(An) efficient technique to estimate and correct the stray light effect in geostationary ocean color imager (GOCI)

국문 초록 (Abstract)

세계 최초 정지궤도 해양관측위성인 GOCI 는 하루 주간 8회 한반도와 주변 영역을 16개 슬롯 단위로 관측을 하고, 광학계는 비축 삼반사경 (TMA) 형태로 구성되어 있으며, 광학계와 검출기 사이에 2개의 필터를 사용하여 412 ~ 865 nm의 분광 대역을 8개의 밴드로 촬영한다. 2010년도에 발사되어 현재까지 운용 중에 있는 이러한 GOCI 광학계에 대해서, 본 논문은 운영 중 문제점으로 파악된 궤도상 잡광의 영향을 분석하고, 이를 제거하여 영상의 품질을 향상 시키는 방법을 기술하였다.
GOCI의 촬영 방식의 특성과 광학계 내부 구조의 산란에 의해서 특정 밴드의 경우 약 20% 편차까지 나타나는 슬롯 간 복사 편차(ISRD)라는 문제가 발견되었다. 기존 측정과 보상 방법에서는 고스트/잡광 문제에 대해 최종 산출물을 대상으로 밴드 간 최소 변화량 함수를 이용하였다. 영상 자체를 보정하는 방법은 품질을 조정을 용이한 장점을 가지지만, 의도치 않은 신호 값에 영향을 주거나, 노이즈의 원천적인 원인을 규명하지 못하고, 해수 신호에만 적용 가능하다는 단점을 가진다. 구름이 많거나, 육상 지역의 보정에는 적용이 불가능하였다. 이러한 단점을 보완하고자 노이즈를 발생시키는 원인을 분석하고, 그 양을 정밀하게 계산할 수 있는 방법이 필요하였다.
따라서, 본 논문에서는 앞에서 제시된 난제를 해결하기 위하여 통합적 광선 추적 기법을 이용하여 ISRD를 만들어 내는 잡광과 고스트의 경로를 확인하였다. 통합적 광선 추적 방법은 3가지 수치모사 단계(광원, 목표, 기기)로 이루워져 있으며, 원격탐사 환경을 실질적으로 묘사하였다. 그 결과, 맑은 날 영상의 수치모사에서 디퓨젼 잡광 형태가 각 슬롯 영상의 남쪽 하단에 발생하는 것을 확인하였고, 구름 영상은 구름의 이동 경로에 따라 그 영향 또한 이동한다는 사실을 밝혔다.
더불어, GOCI에서 발생하는 ISRD의 형상과 그 양을 보정하기 위하여, 지상 시험 데이터와 시뮬레이션 결과를 융합한 잡광 보정 방법이 제시되었다. 이 ESM (Effective Stray light distribution Map) 모델은 DSM (Diffusion Stray light distribution Map)과 GSM (Ghost based stray light distribution Map) 이로 이뤄져 있다. 이 모델을 이용하여 슬롯 간 복사 편차의 원인 중의 하나인 잡광을 보정한 결과를 제시하였다. 원 영상에서 절대 편차량(APD) 기준 약 20% 가량의 슬롯 간 편차가 밴드 6번 영상에서 3% 정도까지 줄어드는 등 획기적으로 영상이 보정됨을 확인하였다.
본 논문에서 제시한 통합적 광선 추적을 기반으로 한 잡광 보정 기법은 기존의 방법에서 파악하지 못했던 기기 자체의 문제 요소를 분석하고, 최종 영상의 품질까지 개선하였다는 점에서 보다 진보된 보정 기술이라 할 수 있다. 1%의 불확도에도 민감한 해양 센서의 성격으로 볼 때, 본 기술은 복사 보정 단계에서 적용되어 센서 측정 불확도를 낮출 것으로 기대된다. 또한, 이는 GOCI에 특화되어 현업에서 사용 가능한 기술로써, 활용성 측면에서도 가지는 의의가 크다. 또한 나아가 차세대 위성(ex, 정지궤도 복합위성, 차세대 중형위성)의 궤도상 운영 기술과 영상 전처리 과정에서 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), the first optical sensor in geostationary orbit for monitoring the ocean environment around the Korean peninsula, has acquired 16 slot images to develop one mosaiced image. The optical system of GOCI is of three-mirror-anastigmat (TMA) type, with two filter wheel systems covering a spectral range of 412 -- 865 nm. For the optical performance of GOCI during the operation period since 2010, this thesis has described the in-orbit stray light analysis and correction method for improving the image quality.

GOCI has suffered from stray light effects, which are radiometric artifacts, called inter-slot radiometric discrepancy (ISRD), with 20% difference at the most, caused by instrumental multiple reflection and due to environmental reasons. Previous research on ISRD dealt with the difference phenomena in the final products with the minimum noise fraction algorithm to correct the images. This algorithm is efficient for generating a continuous slot boundary image, but not for determining the cause of the stray light effect. In addition, this method can be applied to the ocean signal only, and not cloudy scenes and the land surface. To address the demerits of the previous researches, an accurate and quantitative methodology is required to analyze the cause of stray light effect and to calculate its amounts.

In this thesis, to characterize and determine the stray light anomaly, a ray tracing based simulation model (IRT) has been developed, which reveals the principle ray path and the cause of the stray light effect. IRT consists of three simulation phases (source, target, and instrument), which enable the construction of a real environment from the remote sensing data, focusing on realistic phenomena. In the results, even in a cloud-free environment, a diffusion stray light pattern is identified at the bottom of each slot. Variations in the stray light effect and its pattern according to the bright target movement are simulated.

Furthermore, to reduce the artifacts' shape and quantities of stray light effect in the GOCI L1A images, this paper proposes the fussed in-orbit stray light correction methodology. This model, called the effective stray light distribution map (ESM), comprises two sub-models: a diffusion stray light map (DSM) simulated using an IRT, and a ghost based stray light effect map (GSM) developed by running a semi-analytical algorithm with on-ground experimental test data. ESM is applied to a level 1A (L1A) slot image, to produce the corrected values with top-of-atmosphere (TOA) radiance. The resultant corrected radiances are lower in terms of absolute percentage of difference (APD) of the validation points from 20% to 3% in the band-6 image.

The results of this thesis show that the proposed method improves the radiometric performance of GOCI images by separating the bias associated with stray light. Contrary to the previous correction methods, the ESM method has greater significance to reveal and correct the in-orbit stray light effect with physical meaning. In the future, it can be developed as a simple and general methodology with regard to step-and-stare type sensor data such as GOCI-II, and applied to any sensor that suffers from similar stray light effects.