KR100922130B1 - 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 동일한 도플러 기상 레이더로부터 펄스반복주파수(Pulse Repetition Frequency; PRF)를 서로 달리하여 관측한 두 종류의 관측 자료를 주기적으로 전달받는 수집단계와; 상기 수집단계에서 전달된 두 종류의 관측 자료를 서로 비교하여 동일 위치에서 상대적으로 높은 펄스반복주파수의 관측 자료에만 나타나는 에코를 무강수에코(Non-precipitation echo)로 판단하고 상대적으로 높은 펄스반복주파수에서 관측된 관측 자료에서 무강수에코를 제거하는 전처리단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법에 관한 것으로 이에 따라 이차 에코를 사전에 제거하여 보다 정확한 강수량 예측을 얻을 수 있다.

강수량 예측 2차 에코 노이즈 보정 무강수에코

Description

도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법{removal method of second trip echo from doppler weather radar}

본 발명은 도플러 기상 레이더의 이차 에코 제거 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 도플러 기상 레이더에서 얻은 좁은 범위를 탐색하는 높은반복주파수의 관측자료와 넓은 범위를 탐색하는 낮은반복주파수의 관측자료의 동일 지점에 대한 신호를 비교하여 높은반복주파수의 관측자료에만 나타나는 신호를 높은반복주파수의 관측자료에서 비강수에코로 판단하여 제거하는 도플러 기상 레이더의 이차 에코 제거 방법에 관한 것이다.

레이더는 전자파 등의 빔을 쏜 후 상기 빔이 물체에 부딪혀 반사되는 에코를 수집하여 일정한 범위 내에 존재하는 물체를 표시하는 장치이다. 상기 레이더는 최초에는 군용으로 사용되어 적의 전투기나 선박을 찾기 위한 용도로 사용되었다. 이후 상기 레이더는 계속 발전하게 되어 최근에는 기상관측에도 레이더를 사용하고 있다.

상기 기상 레이더의 경우 빔을 쏘아 공중에 떠있는 물방울을 파악하고 상기 물방울에 반사된 에코를 Z-R관계식에 대입하여 강수량 예측에 사용하고 있다.

그러나 레이더로 관측한 자료에는 많은 노이즈가 포함된다. 대표적인 노이즈로 이차에코가 있다. 상기 이차 에코는 레이더가 관측하는 범위 외측에 물체가 있을 경우 상기 레이더에서 발사한 빔이 상기 물체에 반사되어 레이더의 관측 범위 내에 있는 것으로 표시되는 것이다.

예를 들면 반경 240km를 관측하는 기상 레이더의 경우 레이더로부터 250km 정도되는 위치에 비구름이 존재하는 경우 상기 비구름에 반사된 신호에 의해 레이더에서 약 230km가량 떨어진 위치에 존재하는 것으로 표시될 수 있다.

이 경우 상기 레이더의 관측자료를 사용하여 분석하는 경우 상기 레이더로부터 230km 떨어진 지역은 비가 오지 않는 맑은 날씨임에도 레이더를 통한 분석에서는 비가 오고 있다는 결론을 도출할 수 있어 이러한 이차 에코를 제거할 필요가 있다.

본 발명은 도플러 기상레이더에서 관측한 에코에서 이차 에코를 제거하여 보다 정확한 강수량 예측이 가능하도록 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 동일한 도플러 기상 레이더로부터 펄스반복주파수(Pulse Repetition Frequency; PRF)를 서로 달리하여 관측한 두 종류의 관측 자료를 주기적으로 전달받는 수집단계와; 상기 수집단계에서 전달된 두 종류의 관측 자료를 서로 비교하여 동일 위치에서 상대적으로 높은 펄스반복주파수의 관측 자료에만 나타나는 에코를 무강수에코(Non-precipitation echo)로 판단하고 상대적으로 높은 펄스반복주파수에서 관측된 관측 자료에서 무강수에코를 제거하는 전처리단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법을 기술적 요지로 한다.

바람직한 실시예에 따르면 상대적으로 높은 펄스반복주파수에서는 입체적으로 관측하게 되며 상대적으로 낮은 펄스반복주파수의 관측 자료는 고도각을 0도로 하여 관측하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면 상기 전처리단계는 두 종류의 관측 자료를 비교하기 전 각 관측자료의 3X3 픽셀에서 픽셀의 값이 역치 이상인 픽셀이 3개 이하인 경우 스폿 에코 또는 노이즈로 간주하여 제거하게 되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면 상기 전처리단계는 서로 시차가 10분 이내인 관측 자료를 비교하게 되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면 상기 전처리단계는 상기 도플러 기상 레이더가 측정할 수 없는 빔차단지역(Beam blockage area)의 관측자료를 제거하게 과정을 더 포함하게 되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 따르면 상기 전처리단계는 밝은 띠의 존재 여부를 파악하고 이를 보정하는 과정을 더 포함하게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 서로 탐색 범위가 다른 레이더 관측 자료를 사용하여 이차 에코를 판단하고 이를 제거하도록 구성되어 있어 용이하게 이차 에코를 판단할 수 있으므로 실시간으로 관측자료의 보정이 가능하며 이에 따라 정확한 강수량 예측이 가능하다는 효과가 있다.

본 발명은 도플러 기상 레이더의 신호에서 이차에코를 제거하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 이차 에코를 파악하기 위하여 실제 강수량 예측에 사용될 탐색 범위가 작으면서 정밀한 결과를 보여주는 관측자료(이하 분석자료라 함) 외에 이보다 탐색 범위가 넓은 관측자료(이하 비교자료라 함)를 함께 전달받아 두 자료를 비교하게 된다.

이를 위해 수집단계에서는 도플러 기상레이더로부터 주기적으로 상기 분석 자료와 비교자료를 전달받게 된다.

일반적인 도플러 기상레이더의 경우 발사하는 빔의 펄스반복주파수에 따라 탐색범위가 결정된다. 이때 펄스반복주파수가 높을수록 해상도는 높아져 보다 작은 물체도 파악할 수 있으나 상대적으로 탐색범위는 줄어들게 되며 펄스반복주파수가 낮을 경우에는 이와 반대로 해상도는 낮지만 탐색범위는 증가하게 된다.

본 발명에서는 동일한 도플러 기상레이더에서 먼저 해상도가 높아 실제 기상 분석에 사용되는 분석자료는 상대적으로 높은 반복펄스주파수의 빔을 사용하여 관측하게 된다.

이때 상기 분석자료는 빔의 고도각을 변화시키면서 레이더를 중심으로 360도를 관측하여 입체적인 관측자료로 구성된다.

완전히 360도의 분석자료를 수집한 이후에는 상대적으로 낮은 반복펄스주파수의 빔을 사용하여 보다 넓은 지역을 관측한 비교자료를 수집하게 된다. 상기 비교자료도 입체적으로 관측자료를 수집할 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 상기 비교자료는 빔의 고도각을 0도로 하여 360도 관측하여 평면상의 관측자료로 구성된다.

이는 비교자료의 경우 실제 기상예측에 사용되지 않고 단순히 분석자료와 비교만 할 것이므로 고도각 0도에서 얻은 관측자료로도 충분하기 때문이다.

다음으로 전처리단계에 대해 설명하기로 한다. 상기 전처리단계는 수집한 분석자료에서 노이즈를 제거하여 기상을 분석할 때 보다 정확한 예측이 가능하도록 하는 단계이다.

본 발명의 전처리단계는 이차 에코를 제거하기 위하여 분석자료와 비교자료를 비교하여 이차 에코를 찾아내고 이를 제거하게 된다.

이차 에코는 탐색 범위 외측에 위치한 물체가 탐색 범위 내측에 위치하는 것으로 표시되는 것이므로 탐색 범위에서 매우 멀리 떨어진 물체는 이러한 이차에코를 발생시키지 않는다.

따라서 탐색범위가 작은 분석자료에 이차 에코가 발생하는 경우에도 비교자료에서는 동일한 위치에 이차 에코가 나타나지 않게 된다. 즉 분석자료에서 이차 에코를 발생시킨 물체가 비교자료에서는 정확한 위치에 표시되므로 이차 에코를 발생시지 않게 된다. 그러므로 동일한 위치에서 분석자료와 비교자료를 비교하여 차이가 있을 경우 이차 에코를 의심할 수 있다.

본 발명에서는 비교자료에는 표시되지 않았으나 분석자료에는 표시된 에코의 경우 비강수에코로 판단하고 이에 따라 분석자료의 해당 위치의 에코를 제거하게 된다.

그러나 상기와 같이 비교자료에는 존재하지 않고 분석자료에만 표시된 에코만을 비강수에코로 판단하도록 한정하는 것은 아니다. 동일한 위치에서 두 자료의 차이가 클 경우에도 비강수에코로 판단하고 이를 보정하도록 구성하는 것도 무방하다.

여기서 기상은 시간이 경과함에 따라 계속 변화하므로 서로 비교할 분석자료와 비교자료 간의 관측시간이 서로 차이가 날 경우 둘을 비교하는 것은 의미가 없으므로 두 자료 간의 관측시간의 차이는 10분 이내로 하여야 한다.

본 발명에서는 분석자료에서 스폿 에코를 제거하는 것도 고려해 볼만하다. 상기 스폿 에코는 노이즈의 일종으로 실제는 존재하지 않는 신호를 있는 것으로 판단하여 표시하는 것으로 기기적인 오류 등으로 발생하게 된다.

상기 스폿 에코는 일반적으로 주변의 신호들과는 관련없이 발생하게 되므로 주변의 신호들과 비교하여 파악하게 된다. 즉 주위는 모두 신호가 존재하지 않으나 하나 내지 두개의 픽셀이 신호를 가지는 경우 상기 신호는 주변의 상황과는 동떨어진 결과이므로 스폿에코로 판단할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 스폿에코를 판단하기 위하여 하나의 픽셀을 중심으로 하여 3X3 픽셀에서 역치 이상의 신호를 가지는 픽셀이 3개 이하일 경우 스폿에코로 판단하여 제거하도록 하고 있다.

여기서 상기 역치는 레이더에서 신호가 의미를 가지기 위한 최소의 신호 강도로 상기 역치 이하의 신호는 장치의 오류 등에 의해 발생할 수 있는 것이므로 상기 역치 이상의 신호만 고려하여야 한다.

여기서 스폿에코를 판단하기 이전에 분석자료에서 역치 이하의 신호는 모두 제거하여 3X3 픽셀에서 3개 이하의 픽셀이 신호 값을 가질 경우 스폿에코로 판단하도록 하는 것도 무방하다.

상기와 같이 스폿에코로 판단되면 상기 신호를 분석자료에서 제거하게 된다.

그리고 상기 전처리 단계에서 빔차단지역의 신호를 제거하도록 구성하는 것도 무방하다. 레이더에서 발사한 빔은 직진하게 되므로 레이더와 물체 사이에 장애물이 있을 경우 상기 장애물 후방에 나타나는 신호는 정확한 관측자료가 될 수 없다. 따라서 상기 빔차단지역의 신호는 제거하여야 한다. 상기 빔차단지역은 레이더의 설치시 이미 결정되어 있으며 지형적으로 변화가 있을 경우 (고층 건물의 건설, 산사태 등)가 아니면 변화하지 않으므로 상기 빔차단지역에 관한 정보를 서전에 저장한 후 입력된 관측자료에서 해당지역의 신호를 제거한다.

또한 상기 전처리 단계에서 밝은 띠를 제거하는 것도 무방하다. 상기 밝은 띠는 강수입자가 얼음에서 비로 변하는 0도씨 층 바로 아래 고도에서 발생하는 것으로 강한 신호가 발생하는 것을 의미한다.

상기 밝은 띠가 존재하는지 확인하기 위해서는 실제 레인게이지로 측정한 1시간 누적 강수량과 레이더에서 얻어진 1시간 누적 강수량을 비교하여 확인할 수 있다.

즉 실제 설치된 레인게이지로 측정한 강수량보다 레이더에서 얻어진 강수량이 높을 경우 밝은 띠가 존재하는 것을 알 수 있다. 이후 분석자료에서 구해진 vertical profile of reflecttivity에서 밝은 띠의 고도와 폭 등을 구할 수 있으므로 이를 통해 보정하게 된다.

상기와 같이 보정된 분석자료는 Z-R 관계식에 의해 강수량 예측에 사용된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 실시예에 따른 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법의 작용과 효과에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는 광덕산에 설치되어 있는 기상 레이더의 관측자료를 사용하여 이차 에코를 제거하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

상기 광덕산에 설치되어 있는 기상 레이더는 최대 관측반경이 480km이며 빔의 폭은 1도이다. 본 발명의 실시예에서는 상기 기상 레이더가 펄스반복주파수 625Hz에서 관측한 탐색 범위 240km의 신호를 분석자료로 하고 펄스반복주파수 250Hz로 관측한 탐색 범위 480km의 신호를 비교자료로 한다. 상기 자료를 10분 간격으로 전달받아 분석하게 된다.

제일 먼저 3X3 픽셀에서 -32dbZ 를 초과하는 신호가 3개 이하인 픽셀은 스폿에코로 간주하여 제거하게 된다.

그리고 나서 분석자료에만 나타난 신호를 찾아 제거하게 된다.

예를 들면 분석자료에서는 도1a 에 도시된 것과 같이 태양광에 의해 라인 에코가 나타나고 있으나 비교자료에서는 나타나지 않을 경우 도1b와 같이 분석자료에서 해당 라인에코를 제거하게 된다.

또 도2a에 도시된 비교자료와 도2b에 도시된 분석자료를 비교하면 비교자료에서는 경기도 북부에 신호가 없으나 분석자료에는 신호가 나타나므로 이를 비강수 에코로 간주하여 도2c와 같이 제거하게 된다.

다음으로 빔차단지역을 제거하게 된다. 광덕산의 기상레이더는 도3에 도시된 것과 같은 빔차단지역을 가지고 있으므로 도4a에 도시된 것과 같은 분석자료는 도4b로 보정된다.

다음으로 밝은 띠를 제거하게 된다. 도5a에 도시된 것과 같은 레이더 신호와 도5b에 나타난 것과 같이 1시간 동안 레인게이지를 사용하여 측정한 누적강수량을 비교하면 경북의 북부에서 누적강수량에 비해 레이더 신호가 강한 지역(붉은 색으로 나타난 부분)이 존재함을 알 수 있다.

이를 통해 밝은 띠의 존재 여부를 파악하게 되면 해당 위치의 VPR을 통해 밝은 띠의 최상부와 최하부의 고도를 구하게 된다.

도6에는 해당 위치의 VPR이 도시되어 있다. 여기서 붉은 색 선은 밝은 띠의 최대반사고도이며 점선은 최상부와 최하부의 고도를 나타낸다. 이를 이용하여 밝은 띠를 제거할 수 있다.

도7에서는 상기 과정을 통해 밝은 띠를 제거하는 것을 표시하고 있다. 여기서 도7a와 도7b는 2005년 4월 10일 7시와 8시에 레인게이지를 사용하여 1시간 동안 누적한 강수량의 분포를 나타낸 것이며 도7c와 도7d는 레이더를 통해 7시와 8시의 누적 강수량의 분포를 나타낸 것이며 도7e와 도7f는 밝은 띠를 제거한 상태를 나타 낸 도면이다.

상기와 같은 과정을 수행하게 되면 레이더의 신호에서 노이즈를 제거하여 보다 정확한 신호를 얻을 수 있으므로 이를 통해 강수량의 예측이 정확해진다.

도1 : 태양광에 의한 라인 에코의 제거 전후 레이더 영상

도2 : 2차에코의 제거 전후 레이더 영상

도3 : 빔차단영역을 나타낸 도

도4 : 빔차단영역의 신호의 제거 전후의 레이더 영상

도5 : 밝은 띠의 존재여부를 확인하기 위한 영상

도6 : 도5의 밝은 띠가 나타난 지역의 vertical profile of reflecttivity를 나타낸 그래프

도7 : 본 발명의 실시예에 따라 처리하는 과정을 나타낸 레이더 영상

Claims (6)

1. 동일한 도플러 기상 레이더로부터 펄스반복주파수(Pulse Repetition Frequency; PRF)를 서로 달리하여 관측한 두 종류의 관측 자료를 주기적으로 전달받는 수집단계와;

   상기 수집단계에서 전달된 두 종류의 관측 자료를 서로 비교하여 동일 위치에서 상대적으로 높은 펄스반복주파수의 관측 자료에만 나타나는 에코를 무강수에코(Non-precipitation echo)로 판단하고 상대적으로 높은 펄스반복주파수에서 관측된 관측 자료에서 무강수에코를 제거하는 전처리단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상대적으로 높은 펄스반복주파수에서는 입체적으로 관측하게 되며 상대적으로 낮은 펄스반복주파수의 관측 자료는 고도각을 0도로 하여 관측하는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전처리단계는 두 종류의 관측 자료를 비교하기 전 각 관측자료의 3X3 픽셀에서 픽셀의 값이 역치 이상인 픽셀이 3개 이하인 경우 스폿 에코 또는 노이즈로 간주하여 제거하게 되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제 거 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전처리단계는 서로 시차가 10분 이내인 관측 자료를 비교하게 되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 전처리단계는 상기 도플러 기상 레이더가 측정할 수 없는 빔차단지역(Beam blockage area)의 관측자료를 제거하게 과정을 더 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전처리단계는 밝은 띠의 존재 여부를 파악하고 이를 보정하는 과정을 더 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 도플러 기상레이더의 이차 에코 제거 방법.

Images