KR102632006B1 - 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법은 강우의 시공간적인 변동을 고려할 수 있는 최적의 감쇠 보정 계수를 결정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법은 특정 마이크로파 링크가 기계적인 원인으로 감쇠 자료를 제공할 수 없을 때에도 안정적으로 감쇠 보정 계수를 계산할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
기상 레이더(Radio Detection And Ranging, RADAR)는 전자기파를 송신하여 목표물(강수입자)에 부딪혀서 후방 산란되어 되돌아오는 전자기파를 수신하여 강수입자의 강도와 거리를 측정하는 원격관측장비이다. 에스(S)밴드 및 씨(C)밴드 레이더에 비해 상대적으로 파장이 짧은 엑스(X)밴드 레이더는 분해능이 좋고 작은 크기의 안테나로 운용할 수 있어 강우 관측 비용을 절감할 수 있으며, 차량에 탑재가 가능하여 강우 관측 사각 지역에서 관측을 수행할 수 있는 장점이 있다. 에스밴드와 씨밴드와 같은 대형 레이더는 산 정상 부근에 대부분 구축되어 있기 때문에 도심 지역 및 저층 지역의 강우를 측정하기에는 빔 차폐 및 레이더 고도각의 한계가 있다. 미국과 일본 등에서는 CASA(Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere) 프로그램이 시작된 이후로 강우 관측 공백 지역에 X밴드 레이더 네트워크를 구축하여 에스밴드 및 씨밴드 레이더의 강우 관측 한계를 극복하고자 노력하고 있다. 하지만 파장(3cm)이 짧은 엑스밴드 레이더 반사도는 강한 강수에코에 의해 감쇠가 크게 발생하여 해당 강수의 방위각의 후면으로 강수에코 탐지가 불가능하여 반사도 크기를 보정해야 한다. 엑스밴드 이중 편파 레이더가 도입된 이래로 차등위상차(Differential propagation phase, ) 변수를 활용하여 레이더 감쇠 보정 계수 를 산출하여 엑스밴드 레이더 감쇠 보정을 할 수 있는 방법이 개발되었다. 본 발명에서는 차등위상차 변수와 방송·통신·데이터 중계용으로 사용되고 있는 지상 통신 기지국(이하, 지상 마이크로파 링크) 마이크로파 감쇠 자료를 기준 값으로 이용하여 시공간적으로 변동하는 강수를 고려할 수 있는 레이더 감쇠 보정 계수 를 산출하여 감쇠가 발생한 엑스밴드 이중 편파 레이더의 반사도를 보정할 수 있는 방법을 새롭게 제안한다.
본 발명의 목적은 강수에 의한 전파 감쇠가 큰 이중 편파 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 보정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치는, 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 수집하고, 마이크로파 링크 주변에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 기상청 자동기상관측장비 (Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기(rain detector)와 우량계에 일정 간격으로 기록된 누적 강우량 자료와 강우 시간 자료를 수집하는 관측 자료 수집 모듈과, 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠를 산출하는 마이크로파 감쇠 산출 모듈, 마이크로파 감쇠의 자기상관계수를 기반으로 강우 유무를 탐지하는 강우 유무 탐지 모듈, 및 강우 유무 탐지 모듈에서 강우 탐지 시 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()와, 엑스밴드 레이더의 레이더 반사도()를 이용하여 산출된 감쇠 보정된 레이더 반사도()로 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈을 가지는 반사도 보정 모듈을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법은, 관측 자료 수집 모듈이 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 수집하고, 마이크로파 링크 주변에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 기상청 자동기상관측장비 (Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기(rain detector)와 우량계에 일정 간격으로 기록된 누적 강우량 자료와 강우 시간 자료를 수집하는 단계와, 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠 산출 모듈이 마이크로파 감쇠를 산출하는 단계, 마이크로파 감쇠의 자기상관계수를 기반으로 강우 유무 탐지 모듈이 강우 유무를 탐지하는 단계, 및 반사도 보정 모듈이 비용함수를 판단하여 감쇠 보정 계수를 산출하고, 레이더 반사도반사도 와 감쇠 보정 계수 , b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로 감쇠 보정한 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계를 포함한다.
여기서, 감쇠 보정된 레이더 반사도()는, 이며, 은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서, 이고, , , , b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법은 강우의 시공간적인 변동을 고려할 수 있는 최적의 감쇠 보정 계수를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법은 특정 마이크로파 링크가 기계적인 원인으로 감쇠 자료를 제공할 수 없을 때에도 안정적으로 감쇠 보정 계수를 계산할 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치의 개념도이다.
도 2는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다.
도 3은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 4는 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 5는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 6은 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 7은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 8은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 9는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 10은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 11은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 12는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 13은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 14는 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 15는 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 16은 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 17은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정의 순서도이다.
도 2는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다.
도 3은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 4는 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 5는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 6은 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 7은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 8은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 9는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 10은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 11은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 12는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 13은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 14는 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 15는 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 16은 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 17은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정의 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치의 개념도이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 관측 자료 수집 모듈(100)과, 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠(rainfall-caused attenuation, )를 산출하는 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200), 마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 강우 유무를 탐지하는 강우 유무 탐지 모듈(300), 및 감쇠 보정 계수로 엑스밴드 레이더의 반사도를 보정하는 반사도 보정 모듈(400)을 포함한다.
표 1은 본 발명에 따른 관측 자료 수집 모듈에 입력될 7개의 마이크로파 링크의 특성과 각각의 마이크로파 링크의 수신 안테나에서 가장 근접하게 설치된 자동기상관측장비(AWS) 지점명을 나타낸 것이다.
| Link name |
Nearest AWS |
Frequency (GHz) |
Power (dBm) |
Link Length (km) | Signal resolution | Time resolution |
| HG | 419 | 8.06 | 29 | 21.1 | 0.01 dBm | 15 sec |
| GH | 413 | 7.75 | 29 | 21.1 | ||
| WM | 401 | 6.32 | 29 | 5.7 | ||
| MW | 401 | 6.06 | 29 | 5.7 | ||
| MH | 401 | 8.26 | 30 | 17.6 | ||
| HM | 421 | 7.95 | 30 | 17.6 | ||
| MB | 425 | 6.23 | 30 | 37.4 |
본 발명은 0.01㏈의 해상도로 15초 간격으로 7개의 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 집록하고, 상대적으로 파장이 긴 10㎓ 이하의 마이크로파를 활용하여 엑스밴드 레이더 반사도 보정을 위한 기준값으로 활용한다.
표 2는 한국건설기술연구원의 엑스밴드 이중 편파 레이더와 기상청의 에스밴드 단일 편파 레이더의 특성을 나타낸 것이다.
| Parameters | KICT radar | GDK radar |
| Location | 37.67°N, 126.74°E | 38.1173°N, 127.4336°E |
| Transmitter type | Magnetron | Klystron |
| Antenna Diameter | 1.8 m | 8.5 m |
| Frequency | 9410±30 MHz | 2887 MHz |
| Peak power | 8 kW | 850 kW |
| Pulse width | 0.6 μsec | 0.8 μsec & 4.5 μsec |
| Pulse repetition frequency | 2000 Hz | 250 ~ 1200 Hz |
| Gain | 41 dB | 45 dB |
| Time resolution | 1 min | 10 min |
| Spatial resolution | 60 m | 250 m |
| Antenna polarization | Simultaneous H/V | Simultaneous H |
| Effective observation range | 40 km | 240 km |
| Beam width | 1.4 ° | 1 ° |
관측 자료 수집 모듈(100)은 엑스밴드 레이더 반사도 보정을 위해 관측 자료를 입력받아 수집한다. 여기서, 관측 자료 수집 모듈(100)이 수집하는 관측 자료는 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력, 마이크로파 링크 주변에 설치된 기상청의 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기에 기록된 강우 시간과 우량계에 기록된 누적 강우량과 강우 시간 자료, 엑스밴드 레이더의 반사도 및 에스밴드 레이더의 반사도를 포함한다. 또한, 이를 수집하기 위해서, 관측 자료 수집 모듈(100)은 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 수집하는 마이크로파 링크 자료 수집 모듈과, 마이크로파 링크 주변에 설치된 기상청 자동기상관측장비의 강우 감지기에 기록된 강우 지속 시간 자료를 수집하는 강우 감지기 자료 수집 모듈, 한국건설기술연구원의 엑스밴드 레이더의 반사도와 차등위상차 변수를 수집하는 엑스밴드 레이더 자료 수집 모듈, 및 기상청의 광덕산 에스밴드 레이더의 반사도를 수집하는 에스밴드 레이더 자료 수집 모듈을 포함한다.
마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)은 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠(rainfall-caused attenuation, )를 산출한다. 여기서, 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)은 15초 해상도의 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력 간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠를 산출한다.
강우 유무 탐지 모듈(300)은 마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 강우 유무를 탐지한다. 이를 위해서, 강우 유무 탐지 모듈(300)은 강우 특성에 따른 마이크로파 감쇠의 자기상관계수가 0.65 이상을 보인 최소 지연 시간을 창 크기(moving time window, Wt)로 결정하는 창 크기 산출 모듈(310)과, 결정된 창 크기 동안의 평균 마이크로파 감쇠()를 산출하는 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320), 결정된 창 크기 동안의 마이크로파 감쇠와 평균 마이크로파 감쇠()간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠의 검정 통계량을 산출하는 마이크로파 감쇠의 검정 통계량 산출 모듈(330), 마이크로파 감쇠를 이용한 강우 유무를 1차적으로 판단하기 위해 필요한 임계 값을 결정하는 임계 값 산출 모듈, 마이크로파 감쇠의 검정 통계량과 임계 값 간의 초과 여부를 통해 1차적으로 강우 유무를 탐지하는 1차 강우 유무 탐지 모듈(350), 1차적으로 결정된 강우 유무 탐지 결과와 특정 창 크기 동안의 평균 마이크로파 감쇠()를 이용하여 마이크로파 기준 감쇠(Ad)를 실시간으로 산출하는 마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈(360), 마이크로파 감쇠와 마이크로파 기준 감쇠 간의 초과 여부를 통해 2차적으로 강우 유무를 탐지하는 2차 강우 유무 탐지 모듈(370)을 포함한다.
창 크기 산출 모듈(310)은 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)에서 산출된 마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 마이크로파 감쇠의 자기상관계수가 통계학적으로 유의미한 수치, 예를 들어, 0.65를 보이는 최소 지연 시간을 창 크기(moving time window, Wt)로 결정한다.
여기서, 자기상관계수는 아래의 수학식 1과 같다.
수학식 1에서, 이고, 는 지연시간을 나타낸다.
평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320)은 창 크기 산출 모듈(310)에서 결정된 창 크기 동안의 마이크로파 감쇠를 평균하여 1분 간격으로 평균 마이크로파 감쇠()를 산출한다.
여기서, 평균 마이크로파 감쇠()는 창 크기(Wt)내의 마이크로파 감쇠 크기의 평균이며, 아래의 수학식 2와 같다.
수학식 2에서, 는 실시간 측정되는 마이크로파 감쇠 크기(k) 이며, 는 창 크기(Wt)내의 마이크로파 감쇠 자료 개수이다.
마이크로파 감쇠의 검정 통계량 산출 모듈(330)은 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)에서 산출된 마이크로파 감쇠()와, 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320)에서 산출된 평균 마이크로파 감쇠()의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠의 검정 통계량을 산출한다. 여기서, 마이크로파 감쇠의 검정 통계량()은 아래의 수학식 3과 같다.
수학식 3에서, 마이크로파 감쇠는 비정상성(nonstationary)이기 때문에 마이크로파 감쇠의 검정 통계량()과 마이크로파 감쇠의 표준 편차는 상호 수렴하지 않는다. 는 창 크기(Wt)내의 마이크로파 감쇠의 평균이다.
임계 값 산출 모듈(340)은 마이크로파 감쇠를 이용한 강우 유무를 1차 판단하기 위해 필요한 임계값()을 산출한다. 본 실시예는 강우 감지기 자료와 비교하여 90% 이상의 일치를 보이는 임계값을 최종 임계값()으로 결정하는 것을 예시하며, 이는 0.09인 것을 예시한다.
1차 강우 유무 탐지 모듈(350)은 마이크로파 감쇠의 검정 통계량()과, 임계 값 산출 모듈(340)에서 산출된 임계값 간의 초과 여부를 통해 1차적으로 강우 유무를 탐지한다. 즉, 창 크기(Wt)가 결정되면 임계값()이 결정되고, 아래의 수학식 4에 의해 1차적으로 마이크로파 감쇠를 이용한 강우 유무, 즉, 1차 강우 유무가 결정된다.
마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈(360)은 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320)에서 산출된 평균 마이크로파 감쇠()와, 1차 강우 유무 탐지 모듈(350)에서 탐지된 1차 강우 유무 탐지 결과를 이용하여 마이크로파 기준 감쇠(Ad)를 실시간으로 산출한다. 여기서, 마이크로파 기준 감쇠(Ad)는 아래의 수학식 5와 같이 산출된다.
마이크로파 감쇠 크기가 실시간으로 산출된 마이크로파 기준 감쇠(Ad)를 초과할 때 강우에 의해 야기된 것으로 결정한다. 마이크로파 감쇠와 마이크로파 기준 감쇠(Ad)간의 초과 여부에 따라 1차적으로 결정된 강우 유무 결과를 보정하는 2차적으로 강우 유무를 최종 결정한다. 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)은 마이크로파 감쇠 산출 모듈(200)에서 산출되는 마이크로파 감쇠()가 마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈(360)에서 산출된 마이크로파 기준 감쇠와의 차이가 마이크로파 감쇠 크기의 2.5%보다 클 때 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠()로 결정한다.
2차 강우 유무 탐지 모듈(370)은 마이크로파 감쇠()와 마이크로파 기준 감쇠(Ad)간의 초과 여부를 통해 결정된 1차 강우 유무 탐지 결과를 보정하는 2차 강우 유무를 탐지한다. 여기서, 마이크로파 기준 감쇠(Ad)는 창 크기 내의 마이크로파 감쇠의 평균이며, 창 크기 내의 마이크로파 기준 감쇠와 큰 차이를 보이는 마이크로파 감쇠()는 강우가 내렸을 때의 마이크로파 감쇠()로 결정하기 위해 사용된다. 최종적으로 2차 강우 유무 탐지 모듈(370)에서 마이크로파 감쇠()를 이용한 강우 유무 탐지를 결정한다. 또한, 마이크로웨이브 링크 송신 및 수신 안테나로부터 가장 근접하게 설치된 자동기상관측장비(AWS)의 강우 감지기에 강우로 기록된 시간 자료와 비교하여 이를 검증한다.
반사도 보정 모듈(400)은 감쇠 보정 계수를 산출하여 엑스밴드 레이더의 반사도를 보정한다. 이를 위해서, 반사도 보정 모듈(400)은 마이크로파 감쇠 결정 모듈(410)과, 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()를 연산하는 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈(420)과, 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기()를 산출하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈(430), 레이더 주파수로 변환된 마이크로파 감쇠 크기()를 산출하는 마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈(440), 비용함수()를 산출하는 비용함수 산출 모듈(450), 및 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈(460)을 포함한다.
마이크로파 감쇠 결정 모듈(410)은 마이크로파 기준 감쇠를 초과하는 마이크로파 감쇠를 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠()로 결정한다.
엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈(420)은 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()를 연산한다. 여기서, 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기는 아래의 수학식 6과 같다. 이중 편파 레이더가 도입된 이래로 엑스밴드 레이더 감쇠 크기()는 차등 위상차()의 합이 전파 경로를 따라 축적된 값으로 가정하고 계산한다. 차등 위상차는 수평 편파 위상과 수직 편파 위상의 차이를 의미하는데 전파 경로 누적 감쇠는 차등 위상차의 총합이라는 가정으로 감쇠를 추정한다.
수학식 6에서, 와 은 특정 레이더 방위각에서 반사도가 30dBZ 이상을 보이는 첫 번째 게이트와 마지막 게이트를 의미한다. r은 해당되는 게이트이다. 은 레이더의 게이트 간격(km)이며, 레이더 전자기파의 왕복 거리를 고려하기 위해서 2를 곱한다. 엑스밴드 레이더 게이트(r)별 감쇠 크기()는 아래의 수학식 7과 같이 계산한다.
수학식 7에서, 이며, 이다. 또한, 는 측정된 엑스밴드 레이더의 반사도 자료이며, , b는 경험적으로 결정되는 레이더 감쇠 보정 계수이다. 는 0.13에서 0.34까지 변화하며, 본 실시예는 로 0.14를 예시한다.
엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈(430)은 최적화된 , b 계수를 결정하기 위해서 아래의 수학식 8과 같이 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기()를 계산한다.
수학식 8에서, 은 마이크로파 링크의 경로 길이에 해당하는 가장 인접한 레이더 게이트의 전체 개수이다.
마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈(440)은 레이더 주파수로 변환된 마이크로파 감쇠 크기()를 산출한다. 마이크로파 링크의 주파수와 엑스밴드 레이더 주파수가 다를 경우, 마이크로파 링크의 감쇠 크기(에 마이크로파 링크 주파수와 엑스밴드 레이더 주파수의 비를 곱하여 마이크로파 감쇠 크기()를 아래의 수학식 9와 같이 변환하고, 레이더 감쇠 보정 계수 를 결정하기 위한 기준 값으로 사용한다.
비용함수 산출 모듈(450)은 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기()와 변환된 마이크로파 감쇠 크기()간의 차이를 계산하여 아래의 수학식 10과 같이 비용함수()가 최소일 때의 감쇠 보정 계수를 최적의 감쇠 보정 계수로 결정한다.
최적의 감쇠 보정 계수 를 산출하기 위해서 황금분할탐색방법을 적용하였다. 황금분할탐색방법으로 최적의 감쇠 보정 계수 를 산출하는 과정은 먼저 두 감쇠 보정 계수 (, ) 구간을 선택하고 구간 내의 감쇠 보정 계수(, )를 결정하기 위해 의 차이에 황금 비율인 0.618을 곱한 분리 거리(d)를 계산하고, 는 와 분리거리(d)의 차이 값으로 정의하고, 은 과 분리거리(d)의 합으로 정의하였다. 만약 를 레이더의 평균 감쇠 크기()계산에 필요한 감쇠 보정 계수 값으로 사용하고 수학식 10에 적용하여 산출한 비용함수()가 을 사용하여 산출한 비용함수()보다 크다면, 을 값으로 대체하고, 반대이면 를 값으로 대체하면 두 감쇠 보정 계수 (, )의 차이는 분리 거리(d)만큼 좁아진다. 반복 과정을 몇 번 거치면 두 감쇠 보정 계수 (, )의 거리는 0에 근접하게 되는데 그 때의 감쇠 보정 계수를 최적의 감쇠 보종 계수로 결정하였다. 감쇠 보정 계수 의 초기값으로 과 를 각각 0.1, 0.5으로 설정하였고 b는 1.0으로 상수로 사용하였다.
엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈(460)은 레이더 반사도 와 감쇠 보정 계수 , b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기를 이용하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이는 아래의 수학식 11과 같이 감쇠 보정한 레이더 반사도를 산출하여 수행할 수 있다.
도 2는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다. 도 4는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 5는 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 5는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 도 6은 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 7은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 2는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다. 층상운 사례에 비해 40 dBZ이상의 국지적인 강우 셀의 반사도를 보였다. 도 3은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 4는 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 최대 15 dB이상의 감쇠 크기를 보였다. 도 5는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 후 에스밴드 레이더 반사도와 공간 분포가 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있다. 도 6은 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 절대 평균 오차(Mean Absolute Error, MAE)는 16.2 dB, RMSE는 17.7 dB 그리고 상관계수는 0.7를 보여 에스밴드 레이더 반사도에 비해 강우 감쇠로 인해 과소 측정된 것을 알 수 있다. 도 7은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것인데, 절대 평균 오차가 16.2 dB에서 6.7 dB로 크게 감소하였고 RMSE는 17.7 dB에서 8.2 dB로 감소하였으며 상관 계수는 0.7에서 0.8로 증가한 것을 확인하였다.
도 8은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이고, 도 9는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 10은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 11은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 도 12는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 13은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 8은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 9는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 에스밴드 레이더 전자기파는 강수에 의해 감쇠가 크지 않기 때문에 엑스밴드 레이더 반사도에 비해 그 크기가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 도 10은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 최대 12 dB이하의 감쇠 크기를 보였다. 도 11은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 후 에스밴드 레이더 반사도와 공간 분포가 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있다. 도 12는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 절대 평균 오차는 8.9 dB, RMSE는 10.3 Db 그리고 상관 계수는 0.3을 보여 과소 측정된 것을 알 수 있다. 도 13은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것인데, 절대 평균 오차가 8.9 dB에서 3.1 dB 감소하였고 RMSE는 10.3 dB에서 3.7 dB로 감소하였으며 상관 계수는 0.3에서 0.7로 증가하였다.
도 14는 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이며, 도 15는 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 16은 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 17은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 14는 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 검은색 기호는 엑스밴드 레이더 중심으로부터 반경 10 km 이내에 위치한 AWS에서의 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이고 노랑색 기호는 반경 20 km 이내의 반사도 간의 산포도, 파란색 기호는 반경 30 km, 빨강색 기호는 40 km 이내의 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더와 에스밴드 레이더 반사도 간의 절대 평균 오차는 17.9 dB, RMSE는 20.6 dB 그리고 상관 계수는 0.4로 강우에 의한 감쇠로 엑스밴드 레이더 반사도가 낮은 것을 알 수 있다. 도 15는 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더와 에스밴드 레이더 반사도 간의 절대 오차는 17.9 dB에서8.4 dB로 크게 감소하였고, RMSE는 20.6 dB 에서 10.8 dB로 감소하였으며 상관 계수는 0.4에서 0.7로 증가한 것을 확인할 수 있다. 도 16은 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더와 에스밴드 레이더 반사도 간의 절대 평균 오차는 6.4 dB, RMSE는 8.1 dB이었고 상관 계수는 0.6이었다. 도 17은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더와 에스밴드 레이더 반사도 간의 절대 평균 오차는 감쇠 보정 전의 6.4 dB 에서 6.3 dB 로 감소하였고, RMSE는 8.1 dB에서 7.9 dB로 감소하였다. 층상운 사례에 비해 대류운 사례에서 감쇠 보정 효과가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치를 이용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 검증하였다.
감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 검증하기 위해서 에스밴드 레이더 반사도 자료와 비교 검증을 하였는데, 레이더 빔의 높이 차이와 엑스밴드 레이더와 에스밴드 레이더의 파장의 차이를 고려하였고 그 외의 차이는 무시할 수 있는 수준으로 가정하였다. 먼저 두 레이더 간의 수평 거리 차이가 수 백 km이기 때문에 지구 곡면 효과로 빔 높이의 차이가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 표 3과 같이 에스밴드 레이더 고도각(0~1.7°) 빔의 높이를 조정하여 엑스밴드 레이더 고도각(5°)의 빔의 차이를 최소화하였다.
| AWS Site |
KICT RBH (km) |
GDK RBH (km) /Elevation angle(°) |
AWS Site |
KICT RBH (km) |
GDK RBH (km) /Elevation angl(°) |
| 116 | 2.8 | 2.7/1.0 | 411 | 2.0 | 2.2/0.6 |
| 400 | 2.9 | 2.6/1.0 | 413 | 2.9 | 2.6/1.0 |
| 401 | 2.9 | 2.8/1.0 | 414 | 2.1 | 2.0/0.6 |
| 402 | 3.4 | 3.3/1.7 | 415 | 2.4 | 2.2/0.6 |
| 403 | 3.2 | 3.5/1.7 | 416 | 1.6 | 1.5/0.2 |
| 404 | 1.5 | 1.4/0.0 | 417 | 2.4 | 2.3/0.6 |
| 405 | 1.9 | 1.9/0.3 | 418 | 2.2 | 2.3/0.6 |
| 406 | 2.2 | 2.3/1.0 | 419 | 2.2 | 2.1/0.6 |
| 407 | 2.8 | 3.1/1.7 | 421 | 2.7 | 2.6/1.0 |
| 408 | 2.6 | 2.5/1.0 | 423 | 2.0 | 1.9/0.3 |
| 409 | 2.9 | 3.2/1.7 | 424 | 1.9 | 1.9/0.6 |
| 410 | 2.3 | 2.3/0.6 | 425 | 2.9 | 2.8/1.0 |
| 506 | 0.9 | 1.3/0.0 | 509 | 2.6 | 2.7/1.0 |
| 510 | 1.9 | 1.8/0.3 | 532 | 2.3 | 2.1/1.0 |
| 540 | 1.2 | 1.3/0.0 | 541 | 3.3 | 2.9/1.7 |
| 544 | 1.9 | 2.0/0.3 | 569 | 3.2 | 3.1/1.7 |
| 572 | 3.5 | 3.7/1.7 | 589 | 0.3 | 1.4/0.0 |
| 590 | 3.2 | 2.9/1.0 | 599 | 3.4 | 2.4/1.7 |
엑스밴드 레이더 전자기파의 파장은 2.5~4cm, 에스밴드 레이더 전자기파의 파장은 8~15cm이고 강수 입자의 직경은 수 mm이고 눈송이나 우박은 수 mm에서 수 cm이기 때문에, 입자의 크기가 파장보다 작거나 비슷하다. 전파의 파장이 수 cm인 기상 레이더로 관측할 때 수 mm인 빗방울에서는 레일리 산란이, 직경이 수 mm에서 수 cm인 눈송이나 우박에서는 레일리 산란 또는 미 산란이 일어난다. 아래의 수학식 12를 이용하여 에스밴드 레이더 반사도를 엑스밴드 레이더 반사도로 변환하였다.
수학식 12에서, 는 에스밴드 레이더 반사도이며, 는 에스밴드 레이더 반사도()가 엑스밴드 레이더 파장으로 변환되었을 때의 반사도이다. 에스밴드 레이더 반사도가 25dBZ 이하일 때는 식에 적용하여 반사도 변환을 하였고, 에스밴드 레이더 반사도가 25dBZ 에서 45dBZ 사이일 경우에는 식을 적용하였고, 45dBZ 이상일 경우에는 식을 적용하여 변환하였다.
레이더 빔의 높이 차이와 엑스밴드와 에스밴드 레이더 간의 파장 차이를 고려하였고 그 외의 차이는 무시할 수 있는 수준으로 가정하였다. 정량적 검증은 아래와 같은 수식을 이용하여 통계적으로 수행되었다.
본 발명에서는 강우의 시공간적인 변동성을 고려한 최적의 엑스밴드 레이더 감쇠 보정 계수 를 결정하기 위해 레이더 반경 내에 위치한 7개의 마이크로파 링크 감쇠 자료를 모두 이용하는 방법을 제안하였다. 먼저, 각각의 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 강우에 의한 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기(, , , , , , )를 엑스밴드 레이더 주파수로 변환한 7개의 마이크로파 링크 감쇠( )와 링크 길이에 해당하는 엑스밴드 레이더 반사도()를 이용하여 계산하였고, 각각의 비용함수()가 최소(=0.25)가 될 때의 감쇠 보정 계수(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)를 각각 산출하였다. 시공간적으로 변동성이 적은 층상운 강우 사례에서는 7개의 감쇠 보정 계수들의 평균값을 사용하였고, 대류운 사례에서는 7개의 감쇠 보정 계수들의 최대값을 최적의 감쇠 보정 계수로 결정하였다. 본 발명에서는 강우의 시공간적인 변동을 고려할 수 있는 최적의 감쇠 보정 계수를 결정할 수 있고, 특정 마이크로파 링크가 기계적인 원인으로 감쇠 자료를 제공할 수 없을 때에도 안정적으로 감쇠 보정 계수를 계산할 수 있는 장점이 있다.
다음은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 후술될 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법의 각 단계는 전술된 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치를 이용한다.
도 18은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법은 도 18을 참조하면, 관측 자료를 수집하는 단계(S1, 미도시)와, 마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 강우 유무를 탐지하는 단계(S2, 미도시), 엑스밴드 레이더의 반사도를 보정하는 단계(S3)를 포함한다.
관측 자료를 수집하는 단계(S1)는 관측 자료 수집 모듈로 엑스밴드 레이더 반사도 보정을 위해 관측 자료를 수집한다. 여기서, 관측 자료를 수집하는 단계(S1)에서 수집하는 관측 자료는 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력, 마이크로파 링크 주변에 설치된 기상청의 자동기상관측장비(Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기에 기록된 강우 시간과 우량계에 기록된 누적 강우량과 강우 시간 자료, 엑스밴드 레이더의 반사도 및 에스밴드 레이더의 반사도를 포함한다.
마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 강우 유무를 탐지하는 단계(S2)는 강우 유무 탐지 모듈이 마이크로파 감쇠 자료를 기반으로 강우 유무를 탐지한다.
엑스밴드 레이더의 반사도를 보정하는 단계(S3)는 비용함수를 판단하여 감쇠 보정 계수를 산출하고, 레이더 반사도 와 감쇠 보정 계수 , b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로 감쇠 보정한 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이러한 엑스밴드 레이더의 반사도를 보정하는 단계(S3)는 비용함수를 판단하는 단계(S3-1)와, 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계(S3-2)를 포함한다.
비용함수를 판단하는 단계(S3-1)는 관측 자료를 수집하는 단계(S1)에서 수집된 관측 자료를 기반으로 비용함수를 연산하고, 연산된 비용함수가 최소인지 판단한다. 이를 위해서, 비용함수를 판단하는 단계(S3-1)는 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 연산하는 단계(S3-1-1)와, 링크 특성을 이용하여 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠를 산출하는 단계(S3-1-2), 마이크로파 감쇠 크기를 연산하는 단계(S3-1-3), 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기를 산출하는 단계(S3-1-4), 및 비용함수를 연산하는 단계(S3-1-5)를 포함한다.
엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기를 연산하는 단계(S3-1-1)는 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈이 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()를 연산한다. 여기서, 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()는 전술된 수학식 7과 같다.
링크 특성을 이용하여 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠를 산출하는 단계(S3-1-2)는 마이크로파 감쇠 산출 모듈이 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠(rainfall-caused attenuation, )를 산출한다.
마이크로파 감쇠 크기를 연산하는 단계(S3-1-3)는 마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈이 레이더 주파수로 변환된 마이크로파 감쇠 크기()를 산출한다. 이는 전술된 수학식 9와 같이 구할 수 있다.
엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기를 산출하는 단계(S3-1-4)는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈이 전술된 수학식 8과 같이 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기()를 계산한다.
비용함수를 연산하는 단계(S3-1-4)는 비용함수 산출 모듈이 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기()와 변환된 마이크로파 감쇠 크기()간의 차이를 계산하여 전술된 수학식 10과 같이 비용함수()를 추정한다.
레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계(S3-2)는 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이를 위해서, 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계(S3-2)는 감쇠 보정 계수를 연산하는 단계(S3-2-1)와, 감쇠 보정 계수를 선택하는 단계(S3-2-2), 및 반사도를 보정하는 단계(S3-2-3)를 포함한다.
감쇠 보정 계수를 연산하는 단계(S3-2-1)는 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 강우에 의한 7개의 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기를 7개의 엑스밴드 레이더 주파수로 변환한 마이크로파 링크 감쇠와 각각의 비용함수가 최소가 될 때의 감쇠 보정 계수를 산출한다. 물론, 본 실시예는 관측 자료 수집 모듈에 7개의 마이크로파 링크의 특성이 입력되는 것이므로 7개의 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기를 예시하였으며, 관측 자료 수집 모듈에 입력되는 마이크로파 링크의 특성 개수에 따라 이는 달라질 수 있다.
감쇠 보정 계수를 선택하는 단계(S3-2-2)는 감쇠 보정 계수를 연산하는 단계(S3-2-1)에서 산출된 감쇠 보정 계수 중, 시공간적으로 변동성이 적은 층상운 강우 사례에서는 7개의 감쇠 보정 계수들의 평균값을 선택하고, 대류운 사례에서는 7개의 감쇠 보정 계수들의 최대값을 최적의 감쇠 보정 계수로 선택한다.
반사도를 보정하는 단계(S3-2-3)는 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈이 레이더 반사도 와 감쇠 보정 계수 , b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기를 이용하여, 전술된 수학식 11과 같이 감쇠 보정한 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다. 즉, 본 발명은 전술된 의료요청 상황 이외의 다양한 상황, 예를 들어, 지역 탐색, 맵 서비스, 특정 지역의 베이스 자료 구축 등에 적용될 수도 있다. 또한, 전술된 제어 방법은 프로그램으로 구현되어 저장 매체에 저장될 수 있다.
100: 관측 자료 수집 모듈
200: 마이크로파 감쇠 산출 모듈
300: 강우 유무 탐지 모듈
310: 창 크기 산출 모듈
320: 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈
330: 마이크로파 감쇠의 검정 통계량 산출 모듈
340: 임계 값 산출 모듈
350: 1차 강우 유무 탐지 모듈
360: 마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈
370: 2차 강우 유무 탐지 모듈
400: 반사도 보정 모듈
410: 마이크로파 감쇠 결정 모듈
420: 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈
430: 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈
440: 마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈
450: 비용함수 산출 모듈
460: 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈
200: 마이크로파 감쇠 산출 모듈
300: 강우 유무 탐지 모듈
310: 창 크기 산출 모듈
320: 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈
330: 마이크로파 감쇠의 검정 통계량 산출 모듈
340: 임계 값 산출 모듈
350: 1차 강우 유무 탐지 모듈
360: 마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈
370: 2차 강우 유무 탐지 모듈
400: 반사도 보정 모듈
410: 마이크로파 감쇠 결정 모듈
420: 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈
430: 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈
440: 마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈
450: 비용함수 산출 모듈
460: 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈
Claims (4)
- 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 수집하고, 상기 마이크로파 링크 주변에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 기상청 자동기상관측장비 (Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기(rain detector)와 우량계에 일정 간격으로 기록된 누적 강우량 자료와 강우 시간 자료를 수집하는 관측 자료 수집 모듈과,
상기 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠를 산출하는 마이크로파 감쇠 산출 모듈,
상기 마이크로파 감쇠의 자기상관계수를 기반으로 강우 유무를 탐지하는 강우 유무 탐지 모듈, 및
상기 강우 유무 탐지 모듈에서 강우 탐지 시 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기()와, 엑스밴드 레이더의 레이더 반사도()를 이용하여 산출된 감쇠 보정된 레이더 반사도()로 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈을 가지는 반사도 보정 모듈을 포함하며,
상기 감쇠 보정된 레이더 반사도()는,
이며,
상기 은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서,
이고,
,
,
상기 , b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수인 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 장치.
- 삭제
- 관측 자료 수집 모듈이 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력을 수집하고, 상기 마이크로파 링크 주변에 설치되어 있는 적어도 하나 이상의 기상청 자동기상관측장비 (Automatic Weather System, AWS)의 강우 감지기(rain detector)와 우량계에 일정 간격으로 기록된 누적 강우량 자료와 강우 시간 자료를 수집하는 단계와,
상기 마이크로파 링크의 송신 전력과 수신 전력간의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠 산출 모듈이 마이크로파 감쇠를 산출하는 단계,
상기 마이크로파 감쇠의 자기상관계수를 기반으로 강우 유무 탐지 모듈이 강우 유무를 탐지하는 단계, 및
반사도 보정 모듈이 비용함수를 판단하여 감쇠 보정 계수를 산출하고, 레이더 반사도 와 감쇠 보정 계수 , b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로 감쇠 보정한 레이더 반사도를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계를 포함하며,
상기 감쇠 보정된 레이더 반사도()는,
이며,
상기 은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서,
이고,
,
,
상기 , b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수인 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 이중 편파 레이더 반사도 보정 방법. - 삭제
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|---|
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