[논문]Kaguya Lunar Radar Sounder (LRS) 표면 레인지 데이터를 이용한 Rima Galilaei의 북쪽 달 용암 동굴 후보지 조사

선창완; 고바야시 타카오; 김경자; 최영준

doi:10.7780/kjrs.2017.33.3.6

[국내논문] Kaguya Lunar Radar Sounder (LRS) 표면 레인지 데이터를 이용한 Rima Galilaei의 북쪽 달 용암 동굴 후보지 조사
Investigation of a possible lunar lava tube in the north of the Rima Galilaei using the surface range of Kaguya Lunar Radar Sounder (LRS) data 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.33 no.3, 2017년, pp.313 - 324

선창완 (과학기술연합대학원대학교, 물리탐사공학과) , 고바야시 타카오 (한국지질자원연구원) , 김경자 (과학기술연합대학원대학교, 물리탐사공학과) , 최영준 (과학기술연합대학원대학교, 천문우주과학과)

초록
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미래 인류의 달 기지 설치 후보인 달 용암 동굴은 지형 카메라의 관측 자료를 통해 탐사가 수행되었지만 이는 달 용암 동굴의 존재에 대한 확실한 증거를 제시하지 못한다. 본 연구에서는 지표 투과가 가능한 High Frequency (HF) 레이더의 달 관측 자료를 이용하여 달 용암 동굴 탐사를 시도하였다. 이를 위해 일본 달 탐사선 Kaguya의 Lunar Radar Sounder (LRS)의 관측 자료에서 LRS에서 가장 강한 반사파 펄스가 나발생되는 지점까지의 거리인 LRS 표면 레인지가 추출되었다. 달 용암 동굴은 얕은 지하에 분포하고 LRS의 거리 분해능은 얕은 지하에 있는 목표물의 반사파와 표면 반사파는 분리 할 수 없다. 이로 인하여 달 얕은 지하에 구조물이 있는 경우 일반적인 달 표면의 위치가 실제 달 표면과 다르게 나타난다. 이에 따라 LRS 펄스의 낮은 거리 분해능을 이용하여 LRS 표면 레인지로부터 얕은 지하에 존재하는 달 용암 동굴 검출이 가능하다. LRS 표면 레인지에서 Kaguya의 궤도 고도를 제하면 달 표면 고도가 나타나고 이를 달 지형 고도를 나타내는 Kaguya Digital Terrain Model (DTM) 데이터로부터 도출된 DTM 평균 지형 고도와 비교 분석하여 달 용암 동굴을 검출한다. 이러한 분석 방법을 Rima Galilaei의 북쪽에 위치한 달 용암 동굴 후보지에 적용하여 LRS 지형 고도 값과 DTM 평균 지형 고도 값의 차이를 발견하였고 검출된 차이가 천부 지하에 존재하는 달 용암 동굴의 반사파로 인하여 생긴 것으로 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A lava tube is one of the hot issues of lunar science because it is regarded as a good candidate place for setting a lunar base. Recently much effort has been made to find lunar lava tubes. However, preceding works mainly made use of high-resolution lunar surface image data in conjunction with geomorphological consideration to present some lava tube candidates. Yet, those candidates stay no more than indirect indications. We propose a new data analysis technique of High Frequency (HF) radar observation data to find lunar lava tubes of which location depth is smaller than the range resolution of the radar pulse. Such shallow target echoes cannot be resolved from surface echoes, which presents the different location of the lunar surface compared to that of real lunar surface. The proposed technique instead finds the surface range (distance from LRS to the reflector of the most intense signal) anomaly which occurs as a result of the low range resolution of LRS pulse. We applied this technique to the surface range of Kaguya Lunar Radar Sounder (LRS) data. The surface range was deduced to make LRS surface elevation which was compared with the average surface elevation of Kaguya Digital Terrain Model (DTM). An anomalous discrepancy of the surface elevation was found in the Rima Galilaei area, which suggests the existence of a shallow lava tube.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 LRS 펄스의 낮은 거리 분해능으로 인하여 얕은 지하에 달 용암 동굴이 있는 경우 LRS 펄스로 확보된 달 표면의 위치가 실제 달 표면의 위치와 다르게 나타난다. 본 연구는 이러한 LRS 펄스의 거리 분해능 특성을 기반으로 LRS 표면 레인지 데이터를 분석하여 달 천부 지하에 존재하는 달 용암 동굴 후보를 제시한다.
LRS 표면 레인지로부터 도출된 LRS 지형 고도에서도 LRS 표면 레인지의 이상이 반영된다. 본 연구에서는 LRS 표면 레인지로부터 도출된 LRS 지형 고도에서 지형 고도의 이상치를 검출하기 위해 LRS 지형 고도와 달 표면의 지형 고도를 비교 분석하여 달 용암 동굴을 검출을 시도한다. 이를 위해 달 표면의 지형 고도에 관한 정확한 정보가 요구되었고 공개된 달 표면의 지형 고도 데이터를 활용하였다.
이로 인하여 LRS 지형 고도와 Kaguya DTM을 비교 할 때 양자의 공간 분해능을 고려해야 한다. 본 연구에서는 SAR처리된 LRS footprint의 달 표면 공간 분해능에 대응하는 지형 고도값들의 평균을 DTM 평균 지형 고도(DTM average surface elevation)로 정의하였고 이 수치는 LRS 데이터의 달 표면 공간 분해능으로 달 표면의 지형 고도를 나타낸 것을 의미한다. 한편, SAR 처리된 LRS footprint의 Cross-track 방향의 공간 분해능이 5000 m이지만 다이폴(Dipole) 안테나를 통하여 방사된 LRS 펄스가 무지향성의 특징을 가지고 있기 때문에 레이더 반사파가 어디서 반사되는지 정확히 알 수 없다.
본 연구에서는 이러한 차이를 A 후보지의 달 용암 동굴의 형상이 레이더 펄스를 수신하기 힘든 방향으로 반사하기 때문이라고 추정하고 있지만 이러한 부분에 대한 해석은 시뮬레이션을 통해서 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 달 용암 동굴 후보지 H에 나타난 LRS 표면 레인지의 이상치를 분석하기 위해 위도 N13.50 ˚~N13.60 ˚ LRS 지형 고도와 DTM 평균 지형 고도를 도출하여 비교 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 달 용암 동굴 후보지 조사를 위해 Kaguya LRS 표면 레인지 데이터를 분석하였고 본 논문에서 그 분석 방법을 분석 결과와 같이 기술하였다. LRS 표면 레인지는 달 천부 지하에 존재하는 달 용암 동굴에 의한 영향을 받을 수 있다고 추정하였고 연구 지역에서 LRS 표면 레인지로부터 만들어진 지형 고도와 DTM 데이터로부터 만들어진 지형 고도의 비교 분석을 통해 연구 지역에서 달 용암 동굴의 존재를 추정하였다.
본 연구는 LRS 지형 고도 변화의 원인이 달 지형의 고도 변화에 의한 것인지를 빠르고 간편하게 조사하기 위해 달의 지형 고도를 반영하는 DTM 평균 지형 고도와 LRS 지형 고도를 비교하였다. 그러나 DTM 평균 지형 고도는 전자파의 파동 특성을 고려하여 도출된 자료가 아니다.

가설 설정

2. Concept of LRS observation. Black dots in the right-side drawing indicate LRS observation points, and their interval is 75 m.

제안 방법

이뿐만 아니라 달 용암 동굴 탐사에 대한 연구는 국내에서도 수행되었다. 미국의 달 탐사선 Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO)의 탑재체 Narrow Angle Camera (NAC)의 관측 자료와 지구 위성 및 항공 관측 자료를 통해 확보된 피트(Pit)들을 비교 분석하였으며 NAC 데이터를 기반으로 지형학적 모델을 구축하여 3D printing하였고 특정 피트(Pit)를 선정하여 3D 모델링 하였다(Hong et al., 2014; Hon g et al., 2015). 또한, Brightness Profile을 이용한 피트(Pit) 탐지 방법을 제안하였고 고안된 지형학적 모델과 화성 피트(Pit)의 Brightness Profile을 비교 분석 하였다(Jung et al.
, 2015). 또한, Brightness Profile을 이용한 피트(Pit) 탐지 방법을 제안하였고 고안된 지형학적 모델과 화성 피트(Pit)의 Brightness Profile을 비교 분석 하였다(Jung et al., 2016).
달 탐사에 사용된 저주파 레이더 탑재체는 일본 달 탐사선 Kaguya의 탑재체인 Lunar Radar Sounder (LRS)가 있다. LRS는 달의 지하 구조 규명이라는 목적을 가지고 있고 중심 주파수가 5 MHz이며 대역폭 2 MHz인 펄스를 사용하여 달 지하 구조를 탐사하도록 설계되었다. LRS는 2007년 10월 29일부터 2009년 1월 10일까지 2363시간 동안 거의 달 전체 영역을 관측하였다.
1). LRS footprint가 달 용암 동굴 후보지들(Fig. 1A, H)을 포함하고 있으므로 연구 지역에 있는 작은 골짜기 남서쪽 방향 부분에서 달 용암 동굴의 유무를 검토하였다.
본 연구에서 활용하는 Lunar Radar Sounder (LRS)는 Kaguya의 탑재체 중 하나로서 달 전체의 지하 구조를 조사하기 위한 High Frequency (HF) 레이더이다(Ono and Oya, 2000). LRS의 길이 30 m 다이폴(Dipole) 안테나는 달의 중심 방향을 바라보도록 Kaguya 우주선 본체에 배치되었고 중심 주파수 5 MHz의 레이더 펄스를 송신하여 평균 관측 고도 100 km의 궤도에서 달을 관측하였다. 다이폴(Dipole) 안테나는 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency) 20 Hz로 1초에 20번씩 레이더 펄스를 송신하고 달에서 돌아오는 반사파 펄스를 수신한다.
따라서 공간 분해능이 5 km가 되고 5 km 보다 작은 물체를 인식하는 것은 불가능하다. 이러한 문제를 개선하기 위해 LRS 데이터는 합성 개구 레이더(SAR) 처리를 하였다. SAR 처리는 Along-track 방향의 공간 분해능을 개선하고 동시에 데이터의 신호 대 잡음비도 개선한다(Lee et al.
3). LRS 표면 레인지는 합성 개구(Synthetic Aperture) 길이 5 km로 SAR 처리된 LRS 데이터를 통해 계산되었다. LRS 데이터는 위도 5 ˚단위로 제공되고 LRS에서 달까지 수직방향의 데이터로서 수직 간격이 25 m인 Image pixel의 형태이며 복소수 값이다.
3). 위에서 제시한 LRS 표면 레인지 계산 방법을 기반으로 연구 지역에 존재하는 경도 W58.13 ˚의 LRS 궤도를 비행하면서 위도 N13.50 ˚~N14.00 ˚을 관측하여 취득된 LRS 데이터로부터 Start_Range와 I_max의 합으로 LRS 표면 레인지를 계산하였다. Start_Range와 I_max의 합으로 나타난 LRS 표면 레인지는 부자연스러운 모습을 나타내 Smoothing 신호 처리하였고, Kaguya의 궤도 데이터에 존재하는 미량의 잔류 오차로부터 발생된 LRS 표면 레인지의 위치 오류를 Cross-correlation을 이용하여 위치 보정하였다(Kobayashi et al.
LRS 표면 레인지의 이상치가 확보된 달 용암 동굴 후보지 H에 대해서 LRS 지형 고도를 산출하고 DTM 평균 지형 고도와 비교 분석을 수행하였다. 달 용암 동굴 후보지를 포함하고 있는 위도 N13.
LRS 표면 레인지의 이상치가 확보된 달 용암 동굴 후보지 H에 대해서 LRS 지형 고도를 산출하고 DTM 평균 지형 고도와 비교 분석을 수행하였다. 달 용암 동굴 후보지를 포함하고 있는 위도 N13.50 ˚~N13.60 ˚의 연구 지역에 대해서 LRS 표면 레인지로부터 LRS 지형 고도를 도출하고 DTM 평균 지형 고도를 계산하였다(Fig. 6(b), (c)).
본 연구에서는 달 용암 동굴 후보지 조사를 위해 Kaguya LRS 표면 레인지 데이터를 분석하였고 본 논문에서 그 분석 방법을 분석 결과와 같이 기술하였다. LRS 표면 레인지는 달 천부 지하에 존재하는 달 용암 동굴에 의한 영향을 받을 수 있다고 추정하였고 연구 지역에서 LRS 표면 레인지로부터 만들어진 지형 고도와 DTM 데이터로부터 만들어진 지형 고도의 비교 분석을 통해 연구 지역에서 달 용암 동굴의 존재를 추정하였다.

대상 데이터

The ground track of LRS lies along W58.13° longitudinal line.
레이더를 이용한 달 용암 동굴 탐사는 달 Rima Prinz의 동쪽과 Montes Harbinger의 서쪽 지역에 있는 달 용암 동굴 후보지들의 S-band (2~4 GHz) 레이더 데이터를 분석하여 조사한 사례가 있다(Saran et al., 2016). 하지만 낮은 주파수의 레이더의 관측 자료를 이용하여 달 용암 동굴 탐사가 시도된 사례는 아직 없다.
본 연구에서는 Rima Galilaei의 북쪽 지역을 연구 지역으로 선정하였다(Fig. 1). 이 지역은 용암 동굴과 연관된 지형학적 특징 중 하나인 무너지지 않은 달 용암 동굴을 포함하고 있다.
Surface image of the study area (Kaguya TC image: TCO_MAPm04_N15E300N12E303SC). LRS ground track lies along W58.13 ˚longitudinal line.Arrows indicate positions of possible lava tunnels.
, 2010). 본 연구는 SELENE Data Archive에서 LRS의 High level 데이터 중 LRS 관측 데이터를 합성 개구(Synthetic Aperture) 길이 5 km로 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar : SAR) 처리한 자료인 Sounder SAR image (complex) processed with synthetic aperture of 5 km를 다운 받아 활용하였다.
, 2011). 이번 연구에서 사용된 SAR 처리의 합성 개구 길이는 5000 m 이고 관측 고도 100 km 의 경우 SAR 처리된 LRS footprint는 Along-track 방향으로 600 m 와 Cross-track 방향으로 5000 m 의 달 표면 공간 분해능을 가지고 있다(Kobayashi et al., 2012; Fig. 2). LRS의 특징을 Table 1에 제시한다.
LRS 표면 레인지는 합성 개구(Synthetic Aperture) 길이 5 km로 SAR 처리된 LRS 데이터를 통해 계산되었다. LRS 데이터는 위도 5 ˚단위로 제공되고 LRS에서 달까지 수직방향의 데이터로서 수직 간격이 25 m인 Image pixel의 형태이며 복소수 값이다. 각 Pixel의 Intensity는
본 연구에서는 LRS 표면 레인지로부터 도출된 LRS 지형 고도에서 지형 고도의 이상치를 검출하기 위해 LRS 지형 고도와 달 표면의 지형 고도를 비교 분석하여 달 용암 동굴을 검출을 시도한다. 이를 위해 달 표면의 지형 고도에 관한 정확한 정보가 요구되었고 공개된 달 표면의 지형 고도 데이터를 활용하였다.
본 연구에서 달 표면의 지형 고도 참조 값으로 이용하는 데이터는 JAXA의 SELENE Data Archive(URL은 Reference 참조)에서 공개된 Kaguya DTM이다. Kaguya DTM은 Kaguya의 탑재체 지형 카메라와 레이저 고도계의 관측 데이터로부터 작성되었다.
Kaguya DTM은 Kaguya의 탑재체 지형 카메라와 레이저 고도계의 관측 데이터로부터 작성되었다. 공개된 DTM 데이터는 위도 간격 3 ˚와 경도 간격 3 ˚에 해당하는 달 표면적을 12288 X 12288 pixel 로 나타내었고 Pixel 해상도는 달 적도에서 7.403 m/pixel 이다. 이로 인하여 LRS 지형 고도와 Kaguya DTM을 비교 할 때 양자의 공간 분해능을 고려해야 한다.
연구 지역에서 LRS가 경도 W58.13 ˚의 궤도를 비행하며 위도 N13.50 ˚~N14.00 ˚를 관측하여 취득된 LRS 표면 레인지는 Kaguya의 지형 카메라 이미지와 비교할 수 있다(Fig. 4). SAR 처리된 LRS footprint를 고려하여보면 LRS 표면 레인지는 달 용암 동굴 후보지 H, 직경 1.

데이터처리

00 ˚을 관측하여 취득된 LRS 데이터로부터 Start_Range와 I_max의 합으로 LRS 표면 레인지를 계산하였다. Start_Range와 I_max의 합으로 나타난 LRS 표면 레인지는 부자연스러운 모습을 나타내 Smoothing 신호 처리하였고, Kaguya의 궤도 데이터에 존재하는 미량의 잔류 오차로부터 발생된 LRS 표면 레인지의 위치 오류를 Cross-correlation을 이용하여 위치 보정하였다(Kobayashi et al., 2011). 위 보정 방법들은 달 용암 동굴을 연구하는 본 논문의 영역에서 벗어나므로 기술하지 않았다.

성능/효과

한편, SAR 처리된 LRS footprint의 Cross-track 방향의 공간 분해능이 5000 m이지만 다이폴(Dipole) 안테나를 통하여 방사된 LRS 펄스가 무지향성의 특징을 가지고 있기 때문에 레이더 반사파가 어디서 반사되는지 정확히 알 수 없다. 이로 인하여 본 연구에서는 DTM 평균 지형 고도 계산시 SAR 처리된 LRS footprint의 Cross-track 방향의 공간 분해능을 2000 m로 정하였고 이것은 LRS 관측 점을 중심으로 동쪽과 서쪽으로 1000 m의 달 표면의 지형 고도만을 고려하여 LRS 지형 고도와 비교하는 것을 의미한다. 이에 따라 LRS 바로 아래 관측 점을 중심으로 Cross-track 방향 2000 m, Along-track 방향 600 m의 범위의 DTM 평균 지형 고도 <h>를

후속연구

연구 지역에서 달 용암 동굴 후보지는 A와 H가 존재하고, H에서만 LRS 표면 레인지의 이상치가 발견되었다. 본 연구에서는 이러한 차이를 A 후보지의 달 용암 동굴의 형상이 레이더 펄스를 수신하기 힘든 방향으로 반사하기 때문이라고 추정하고 있지만 이러한 부분에 대한 해석은 시뮬레이션을 통해서 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 달 용암 동굴 후보지 H에 나타난 LRS 표면 레인지의 이상치를 분석하기 위해 위도 N13.
그리고 달 용암 동굴을 모델화하여 LRS 펄스의 지하 전파와 산란을 시뮬레이션으로 해석하면 달 용암 동굴의 크기를 추정할 수 있다. 앞으로는 Finite Difference Time Domain (FDTD) 기법을 응용하여 그러한 시뮬레이션을 수행할 계획이다(Yee, 1966; Taflove and Hagness, 2005). 두 개의 시뮬레이션을 수행한 후에는 추가 달 용암 동굴 후보지에서도 LRS 표면 레인지를 이용한 달 용암 동굴 탐사 방법을 적용하여 이 방법이 달 용암 동굴을 찾을 수 있는 최적의 방법인지를 검증 할 것이다(Coombs and Hawke, 1992; Hurwitz et al.
앞으로는 Finite Difference Time Domain (FDTD) 기법을 응용하여 그러한 시뮬레이션을 수행할 계획이다(Yee, 1966; Taflove and Hagness, 2005). 두 개의 시뮬레이션을 수행한 후에는 추가 달 용암 동굴 후보지에서도 LRS 표면 레인지를 이용한 달 용암 동굴 탐사 방법을 적용하여 이 방법이 달 용암 동굴을 찾을 수 있는 최적의 방법인지를 검증 할 것이다(Coombs and Hawke, 1992; Hurwitz et al., 2013).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Apollo 11호 달 귀환 샘플로 알 수 있었던 사실은 무엇인가?	지금까지 다양한 관측 데이터 분석 및 연구 결과로부터 달 용암 동굴의 존재가 추정되어 왔다. 예를 들어 Apollo 11호 달 귀환 샘플과 유사한 성분비를 가지는 액체 규산염의 점성이 지구상에 있는 화산암의 액체 규산염의 점성보다 낮다고 밝혀져 달의 마그마도 점성이 낮아 지구보다 더 크고 긴 용암 동굴이 존재할 것이라고 추정되었다(Murase and Mcbirney, 1970). 또한 달 탐사선에 탑재된 지형 카메라로부터 지형 자료가 취득되었고 이로부터 달 용암 동굴과 연관된 지형학적 특징들도 발견되었다.
	달 용암 동굴이 인류의 기지 설치에 적합한 이유는 무엇인가?	달 용암 동굴은 인류의 기지 설치에 적합한 후보로서 과거부터 주목 받아왔다. 그러한 이유는 달 용암 동굴이 우주 환경에서 나타나는 자연적인 위협(우주선, 운석 충돌, 충돌 부산물)으로부터 방어가 가능하고 동굴 내부의 온도가 약 -20 ˚C로 달 표면의 온도보다 상대적으로 일정하게 유지되기 때문이다(Horz, 1985).
	달 용암 동굴과 연관된 지형학적 특징엔 무엇이 있는가?	또한 달 탐사선에 탑재된 지형 카메라로부터 지형 자료가 취득되었고 이로부터 달 용암 동굴과 연관된 지형학적 특징들도 발견되었다. 1960~1970년대에는 Apollo Mission과 Lunar Orbiter로부터 취득된 달 지형 자료에서 Hadley rilles 같은 달의 구불구불한 골짜기(Sinuous rilles)가 관찰 되었고 이들은 달 용암 동굴의 붕괴로 인해 발생되었다고 추정되었다(Greely and Spudis, 1986; Coombs and Hawke, 1992). 그 이후 지형 카메라의 Pixel 해상도가 높아지면서 보다 자세한 달 지형도가 만들어졌고 이러한 자료에서 다양한 달 용암 동굴 후보들이 다수 발견되었다.

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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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