차 성분을 동시에 계산하여 기존 기법 적용 시 발생하는 위성 궤도에 의한 위상 오차를 제거하였다. 두 번째, 국지적으로 발생하는 비행방향 변위를 마스킹하거나 혹은 긴밀도가 낮은 지역, 호수 또는 바다 인접 지역으로 간섭도 생성이 불가능한 지역에 대해서는 방향 필터링을 통하여 이를 해결함으로써 더욱 다양한 지역에서 기법 적용이 가능하다. 마지막으로 적분 상수 결정 과정에서, 기존 기법의 경우 거리 방향에 대한 함수로써 계산을 수행하였기 때문에 비행방향 인접 픽셀에 대하여 불연속성이 나타날 수 있지만 제안된 방법에서는 거리방향과 비행방향을 동시에 고려하여 단점을 극복하였다.
임무가 종료된 ALOS PALSAR, 현재 운용 중인 ALOS PALSAR-2 뿐만 아니라 곧 발사 예정인 SAOCOM, MapSAR 등 긴밀도 유지에 유리한 장파장 SAR 위성은 그 활용성이 매우 주목 받고 있지만 이온층에 의한 위상 오차에 매우 민감하기 때문에 이에 대한 보정 방법이 필수적으로 요구되며 본 연구에서 소개된 방법을 통하여 레이더 간섭도의 정확도 증가 및 활용성을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이더 간섭기법이란 무엇인가?
레이더 간섭기법(SyntheticApertureRadar Interferometry, InSAR)은 서로 다른 시기에 획득된 두 장의 SAR(Synthetic Aperture Radar) 자료로부터 위상차를 계산하여 수 십 km2 이상의 넓은 지역에서도 cm이상의 정밀도로 지표 변위를 관측할 수 있는 기법이다. 이 기법은 폐광산 (Baek et al.
레이더 간섭도는 어떤 오차를 포함하는가?
레이더 간섭도는 대기오차, 위성 궤도 오차, 처리 오차 등 다양한 오차를 포함하고 있다. 특히 이온층에 의한 위상 지연오차는 파장과 비례 관계에 있기 때문에 장파장을 사용하는 레이더 영상의 경우 이에 대한 오차 보정이 필수적으로 요구된다.
멀티간섭기법에 기반된 위상 오차 보정 기법이 연구된 배경은 무엇인가?
레이더 간섭도는 대기오차, 위성 궤도 오차, 처리 오차 등 다양한 오차를 포함하고 있다. 특히 이온층에 의한 위상 지연오차는 파장과 비례 관계에 있기 때문에 장파장을 사용하는 레이더 영상의 경우 이에 대한 오차 보정이 필수적으로 요구된다. 그에 관한 연구로 최근 멀티간섭기법(Multiple Aperture SAR Interferometry, MAI)에 기반된 레이더 간섭도 위상 오차 보정 기법이 개발되었다.
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