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| 국가정보원에서 공개한 러시아 태평양함대의 북한군 해상 수송 정황(10월 12일)[1] |
1. 개요
SAR(Synthetic Aperture Radar).2. 사용
레이더 펄스를 이용해 대상물(주로 지상)의 형상을 이미지화하기 위한 기술이다. 주요 탑재체로는 저궤도 인공위성, 항공기, 드론 등이 활용된다.레이더 영상은 영상 합성 방법에 따라 RAR(Real Aperture Radar)와 SAR로 구분되는데 RAR은 안테나 위치 변화에 따른 위상 보정 없이 합성하여 촬영 거리에 따른 Range 방향 해상도가 달라지는 차이가 있다.
SAR란 엄밀히 말하면 안테나에서 취득한 반사신호의 해상도를 향상하기 위한 증강 기술의 일종이다. 전자기파를 2D 영상화하고자 할 때 각 픽셀의 크기 즉 해상도는 수신하는 안테나의 물리적 너비에 비례하여 향상된다. 그러나 탑재체의 페이로드를 고려했을 때 무한정 안테나 너비를 늘이는 데엔 한계가 있다. SAR 기술은 탑재체가 일정한 속도와 궤도로 움직이는 것을 전제로 하여 도플러 천이(Doppler Shift) 발생을 유도한다. 이렇게 궤도를 따라 연속적으로 수집된 반사파는 합성(Synthesis)을 통해 '정지된 곳에서 실제보다 넓은 안테나로 촬영'하는 것과 비슷한 결과물을 얻을 수 있다.
SAR의 Range 방향 해상도는 송신 펄스 또는 압축 펄스 폭에 의해 결정되며, Azimuth 방향 해상도는 안테나 빔 폭에 의해 결정된다.
사용되는 대역은 파장이 짧은 것에서 긴 순으로 X밴드, C밴드, L밴드, P밴드가 있다.
3. 활용
오늘날 SAR는 이러한 기술 전반과 촬영 방식, 탑재체의 명칭, 생성된 이미지까지 포함하는 범용적인 용어로 자리 잡았으며, 광학(EO), 적외선(IR)과 구분 되는 정밀 관측 수단으로서 활용성을 인정받고 있다.정찰 위성용으로도 자주 쓰인다.
3.1. InSAR (Interferometric SAR)
차분간섭레이더, 줄여서 InSAR(인싸)라고 부르는 응용 기법을 말한다.
근래에 쓰이는 SAR 이미지는 EO나 IR 영상보다도 월등한 해상도 한계를 가지고 있으며,
투과하는 특성이 있기 때문에 적정 파장대를 선택함으로써 사물을 배경에서 추출하고 특정해낼 수 있다.
그러나 SAR의 진가는 1장이 아닌 복수의 이미지를 활용했을때 드러난다.
추후 활용 방법이 확장될 여지가 있겠으나,
2020년대 현재 InSAR의 주요 목적은 지표 높이를 알아내고,
비교적 짧은 기간 동안 발생한 지표 변위의 세기와 방향을 분석하는 것이다.
후술할 Differential InSAR (D-InSAR)와 구분하기 위해
일반적인 InSAR는 지표 높이를 구하기 위한 것으로 정의하고 있다.
시간에 걸친 변위를 추출하기 위한 기법은 D-InSAR와 파생 기술로 분류하지만 편의상 InSAR로 통칭하는 경향이 있다.
InSAR 결과물은 비슷한 방법으로 EO나 IR을 처리한 것보다도 우수한 정밀도와 신뢰도를 보이고 있다.
ESA에서 코페르니쿠스 프로젝트를 통해 제공하는 무료 SAR 위성 사진 Sentinel-2A와
역시 무료 분석 소프트웨어인 SNAP을 이용하는 것만으로도 누구나 1cm 미만의 미세한 움직임을 감지할 수 있을 정도이다.
상용 위성과 소프트웨어를 사용할 경우 이보다도 뛰어난 결과물을 얻을 수 있다.
InSAR는 지표의 정밀한 높이지도를 생성하는데에 주로 사용된다.
국토지리정보원, SRTM DEM은 이방법으로 제작된다.
반면 D-InSAR 데이터의 활용방안은 사용 분야에 따라 무궁무진하다.
가장 대표적으로 사용되는 분야는 지구과학 분야이고, InSAR가 최초로 활용된 것도 1992년 캘리포니아 랜더스 강진의 영향을 평가하기 위한 것이었다. [2]
위를 시초로 지금도 지진, 쓰나미, 단층운동, 극지 조사, 조류, 빙하 탐사 등에 애용되고 있다.
다음으로는 토목 시설물, 건축물의 구조 건전성을 모니터링하기 위한 용도로 많이 쓰인다.
이 경우 변위가 비교적 미세하고 장기간에 걸쳐 일어나기 때문에,
적게는 20장, 많게는 300장 이상의 이미지를 투입하는 MT-InSAR[3], SBAS[4] 등 파생기술을 활용해 시계열 데이터를 구축한다.
분야간 융합이 활발해짐에 따라,
농업에서 작황 예측에 활용하기도 하며, 저수위 감지, 싱크홀 탐사 등 삶과 밀접한 분야에서 앞으로 쓰일 가능성이 높다.
InSAR 수행을 위한 전제로써 '지구상의 동일한 지점을 다른 시간대의 동일한 위성 센서로 촬영한 이미지'를 준비해야 한다.
컴퓨터로 읽어들인 SAR 이미지는 반사세기와 위상 수치를 지닌 벡터 이미지의 모습을 하고 있다.
위에서 준비한 두 이미지를 '정합 작업 (Coregistration)'을 통해 픽셀 대 픽셀로 정확히 겹쳐놓고
벡터 곱(Cross-multiplication) 연산을 명령하면 결과물로서 간섭위상 정보가 담긴 한 장의 간섭도가 생성된다.
간섭위상은 위상 언래핑 (Phase Unwrapping)이라는 과정을 통해 물리계의 길이단위로 복원이 가능하다.
이후 기상 오차 등을 고려해 간단한 필터링 작업을 거친 다음, 지오코딩을 통해 DEM에 변위정보를 덮어씌우면,
두 날짜 사이의 상대 변위 지도를 출력할 수 있다.
[1] 대한민국이 보유한 SAR 위성 사진인 것으로 확인되었다.[2] Massonnet, D.; Rossi, M.; Carmona, C.; Adragna, F.; Peltzer, G.; Feigl, K.; Rabaute, T. (1993), "The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry", Nature, vol. 364, no. 6433, pp. 138–142}[3] Andrew Hooper, (2004), "A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR persistent scatterers"[4] P. Berardino 외, (2002), "A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms"