합성개구레이더

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1. 개요
2. 원리
3. 간섭 기법
- 3.1. 차분 간섭 기법
4. 편광 기법
- 4.1. 산란 모델
5. 역합성개구레이다 (ISAR)
6. 활용
7. 대한민국 현황
8. 각국의 SAR
참조

1. 개요

합성개구레이더(SAR)는 레이다 기술의 일종으로, 안테나를 이동시키면서 반사파를 연속적으로 수신하여 고해상도 영상을 생성한다. SAR는 안테나 직경을 물리적으로 키우는 대신, 레이다의 이동 거리를 활용하여 큰 안테나를 사용하는 것과 같은 효과를 낸다. SAR은 도플러 효과를 이용하여 물체의 상세한 정보를 얻으며, 간섭 기법을 통해 지표의 3차원 정보나 움직임을 관측할 수 있다. 또한, 편광 기법을 통해 다양한 물질의 특성을 파악하고, 역합성개구레이다(ISAR) 기술을 통해 움직이는 물체의 영상 획득에도 활용된다. SAR는 군사적 정찰, 환경 감시, 자원 탐사 등 다양한 분야에서 활용되며, 대한민국은 다목적실용위성(KOMPSAT)에 SAR 센서를 탑재하여 운용하고 있다.

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합성개구레이더
지도 정보
기본 정보
명칭	합성 개구 레이더
영어 명칭	Synthetic Aperture Radar
일본어 명칭	合成開口レーダー
한자 명칭	合成開口雷達
기술 정보
유형	레이더
특징	이동하는 레이더 안테나를 사용하여 넓은 영역의 고해상도 영상을 획득 주파수 대역에 따라 전천후 영상 획득 가능
사용 파장	전파
작동 방식	레이더파 송수신 후 되돌아오는 신호 처리
영상 해상도	센서 해상도보다 훨씬 높음
데이터 처리 방식	거리 방향 처리 방위각 방향 처리
주요 구성 요소	레이더 송수신기 안테나 데이터 처리 장치
활용 분야
지구 관측	지형도 제작 환경 감시 재해 감시 농업 및 삼림 감시
군사	감시 정찰 목표물 식별
항공 우주	행성 탐사 우주 쓰레기 추적
기타	고고학 빙하 연구 지질 조사
관련 기술
InSAR	간섭계 합성 개구 레이더
PolSAR	편광 합성 개구 레이더
TomoSAR	토모그래픽 합성 개구 레이더
장점
해상도	높은 해상도 제공
날씨 영향	날씨에 크게 영향받지 않음
넓은 영역 커버	넓은 영역 동시 관측 가능
단점
가격	고가 장비
데이터 처리 복잡성	데이터 처리 복잡함
신호 간섭	다른 전파 신호에 의한 간섭 발생 가능성
추가 정보
역사	1950년대 개발 시작 군사 목적으로 처음 사용 점차 민간 분야로 확대
관련 기관	미국 항공우주국 (NASA) 유럽 우주국 (ESA) 국립항공우주개발국 (JAXA)
응용 사례	토지 피복 변화 분석 지진이나 화산 활동으로 인한 지형 변화 분석 해양 오염 감시 산림 파괴 감시

2. 원리

레이다는 전파 빔을 쏘아 반사파를 측정하여 2차원 영상을 구성하는 장치이다. 합성개구레이다(SAR)는 이 원리를 이용하여 높은 해상도의 영상을 얻는다. 레이다의 해상도를 높이려면 좁고 예리한 전파 빔과 짧은 펄스를 사용해야 한다. SAR는 안테나의 이동을 이용하여 마치 큰 안테나를 사용하는 것과 같은 효과를 내어 방위 해상도를 높인다. 이를 위해 도플러 효과를 활용하여 반사파의 주파수 변화를 분석하고, 여러 신호를 합성하여 고해상도 영상을 생성한다. 실제로는 복잡한 신호 처리가 필요하며, 이를 통해 정지한 레이다의 영상처럼 선명한 영상을 얻을 수 있다.^[3]^[4]^[5]

3. 간섭 기법

SAR는 복소수 형태의 정보를 가지며, 진폭은 레이다 반사도, 위상은 레이다와 목표물 사이의 거리 정보를 나타낸다. 두 개의 SAR 영상을 간섭시켜 지표의 3차원 정보나 움직임을 관측할 수 있는데, 이를 간섭계 SAR(InSAR)라고 한다.

두 레이다의 위치와 간섭 위상을 이용하여 목표물의 위치를 정확하게 결정할 수 있다. 시간 차이를 두고 관측하면 지표나 목표물의 움직임을 감지할 수 있으며, 지진, 화산, 지반 침하 등의 감시에 활용된다. 매우 짧은 시간 간격을 두면 자동차나 해파와 같이 빠르게 움직이는 물체를 포착하고 거리 방향 속도를 구할 수 있다. 수개월에서 수년에 걸친 시간 간격을 통해서는 지표의 융기나 침하와 같이 천천히 일어나는 변화를 정량적으로 관찰할 수 있다. InSAR 기술은 정밀도가 높아 좋은 조건에서는 연간 수 밀리미터 정도의 지표 변위도 관측할 수 있어 지진과 화산 감시에 응용되며, 지상 이동 표적 탐지(GMTI) 역시 같은 원리에 기반한다.

위상 데이터를 활용하여 정보를 추출할 수 있다. 매우 유사한 위치에서 동일한 지형에 대한 두 개의 관측치가 있다면, 합성 개구를 수행하여 두 측정 간의 분리 거리와 같은 크기를 갖는 레이더 시스템에서 얻을 수 있는 해상도 성능을 제공할 수 있다.

두 개의 샘플을 동시에 얻는 경우(예: 약간의 거리를 두고 같은 항공기에 두 개의 안테나를 설치) 위상 차이는 레이더 에코가 반사된 각도에 대한 정보를 포함한다. 이 정보를 거리 정보와 결합하여 이미지 픽셀의 3차원 위치를 결정할 수 있다. 즉, 단일 항공기 통과로 레이더 반사율뿐만 아니라 지형 고도도 추출하여 디지털 표고 모델(DEM)을 생성할 수 있다. 캐나다 원격탐사센터의 한 항공기 응용 프로그램에서는 5m의 해상도와 약 5m의 고도 오차를 가진 디지털 표고 지도를 생성했다. 간섭계는 셔틀 레이더 지형 측량 임무의 데이터를 사용하여 전례 없는 정확도로 지구 표면의 많은 지역을 매핑하는 데 사용되었다.

두 샘플이 시간적으로 분리되어 있는 경우(예: 동일한 지형 위를 두 번 비행) 위상 이동에는 지형 고도와 지형 운동의 두 가지 원인이 있다. 상당한 위상 차이를 유발하는 데 필요한 이동량은 사용된 파장의 크기이다. 즉, 지형이 센티미터 단위로 이동하면 결과 이미지에서 볼 수 있다. 이 방법은 지질학과 지리학에서 강력한 도구로 사용된다. 두 번의 통과로 빙하 흐름을 매핑하거나, 경미한 지진 후 또는 화산 폭발 후의 지표 변형을 보여주는 지도를 만들 수 있다.^[44]^[45]^[46]

SAR 토모그래피는 다중 기준선 간섭계라는 개념의 하위 분야로, 빔 형성 개념을 사용하여 3차원 영상을 제공한다. 정보 검색 중에 SAR 데이터의 크기 및 위상 구성 요소 간에 집중된 위상 문제가 필요할 때 사용할 수 있다. Tomo-SAR의 주요 장점은 산란되는 매개변수를 그들의 움직임이 얼마나 다르든 관계없이 분리할 수 있다는 것이다.^[47] 차분 간섭계와 Tomo-SAR를 함께 사용하면 "차분 토모그래피"(Diff-Tomo)라는 새로운 조합이 개발된다.^[47] Tomo-SAR는 레이더 영상을 기반으로 하는 응용 프로그램을 가지고 있으며, 이는 얼음 부피와 산림 시간적 코히어런스(시간적 코히어런스는 서로 다른 시간에 관찰된 파동 사이의 상관 관계를 설명)를 묘사한다.^[47]

'''간섭 합성개구레이더'''(InSAR)는 동일 지점을 두 곳 또는 두 시점에 걸쳐 관측하여 지표의 표고 및 변화 영상을 얻는 기술로, 현재 지진에 의한 지각 변동 관측 등에 사용되며 응용이 기대되는 기술이다.

; 장점

:* GPS와 달리 지상 관측점이 필요 없으므로 매우 높은 공간 분해능을 실현 가능하다.

:* 사람이 접근하기 어려운 산악 지대, 사막, 극지, 오지도 관측 가능하다.

:* 위성에서 능동적으로 전파를 조사하기 때문에 낮과 밤, 날씨에 관계없이 관측 가능하다.

; 단점

:* 시간 분해능이 낮기 때문에 위성이 지상의 동일한 위치를 조사하는 데 최소 수십 일이 걸린다.

:* 수증기 지연의 영향을 받는다.

:* 위성과 지상 물체 간의 거리 변화를 측정하므로 동서, 남북, 상하의 변위 3성분 관측에는 어려움이 있다.

3. 1. 차분 간섭 기법

차분 간섭 기법(D-InSAR)은 두 개 이상의 SAR 영상과 수치표고모델(DEM)을 이용하여 지표 변위를 정밀하게 측정하는 기술이다. 서로 다른 시기에 획득한 SAR 영상의 위상차를 이용하여 지표 변위를 계산한다.^[44]^[45]^[46] 지진, 화산 활동, 지하수 변화 등으로 인한 지표 변형을 감시하는 데 활용된다.

D-InSAR은 DEM을 추가하여 최소 두 개의 영상을 필요로 한다. DEM은 GPS 측정으로 생성하거나, 영상 쌍 획득 간 시간이 짧아 표적 표면 영상의 왜곡이 최소화될 경우 간섭계측법으로 생성할 수 있다. 일반적으로 유사한 영상 획득 기하학을 가진 지상 영역의 3개 영상은 D-InSAR에 충분하다. 지면 이동 감지 원리는 다음과 같다. 첫 번째 두 영상으로부터 기준 간섭도(지형 간섭도)를 생성한다. 이후 지형과 왜곡을 모두 포함하는 두 번째 간섭도를 생성한다. 두 번째 간섭도에서 기준 간섭도를 빼면 차분 간섭 무늬가 나타나며, 이를 통해 이동을 확인할 수 있다. 이러한 3영상 D-InSAR 생성 기법을 3-패스 또는 이중 차분법이라고 한다.

차분 간섭도에 남아있는 간섭 무늬는 한 간섭도에서 다음 간섭도까지 지상의 변위된 점의 SAR 거리 변화로 인해 발생한다. 각 간섭 무늬는 SAR 파장에 정비례하며, ERS 및 RADARSAT 단일 위상 사이클의 경우 약 5.6cm이다. 위성 관측 방향에서 멀어지는 표면 변위는 경로 차이를 증가시킨다. 신호는 SAR 안테나에서 표적까지 왕복하므로 측정되는 변위는 파장 단위의 두 배가 된다. 즉, 차분 간섭계측법에서 하나의 간섭 무늬 사이클(−π에서 +π) 또는 하나의 파장은 SAR 안테나에 대한 변위가 파장의 절반(2.8cm)에 해당한다.

D-InSAR은 지반 침하 측정, 사면 안정성 분석, 산사태, 빙하 이동 등 다양한 분야에 활용된다. 위성 SAR 상승 패스 및 하강 패스의 차분 간섭계측법을 사용하여 3차원 지면 이동을 추정하는 기술은 GPS 기반 측정과 비교할 수 있는 정확도를 보여주었다.

1999년 미국 캘리포니아주 남부에서 발생한 헥터마인 지진(규모 7.1)의 InSAR 영상. 줄무늬 분포의 어긋남으로부터 단층의 위치를 추정할 수 있다.

4. 편광 기법

레이더파는 편광을 갖는다. 풀과 같은 이방성 물질은 서로 다른 편광을 다른 세기로 반사하며, 어떤 물질은 한 편광을 다른 편광으로 변환하기도 한다. 이러한 특성을 이용하여 동일한 펄스에서 여러 편광 조합(HH, VV, VH)을 방출하고, 특정 편광을 가진 수신 안테나를 사용하여 여러 이미지를 수집할 수 있다. 이렇게 얻은 세 가지 편광(HH-편광, VV-편광, VH-편광)을 합성 이미지의 세 가지 색상 채널로 사용하기도 한다.^[42]

편광계측법의 새로운 개발에는 일부 표면(예: 풀, 모래)의 무작위 편광 반사 변화와, 서로 다른 시간에 같은 위치에서 얻은 두 이미지 간의 변화를 이용하여 광학 시스템으로는 보이지 않는 변화를 탐지하는 것이 포함된다. 예를 들어, 지하 터널이나 차량의 경로를 탐지할 수 있다. 또한, 적절한 물리적 모델링과 완전 편광 및 이중 편광 측정을 통해 향상된 SAR 해상 유류 오염 관측이 개발되었다.

SAR 편광계측법은 인공 및 자연 산란체의 편광 특성 측정 및 분석을 기반으로 지표면, 눈, 얼음, 해양 및 도시 환경에 대한 정성적 및 정량적 물리적 정보를 도출하는 기술이다. 특히, 지형 및 토지 이용 분류는 PolSAR의 가장 중요한 응용 분야 중 하나이다.^[42]

4. 1. 산란 모델

레이더파는 편광을 가지는데, 서로 다른 물질은 서로 다른 세기로 레이더파를 반사한다. 이러한 특성을 이용한 SAR 편광계측법은 산란 행렬(S)을 사용하여 물체의 산란 거동을 식별한다. 산란 행렬은 다음과 같이 표현된다.

S = \begin{bmatrix} S_{HH} & S_{HV} \\ S_{VH} & S_{VV} \end{bmatrix}

여기서 HH는 수평 송신 및 수평 수신, VV는 수직 송신 및 수직 수신, HV는 수평 송신 및 수직 수신, VH는 수직 송신 및 수평 수신을 의미한다. 이 중 $S_{HH}$와 $S_{VV}$는 동일 편광, $S_{HV}$와 $S_{VH}$는 교차 편광이라고 한다.^[38]

프리먼과 더든의 3성분 산란 전력 모델은 PolSAR 영상 분해에 사용되는 방법으로,^[41] 표면 산란, 이중 반사 산란, 체적 산란의 세 가지 물리적 산란 메커니즘을 기반으로 한다.^[41]

반사 대칭 조건이 성립하지 않는 경우, 4성분 산란 모델을 사용하여 PolSAR 영상을 분해할 수 있다.^[42]^[40] 이 모델은 3성분 분해 방법에 나선형 산란 전력 항을 추가하여 비반사 대칭 산란의 경우를 설명한다. 나선형 산란 전력은 복잡한 도시 지역에서 주로 나타난다.^[42]

4성분 산란 모델을 사용한 개선된 방법은 다음과 같은 과정을 거친다.^[43]

1. SAR 데이터에 스페클 감소 필터링을 적용한다.

2. 각 픽셀을 4성분 모델로 분해하여 표면 산란 전력($P_{s}$), 이중 반사 산란 전력($P_{d}$), 체적 산란 전력($P_{v}$), 나선형 산란 전력($P_{c}$)을 결정한다.^[42]

3. 픽셀을 최대 전력에 따라 5가지 클래스(표면, 이중 반사, 체적, 나선형, 혼합 픽셀)로 분류한다.

4. 두 개 또는 세 개의 우세한 산란 전력이 동일한 픽셀은 혼합 범주로 분류한다.

5. 픽셀 수가 거의 같은 약 20개의 작은 클러스터로 나누고 필요에 따라 병합한다(클러스터 병합).

6. 픽셀을 반복적으로 분류하고 각 클래스에 자동으로 색상을 부여한다. (갈색: 표면 산란, 빨간색: 이중 반사 산란, 녹색: 체적 산란, 파란색: 나선형 산란)^[43]

이 방법은 반사 대칭 조건과 비반사 대칭 조건을 모두 포함하며, 혼합 산란 범주를 고려하여 산란 특성을 더 잘 유지한다.

5. 역합성개구레이다 (ISAR)

제거

레이더 안테나의 이동이 아닌, 상대방의 이동이나 자세 변화를 이용하여 해상도를 높이는 '''역합성개구레이다'''(ISAR: Inverse SAR)가 있다.

6. 활용

합성개구레이더(SAR)는 비행 고도와 날씨에 관계없이 고해상도의 원격탐사가 가능하다. SAR은 날씨로 인한 신호 감쇠를 피하기 위해 주파수를 선택할 수 있기 때문이다.^[3]^[4]^[5] 또한, SAR 자체가 조명을 제공하기 때문에 주야간 영상 촬영이 가능하다.

합성개구레이더(SAR)를 사용하여 마젤란 탐사선이 촬영하고 가짜 색으로 채색한 금성의 표면

SAR 영상은 지구 및 다른 행성 표면의 원격 탐사 및 매핑에 광범위하게 응용된다. SAR은 지형, 해양학, 빙하학, 지질학(예: 지형 식별 및 지하 영상) 등 다양한 분야에 활용된다. 또한, 산림의 높이, 생물량 및 삼림 벌채를 파악하는 데에도 사용될 수 있다.

아폴로 계획 당시부터 NASA가 달 탐사 등에 사용해 왔으며, 얻을 수 있는 데이터의 양이 방대하고 처리 연산에 높은 부하가 걸리기 때문에 컴퓨터 처리 능력의 발전에 따라 광범위하게 사용되고 있다.

SAR은 다음과 같은 분야에 활용된다.

행성 탐사 등, 천문학 용도.
지구 관측을 통한 해양 연구, 기상 관측, 지구과학, 재해 예방, 농업, 고고학 등.

대한민국의 차기 다목적 실용위성인 KOMPSAT-5에는 X-밴드 SAR 센서가 탑재되었다.

6. 1. 군사적 활용

합성개구레이더(SAR) 영상은 지구 및 다른 행성 표면의 원격 탐사 및 매핑에 광범위하게 응용되며, 군사 감시(전략 정책 및 전술 평가 포함)에도 유용하다.^[5]

정찰 위성 등, 군사적 목적으로 활용된다.

6. 2. 환경 감시 및 재난 대응

SAR은 기름 유출, 홍수^[7]^[8], 도시 성장^[9] 등 환경을 감시하는 데 유용하다. 또한, 화산 및 지진을 관찰하는 데에는 차분 간섭계측법이 사용된다.^[6]

두 개의 SAR 레이다가 유사한 위치에서 같은 지역을 관측하여 두 SAR 영상을 간섭시키면 지표의 3차원 정보를 얻을 수 있다. 시간 차이를 두고 같은 경로를 따라가면서 같은 지표를 관측하면, 관측되는 간섭위상은 두 관측 사이에 있었던 지표나 목표물의 움직임에 비례한다. 매우 짧은 시간 간격을 두면 자동차나 해파와 같이 빠른 움직임을 포착할 수 있고, 수 개월에서 수 년에 걸친 시간 간격을 통해서는 지표의 융기와 침하와 같이 천천히 일어나는 변화를 정량적으로 관찰할 수 있다. 그 정확도는 사용되는 전자기 파장의 길이에 비례하며, 좋은 조건에서는 연간 수 밀리미터 정도의 지표 변위를 관측할 수 있기 때문에 지진과 화산의 감시에 응용되고 있다.^[44]^[45]^[46]

'''간섭 합성개구레이더'''(InSAR)는 동일 지점을 두 곳 또는 두 시점에 걸쳐 관측하여 지표의 표고 및 변화 영상을 얻는 기술로, 현재 지진에 의한 지각 변동 관측 등에 사용되며 응용이 기대되는 기술이다.

InSAR의 장점과 단점은 다음과 같다.

InSAR 장단점
장점	단점

6. 3. 자원 탐사 및 농업

SAR 영상은 지구 및 다른 행성 표면의 원격 탐사 및 매핑에 광범위하게 응용된다. SAR은 지질학 분야에서 지형 식별 및 지하 영상 촬영에 활용되며, 산림의 높이, 생물량, 삼림 벌채 등을 파악하는 데 사용될 수 있다.^[6] 또한 기름 유출, 홍수^[7]^[8], 도시 성장^[9]과 같은 환경 모니터링에도 활용된다.

7. 대한민국 현황

대한민국의 차기 다목적 실용위성인 KOMPSAT-5에는 X-밴드 SAR 센서가 탑재되었다.^[1]

8. 각국의 SAR

1970년대부터 소련과 미국이 아날로그 처리 방식의 합성개구레이다 위성을 여러 차례 발사했지만, 최초의 민간용 SAR 인공위성은 1978년 미국이 발사한 시샛(SEASAT)이었다. 1990년대에는 유럽의 ERS-1/2, 일본의 JERS-1, 캐나다의 RADARSAT-1 등 SAR 센서를 장착한 위성이 발사되었다. 2000년에는 부분 편광 관측이 가능한 유럽의 ENVISAT, 2006년에는 JERS-1의 후속인 일본의 ALOS가 발사되었다. 2007년에는 독일의 테라사-X(TERRASAR-X)와 캐나다의 RADARSAT-2가 발사되었으며, 이들은 ALOS와 함께 완전 편광 관측이 가능한 2세대 SAR 센서들이다.

대한민국의 차기 다목적 실용위성인 KOMPSAT-5(아리랑 5호)에는 X-밴드 SAR 센서가 탑재되었다.

AIRSAR : 미국 NASA JPL
E-SAR : 독일 DLR
PI-SAR : 일본 JAXA
RAMSES : 프랑스 ONERA
KOMSAR : 대한민국 국방과학연구소
NEXSAR : 대한민국 LIG넥스원
EL/M-2055 : 이스라엘 IAI 사
KPU-STC : 대한민국 한국산업기술대학

미국 항공우주국 제트추진연구소(JPL)가 1978년에 발사한 해양관측위성 시샛(Seasat), 우주왕복선의 셔틀 레이더 위상측량 임무(Shuttle Radar Topography Mission), 금성 탐사선 마젤란(Magellan)에 탑재되었다. 일본에서는 지구자원위성 후요 1호(ふよう1号), 지구관측위성 다이치(だいち), 정보수집위성 등에 탑재되었다.

참조

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