Transcript 호수 얼음의 상변화에 따른 마이크로파 산란특성 연구 A
호수 얼음의 상변화에 따른 마이크로파 산란특성
Microwave Scattering Properties of Lake Ice During Phase Change 강원대학교 지구물리학과 원격탐사연구실 한향선, 이훈열
발표 순서
서론 마이크로파 산란계 및 후방산란계수 현장 실험 및 결과 마이크로파 산란 모델링 및 결과 결론
서론
연구배경
하천/호수 얼음의 결빙-해빙 (freezing-thawing) • 국지적 기후 변화 분석의 중요한 인자 • 수자원 및 수리구조물에 영향 마이크로파 산란계 (Microwave Scatterometer) • High gain antenna 사용 • 지상용 산란계의 경우 다양한 파장 및 편파에 대한 실험이 용이 • 얼음의 표면산란, 체적산란, 얼음/물 경계면의 산란 구분
연구목적
마이크로파 산란계를 이용하여 호수빙의 결빙-해빙에 의한 상변화에 따른 마이크로파 산란 특성 분석 마이크로파 산란 모델링을 통해 결빙-해빙에 따른 호수빙의 유전율 변화 분석
Microwave Scatterometer
antenna HH Polarization Square Horn Antenna Center frequency: 5.3 GHz (C-band) Band width: 600 MHz Spatial resolution: 25 cm cables incidence angle beam width (15 ° ) notebook GPIB -USB VNA stand Lake ice surface
후방산란계수
후방산란계수 – 단위 면적 ( ) 0 의 RCS 중에서 안테나로 되돌아오는 양 – 지표면의 거칠기, 수분함량, 마이크로파 입사각 등에 의해 결정 0
/
A
– 표면의 거칠기와 수분함량이 클수록 증가 안테나에서 송신한 마이크로파가 지표면에서 산란되어 되돌아오는 신호의 파워
P r P t
: transmitted power
G t
: transmitter-antenna power gain
P r
PG G t t r
3
R
4
G r
: receiver-antenna power gain : radar wavelength
R
: range between target and receiver-antenna : radar cross section (RCS)
후방산란계수
VNA가 측정하는 신호의 크기 마이크로파의 전압
V
r U
는 송신 마이크로파 전압
V t
에 대한 수신
U
2
V r V t
2
P r P t
VNA가 측정한 신호의 크기
U
와 후방산란계수와 의 관계
10 log
P
20 log
U
10 log
G G t r
3
R
4
2006년 2월 2일 춘천호 (춘천시 오월리) 안테나 높이: 2 m 마이크로파 입사각: 40° 실측얼음두께: 45 cm 마이크로파 산란계 시스템의 안정성 평가 및 시스템 보정 얼음의 상변화를 구현하기 위해 얼음 표면에 물을 도포
현장 실험
현장에서 촬영된 동결된 호수 표면
산란계 시스템 안정성 평가
– Calibration kit를 이용하여 VNA 보정 – 시스템 부하 및 외적 요인에 의한 측정 신호의 변화 여부 관찰 필요 – Trihedral corner reflector를 이용하여 안정성 평가 및 측정신호 보정
산란계 시스템 안정성 평가
– Calibration kit를 이용하여 VNA 보정 – 시스템 부하 및 외적 요인에 의한 측정 신호의 변화 여부 관찰 필요 – Trihedral corner reflector를 이용하여 안정성 평가 및 측정신호 보정
현장 실험 결과
First return (surface scattering) 0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0 22 23.5 25 26.5
28 29.5
31 Range (ns) 32.5
34 35.5
37 얼음 표면에 물 도포 Measurement Time (hh:mm)
현장 실험 결과
first return (surface scattering) 0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0 22 23.5 25 26.5
28 29.5
31 Range (ns) 32.5
34 35.5
37
얼음 표면에 물 도포
영하의 온도로 인한 얼음 표면 물의 결정화 second return (ice/water interface scattering) Measurement Time (hh:mm)
현장 실험 결과
First return (surface scattering) 0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0 22 23.5 25 26.5
28 29.5
31 Range (ns) 32.5
34 35.5
37
얼음 표면에 물 도포 영하의 온도로 인한 얼음 표면 물의 결정화
기온이 영상으로 상승하면서 얼음 표면에 해빙 현상 발생 Measurement Time (hh:mm)
얼음의 마이크로파 산란 모델링
Surface scattering – 얼음 표면의 거칠기와 수분함량에 의해 결정 – Integral Equation Model (IEM)을 사용하여 모델링 • 기존에 개발된 모델에 비해 정확하며 적용 범위가 넓음 • 표면의 거칠기와 유전율, 마이크로파의 파수와 입사각 등이 변수로 사용
s
0
k
2
2 exp
2
z
2 2
k s
n
1
I n
2
W
n
!
k x
s
0 : surface scattering coefficient
k
: wavenumber
x z s
: surface RMS height
I n
: function of Kirchhoff field coefficient and complementary field coefficient
W
: surface correlation function
(Fung, 1994)
얼음의 마이크로파 산란 모델링
Volume scattering – 얼음 내부의 기포에 의해 발생 – 얼음의 알베도와 광학두께, 투과계수, 기포의 크기 및 양에 의해 결정
v
0 1 2
k
s
/
e
1
t t
1 cos
i
1 exp 2
k d
e
/ cos
t
P
v
0 : volume scattering coefficient
k s
: scattering coefficient
k e
: extinction coefficient
T
t
: Fresnel power transmission coefficient : refraction angle
P
: phase function of Rayleigh scattering
(Fung, 1994)
t
t
얼음의 마이크로파 산란 모델링
Ice/water interface scattering – 얼음/물 경계의 거칠기와 유전율, 얼음의 광학두께에 의해 결정
0
iw
cos
i T T
1
exp
2
k d
/ cos
t
/ cos
t
0
iw s
: ice/water interface scattering coefficient
t
: surface scattering coefficient at ice/water interface
(Fung, 1994)
Ice model
RMSE =1.098 dB
모델링 결과
결론
호수 얼음의 상변화에 따른 산란특성 분석을 위해 마이크로파 산란계 실험 • 얼음 표면에 유전율이 큰 수분이 존재할 경우 강한 산란이 관찰됨 - 표면산란 • 수분이 결빙되면서 표면의 유전율이 작아지는 경우 두 번째로 강한 산란이 관찰됨 - 얼음/물 경계에서의 산란 • 영상의 기온으로 인해 얼음 표면이 다시 해빙되면 강한 표면산란과 매우 약한 얼음/물 경계의 산란이 관찰됨 얼음 표면의 유전율 추정을 위한 마이크로파 산란 모델링 • 얼음 표면의 수분이 결빙되면서 유전율은 약 10까지 감소하지만 이후에 다시 해빙되며 유전율이 물과 같은 수준(70)으로 증가 • 실험 과정 동안 얼음 표면의 수분은 점진적으로 결빙되었으나 고체의 얼음으로 완전히 변화하지는 않았음을 확인 다파장/다편파 산란계 실험과 다양한 역산 방법을 적용한 모델링 결과의 정확성 향상 • 인공위성 SAR 영상으로부터 광범위적인 호수빙 및 해빙의 산란특성 분석 및 유전율 추정 연구에 기여