X-band 레이더 계측 데이터를 활용한 실시간 해양파 해석

Abstract

해양 활동의 안전성 및 효율을 향상하기 위해 신뢰도 높은 파랑 정보의 획득이 요구됨에 따라 전 세계적으로 다양한 방식의 파랑 계측이 수행되고 있다. 이 중 해양 X-band 레이더는 넓은 영역의 파랑 정보를 동시에 계측할 수 있으므로 단시간의 계측을 통해 통계적으로 수렴도 높은 해양파 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 때문에, 다양한 선박 및 해양 구조물에서 해양 X-band 레이더를 활용하여 파랑 계측을 수행하고 있으며, 계측 기법의 고도화에 대한 다양한 논의가 진행되고 있다. 해양 레이더는 안테나에서 송신된 X-band 마이크로파와 해면상 잔물결 간의 Bragg 공진 현상에 의해 후방 산란되는 전자기파의 세기를 계측한다. 이러한 원격 계측 과정은 그림자, 기울임, 유체동역학적 효과 등 수많은 비물리적 변조 효과를 수반한다. 따라서, 레이더 이미지로부터 파랑 정보를 도출하기 위해서는 이미지 강도에 포함된 비물리적 성분을 제거하고 스펙트럼의 에너지를 유의파고에 따라 조정하는 파랑장 재구성 과정이 요구된다. 본 논문은 고도화된 파랑장 재구성 기법에 대한 연구를 다루고 있다. 제시된 전체 재구성 절차는 그림자 기반 유의파고 추정과 3D-FFT 기반 파랑장 재구성으로 구성되며, 각 해석 과정이 높은 연산 효율을 지니고 있다. 또한, 본 연구에서는 파랑장 재구성 기법의 정확도 향상을 위해 그림자 발생의 공간 통계적 특성을 엄밀하게 고려하였다. 이를 위해, 유의파고 추정 시 해면의 공간상 자기상관함수 및 평균표면경사의 직교성을 고려하였고, 파랑장 재구성 시 그림자 발생의 공간적 특성에 기인하는 불균일한 분산 분포에 대한 보정을 수행하였다. 본 논문에서 제시된 기법의 검증을 위해 합성 레이더 이미지와 실해역 레이더 이미지에 대해 파랑장 재구성을 수행하였다. 먼저, 다양한 해상 상태의 합성 레이더 이미지를 생성하여 해석에 활용하였고, 해상 상태에 따른 재구성 정확도의 의존성을 살펴보았다. 이를 통해, 다양한 해상 상태에서 그림자 효과에 대한 엄밀한 고려를 통해 파랑장 재구성 정확도를 향상할 수 있음을 확인하였다. 다음으로, 이어도 해양과학기지 및 기상 1호에서 계측된 실해역 레이더 이미지에 대한 유의파고 추정을 수행하였다. 그 결과, 실해역 데이터에 대하여 정확도 높은 유의파고 추정이 가능함을 확인하였다.

It is required to obtain reliable wave information to improve the safety and efficiency of marine activities. Various methods for wave measurements are being carried out around the world. Among them, the marine X-band radar has the advantage that it can obtain statistically converged wave information based on short-time measurement. This is because the wave radar can simultaneously measure wave elevation data in a large area. Accordingly, marine X-band radars are installed on various ships and marine platforms to perform wave measurements. Diverse discussions on X-band radar-based wave field analysis techniques are also steadily underway. In general, incoherent marine radar measures the backscattered intensity due to Bragg scattering between X-band microwaves transmitted from the antenna and ripples on the sea surface. This remote sensing process entails numerous non-physical modulation effects, such as shadowing, tilting, and hydrodynamic effects. Therefore, a series of post-processing called wave-field reconstruction is required to retrieve wave information from marine radar images. The wave-field reconstruction procedure consists of removing the non-physical components from the measured spectrum, and adjusting the total spectral energy according to the significant wave height (HS). In this study, the advanced wave-field reconstruction technique is presented. The overall reconstruction procedure is comprised of the shadowing-based HS estimation and 3D-FFT-based wave-field reconstruction, and both of each analysis process have high computational efficiency. Thats why it is suitable for real-time wave-field analysis. To enhance the wave analysis, the statistical characteristics of the shadowing effect were rigorously considered. For this purpose, the spatial autocorrelation function of the ocean surface and the orthogonality of the mean surface slope were considered for HS estimation. Moreover, the uneven variance distribution owing to the spatial dependency of the shadowing effect was mitigated during the wave-field reconstruction. Wave-field reconstruction was applied to the synthetic and real radar images to verify the presented technique. The HS estimation and 3D-FFT-based wave-field reconstruction were performed for synthetic radar images corresponding to various states, and the dependence of this technique on the sea state was examined. As a result, it was confirmed that the reconstruction accuracy could be improved through the rigorous consideration of stochastic characteristics of the shadowing effect for all cases. Moreover, HS estimation was performed for real radar images collected from the Ieodo ocean research station and RV Gisang 1. In conclusion, a satisfactorily accurate HS estimation was also achieved.