안녕하세요? 이번 글은 학습 목적으로 합성 개구 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)의 이해를 돕는 글들을 번역 정리해 봤습니다.
능동 센서(active sensor)
What is Remote Sensing? | Earthdata
Tutorial on remotely-sensed data, from sensor characteristics, to different types of resolution, to data processing and analysis.
www.earthdata.nasa.gov
위성 및 항공기에 탑재된 센서 또는 기기는 태양을 광원으로 사용하거나 자체 광원을 제공하여 반사되는 에너지를 측정합니다. 태양의 자연 에너지를 사용하는 센서를 수동 센서(passive sensor)라고 하고, 자체 에너지원을 제공하는 센서를 능동 센서(active sensor)라고 합니다.
능동센서에는 다양한 유형의 무선 감지 및 거리 측정(radar: radio detection and ranging) 센서, 고도계(altimeter) 및 산란계(scattermeter)가 포함됩니다. 대부분의 능동센서는 전자기 스펙트럼의 마이크로웨이브 대역(microwave band)에서 작동하므로 대부분의 조건에서 대기를 통과할 수 있습니다.
이러한 유형의 센서는 에어로졸, 산림 구조, 강수량 및 바람, 해수면 지형, 빙하 등의 연직 방향 분포(vertical profile)를 측정하는 데 유용합니다.
원격탐사를 사용하는 대부분의 과학자들은 USGS의 Landsat, NASA의 MODIS 및 ESA의 Sentinel-2에서 얻은 수동 광학 이미지에 익숙하지만 또 다른 유형의 원격탐사 데이터는 SAR(Synthetic Aperture Radar)입니다.
SAR은 센서가 자체 에너지를 생성한 다음 지구와 상호 작용한 후 반사된 에너지의 양을 기록하는 능동 데이터 수집(acitve data collection) 유형입니다. 광학 이미지는 사진을 해석하는 것과 유사하지만, SAR 데이터는 신호(signal)가 대신 구조 및 수분과 같은 표면 특성에 반응한다는 점에서 다른 사고방식이 필요합니다.
합성 개구 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)
What is Synthetic Aperture Radar? | Earthdata
Background information on synthetic aperture radar, with details on wavelength and frequency, polarization, scattering mechanisms, and interferometry.
www.earthdata.nasa.gov
Radar 데이터의 공간 해상도(spatial resolution)는 센서 안테나 길이에 대한 센서 파장의 비율과 직접적인 관련이 있습니다. 즉, 주어진 파장에 대해 안테나가 길수록 공간 해상도가 높아집니다. 약 5cm의 파장에서 작동하는 우주 위성(C-대역 레이더: C-band radar)에서 10m의 공간 해상도를 얻으려면 약 4,250m 길이의 레이더 안테나가 필요합니다(축구장 42개가 넘는 길이입니다!).
거대한 크기의 안테나는 우주 위성 센서에 실용적이지 않습니다. 따라서 과학자와 엔지니어는 합성 조리개(synthetic aperture)라는 영리한 해결 방법을 제시했습니다. 이 개념에서는 더 짧은 안테나에서 얻은 일련의 획득이 결합되어 훨씬 더 큰 안테나를 시뮬레이션하므로 더 높은 해상도의 데이터를 제공합니다.
주파수(Frequency)와 파장(Wavelength)의 역할
Landsat의 OLI 및 Sentinel-2의 MSI와 같은 광학 센서는 전자기 스펙트럼의 가시광선, 근적외선 및 단파 적외선 부분에서 데이터를 수집합니다. Radar 센서는 센티미터에서 미터 단위로 더 긴 파장(longer wavelengths)을 활용하므로 구름을 통해 볼 수 있는 기능과 같은 특수한 속성을 제공합니다. SAR의 서로 다른 파장은 X, C, L, P와 같은 문자 지정과 함께 종종 밴드(band)라고 합니다.
파장은 레이더 신호가 표면과 상호 작용하는 방식과 신호가 매질에 침투할 수 있는 거리를 결정하므로 SAR 작업 시 고려해야 할 중요한 기능입니다.
예를 들어, 약 3cm 파장에서 작동하는 X-band 레이더는 활엽수림을 관통하는 능력이 거의 없기 때문에 대부분 나무 캐노피 상단의 잎과 상호 작용합니다. 반면 L-대역 신호는 파장이 약 23cm이므로 숲 속으로 더 잘 침투하고 레이더 신호와 큰 가지 및 나무 줄기 사이에 더 많은 상호 작용을 허용합니다. 파장은 숲 속 침투 깊이에 영향을 미칠 뿐만 아니라 토양 및 빙하와 같은 다른 토지 피복 유형에도 영향을 미칩니다.
편광 및 산란 메커니즘(Polarization and Scattering Mechanisms)
레이더는 송신 및 수신 경로(transmit and receive paths) 모두에서 분석된 편파를 제어하여 서로 다른 편파에서 신호를 수집할 수도 있습니다.
편광/편파(polarization)은 전송된 전자파가 진동하는 면의 방향을 나타냅니다. 방향은 어떤 각도에서 발생할 수 있지만, SAR 센서는 일반적으로 선형 편파를 전송합니다. 수평 편파(horizontal polarization)는 문자 H로 표시되고 수직 편파(vertical polarization)는 V로 표시됩니다.
레이더 센서의 장점은 송신 및 수신 모두에서 신호 편파(signal polarization)를 정밀하게 제어할 수 있다는 것입니다. 수직(V)으로 방출되고 수평(H) 편파로 수신된 신호는 VH로 표시됩니다. 또는 수평(H)으로 방출되고 수평(H)으로 수신된 신호는 HH로 표시됩니다.
이러한 다양한 편파에서 신호 강도(signal strength)를 검사하면 거친 표면, 체적 및 이중 반사와 같은 산란 유형을 기반으로 이미징된 표면 구조에 대한 정보가 전달됩니다.
- 나지나 물로 인한 것과 같은 거친 표면 산란(rough surface scattering)은 VV 산란에 가장 민감합니다.
- 숲 캐노피의 잎과 가지로 발생하는 체적 산란(volume scattering)은 VH또는HV 교차 산란에 가장 민감합니다.
- 이중 반사(double bounce)는 건물, 나무 줄기 또는 침수된 식생에 의해 발생하며 HH 산란에 가장 민감합니다.
파장이 신호의 침투 깊이를 변경하기 때문에, 다양한 산란 유형에 기인한 신호의 양이 파장의 함수로 변경될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
예를 들어, C-대역 신호는 숲 캐노피의 최상층에만 침투하므로 제한된 양의 체적 산란과 혼합된 거친 산란을 대부분 경험하게 됩니다. 그러나 L-대역 또는 P-대역 신호는 훨씬 더 깊게 침투하므로 체적 산란이 크게 강화되고 나무 줄기로 인해 발생하는 이중 반사 산란 양이 증가합니다.
간섭측정용 합성 개구 레이더(InSAR: Interferometric Synthetic Aperture Radar)
SAR 데이터는 또한 간섭측정 또는 InSAR이라는 분석 방법을 사용할 수 있습니다. InSAR은 센서에서 기록된 위상 정보(phase information)를 사용하여 센서에서 대상까지의 거리를 측정합니다. 동일한 대상을 두 번 이상 관측하면 센서의 추가 기하학적 정보와 함께 거리를 사용하여 지표면 지형의 변화를 측정할 수 있습니다. 이러한 측정값은 매우 정확(최대 센티미터 수준!)하며 화산 폭발 및 지진과 같은 사건으로 인해 변형된 영역을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.
Sentinel-1 SAR 데이터
Sentinel-1 임무는 유럽 위원회(EC: European Commission)와 유럽 우주국(ESA: European Space Agency)의 코페르니쿠스(Copernicus) 공동 이니셔티브를 위한 유럽 레이더 위성(European Radar Observatory)입니다. 코페르니쿠스는 환경 및 보안을 다루는 정보 서비스 구현을 위한 유럽 이니셔티브이며 지구관측위성으로부터 수신한 관측자료와 지상기반정보를 기반으로 합니다.