호수 얼음의 상변화에 따른 마이크로파 산란특성 Microwave Scattering Properties of Lake Ice During Phase Change

1. 호수 얼음의 상변화에 따른 마이크로파 산란특성Microwave Scattering Properties of Lake Ice During Phase Change 강원대학교 지구물리학과 원격탐사연구실 한향선, 이훈열

2. 발표 순서 • 서론 • 마이크로파 산란계 및 후방산란계수 • 현장 실험 및 결과 • 마이크로파 산란 모델링 및 결과 • 결론

3. 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

4. antenna cables incidence angle beam width (15°) notebook VNA stand GPIB-USB Lake ice surface Microwave Scatterometer • HH Polarization Square Horn Antenna • Center frequency: 5.3 GHz (C-band) • Band width: 600 MHz • Spatial resolution: 25 cm

5. 후방산란계수 • 후방산란계수 • 단위 면적 의 RCS중에서 안테나로 되돌아오는 양 • 지표면의 거칠기, 수분함량, 마이크로파 입사각 등에 의해 결정 • 표면의 거칠기와 수분함량이 클수록 증가 • 안테나에서 송신한 마이크로파가 지표면에서 산란되어 되돌아오는 신호의 파워

6. 후방산란계수 • VNA가 측정하는 신호의 크기 는 송신 마이크로파 전압 에 대한 수신 마이크로파의 전압 • VNA가 측정한 신호의 크기 와 후방산란계수와의 관계

7. 현장 실험 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 현장에서 촬영된 동결된 호수 표면

8. 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

9. 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

10. 현장 실험 결과 First return (surface scattering) 얼음 표면에 물 도포

11. 현장 실험 결과 first return (surface scattering) 얼음 표면에 물 도포 영하의 온도로 인한 얼음 표면 물의 결정화 second return (ice/water interface scattering)

12. 현장 실험 결과 First return (surface scattering) 얼음 표면에 물 도포 영하의 온도로 인한 얼음 표면 물의 결정화 기온이 영상으로 상승하면서 얼음 표면에 해빙 현상 발생

13. 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 (Fung, 1994)

14. 얼음의 마이크로파 산란 모델링 • Volume scattering • 얼음 내부의 기포에 의해 발생 • 얼음의 알베도와 광학두께, 투과계수, 기포의 크기 및 양에 의해 결정 (Fung, 1994)

15. 얼음의 마이크로파 산란 모델링 • Ice/water interface scattering • 얼음/물 경계의 거칠기와 유전율, 얼음의 광학두께에 의해 결정 (Fung, 1994)

16. Ice model

17. 모델링 결과 RMSE=1.098 dB

18. 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

19. 감사합니다.