Ku-band 파랑 레이다 신호 기반 칼만 필터를 적용한 연·근해안 파랑 상태 추정에 관한 연구 = A Study on Nearshore and Offshore Wave State Estimation using a Kalman Filter Based on a Ku-band Wave Radar Signal

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 제한된 해양 관측정보 환경에서 연·근해안의 파랑 상태를 공간적으로 추정하기 위한 기법을 제안한다. 제안된 기법은 2차원 천수방정식을 기반으로 상태공간 모델을 구성하고, 칼만 필터를 적용하여 유의파고와 수평 유속의 시·공간적 변화를 실시간으로 추정한다. 해석 영역은 3×3 격자로 설정하였으며, Ku-band 파랑 레이다 신호와 USS 파도 움직임 관측 자료로부터 취득한 유의파고 및 표층류 정보를 관측자료로 사용하였다. 레이다 관측은 단일 지점으로 제한된 상황을 가정하고, 이산화된 천수방정식을 이용하여 인접 격자의 파랑 상태를 재구성하였다. 또한 관측값에 포함된 스파이크 및 이상치로 인한 필터 발산을 방지하기 위해 간단한 전처리와 공분산 가중을 적용하여 추정 안정성을 확보하였다. 약 24시간 분량의 실해역 레이다 자료를 분석한 결과, 관측 및 비관측 인접 격자에서의 파고 추정 오차(RMSE)는 약 0.4 m 내외로 나타났다. 본 기법은 제한된 관측 조건에서도 연·근해안 파랑 정보를 공간적으로 확장할 수 있음을 보여주며, 향후 해안침식 평가, 연안 변화 모니터링 및 항만·연안 관리 지원을 위한 파랑 상태 추정 프레임워크로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a method for spatially estimating wave states in nearshore and coastal regions with limited marine observation data. The approach constructs a state-space model based on the two-dimensional shallow-water equation and applies a Kalman filter to sequentially estimate spatiotemporal variations in significant wave height and horizontal velocities. The computational domain is configured as a 3×3 grid. Input data consists of observations of significant wave height and surface currents obtained from a Ku-band wave radar signal and USS wave moving measurements. Radar observations are assumed to be available at a single location, and wave states at adjacent grid cells are reconstructed using the discretized shallow-water equation. Additionally, simple preprocessing and covariance weighting are applied to suppress filter divergence caused by spikes and outliers in the observations, thereby enhancing estimation stability. Analysis of approximately 24 hours of real-world radar data shows that the root mean square error (RMSE) of wave height estimation at both observed and unobserved adjacent grid cells is approximately 0.4 m. These results demonstrate that the proposed method can spatially extend wave information even under limited observation conditions, serving as a valuable wave-state estimation framework to support coastal erosion assessment, coastal change monitoring, and port and coastal management.