거친 바다표면의 마이크로파 반사 계산을 위한 이론적 모델 정확도 검증

박신명(Sinmyong Park),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2017 한국전자파학회논문지 Vol.28 No.10

본 논문에서는 거친 바다표면의 마이크로파 반사를 계산할 수 있는 이론적 모델의 정확도를 검증한다. 우선 Pierson-Moskowitz 해양 스펙트럼을 이용하여 거친 바다표면을 생성하였다. 생성된 바다표면의 유의파고와 유효높이(root-mean square height)값을 추정하여 풍속에 따른 유의파고, 유효높이 관계식을 유도하였고, 다른 측정 데이터들과 비교하였다. 수치해석적 방법을 이용하여 다양한 거칠기 조건(풍속)에서 생성된 바다표면의 반사계수를 계산하였고, 기존에 반사계수를 계산하기 위해 사용하는 이론적 모델인 Ament 모델, PO(Physical Optics) 모델, GO(Geometrical Optics) 모델, B-M(Brown-Miller) 모델과 비교하였다. 비교적 거칠기가 매우 낮은 경우(khrms<0.4, k는 파수, hrms는 RMS 높이) 외에는 Ament 모델은 정확하지 않았다. 또한 거칠기가 크지 않은 바다(khrms<10)에서는 PO, GO, B-M 모델들의 정확도가 보장되지만, 풍속이 높아 거칠기가 높은 바다(khrms>10)에서는 입사각이 70° 이하에서는 PO 모델과 GO 모델이 수치해석결과와 비교적 잘 일치하였으며, 80° 이상에서는 B-M 모델이 수치해석 결과와 비교적 잘 일치함을 보였다. This paper presents the verification of accuracies of theoretical models for calculating the microwave reflections from rough sea surfaces. First of all, the Pierson-Moskowitz ocean spectrum was used to generate the rough sea surfaces. Then the relationship between the significant wave heights, root-mean-square(RMS) heights and wind speed was derived by estimating the significant wave heights and RMS heights of the generated sea surfaces according to various wind speeds, and compared the derived relationship with other measurement data sets. The reflection coefficients of the sea surfaces were calculated by using a numerical method(the moment method). Then, the numerical results were compared with Ament model, PO(Physical Optics) model, GO(Geometrical Optics) model and B-M(Brown-Miller) model for various roughness conditions(wind speed) and incidence angles. It was found that the Ament model is not accurate except for a very low roughness conditions(khrms<0.4, k is wavenumber and hrms is RMS height). It was also found that at incidence angles lower than 70°, the PO and the GO models agree well with the numerical results, while the B-M model agrees well with the numerical analysis results at incidence angles higher than 80° for very rough sea surfaces with khrms>10.

레이다를 이용한 토양 수분함유량 측정에서 초목 층의 영향 분석

박신명(Sinmyong Park),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2016 한국전자파학회논문지 Vol.27 No.7

본 논문에서는 초목 층 산란모델과 지표면 산란 모델을 이용하여 초목 층에서 수분함유량 측정에 초목 층과 레이다 파라미터가 갖는 영향에 대하여 분석하였다. 1<SUP>st</SUP>-order RTM(Radiative Transfer Model)을 이용하여 여러 상태의 초목 층밀도와 입사각, 주파수, 편파를 갖는 데이터베이스를 생성하고, WCM(Water Cloud Model)과 Oh 모델을 이용하여 후방산란계수로부터 지표면 수분함유량을 추출하였다. 수분함유량 추출 에러를 예측하기 위해 추출한 수분함유량과 RTM의 입력 변수인 수분함유량을 비교하였다. 수분함유량 추출 에러로부터 초목 층에서의 수분함유량 측정에서 초목 층 밀도와 입사각, 주파수, 편파에 따른 초목 층과 레이다 파라미터의 영향을 분석하였다. This paper presents the effect of vegetation layer and radar parameters on soil moisture measurement using the vegetation layer scattering model and surface scattering model. The database of backscattering coefficients for various vegetation layer densities, incidence angles, frequencies, and polarizations is generated using 1<SUP>st</SUP>-order RTM(Radiative Transfer Model). Then, surface soil moisture contents were estimated from the backscattering coefficients in the database using the WCM(Water Cloud Model) and Oh model. The retrieved soil moisture contents were compared with the soil moisture contents in the input parameters of the RTM to estimate the retrieval errors. The effects of vegetation layer and radar parameters on soil moisture measurement are analyzed using the retrieval errors.

1차 Radiative Transfer 모델의 입력 변수 민감도 조사를 통한 농림 지역의 간단한 마이크로파 산란 모델 개발

박신명(Sinmyong Park),손성환(SungHwan Sohn),문현욱(Hyun-Wook Moon),유동길(Dong-Gil Yoo),강연덕(Yeon-Duk Kang),오이석(Yisok Oh) 한국전자파학회 2020 한국전자파학회논문지 Vol.31 No.4

본 논문에서는 농림지역에서 마이크로파 후방산란 계산에 사용할 수 있는 1차 RT(radiative transfer) 모델의 입력 변수 민감도 조사를 통해 입력 변수의 수를 줄여 개발한 간단한 마이크로파 산란 모델을 제시한다. 먼저 1차 RT 모델을 사용하여 다양한 초목과 표면 조건에 대한 광범위한 마이크로파 후방산란 계수 데이터베이스를 생성한다. 이 데이터베이스는 COSMO-SkyMed SAR(synthetic aperture radar)와 HPS(Hongik polarimetric scatterometer)에 의해 획득된 농림 지역의 후방 산란 계수와 기존 산란 모델에 의해 계산된 후방산란 계수와 현장 실측 데이터로 구성된다. 현장 실측 데이터를 기반으로 초목이 가질 수 있는 입력 변수의 최소와 최대값을 설정하여 그에 따른 후방산란 계수를 계산하였다. 또한 GSA(global sensitivity analysis) 기법을 사용하여 입력 변수의 민감도를 조사하였다. 초목과 표면, 주파수 등 32개 입력 변수의 다양한 범위에 대해 계산된 민감도를 기반으로 총 32개의 입력 변수 중 12개의 입력 변수를 선택하였다. 선택된 12개의 입력 변수만을 사용하여 1차 RT 모델로 후방산란 계수를 계산하였으며, 측정 데이터와 비교하였다. 측정 데이터와 기존 1차 RT 모델 간의 RMSE(root mean square error)는 약 0.91 dB이며, 간단한 산란 모델 간의 RMSE는 약 0.95 dB이다. 간단한 산란 모델의 입력 변수는 약 1/3로 줄었지만 정확도는 유지되는 것을 확인할 수 있다. This paper presents a simple microwave backscattering model achieved by reducing the number of input parameters, based on sensitivity examinations of the input parameters of the 1<SUP>st</SUP>-order radiative transfer(RT) model. The proposed model can be used to compute the microwave backscattering coefficients in agricultural areas. First, we generated an extensive database of microwave backscattering coefficients corresponding to various vegetation and surface conditions, using the 1<SUP>st</SUP>-order RT technique. This database comprises the backscattering coefficients of agricultural areas acquired via COSMO-SkyMed synthetic aperture radar and the Hongik polarimetric scatterometer and also the backscattering coefficients computed using existing scattering models and in-situ measured ground-truth data corresponding to radar data. Subsequently, we examine the sensitivity of the input parameters based on the difference between backscattering coefficients and global sensitivity analyses. Among a total of 32 input parameters, based on the sensitivities calculated for various vegetation types, frequencies, and ranges, 12 input parameters of the RT model exhibited the highest sensitivity. Thereafter, we verified the accuracy of the proposed simple scattering model for agricultural areas. The root mean square error(RMSE) between the measurement data and the simple model is approximately 0.95 dB, whereas the RMSE between the measurement data and the 1st-order RT model is 0.91 dB. Although the number of input parameters for the simple model is reduced by approximately one third, the accuracy of the scattering model is maintained.

수치표고모델 기반 레이다 지형 클러터 신호 생성 방안

공영주(Young-Joo Kong),박신명(Sinmyong Park),문현욱(Hyun-Wook Moon),손성환(Sung-Hwan Sohn),장윤희(Youn-Hui Jang),양은정(Eunjung Yang) 한국전자파학회 2024 한국전자파학회논문지 Vol.35 No.2

수치표고모델을 이용하여 지형 클러터를 모의하는 데에는 긴 연산 시간을 필요로 하기 때문에 지형 클러터 모의 환경에서의 레이다 성능 시험 및 개선에는 어려움이 있다. 이에 본 논문에서는 레이다의 위치와 시야각에 따른 지형 클러터의 RCS 및 거리를 미리 계산해놓은 후 수신 클러터 신호를 생성하는 방안을 제안하였다. 수치표고모델을 레이다 상황에 적용하여 빔 조사면을 계산하였고, 빔이 조사된 영역에 대해서 RCS를 계산하는 방안으로 지형 클러터를 모델링하였으며, 이를 레이다 시야각에 매핑하였고, 그 결과를 통해 지형 클러터 신호를 생성하는 방안에 대해 기술하였다. Simulating terrain clutter using a digital elevation model requires a long computational time, making it difficult to test and improve radar in a terrain-clutter simulation environment. This paper proposes a scheme for generating a received clutter signal after calculating in advance the distance and RCS of the terrain clutter according to the position and field of view of the radar. The beam-illuminated area was calculated using a digital elevation model of the radar conditions. The terrain clutter was modeled for the area where the beam was radiated. It was mapped to the radar field of view, and a scheme for generating the terrain clutter signal was developed.

포토닉스 기반 FMCW 레이다 송수신 시스템 설계

류성준(Sungjun Yoo),김민철(Minchul Kim),박신명(Sinmyong Park),경민구(Min-Gu Kyung),장성훈(Sunghoon Jang),신진우(Jinwoo Shin) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.10

본 논문에서는 광소자를 이용하여 포토닉스 기반 FMCW 레이다 송수신 시스템을 설계 및 제작하고, 연동시험과 야외 환경에서 통합시험을 통해 그 성능을 검증하였다. 구현된 포토닉스 기반 레이다 시스템은 고해상도 ISAR 영상을 위해 기존 RF 신호 생성 방식에서는 기술의 제한이 있는 X-band 중심주파수의 20 %에 해당하는 대역폭을 갖는 LFM 파형을 광전변환 모듈을 이용하여 생성하고, 반사된 광대역 표적신호를 광소자를 이용하여 직접 처리한다. 실방사 시연을 위해 RF 출력전력은 장거리모드용 7 W, 단거리모드용 100 mW로 설정하였다. 모의표적장치를 이용하여 탐지추적 시험을 수행하였고, RCS 10 ㎡ 표적에 대해 탐지거리 성능을 확인하였다. 실표적 드론을 이용하여 X-band의 20 %의 대역폭을 갖는 LFM 파형으로 해상도 7.5 cm의 고해상도 ISAR 영상을 획득하였다. 본 연구를 통해 국내 포토닉스 기반 레이다의 기술 확보와 탐지/추적 및 ISAR 영상용 FMCW 레이다 기술 개발에 활용이 가능함을 확인하였다. Photonics-based radar system is designed and fabricated for X-band frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar with optical devices, and it is demonstrated by conducting system integration and far-field tests. The photonics-based radar system generates broadband linear frequency-modulated (LFM) signals with a bandwidth that is 20% of the X-band of the center frequency for high-resolution inverse synthetic-aperture radar (ISAR) images by using an electro-optical modulator. It directly processes broadband target signals with photonics devices. To perform a field test using the proposed photonics-based radar transceiver system, the output powers for the long-range and short-range modes were designed to be 7 W and 100 mW, respectively. The far-field test confirmed a detection range of the simulated target with a 10-㎡ radar cross section (RCS). A drone ISAR image with a 7.5-cm high-range resolution is achieved by applying broadband LFM signals with a bandwidth that was 20 % of the X-band. The result of this study can enhance the ability to design photonics-based radar systems and assist the development of FMCW radar for detection, tracking, and ISAR images.