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Use of Numerical Simulation for Water Area Observation by Microwave Radar
요시다타케로,임창규,Yoshida, Takero,Rheem, Chang-Kyu The Korean Society for Marine Environment and Ener 2012 한국해양환경·에너지학회지 Vol.19 No.2
수면에서의 마이크로웨이브 후방산란 수치 시뮬레이션 기법을 개발하였다. 수치 시뮬레이션은 수조나 실해역 실험의 대체수단으로서, 수면에서의 마이크로웨이브 후방산란 과정의 이해, 마이크로웨이브 레이더를 이용한 수면 관측시스템과 관측방법의 평가에 이용된다. 이 논문에서는 다양한 수면 조건에 대한 수치 시뮬레이션의 적용 예와 수치 시뮬레이션의 유용성에 대해서 기술하였다. 적용 예로서, 고정안테나 펄스 도플러 레이더의 1) 도플러 이미지, 2) 레이더 조사폭 영향, 3) 하천 수위 관측과, 4) 합성 개구 레이더 (SAR) 의 해면 이미지를 보여준다. 해면으로부터의 마이크로웨이브 후방산란 수치 시뮬레이션을 통하여, 1) 파랑계측에 있어서 펄스 도플러 레이더의 주파수 변조 이미지가 진폭 변조 이미지에 비해서 유용함을 보였다. 2) 연속파 레이더를 이용한 파랑계측에 있어서의 레이더 해면 조사폭의 영향에 대한 Rheem[2008]의 보고와 관련해, 레이더 조사폭이 도플러 스펙트럼에 미치는 영향을 조사하여, 파랑계측에 적합한 레이더의 조사 조건을 보였다. 3) 펄스 도플러 레이더를 이용한 해면 조위관측 알고리듬을 하천의 유속과 수위 추정에 응용함에 있에서, 알고리듬의 적용성과 계측성능을 평가했다. 4) SAR 이미지 생성 메케니즘의 이해와 SAR 이미지를 이용한 해면 관측 알고리듬의 평가를 위해, 수치 시뮬레이션을 이용하여 해면의 SAR 이미지를 생성하였다. Numerical simulation technique has been developed to calculate microwave backscattering from water surface. The simulation plays a role of a substitute for experiments. Validation of the simulation was shown by comparing with experimental results. Water area observations by microwave radar have been simulated to evaluate algorithms and systems. Furthermore, the simulation can be used to understand microwave scattering mechanism on the water surface. The simulation has applied to the various methods for water area observations, and the utilizations of the simulation are introduced in this paper. In the case of fixed radar, we show following examples, 1. Radar image with a pulse Doppler radar, 2. Effect of microwave irradiation width and 3. River observation (Water level observation). In addition, another application (4.Synthetic aperture radar image) is also described. The details of the applications are as follows. 1. Radar image with a pulse Doppler radar: A new system for the sea surface observation is suggested by the simulation. A pulse Doppler radar is assumed to obtain radar images that display amplitude and frequency modulation of backscattered microwaves. The simulation results show that the radar images of the frequency modulation is useful to measure sea surface waves. 2. Effect of microwave irradiation width: It is reported (Rheem[2008]) that microwave irradiation width on the sea surface affects Doppler spectra measured by a CW (Continuous wave) Doppler radar. Therefore the relation between the microwave irradiation width and the Doppler spectra is evaluated numerically. We have shown the suitable condition for wave height estimation by a Doppler radar. 3. River observation (Water level observation): We have also evaluated algorithms to estimate water current and water level of river. The same algorithms to estimate sea surface current and sea surface level are applied to the river observation. The simulation is conducted to confirm the accuracy of the river observation by using a pulse Doppler radar. 4. Synthetic aperture radar (SAR) image: SAR images are helpful to observe the global sea surface. However, imaging mechanisms are complicated and validation of analytical algorithms by SAR images is quite difficult. In order to deal with the problems, SAR images in oceanic scenes are simulated.
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Simulation and Evaluation of Sea Surface Observations Using a Microwave Doppler Radar
요시다타케로,임창규,Yoshida, Takero,Rheem, Chang-Kyu The Korean Society for Marine Environment and Ener 2015 한국해양환경·에너지학회지 Vol.18 No.2
해면으로부터의 마이크로웨이브 후방산란 시뮬레이션을 이용하여 마이크로웨이브 도플러 레이더에 의한 파고와 해면 흐름 관측법을 평가하였다. 해면으로부터 후방산란하는 마이크로웨이브의 도플러 스펙트럼은 마이크로웨이브 해면 조사폭과 스펙트럼 해석 시간폭의 영향을 받는다. 본 연구에서는 마이크로웨이브 해면 조사폭과 스펙트럼 해석 시간폭의 영향을 조사하기 위하여, 다양한 파랑과 해면 흐름 조건의 수치 해면 생성과 마이크로웨이브 후방산란 시뮬레이션을 통하여 도플러 스펙트럼을 구하였다. 결과에 의하면 마이크로웨이브 해면 조사폭을 파장의 1/5이하, 스펙트럼 해석 시간폭을 파주기의 1/5이하로 설정하면, 충분한 정도의 파고계측이 가능하다. 또한, 파주기에 비해서 충분히 긴 스펙트럼 해석 시간폭을 설정하면 해면 흐름의 상대유속 계측이 가능하다. 시뮬레이션을 이용하여 마이크로웨이브 도플러 레이더에 의한 해면관측의 적절한 계측방법을 찾을 수 있다. A simulation is applied to evaluate sea surface observations such as wave heights and surface currents by using a microwave Doppler radar. It is reported that the microwave irradiation width on the sea surface and Fourier transform time taken to sample data for frequency analysis affect Doppler spectra. To investigate the influences by these parameters, Doppler spectra are simulated with various numerical sea surface waves with currents. From the results, in the case of the microwave irradiation width is five times smaller than the wavelength of the sea surface wave, and the Fourier transform time is also five times shorter than the period of the sea surface wave, there is a possibility to measure wave heights accurately with a Doppler radar. In addition, relative surface currents can be estimated by analysis of long Fourier transform time. The simulation results showed the appropriate observing conditions with a microwave Doppler radar.
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