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HOME > GEO DATA > Volume 6(1); 2024 > Article
Original Paper
코너 리플렉터를 이용한 지상 영상레이더 검보정 평가
이제윤1,†orcid, 주정헌1,†orcid, 홍상훈2,*,†orcid
Evaluation of Calibration Using Corner Reflector with Ground-Based Interferometric Radar
Je-Yun Lee1,†orcid, Jeong-Heon Ju1,†orcid, Sang-Hoon Hong2,*,†orcid
GEO DATA 2024;6(1):32-42.
DOI: https://doi.org/10.22761/GD.2024.0002
Published online: March 28, 2024

1박사과정생, 부산대학교 지질환경과학과, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2, 46241, 대한민국

2부교수, 부산대학교 지질환경과학과, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2, 46241, 대한민국

1PhD Student, Department of Geological Sciences, Pusan National University, 2 Busandaehak-ro 63beon-gil, Geumjeong-gu, 46241 Busan, South Korea

2Associate Professor, Department of Geological Sciences, Pusan National University, 2 Busandaehak-ro 63beon-gil, Geumjeong-gu, 46241 Busan, South Korea

Corresponding Author Sang-Hoon Hong Tel: +82-51-510-3753 E-mail: geoshong@pusan.ac.kr
*These authors contributed equally to this work.
• Received: February 15, 2024   • Revised: March 13, 2024   • Accepted: March 19, 2024

Copyright © 2024 GeoAI Data Society

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

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  • The accuracy of microwave remote sensing relies on the calibration of the radar measurement. It is important to estimate the radar cross-section (RCS) using a passive corner reflector (CR) or active transponder to evaluate the quality of imaging radar data. A strong and consistent RCS can be achieved by the acquisition of radar signals concentrated at specific angles during the CR calibration procedure. There are several types of CR depending on the shape and size such as triangular trihedrals, square trihedrals, dihedrals, spheres, or cylinders. In this study, we examine the RCSs using three types of CR with Ku-band ground-based real aperture radar equipment, the Gamma Portable Radar Interferometer-II. It can be easily deployed to acquire fully polarimetric radar observations. The initial experiment was conducted at Busan Sam-nak Auto Camping Site on November 1, 2023. The amplitude images show much higher backscattered radar signals at the CR location, whereas relatively lower power has been captured in the surrounding areas. The attenuation factors in the radar receivers could be useful to prevent saturation around the CR location at the line-of-sight direction. The experiment indicates that the different levels of the RCS measurements from three types of CRs could be utilized for calibration study with fully polarimetric radar observations.
원격탐사 기술의 발전에 힘입어 지구 관측 자료의 구축을 위한 탑재체와 플랫폼의 다양화가 진행되고 있다. 수동형 원격탐사 기법은 일반적으로 지구로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 지표에 대한 정보를 제공하며, 시각적으로 분해능이 우수한 자료를 제공한다. 그러나 광학센서의 경우 구름에 가려진 지역에 대한 정보를 획득할 수 없거나 자체적으로 전자기파 신호를 방사하지 못하기 때문에 영상 획득 시간에 제약이 있으며, 수동형 마이크로파 센서의 경우 1일 내외의 높은 시간해상도를 가지는 반면 수십 km 이상의 비교적 낮은 공간해상도 자료를 제공한다는 한계가 있다(Kim et al., 2014). 이와 다르게 능동형 원격탐사 기법은 마이크로파 대역의 신호를 송신하여 후방산란된 신호를 측정하며, 센서가 자체적으로 레이더 신호를 송신하여 지표 위 대상물의 정보를 획득할 수 있어 주간 또는 야간에 관계없이 고해상도 영상을 획득할 수 있다. 또한 가시광선이나 적외선 대역에 비해 장파장의 신호를 이용하기 때문에 구름을 투과할 수 있어 수동형 자료의 한계를 보완할 수 있지만 자료의 해석이 까다로워 복잡하고 전문적인 자료 처리가 요구된다(Agrawal and Khairnar, 2019). 특히 마이크로파 원격탐사에 있어서 측정 자료 품질의 정확도는 산출하고자 하는 최종 결과물의 신뢰도 평가에 많은 영향을 줄 수 있으므로 정밀한 검보정 기술 연구가 필수적이다. 일정한 레이더 단면적(radar crosssection, RCS)을 갖는 보정 목표물에 대한 신호 측정을 통해 레이더 영상 보정을 수행할 수 있으며, 이를 위해 다양한 형태의 코너 리플렉터(corner reflector, CR) 및 능동형 반사기(active transponder)가 활용되고 있다(Kwon et al., 2010). 능동형 반사기는 사용자가 임의로 RCS 값을 조정할 수 있고 비교적 정확하게 레이더 신호에 대한 입사각을 조절할 수 있지만 특정 파장대역에 대해서만 동작하며, 많은 제작 비용이 소요된다. 이에 반해 수동형 코너 리플렉터는 제작 비용이 상대적으로 저렴하고 일정 크기 이상의 코너 리플렉터에서는 파장대역에 관계없이 RCS 측정이 가능하다. 레이더 신호 검보정은 입사되는 신호와 코너 리플렉터가 특정한 각도를 이룰 때, 코너 리플렉터로부터 후방산란된 신호의 RCS 크기를 측정한 후, 이론값과 측정값 사이의 절대 보정값을 산출하는 과정으로 이루어진다(Jayasri et al., 2018; Shin et al., 2010). 코너 리플렉터는 주로 구(sphere), 삼각 삼면체(triangular trihedral), 사각 삼면체(square trihedral), 이면체(dihedral)의 형태를 가지며, 다음의 식은 코너 리플렉터의 형태에 따른 이론적인 RCS의 최대값(σCR type)을 나타낸다(Osman and Alzubaidi, 2014).
[Eq. 1]
σsphere=π· r2
[Eq. 2]
σtri.trihedral = 4π·a43λ2
[Eq. 3]
σsqr.trihedral = 12π·a4λ2
[Eq. 4]
σdihedral = 8π·a4λ^2
여기에서, λ은 레이더 신호의 파장, a는 코너 리플렉터 한변의 길이, r은 코너 리플렉터의 반지름을 의미한다. 완전 구형체인 sphere인 경우 레이더 신호의 입사각을 고려할 필요가 없고, 장치의 유지, 보수가 용이하다는 장점이 있다. Dihedral 형태인 경우 trihedral 형태보다 제작이 쉽고 더 큰 RCS 값을 측정할 수 있지만 구조적으로 견고성이 낮으며 입사각에 민감하다. Trihedral은 입사각에 따른 RCS 오차의 영향이 적어 가장 많이 사용되고 있는 형태이지만 삼면으로 이루어져 다중 산란에 따른 RCS 영향성을 고려해야 한다는 특징이 있다(Keum and Ra, 2009).
대표적인 능동형 영상레이더 자료인 인공위성 영상레이더(synthetic aperture radar, SAR) 자료는 인공위성에 탑재되어 전천후 환경에서 주기적으로 넓은 면적의 지구 표면을 관측할 수 있어 다양한 지구 환경에서의 영상 자료를 효과적으로 구축할 수 있다(Hong et al., 2019). SAR 자료를 이용한 검보정 연구가 국내외적으로 많이 수행되고 있으나(Schwerdt et al., 2009; Zhou et al., 2014), 위성의 촬영 시간 및 비행 방향에 따른 코너 리플렉터 각도를 정밀하게 설치하는 데 어려움이 있다. 지상 영상레이더는 안테나의 위치를 원하는 곳에 설치할 수 있고 영상 획득 시간을 조정할 수 있어 시간 해상도가 우수하다는 장점이 있다. 최근 개발된 지상 영상레이더 자료는 다중 편파 송수신 기능과 입사각 조정이 가능하므로 신호에 따른 산란 특성 변화 모니터링을 통한 검보정 기술 개발에 적합하다(Lee et al., 2007). 본 연구에서는 지상 영상레이더를 이용한 검보정 기술 개발을 위한 세 종류의 코너 리플렉터를 설계, 제작하여 초기 실험 연구를 수행하였다. 연구 지역은 부산광역시 사상구에 위치한 삼락생태공원을 대상으로 설정하였으며, 코너 리플렉터부터 수신된 Ku-밴드의 지상 영상레이더 자료의 후방산란 특성을 분석하였다.
2.1 Gamma Portable Radar Interferometer-II (GPRI-II)
본 연구에서는 사용한 지상 영상레이더 장비는 Gamma remote sensing에서 개발한 GPRI-II이다(Strozzi et al., 2011). 해당 장비는 Ku-밴드 파장대역(17.1-17.3 GHz)을 이용한 real aperture radar로, 전력 공급 장치, 장비 제어 장치, 무선주파수(radio frequency) 제어 모듈, 송수신 안테나, 안테나 타워, 삼각대, 자동 위치 조정 장치(positioner)로 구성되어 있다. 안테나는 HH, VV 편파 안테나가 각각 1개의 송신안테나(RX), 2개의 수신안테나(TX1, TX2) 총 6개 구성되어 있어 다중 편파모드로 자료를 획득할 수 있다(GAMMA Remote Sensing AG, 2001). 약 100 cm 높이의 안테나 타워에는 상하 45°로 관측각도를 변경할 수 있는 조절 장치가 있어 연구 지역의 범위 및 획득 환경에 따라 적합한 관측각도를 설정할 수 있다. 송신안테나와 수신안테나 사이의 물리적인 공간기선거리는 안테나 타워의 브라켓 위치에 따라 25-60 cm로 설정할 수 있어 수치표고모형 제작 연구에도 활용이 가능하다. 안테나 타워를 고정하는 삼각대는 높이와 수평 조절이 가능하도록 설계되어 있어 용이한 자료 획득이 가능하다. GPRI-II 장비는 자동 위치 조정 장치를 기준으로 일축 회전을 하며 대상 지역을 회전 스캔하는 방식으로 자료를 획득하며, 회전속도 및 최대 회전각도를 설정할 수 있어 대상 지역의 범위와 방사 방향으로의 공간해상도를 제어할 수 있다(Werner et al., 2008). 이와 같이 GPRI-II는 영상 획득 파라미터 변경이 가능하며, 다중 편파 획득 모드를 제공하므로 검보정을 위한 자료 획득에 적합한 장비라고 할 수 있다(Baffelli et al., 2017). GPRI-II 장비는 설치 용이성과 높은 정확도의 반복적인 자료 획득 능력 덕분에 사면 안정성 평가, 지표 변위 측정, 빙권 모니터링 등 다양한 분야에서 활용되고 있다(Jeong et al., 2023; Riesen et al., 2011).
2.2 연구 장비(코너 리플렉터) 설계 및 구축
코너 리플렉터는 안테나로부터 수신된 전자기 신호를 직접 반사하는 수동 반사기의 한 형태로 약한 레이더 신호를 향상시키거나 영상레이더 자료의 기하 또는 방사 보정에 이용된다. 코너 리플렉터로부터 후방산란된 레이더 신호는 강도영상에서 주변 화소들에 비해 매우 강하고 밝은 신호로 관측된다. 코너 리플렉터의 RCS 값을 이용한 방사 보정은 이론적인 계산 값과 현장 측정값을 비교하여 오차를 계산하고 보정하는 과정으로 진행된다(Kent, 2001).
본 연구에서는 Ku-밴드 GPRI-II 장비를 사용한 검보정 연구 수행을 위해 Fig. 1과 같이 한 변의 길이가 50 cm인 triangular trihedral, square trihedral, dihedral의 세 가지 형태의 코너 리플렉터를 설계, 제작하였다. 코너 리플렉터를 구성하는 개별 반사판 사이의 교차각은 직각을 유지해야 하며 그렇지 않은 경우 측정 RCS 값이 급격하게 감소할 수 있다. 또한 반사판의 물리적 변형 가능성을 대비하고 반사판 사이의 각도와 평탄성을 유지할 수 있도록 개별 판 뒤에 철 막대를 부착하여 제작하였다. 재질은 강철에 비해 부식에 강하고 비교적 가벼운 알루미늄 소재를 선정하였다(Garthwaite et al., 2015). 반사판 사이의 빗물, 먼지, 침전물을 배수하며 바람에 의한 저항력을 감소시키기 위해 개별 판에 일정 직경으로 천공하였다. 구멍의 직경이 커질수록 구멍으로 인한 판 내부의 개방 면적이 함께 증가하여 RCS 값이 감소하며, RCS에 대한 영향을 최소화하기 위해서는 구멍의 직경을 레이더 신호 파장의 1/6 이하로 유지해야 한다(Garthwaite et al., 2015). 본 연구에서는 약 2 mm 직경으로 반사판 면적의 4.9%에 해당하도록 천공하였다. 지상 영상레이더 안테나 관측각에 따라 정밀한 각도 조정이 가능하도록 좌우 180°, 상하 45° 이상의 회전이 가능하도록 설계하였다. 상하 방향으로의 각도를 더 크게 조정하고 싶은 경우 삼각대 다리 길이의 조정 작업을 통하여 기울기를 바꿀 수도 있다. 반사판 표면의 요철에 의한 오차 발생 가능성을 제거하기 위해 최종 제작 단계에서 표면을 매끄럽게 연마하는 과정을 진행하였다. 편리한 운반과 설치를 위해 회전판, 다리, 개별 판 모두 분해가 가능하도록 설계하였으며, 손쉽게 조립이 가능하다. 삼각대를 구성하는 다리는 30 cm 2개, 100 cm 1개로 제작하여 0-160 cm 길이로 사용할 수 있다. 제작한 코너 리플렉터 규격을 기준으로 한 Ku-밴드 레이더 신호의 이론적 RCS는 Eq. 2-4에 따라 Table 1과 같이 계산된다(Doerry, 2014).
2.3 연구 지역 및 자료 획득 방법
본 연구는 부산광역시 사상구에 위치한 삼락생태공원 일대에서 지상 영상레이더 기반 검보정 기술 개발 연구를 위한 초기 실험을 다루고 있다(Fig. 2). 검보정 사이트는 방사 및 편파 신호에 영향을 주지 않도록 평평해야 하며, 후방산란이 균일하게 일어나도록 토지 피복이 일정하며, 점 표적에 대한 정밀도 감소를 방지하기 위해 인공 구조물 및 바위가 없는 곳이어야 한다(Lee and Yang, 2021). 삼락생태공원은 바위나 큰 인공구조물이 없는 평평한 들판으로 코너 리플렉터를 이용한 검보정용 자료 획득에 적합한 환경이다(Fig. 2B). Fig. 3과 같이 GPRI-II 장비에서 동심원 상으로 약 150 m 거리를 두고 개별 코너 리플렉터 사이 간격을 약 30 m로 설치하여 자료를 획득하였다. 이때, 입사각의 방향 및 각도에 영향을 적게 받는 triangular trihedral과 square trihedral 코너 리플렉터를 양끝 가장자리에 배치하였다. 또한 다중 편파 검보정 연구를 위해 6개의 안테나를 모두 사용하여 자료를 획득하였으며, 안테나는 Fig. 3에 도시된 것과 같이 H송신안테나, V송신 안테나를 위쪽에 설치한 후 그 아래로 H, V수신안테나 2개를 번갈아 가며 설치하였다. GPRI-II 장비의 높이는 약 1 m로 설치하였으며, 코너 리플렉터의 중심 높이를 1 m로 설치하여 안테나 관측각을 0°로 설정하였다. 신호 입사각과 바닥면의 각도가 35.3°일 때, 최대 RCS 값이 측정되므로 코너 리플렉터의 바닥면을 약 35.3°가 되도록 조정하였다. GPRI-II 장비의 관측 범위를 -50° to 50°로 설정하여 자료를 획득하였다. GPRI-II는 정밀한 자료 획득이 가능하도록 다양한 파라미터를 설정할 수 있으며, 본 연구에서는 강한 산란체에 대해 포화되는 것을 방지해주는 감쇄 상수를 변경해가며 자료를 획득하였다. 기본 감쇄 상수는 26 dB로, 6 dB가 증가하면 아날로그-디지털 변환기에 의해 기록되는 신호의 세기가 절반이 감소된다. 본 연구에서는 26, 30, 40 dB로 감쇄 값을 증가시키며 포화 신호(saturation signal)의 변화를 함께 분석하였다. GPRI-II 장비는 송신 신호의 처프(chirp) 길이에 따라 신호 샘플링 수를 조절할 수 있으며, 본 연구에서는 1 ms 길이의 처프를 사용하여 샘플링 수를 6,250개로 설정하였다. 또한, 송신 신호의 처프 길이가 증가할수록 관측 가능 범위가 증가하며 본 연구에서는 1 ms를 사용하여 약 2.11 km 범위를 갖는 자료를 획득하였다. 획득된 원시 데이터는 little endian 형식의 정수 바이너리 파일로 저장되며, 이때 획득 당시 설정한 매개변수 및 신호 정보가 기록된 파일이 함께 생성된다. GPRI-II 장비로 측정된 신호는 상용 소프트웨어인 Gamma 프로그램을 사용하여 처리되며, 처리된 결과는 무선 네트워크로 연결된 랩톱을 통해 확인 가능하다. 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface)를 통해 사용자가 손쉽게 원시데이터, single look complex 영상을 확인할 수 있다. 실수 형식으로 변환된 진폭 영상은 geotiff, bmp 등의 래스터 이미지 형식으로 변환 가능하며, GPRI-II 장비의 설치 위치 및 관측 범위에 대한 정확한 정보가 있을 경우, KMZ 파일 형식으로 변환하여 사용이 가능하다.
Fig. 4Fig. 2와 3의 관측 기하 조건으로 획득한 one-look 진폭 영상이다. Fig. 4A는 코너 리플렉터를 설치하지 않은 경우이며, Fig. 4B-D는 설치한 후의 영상이다. GPRI-II 장비를 기준으로 중심각 100°, 반지름 2.11 km의 부채꼴 범위에 대한 영상을 획득하였으며, 해당 범위 내에는 검보정 연구를 수행한 삼락생태공원, 낙동강, 강 건너 발달한 도심지가 모두 포함된다. 이는 Fig. 4A의 설치 전 영상에서 확인할 수 있으며, 낙동강 건너의 도심지(노란색)와 생태공원(파란색) 영역이 뚜렷하게 구분된다. 도심지 영역에서는 GPRI-II 위치로부터 약 1.38 km 거리에 위치한 원형의 공항진입 도로(화살표)가 선명하게 확인된다. 생태공원의 경우 검보정 실험을 수행한 들판을 중심으로 서쪽으로는 갈대밭, 동쪽으로는 가로수가 발달해 있었으며, Fig. 4A의 파란색 사각형 내에서 이에 따른 특성을 관측할 수 있다. 왼쪽 부근에서 밝게 관측되는 긴 선은 산책로를 따라 발달한 갈대 지역이며, 오른쪽으로 밝게 나타나는 긴 선은 가로수, 갈대와 가로수 사이의 어두운 영역은 Fig. 2B와 같은 들판에 해당한다. 이는 다중 산란 기작에 의해 식생 유형에 따라 후방 산란된 신호가 다르게 측정된 결과이다. Fig. 4BFig. 4A와 동일한 감쇄 상수를 이용하여 코너 리플렉터를 설치하였을 때의 진폭 영상이다. 해당 영상에는 GPRI-II 장비와 가까이에 설치된 코너 리플렉터로부터 반사된 강한 신호에 의해 선형의 좁은 방사상 포화 신호가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 감쇄 값에 따른 수신 신호의 진폭 영상 내 dB 값 변화를 확인하기 위해 감쇄 상수를 증가시키며 영상을 추가 획득하였다. Fig. 4C는 감쇄 상수를 4 dB 증가시켜 획득한 결과, Fig. 4D는 14 dB 증가시킨 결과이다. 감쇄 값이 증가할수록 포화 신호의 세기가 감소되어 선상으로 밝게 나타나는 영역이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 특히, 왼쪽에 배치된 triangular trihedral의 경우, 이론 상으로도 가장 작은 RCS 값을 보이므로 같은 감쇄 값에서 다른 형태의 코너 리플렉터에 비해 포화 신호 크기가 가장 먼저 줄어든다. 모든 코너 리플렉터에 대한 포화 신호는 감쇄 상수 값을 40 dB로 설정하였을 때 조절되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4D에서는 감쇄 값에 의해 전반적인 신호값 범위가 상대적으로 낮게 나타지만 Fig. 4A와 같이 모든 영역에 대한 정보가 대비 조정 작업 없이 도시 가능함을 확인하였으며, Fig. 4B, C에서 나타나는 이상 신호가 효과적으로 제거되었음을 보여준다. 영상 획득 시 설정한 감쇄 상수와 레이더 신호 사이의 관계를 분석하기 위해 원시데이터에서의 신호 크기를 비교하였다(Fig. 5). Fig. 5는 코너 리플렉터가 설치된 조건에서 감쇄 상수를 26 dB과 40 dB로 설정하였을 때의 신호 크기를 보여주는 그래프이다. 각 그래프에서 위에 위치한 그래프는 시간에 따른 수신 신호의 크기이며 아래는 range 방향에서 거리에 따른 range-compressed의 세기를 나타내는 그래프이다. 감쇄 상수가 증가하면서 수신되는 신호 크기의 표준 편차가 0.16에서 0.03으로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 26 dB로 영상을 획득하였을 때 포화되는 신호가 40 dB로 획득하였을 때 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 4B, C에서 나타난 선상의 이상 신호가 Fig. 4D에서 제거된 원인을 보여준다. 해당 결과는 GPRI-II 장비를 이용하여 자료를 획득할 때 연구 지역의 산란 특성과 강한 산란체와의 거리, 감쇄 상수 등을 충분히 고려해야 함을 지시한다.
본 연구에서는 다중 편파 자료의 검보정 기술 개발을 위해 다중 편파 자료(HH, HV, VV, VH)를 추가로 획득하였다. Fig. 6은 편파 특성에 따라 코너 리플렉터의 밝기값 변화를 중점적으로 분석하기 위해 GPRI-II 장비 위치로부터 약 260 m 거리에 해당하는 영역만 잘라내어 도시한 결과이며, 노란색으로 표시한 영역은 세 종류의 코너 리플렉터의 위치에 해당한다. 코너 리플렉터는 모든 실험에서 동일하게 왼쪽에서부터 triangular trihedral, dihedral, square trihedral 순서로 설치하였다. 모든 영상에서 코너 리플렉터 설치 지역 내 점 표적 산란 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 단일 편파일 때 교차 편에 비해 코너 리플렉터로부터의 신호가 뚜렷하게 확인된다. Fig. 6A-D는 감쇄 값이 26 dB일 때 편파에 따른 진폭 영상이며, Fig. 6E-H는 40 dB일 때의 영상이다. 감쇄 상수에 따라 전체적인 밝기값 차이는 확인되지만, 두 경우 모두 단일 편파일 때 연구 지역 내 갈대 및 가로수에 대한 신호가 교차 편파 영상에 비해 강하게 관측된다. 이는 GPRI-II 장비의 수평에 가까운 관측기하에 따라 식생의 상단부에 따른 체적 산란(volume scattering)의 영향보다 나무 기둥, 줄기 등에 의한 이중 산란(double bounce scattering) 및 표면 산란(surface scattering)의 영향이 보다 강하게 작용한 것으로 추정된다. 동일한 감쇄 상수일 때, 편파에 따른 신호 분석 수행 결과, 감쇄 상수가 26 dB일 때 단일 편파에서는 코너 리플렉터로부터 시작되는 선상의 방사상 포화 신호가 확인되며, 교차 편파에서는 동일한 현상이 관측되지 않았다. 이는 편파에 따른 신호 손실이 발생하여 코너 리플렉터의 신호가 비교적 약하게 측정되었음을 의미한다. 감쇄 상수가 증가할수록 전반적인 신호 세기가 낮게 나타나며, 이에 따라 단일 편파 영상에서 코너 리플렉터의 포화 신호가 제거되는 것을 확인할 수 있다. 교차 편파에서는 감쇄 상수 및 편파에 따른 신호 손실이 복합적으로 발생하여 코너 리플렉터에서의 신호가 비교적 낮게 측정되었다. 감쇄 상수 40 dB의 단일 편파 자료를 통해 코너 리플렉터의 점 표적 특성을 뚜렷하게 확인할 수 있으며, 이는 적분을 통한 RCS 계산 시 중심 픽셀 선정에 유리하게 활용될 수 있을 것으로 보인다. 정확한 RCS 값 산출을 위해서는 감쇄 상수 보정, 다중 산란 기작 및 적분 면적을 고려한 dBsm 값의 계산이 요구된다(Kwon et al., 2010). 본 논문에서는 지상 영상레이더 검보정을 위해 제작한 코너 리플렉터의 성능 테스트를 위한 예비 실험이므로 영상 내 각 코너 리플렉터에 해당하는 세 지점에서의 dB 값을 비교해보고자 하였다(Table 2). 교차 편파 영상의 경우 주변 밝기값과 코너 리플렉터 밝기값의 비(signal to clutter ratio)가 크지 않으므로 정확한 타겟 검출을 위해 단일 편파 영상에서의 코너 리플렉터 dB 값을 추출하였다. GPRI-II의 보정 상수를 고려하지 않고 코너 리플렉터에서의 dB 값을 추출하였으며, 영상 획득 시 감쇄 상수에 따른 신호 크기를 정량적으로 분석하였다. 연구 결과, 비교적 높은 감쇄 상수(40 dB)를 적용하였을 때 코너 리플렉터의 신호가 낮게 측정된 것을 확인할 수 있었으며, 모든 영상에서 가장 낮은 dB 값이 검출된 코너 리플렉터는 triangular trihedral, 최대값이 검출된 코너 리플렉터는 26 dB과 30 dB에서 dihedral, 40 dB에서 square trihedral임을 확인하였다. 이는 감쇄 상수로 인한 포화 신호 제거 및 타겟 위치 선정 변화에 의한 것으로 해석된다. HH 및 VV 모드의 단일 편파 영상 내 코너 리플렉터에서의 신호를 비교한 결과, 편파에 따른 차이가 크게 나타나지 않 았다. 본 연구 결과는 편파 특성에 따라, 감쇄 상수에 따라 코너 리플렉터의 신호 세기의 변화를 분석하였으며, 제작한 코너 리플렉터가 GPRI-II 장비 검보정 연구에 효과적으로 활용될 수 있음을 시사한다.
본 연구는 지상 영상레이더 검보정을 위해 코너 리플렉터를 설계, 제작하였고, 이에 대한 성능을 평가하기 위해 예비 실험을 수행하였다. Ku-밴드 GPRI-II 장비를 이용하여 부산 삼락 오토캠핑장 부지에서 서로 다른 코너 리플렉터 세 가지를 설치하여 다중 편파 자료를 획득하였으며, 진폭 영상 내 코너 리플렉터의 신호 크기를 비교 분석하였다. 연구 결과, 코너 리플렉터 설치 지역에서는 주변 화소에 비해 강한 점 표적의 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 코너 리플렉터의 종류에 따라 진폭 영상 내에서 다른 크기의 신호값으로 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 영상 획득 시 설정한 감쇄 상수에 따라 코너 리플렉터의 포화 신호가 효과적으로 제거되는 것을 확인하였으며, 이는 정확한 RCS 계산을 위한 중심점 및 타겟 선정에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통해 코너 리플렉터의 형태 및 감쇄 상수에 따른 획득 신호의 패턴 변화를 확인할 수 있었으며, 적합한 감쇄 상수 적용을 통한 RCS 측정값과 이론값 사이의 상대 보정으로 GPRI-II 장비의 보정계수를 표준화할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 단일 편파 영상 내에서 편파 특성에 따른 신호 세기를 비교한 결과 편파에 따른 큰 신호 세기의 변화가 확인되지 않았으며, 이를 통해 제작한 코너 리플렉터의 성능 및 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
교차 편파의 경우 이론적으로 dihedral 코너 리플렉터에서의 신호가 측정되지 않아야 하지만, Fig. 6B, D, F, H, J, L 결과에서 약한 신호가 들어오는 것이 확인되었다. 또한, 단일 편파 자료에서도 편파 특성에 따라 미세한 신호 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 현상은 자료 획득 시 코너 리플렉터의 경사각도 및 GPRI-II 관측기하의 정밀 조정, 주변 신호 잡음의 차단을 통해 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 획득한 자료는 감쇄 상수 보정, 최적의 적분 면적 선정을 고려한 정밀 RCS 계산을 기반으로 지상 영상 레이더 자료의 검보정 연구를 위한 고해상도 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 정밀한 검보정 기술 개발을 위해 이론적인 RCS 계산 시 단일, 이중 산란을 고려할 필요가 있으며, 실측값 계산 시 적분 면적에 따른 오차 분석 연구를 추가적으로 수행할 필요가 있다. 이는 이론값과 실측값의 차이를 통해 추정되는 보정 상수의 정확도 향상에 영향을 줄 것으로 예상된다. 본 연구에서 수행한 초기 성능 결과를 바탕으로 추가적인 고해상도 자료 구축이 가능할 것으로 사료되며, 검보정을 통해 정확도가 향상된 자료는 지표 산란 특성 분류, 생태계 감시, 해양 감시, 안보 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것이다.

Conflict of Interest

On behalf of all authors, the corresponding author states that there is no conflict of interest.

Funding Information

This work was supported in part by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean Government (MSIT) under Grant NRF-2023R1A2C1003609.

Data Availability Statement

The data that support the findings of this study are available on request from the corresponding author. The data are not publicly available due to privacy or ethical restrictions.

Fig. 1.
(A) Triangular trihedral, (B) square trihedral, and (C) dihedral corner reflector.
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Fig. 2.
(A) Google Earth image showing data acquisition area marked with yellow polygon and GPRI-II position in the study area, and (B) photo image showing the deployment of the GPRI-II. GPRI-II, Gamma Portable Radar Interferometer-II.
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Fig. 3.
An illustration demonstrating the image acquisition geometry between a corner reflector and full-polarization Gamma Portable Radar Interferometer-II (GPRI-II) instrument.
GD-2024-0002f3.jpg
Fig. 4.
Amplitude images illustrating brightness variation according to attenuation values. (A) Without corner reflectors with an attenuation factor of 26 dB, (B-D) with corner reflectors with an attenuation factor of (B) 26 dB, (C) 30 dB, and (D) 40 dB.
GD-2024-0002f4.jpg
Fig. 5.
Plots of raw radar signals for different attenuation factors: (A) 26 dB and (B) 40 dB.
GD-2024-0002f5.jpg
Fig. 6.
Cropped amplitude images showing the corner reflectors with attenuation factor (A-D) 26 dB, (E-H) 30 dB, and (I-L) 40 dB and with polarization (A, E, I) HH, (B, F, J) HV, (C, G, K) VV, and (D, H, L) VH, respectively. The yellow circle denotes the location of the corner reflectors, triangular trihedral, dihedral, and square trihedral reflectors, respectively.
GD-2024-0002f6.jpg
Table 1.
Comparison of theological RCS according to corner reflector type using Ku-band (λ = ~1.74 cm)
aa) (cm) Triangular trihedral Square trihedral Dihedral
RCS (dBsm) 50 29.37 38.91 37.15
100 41.41 50.95 49.19
150 48.45 58.00 56.24

RCS, radar cross-section.

a) Length of the hypotenuse sides of the corner reflectors.

Table 2.
Measured signal amplitude (dB) for the corner reflectors by attenuation factors and polarization
Attenuation factor (dB) Corner reflector Backscattered coefficient (dB)
HH VV
26 Triangular trihedral 46.86 44.89
Square trihedral 46.99 47.81
Dihedral 48.08 47.95
30 Triangular trihedral 44.01 41.69
Square trihedral 45.93 46.23
Dihedral 47.42 47.67
40 Triangular trihedral 35.77 33.82
Square trihedral 42.94 43.76
Dihedral 40.76 39.63
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Metadata for Dataset
Sort Field Subcategory#1 Subcategory#2
Essential *Title GPRI-II single look complex images for calibration
*DOI https://doi.org/10.22711/idr/1011
*Category Geoscientific Information
*Temporal Coverage 1 day 2023.11.01.
*Spatial Coverage Samnak-dong, Sasang-gu, Busan South Korea
WGS84 Coordinates Polygon
*Personnel Name Sang-Hoon Hong
Affiliation Pusan National University
E-mail geoshong@pusan.ac.kr
*CC License CC BY-NC
Optional *Project
*Instrument GPRI-II

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