Extraction of ocean surface current using SAR raw data

Abstract

해양 환경 변화와 관련하여 태풍, 허리케인과 같은 열대성 저기압에 반응하는 해양표면의 직접적인 관측 연구는 매우 중요하지만, 여러 가지 여건으로 인하여 직접적인 관측은 많은 어려움이 따른다. 이를 위해 해양 및 대기와 해양 표면 사이의 물리적 작용을 연구하는데 있어 Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR)는 매우 효율적이다. 도플러 쉬프트 (Doppler shift)는 위성 센서와 목표물 간의 상대적인 움직임으로 인해 발생하여 SAR 자료에 기록된다. 이 도플러 쉬프트는 해양 표면의 속도를 추출하는데 있어 매우 중요한 요소 중 하나이다. 예측된 도플러 중심주파수(Predicted Doppler centroid)와 측정된 도플러 중심주파수(Estimated Doppler centroid) 사이의 차이를 통해 도플러 속도를 구할 수 있다. 움직임이 없는 목표물(지형)에 해당하는 예측된 도플러 중심주파수는 기하학적 모델(Geometry model)을 이용하여 계산된다. 반면, 실제 해양 표면 상층부의 움직임에 의해 측정된 도플러 중심주파수는 SAR raw 자료의 수신 신호 정보를 이용하여 상관계수 도플러 중심주파수 측정방법(Correlation Doppler Estimator

CDE, 또는 Average Cross Correlation Coefficient

ACCC)을 적용하여 계산할 수 있다. 계산된 도플러 속도에서 Bragg-resonant capillary waves에 해당하는 속도를 제거해 줌으로 인해 실제 해양 표면 속도를 추출할 수 있다. 이 방법은 동해에서 촬영된 Envisat ASAR raw자료를 이용하여 계산된 해양 표면 속도를 HF-radar자료와 방향성을 검증하였다. 또한 대서양에서 발생한 열대성 폭풍 Edouard가 촬영된 Radarsat-1 ScanSAR raw자료를 이용하여 해양 표면 속도를 처음 추출하였다. 비록, Radarsat-1의 부정확한 비행자세로 인하여 정확한 도플러 중심주파수를 계산하는데 어려움이 있지만, 본 연구에서 제안한 방법을 적용하여 일반적인 해양 표면의 속도뿐 아니라, 열대성 저기압에 반응하는 해양 표면의 속도까지 추출할 수 있는 새로운 가능성을 제시하였다.

The direct observation of tropical cyclones plays an important role in studying climate changes, but the direct observation of oceanic response to tropical cyclones is limited under various extreme conditions. Space-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) has been one of the most effective tools for physical oceanographic and air-sea interface research. SAR data records the Doppler shift caused by the relative motion between a sensor and targets

this Doppler shift is particularly important for estimating Doppler velocity to extract ocean surface currents. The Doppler velocity can be extracted by comparing the anomaly between predicted and estimated Doppler centroids. Predicted Doppler centroid, defined as the centroid assuming that the target is not moving, is calculated based on the geometric parameters of a satellite, such as the satellites orbit, beam pointing direction, and satellite attitude with regard to the rotating Earth. The actual Doppler shift from raw signal data is defined as the estimated Doppler centroid and is calculated by applying the Correlation Doppler Estimator (CDE) to SAR raw data, also known as the Average Cross Correlation Coefficient (ACCC). Moreover, the phase velocity of Bragg-resonant capillary waves is subtracted from the Doppler velocity from the anomaly of the Doppler centroids so that the actual ocean surface current velocity is achieved. This algorithm is applied to Envisat ASAR raw data in East Sea to extract the sea surface current and the current direction is validated by HF-radar data in this region. Also, we present the first attempt to derive the ocean surface current velocity during Tropical Storm Edouard in the Atlantic Ocean using Radarsat-1 ScanSAR raw data. Although the inaccurate attitude information of Radarsat-1 may have caused some limitation from obtaining an accurate Doppler centroid, this method can serve as a potential approach for estimating the ocean surface current. We believe that the investigation of oceanic responses to tropical cyclones, which is generally difficult to observe, can be achieved using SAR raw data.