레이다(RADAR)란 무엇일까?

RADAR란?

 레이다는 'radar detection and ranging'의 약자로 전자기파를 송신하고 반사된 수신파를 수학적, 물리적으로 분석하여 객체, 객체까지의 거리, 속도 등을 탐지하는 시스템이다.

 

왜 레이더를 이용해 관측할까?

 관측 위성으로 크게 광학 위성, SAR 위성 등 이 있다.

광학 위성은  햇빛에 반사된 빛을 위성이 받아 광학 센서가 빛을 있는 그대로 필름이나 CCD로 받아들여 영상으로 만들어준다. 하지만 밤이 되면 햇빛이 부족해져 광학 위성의 작동이 어려워진다. 

 

 반면에 SAR 위성은 전자파를 이용한 것으로 기상조건에 무관하게 일정한 수준의 영상자료를 지속적으로 획득할수 있는 이점이 있다.

SAR에 대해서는 추후에 자세하게 설명하겠다.

 

 위성에서 전자파를 방출하고 수신된 신호들을 정합하여 영상을 볼 때, 객체의 반사면 굴곡, 유전 상수, 수분 함량, 구조물 모양, 경사면, 입사각에 따라 반사도가 달라진다. 예를 들어 집과 같은 경우는 반사도가 높아 밝게 보이고, 강 같은 경우는 반사도가 낮아 어둡게 보이는 것이다.

동일 지역을 광학, SAR 위성으로 관측한 모습

 

 광학 센서의 경우 0.4-0.7mm의 낮은 파장대를 사용하는 반면 전자파는 0.1~100cm로 파장대역이 크다. 그래서 가시광선 대역에 비해 정보 수집의 범위가 다양하다. 또 선택하는 파장에 따라 객체에서 반사되는 정도가 달라지므로 사용자가 원하는 정보를 선택할수 있다는 있다는 것 또한 장점이다.

 

 

전자파 영상 요소

입사각(Incident Angle)

 

 입사각은 레이다의 빔과 대상의 수직면이 이루는 각도로 입사각이 작으면 레이다 빔이 대상의 표면에 수직으로 떨어지는 것이므로 지형의 세부정보를 더 정확하게 얻을수 있다.  레이다는  다양한 입사각에서 데이터를 수집하여 여러 관점에서의 정보를 얻음으로써 지형 모델링 및 대상 특성을 파악할수 있다.

 

 

전자파 파장

 대부분 Remote-Sensing 레이다는 0.5cm ~ 75cm 대역의 파장을 사용하고 일반적으로 전자파의 파장은 투과력과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어 주파수가 증가하여 파장이 감소하면 투과력이 떨어진다. 빛이 투과력이 없는 이유가 파장이 매우 짧기 때문이다.

 

C-Band(파장 : 3.8 ~ 7.5cm), L-Band(파장 : 15 ~ 30cm)를 비교할 때 파장이 낮은 C-Band의 경우 투과력이 낮고 L-Band의 경우 투과력이 높아 농지의 지표 부분의 특징이 더 드러난다.

 

 

편파(Polarization)

 레이더의 편파(Polarization) 특성은 전자파가 진행할 때 진동 방향이나 진폭이 어떻게 정렬되는지를 나타내는 것으로 전자파를 어떻게 보내고 받느냐에 따라 하나의 주파수를 쓰지만 완전히 다른 두 개의 주파수를 쓰는것과 같은 효과를 얻을수 있다.

다른 편광 특성의 전자파에 따른 영상

 

 같은 지역을 다른 편파의 전자파로 보았을 떄(HH: 수평편파, VV:수직편파) 다르게 보인. 위의 경우를 보면 예를 들어 HV의 경우 수평으로 전자파를 보내고 수직으로 신호를 받는데 HH에서 잘 보였던 지역이 하나도 안보이는 지역이 있는가하면 여전히 잘보이는 지역도 있는 것을 확인할수 있다. 이를 역이용해 HH를 쓰느냐, HV를 쓰느냐로 어떤 지형의 특성을 파악할 수 있다. 

 

 

반사파 특성

 레이다는 어떤 전자파를 쏘고나서 받은 신호를 분석하는데,

Specular 반사파 : 매끄럽고 균일한 표면에서 발생하는 규칙적인 반사로 강, 금속 표면, 유리 표면 등에서 발생한다.

Diffuse 반사파 : 거칠고 불규칙한 표면에서 랜덤하게 발생하는 반사로 잡초, 나무 등에서 발생한다.

 

Corner Reflection :  주로 인위적인 지형에서 발생하고 레이더 신호가 두 개 이상의 표면(ex: 도심지역의 빌딩, 탱크, 자동차 등) 에 의해 반사될 때 발생하는 현상으로 강한 반사 신호를 형성해서 도심 환경, 군사작전에 많이 활용된다.  

 

펄스

 레이다에서 사용하는 주요 신호 유형으로 크게 CW(Continuous wave)와 펄스(Pulse) 레이다가 있다.

연속파(CW: Continuous wave) 는 연속적인 신호를 방출하면서 근접 거리 탐지 또는 도플러 효과를 이용한 속도 측정에 사용된다.

펄스 레이다는 짧은 펄스 형태의 신호를 주기적으로 방출하여 대상에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 대상의 거리를 측정하거나 방향 또는 속도 등의 정보를 측정한다.

 

참고 문헌 : 

Qing, Y., Zhu, J., Feng, H., Liu, W., & Wen, B. (2023). "Two-Way Generation of High-Resolution EO and SAR Images via Dual Distortion-Adaptive GANs." Remote Sensing, 15(7), 1878.

Hagensieker, R., & Waske, B. (2018). "Evaluation of Multi-frequency SAR Images for Tropical Land Cover Mapping." Remote Sensing, 10(2), 257.