KR101760826B1 - 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법 - Google Patents

기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 기상 레이더 자료의 높은 시공간 해상도를 유지하면서도 다양한 사용자들의 요구에 대응하여 유통 가능하도록 하는 계층적 압축 장치 및 방법을 제공하되, 정량적 강수량 추정을 위해 주로 사용되는 레이더 반사도 자료에 대해 적용되고 하나의 압축 스트림으로부터 신호처리 단계, 품질관리 단계 및 기상정보 해석 단계 등 3단계에 걸친 압축 레벨을 제공함으로써, 각 단계에서 필요한 최소한의 자료를 압축함으로써 기상 레이더 자료의 유통성 및 보존성을 최대화하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법 {Apparatus for Compressing the Reflectivity Data of Weather Radar and Method therefor}
본 발명은 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 기상 레이더 자료의 높은 시공간 해상도를 유지하면서도 다양한 사용자들의 요구에 대응하여 유통 가능하도록 하는 계층적 압축 장치 및 방법을 제공하되, 정량적 강수량 추정을 위해 주로 사용되는 레이더 반사도 자료에 대해 적용되고 하나의 압축 스트림으로부터 신호처리 단계, 품질관리 단계 및 기상정보 해석 단계 등 3단계에 걸친 압축 레벨을 제공함으로써, 각 단계에서 필요한 최소한의 자료를 압축함으로써 기상 레이더 자료의 유통성 및 보존성을 최대화하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법에 관한 것이다.
기상 레이더 기술의 발전과 더불어, 기상 레이더를 활용한 강우, 강설, 우박, 태풍, 토네이도와 같은 기상 현상의 범위와 강도에 대한 실시간 관측성과 관측 정확도가 향상되고 있다.
현재 선진국들, 특히 빈번히 발생하는 기상 변이에 의한 재난으로부터 매년 큰 손실이 발생하는 국가들은 고성능의 기상 레이더 장비를 도입하여 기상 현상을 감시함으로써, 기상재해로부터의 손실을 최소화하려는 노력을 기울이고 있다.
아울러 최근 선진국들은 정확하고 정밀한 기상 관측을 위해 고도의 기술력을 바탕으로 전 국토를 아우르는 이중 편파 기상 레이더 기반의 레이더 네트워크를 구축하는 추세이다.
기상 레이더를 통한 기상관측은 주로 넓은 지역에 걸쳐 기상의 변화 추이를 분석하고 이후의 기상을 예측하는 데 정확성을 높이기 위해 관측 지역의 고도, 주변 환경에 따른 관측 사각지대, 관측거리 등에 따라 분산된 여러 대의 기상 레이더를 동시에 활용하는 방법으로 이루어진다.
이때 레이더 자료의 수집 및 관리 측면에서는 관측, 수집된 정보들에 대해 보다 방대하고 다양한 자료의 면밀한 해석과 관리가 요구되고 방대한 레이더 자료를 저장하고 분석하기 위해서는 많은 시간과 비용이 요구된다.
현재 국내에 구축 중인 이중 편파 레이더 네트워크가 완료된다면 처리해야 할 자료의 양은 기하급수적으로 증가하게 되며, 더욱이 레이더 자료는 자료의 생성 및 배포의 측면에서 신호처리, 품질관리, 기상분석 등의 단계를 거치며, 각 단계의 사용자에 의해 각각 처리되어야 하는데, 현재의 레이더 자료 관리 기관은 여러 단계의, 또한 여러 사용자에게 서비스될 수 있는 생성 가공, 단순화된 형태의 자료를 모두 포함해야 하므로, 각 단계의 사용자들에게 제공하거나 효율적으로 관리하는 데 대해 많은 어려움을 안고 있다.
이에 불구하고 현재의 레이더 자료 저장 및 관리는 1차 가공된 자료들에 대해서 범용 데이터 압축 기법으로 압축하여 관리하고, 레이더 관련 연구를 목적으로 필요로 하는 기관에 대해서는 자료 전송을 위해 낮은 해상도와 정확도의 자료로 변환하여 제공하는 비효율적인 상황이다.
기상 레이더의 압축과 관련한 종래 기술의 하나로서, 한국등록특허 제10-1426425호 '기상 레이더 관측 자료 저장 방법 및 이를 이용한 기상 관측 시스템'은 기상 레이더 자료의 종류 또는 특성에 따라 해당 자료를 압축하는 방식에 관해 부분적으로 제안하고 있다.
그러나 이러한 한국등록특허 제10-1426425호는 기상 레이더 관측 자료의 종류에 따라 구분하여 데이터를 처리하는 일반적인 방식에 관해서 제안하고 있을 뿐, 상술한 바와 같은 문제점을 갖는 것은 마찬가지였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 기상 레이더 자료의 높은 시공간 해상도를 유지하면서도 다양한 사용자들의 요구에 대응하여 유통 가능하도록 하는 계층적 압축 장치 및 방법을 제공하되, 정량적 강수량 추정을 위해 주로 사용되는 레이더 반사도 자료에 대해 적용되고 하나의 압축 스트림으로부터 신호처리 단계, 품질관리 단계 및 기상정보 해석 단계 등 3단계에 걸친 압축 레벨을 제공함으로써, 각 단계에서 필요한 최소한의 자료를 압축함으로써 기상 레이더 자료의 유통성 및 보존성을 최대화하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 관한 것으로, 기상 레이더 반사도 자료를 구성하는 임의의 레이에 대하여 인접한 레이와의 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 수행함으로써 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 것을 특징으로 한다.
이때, 별도의 기초자료제공장치로부터 다수의 레이 집합으로 구성되는 기상 레이더 반사도 자료를 수신하는 기초자료수신수단; 기상 레이더 반사도 자료로부터 하나의 인트라(Intra) 레이 및 1 이상의 인터(Inter) 레이를 포함하는 레이 그룹을 설정하는 레이그룹설정수단; 및 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 이용하여 상기 인트라 레이 및 인터 레이 데이터를 압축하여 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 데이터압축수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 비트스트림은 레벨 1 비트스트림, 레벨 2 비트스트림 및 레벨 3 비트스트림을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터압축수단은, 인터 레이에 대해 인접한 레이와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터를 검색하며, 인트라 레이 및 유사도 벡터 결과를 이용하여 임의의 레이 그룹에 관한 레벨 3 압축 비트스트림을 계산하고, 유사도 벡터 및 유사도 보상 결과를 이용하여 레벨 2 압축 비트스트림을 계산하며, 레벨 2 압축 비트스트림 결과에 최대 허용 오차를 반영함으로써 레벨 1 압축 비트스트림을 계산하고, 레벨 3 압축 비트스트림부터 레벨 1 압축 비트스트림을 순차적으로 복호화하여 복호화에 의한 값을 누적함으로써 반사도 자료 압축 데이터를 생성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터압축수단의 유사도 벡터 검색은 하나의 레이 내에서 게이트 그룹(MG) 단위로 이루어지는 SAD(sum of absolute differential) 기법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터압축수단의 유사도 벡터 검색은 다음의 수학식에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015113117217-pat00001
(위 수학식에서, 좌변은 SAD, R은 레이, n은 레이 그룹 내의 레이 개수, G는 레이 그룹, nG는 게이트 개수, w는 n-1번째 레이에서 s번째를 기준으로 하는 탐색 윈도우를 의미한다)
이때, 레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 인트라 레이
Figure 112015113117217-pat00002
및 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00003
를 엔트로피 코딩하여 완성되며 하나의 레이 그룹에 대한 레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015113117217-pat00004
이때, 레벨 2 압축 비트스트림 BS2는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015113117217-pat00005
Figure 112015113117217-pat00006
Figure 112015113117217-pat00007
(위 수학식에서,
Figure 112015113117217-pat00008
는 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00009
와 유사도 보상에 의해
Figure 112015113117217-pat00010
로부터 예측된 인터 레이
Figure 112015113117217-pat00011
에 의해 결정된 차분,
Figure 112015113117217-pat00012
는 양자화 파라미터를 의미한다)
이때, 레벨 1 압축 비트스트림 BS1은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015113117217-pat00013
(위 수학식에서,
Figure 112015113117217-pat00014
는
Figure 112015113117217-pat00015
로부터의 양자화 오차 값을 의미한다)
이때,
Figure 112015113117217-pat00016
은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015113117217-pat00017
한편, 본 발명은 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 관한 것으로, (A) 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치가, 기상 레이더 반사도 자료를 구성하는 임의의 레이에 대하여 인접한 레이와의 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 수행함으로써 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 단계;를 포함하며, 상술한 바와 같은 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 관한 기술적 특징들이 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기상 레이더 자료의 높은 시공간 해상도를 유지하면서도 다양한 사용자들의 요구에 대응하여 유통 가능하도록 하는 계층적 압축 장치 및 방법을 제공하되, 정량적 강수량 추정을 위해 주로 사용되는 레이더 반사도 자료에 대해 적용되고 하나의 압축 스트림으로부터 신호처리 단계, 품질관리 단계 및 기상정보 해석 단계 등 3단계에 걸친 압축 레벨을 제공함으로써, 각 단계에서 필요한 최소한의 자료를 압축함으로써 기상 레이더 자료의 유통성 및 보존성을 최대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 관한 전체 구성도.
도 2는 이중 편파 레이더 시스템에서의 신호처리 과정을 설명하기 위한 참고도.
도 3은 레이더 자료 신호처리 단계별 사용자를 설명하기 위한 참고도.
도 4는 다수의 레이로 구성되는 레이더 자료의 예를 나타내는 참고도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 압축 개념을 설명하기 위한 참고도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 관한 전체 흐름도.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 관해, 도 1 내지는 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 관한 전체 구성도이며, 도 2는 이중 편파 레이더 시스템에서의 신호처리 과정을 설명하기 위한 참고도이고, 도 3은 레이더 자료 신호처리 단계별 사용자를 설명하기 위한 참고도이며, 도 4는 다수의 레이로 구성되는 레이더 자료의 예를 나타내는 참고도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 압축 개념을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)는, 기초자료수신수단(10), 레이그룹설정수단(20), 및 데이터압축수단(30)을 포함하여 구성된다.
우선, 기초자료수신수단(10)은 별도의 기초자료제공장치로부터 기상 레이더 반사도 자료를 수신하며 수신한 기상 레이더 반사도 자료는 기상 레이더 중심으로부터 0도 내지 360도의 방위각에 따라 관측된 다수의 레이 집합으로 구성된다.
아래에서, 기초자료수신수단(10)이 수신하는 레이더 자료와, 레이더 자료의 신호처리 과정 및 특성에 관해 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 편파 레이더 자료의 신호처리 과정과 각 단계별로 생성되는 레이더 변수들을 확인할 수 있다.
이중 편파 레이더로부터 획득되는 수직 및 수평파에 대한 각 I, Q 데이터로부터 1차 신호처리 과정이 수행된다. 이때, 지상 클러터(clutter) 제거, 이착 에코(second trip echo) 제거, 속도 접힘 보정(속도펼침, velocity unfolding) 등이 수행되며, 여기서 획득된 변수들은 기본적인 레이더 자료 분석과 레이더 보정 등을 위한 레이더 변수들로 사용된다.
이러한 변수들을 이용하여 품질 관리(quality control, QC)를 수행하면, 향상된 레이더 자료를 얻을 수 있다. QC 과정에서는 2차 신호처리 과정으로써 적응 필터링(adaptive filtering), 감쇄 보정(attenuation correction) 등이 수행된다.
이중 편파 레이더 시스템에서는 1차 및 2차 신호처리 과정을 통해 생성된 레이더 변수들을 활용함으로써, 대기 중 강수체의 크기, 모양 등을 계산하고, 강수체도 구분할 수 있다. 최종적으로 이러한 모든 정보들을 종합한 기상 정보로써 레이더 자료가 사용된다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 자료 신호처리 중의 단계별 자료들과 함께, 단계별로 대응되는 사용자들을 도식화한 모습을 확인할 수 있다.
레이더 자료의 용량이 증가함에 따라, 전송과 저장이 어려워지는 문제가 발생하며, 그러한 이유로 단계별 이용자는 고유의 이용 목적에 부합되는 정도의 정보만을 필요로 한다.
그러나 현재의 레이더 시스템 활용을 위해서는, 단계별 사용자에 따른 요구 정밀도와 자료의 주요 특성들이 달라지므로, 레이더 자료의 통합과 관리에 있어서 어려움을 겪고 있는 실정이다. 사용자 역시, 방대한 자료를 얻기 위해 직접 해당기관을 방문해야 하는 등의 곤란한 점을 느끼고 있다.
실제로, 방대한 기상 레이더 자료의 관리를 위해, 현재 미국, 유럽, 일본 등에서는 각 단계의 자료에 대해 각각 저장 및 배포하며, 용량이 큰 자료에 대해서는 일반적인 압축 방법을 사용하여 저장하는 방법을 주로 채택하고 있다.
그러므로 하나의 레이더 자료에 대해 여러 수준(level)의 자료가 생성되며, 레이더 자료 사용자들이 추가로 원하는 자료를 얻기 위해서는 다른 단계의 자료를 확보해야 하는 등 레이더 자료 유통 관리 체계의 복잡성을 안고 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라, UF 자료 구조 및 UF 구조에 따라 저장된 레이더 자료의 예를 확인할 수 있다.
다음으로, 레이그룹설정수단(20)은 다수의 레이 집합으로 구성되는 기상 레이더 반사도 자료로부터 본 발명에 따른 압축 단위가 되는 레이 그룹을 설정하며, 임의의 레이 그룹은 하나의 인트라(Intra) 레이 및 1 이상의 인터(Inter) 레이로 구성된다.
인트라 레이는 본 발명에 따른 압축에 있어 참조 기능을 수행하며, 인터 레이는 레이 그룹 내에서 인접한 레이와의 1차원 유사도 추정 및 보상을 통해 실질적으로 압축을 위한 데이터를 산출하는 기능을 수행한다.
본 발명은 손실 및 무손실 데이터를 하나의 비트스트림에서 계층적으로 압축 및 저장하는 기술을 제시하는데, 아래에서 레이 그룹 설정과, 레이 그룹 설정의 전제로서 본 발명에서 채택하는 레이더 자료에 대한 선형 유사도 추정 및 보상 기법에 관해 전반적으로 설명한다.
기상 레이더의 가장 큰 목적은 대기중의 수상체를 관측하는 것으로서, 그 기본은 레이더 수신 신호의 강도로서 계산되는 반사도를 이용하여 정량적 강수량을 추정(quantitative precipitation estimation, QPE) 하는 것이다. 반사도를 이용한 QPE 추정 방식으로 Z-R 관계식이 사용되며, 그 기본 형식은 [수학식 1]과 같다.
Figure 112015113117217-pat00018
본 발명은, 다양한 주파수 대역의 기상 레이더들이 기본적으로 활용하는 레이더 변수인 반사도 자료에 대한 압축 기술을 제시한다.
일반적으로 기상 레이더 자료는 레이더 중심에서 0도 내지 360도의 방위각으로 관측된 각 레이들의 집합으로 구성되므로, 인접한 레이 간의 레이더 변수들에 대해 유사성을 갖는 특성이 있다.
따라서 이러한 레이들 간의 유사성을 이용하여, 특정 반사도 블록에 대해 인접한 레이와의 1차원의 선형 유사도 추정 및 보상을 통해 압축을 수행할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 압축 개념을 개략적으로 확인할 수 있는데, 본 발명에 따른 압축은 레이더 자료를 이용하는 단계별 사용자 그룹에 따라 하나의 압축된 비트스트림으로부터 자료를 선별적으로 추출 복원함으로써 사용할 수 있도록 계층적으로 구성된 비트스트림으로 압축하도록 설계된다.
레벨 1의 비트스트림
Figure 112015113117217-pat00019
은 레벨 2 및 3의 비트스트림
Figure 112015113117217-pat00020
,
Figure 112015113117217-pat00021
의 비트스트림을 포함함으로써 완전 복원이 가능한 무손실 압축이 적용되며,
Figure 112015113117217-pat00022
및
Figure 112015113117217-pat00023
는 각각 품질관리와 강수량 추정 등을 위해 최소화된 손실 압축이 적용된다.
계층적 압축과 레이 기반의 1차원 유사도 추정 및 보상을 위해, 본 발명에 따른 레이그룹설정수단(20)은 참조를 위한 하나의 인트라(Intra) 레이와, 1차원 유사도 추정 및 보상을 위한 다수의 인터(Inter) 레이로 구성된 레이 그룹, GOR(group of ray) 단위의 압축을 수행한다.
이때, GOR은 레벨 3 단계의 최소한의 오차와 압축 효율 간의 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있으므로 레이 그룹의 적절한 크기를 결정하는 것이 중요하다.
마지막으로, 데이터압축수단(30)은 인트라 레이 및 인터 레이 데이터를 압축하여 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축한다.
인트라 레이를 압축함에 있어서는 일반적인 데이터 압축 기법을 사용할 수 있으나, 인터 레이를 압축함에 있어서는 본 발명에 따른 특유의 압축 기법이 사용된다.
구체적으로, 데이터압축수단(30)은, 인터 레이에 대해 임의의 레이 그룹 내에 존재하는 인접한 레이와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터를 검색하며, 인트라 레이 및 유사도 벡터 결과를 이용하여 임의의 레이 그룹에 관한 레벨 3 압축 비트스트림을 계산하고, 유사도 벡터 및 유사도 보상 결과를 이용하여 레벨 2 압축 비트스트림을 계산하며, 레벨 2 압축 비트스트림 결과에 최대 허용 오차를 반영함으로써 레벨 1 압축 비트스트림을 계산하고, 최종적으로 레벨 3 압축 비트스트림을 복호화하며 레벨 2 압축 비트스트림을 복호화하고 레벨 1 압축 비트스트림을 복호화하는 등 순차적인 복호화에 의한 값을 누적함으로써 반사도 자료 압축 데이터를 생성한다.
아래에서, 데이터압축수단(30)이 수행하는 레이더 자료 압축에 관해 상세히 설명한다.
인트라 레이
Figure 112015113117217-pat00024
는 압축 복원 시, 계층적 압축 수행에서 가장 기초가 되는 자료로 사용되며, 또한 인터 레이들의 복원을 위해 참조되는 중요한 레이이므로 손실을 최소화하기 위해 일반적인 데이터 압축 기법으로 압축될 수 있다.
인터 레이
Figure 112015113117217-pat00025
의 압축을 위해, N개의 레이로 구성되는 하나의 레이 그룹, GOR 내에서
Figure 112015113117217-pat00026
후에 압축되는 n번째의 인터 레이
Figure 112015113117217-pat00027
는 이전의 레이
Figure 112015113117217-pat00028
, 또는
Figure 112015113117217-pat00029
와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00030
를 검색한다.
유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00031
검색을 위해, 하나의 레이 내에서 게이트 그룹(MG) 단위로 SAD(sum of absolute differential) 기법을 이용한다. 레이
Figure 112015113117217-pat00032
에서 nG 개의 게이트를 갖는 s번째 위치의
Figure 112015113117217-pat00033
는 이전 레이
Figure 112015113117217-pat00034
로부터 가장 유사한 MG를 탐색하기 위한 SAD 기법에 관한 수식은 [수학식 2]와 같다.
Figure 112015113117217-pat00035
여기서, w는
Figure 112015113117217-pat00036
에서 s를 기준으로 한 탐색 윈도우(window)로 사용되며, 탐색범위는 nG에 의해 결정된다. 따라서
Figure 112015113117217-pat00037
는
Figure 112015113117217-pat00038
범위의 탐색 윈도우 내에서 최소값을 갖는 SAD로 결정되며, 이때 결정된 w가 해당
Figure 112015113117217-pat00039
의 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00040
로 사용된다. 따라서 하나의 인터 레이에서 생성되는 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00041
의 수는 해당 레이의 총 게이트 수 tG에 대해
Figure 112015113117217-pat00042
로 정의될 수 있다.
레벨 3의 압축 비트스트림
Figure 112015113117217-pat00043
는 인트라 레이
Figure 112015113117217-pat00044
와 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00045
를 각각 엔트로피 코딩(entropy coding)함으로써 완성되며 하나의 레이 그룹, GOR에 대한
Figure 112015113117217-pat00046
는 [수학식 3]과 같이 구성된다.
Figure 112015113117217-pat00047
한편, [수학식 2]로부터 탐색된 w에 의해 결정된 유사도 벡터
Figure 112015113117217-pat00048
와 유사도 보상에 의해
Figure 112015113117217-pat00049
로부터 예측된 인터 레이
Figure 112015113117217-pat00050
에 의해 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 차분
Figure 112015113117217-pat00051
와 차분치의 부호를 포함하는 레이가 생성된다.
Figure 112015113117217-pat00052
Figure 112015113117217-pat00053
Figure 112015113117217-pat00054
는
Figure 112015113117217-pat00055
의 부가 정보를 추가로 전송 및 저장함으로써
Figure 112015113117217-pat00056
에 비해 더욱 정밀한 기상관측 자료의 구성이 가능하다.
[수학식 4]로부터 생성된
Figure 112015113117217-pat00057
으로부터 양자화 파라미터
Figure 112015113117217-pat00058
를 통해 양자화를 수행한 결과값을 압축함으로써 [수학식 6]과 같이 구성된다.
Figure 112015113117217-pat00059
[수학식 6]으로부터 양자화 파라미터
Figure 112015113117217-pat00060
를 이용함으로써 레벨 2의 레이더 자료의 품질관리 사용자를 위한 반사도 자료의 최대 허용 오차를 가변할 수 있다.
각종 필터링 등의 신호처리와 레이더 보정을 위해 정밀하고 정확한 자료를 압축하는
Figure 112015113117217-pat00061
의 경우, [수학식 7]에 의해 구성된다.
Figure 112015113117217-pat00062
[수학식 5]의
Figure 112015113117217-pat00063
로부터의 양자화 오차값
Figure 112015113117217-pat00064
을 압축하여 포함시킴으로써, 무손실, 또는 최소손실의 레이더 자료를 저장할 수 있다.
[수학식 7]로부터
Figure 112015113117217-pat00065
에 대한 수식을 나타내면 [수학식 8]과 같다.
Figure 112015113117217-pat00066
이제, 압축된 비트스트림은
Figure 112015113117217-pat00067
를 복호화 한 후,
Figure 112015113117217-pat00068
와
Figure 112015113117217-pat00069
을 순차적으로 복호화하여 복호화된 값들을 누적시킴으로써 생성된다.
각 사용자가 요구하는 본 발명에 따른 압축에 의하면,
Figure 112015113117217-pat00070
,
Figure 112015113117217-pat00071
및
Figure 112015113117217-pat00072
에 대하여
Figure 112015113117217-pat00073
은
Figure 112015113117217-pat00074
와
Figure 112015113117217-pat00075
를,
Figure 112015113117217-pat00076
는
Figure 112015113117217-pat00077
를 포함하는 계층적 구조를 가지는 형태로 압축을 수행함으로써, 한 번의 압축으로 다양한 사용자에게 적합한 레이더 자료를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 관해, 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 관한 전체 흐름도이다.
먼저, 도 6에 도시한 바와 같이, 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)의 기초자료수신수단(10)이, 별도의 기초자료제공장치로부터 기상 레이더 반사도 자료를 수신하며 수신한 기상 레이더 반사도 자료는 기상 레이더 중심으로부터 0도 내지 360도의 방위각에 따라 관측된 다수의 레이 집합으로 구성된다(S10).
다음으로, 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)의 레이그룹설정수단(20)이, 다수의 레이 집합으로 구성되는 기상 레이더 반사도 자료로부터 본 발명에 따른 압축 단위가 되는 레이 그룹을 설정하며, 임의의 레이 그룹은 하나의 인트라(Intra) 레이 및 1 이상의 인터(Inter) 레이로 구성된다(S20).
S20 단계에서 설정되는 레이 그룹 중, 인트라 레이는 본 발명에 따른 압축에 있어 참조 기능을 수행하며, 인터 레이는 레이 그룹 내에서 인접한 레이와의 1차원 유사도 추정 및 보상을 통해 실질적으로 압축을 위한 데이터를 산출하는 기능을 수행한다.
마지막으로, 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)의 데이터압축수단(30)이, 인트라 레이 및 인터 레이 데이터를 압축하여 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축한다(S30).
S30 단계에서, 인트라 레이를 압축함에 있어서는 일반적인 데이터 압축 기법을 사용할 수 있으나, 인터 레이를 압축함에 있어서는 본 발명에 따른 특유의 압축 기법이 사용된다.
구체적으로, S30 단계는, 인터 레이에 대해 임의의 레이 그룹 내에 존재하는 인접한 레이와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터를 검색하는 단계와, 인트라 레이 및 유사도 벡터 결과를 이용하여 임의의 레이 그룹에 관한 레벨 3 압축 비트스트림을 계산하고, 유사도 벡터 및 유사도 보상 결과를 이용하여 레벨 2 압축 비트스트림을 계산하며, 레벨 2 압축 비트스트림 결과에 최대 허용 오차를 반영함으로써 레벨 1 압축 비트스트림을 계산하는 단계와, 최종적으로 레벨 3 압축 비트스트림을 복호화하며 레벨 2 압축 비트스트림을 복호화하고 레벨 1 압축 비트스트림을 복호화하는 등 순차적인 복호화에 의한 값을 누적함으로써 반사도 자료 압축 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다.
100 : 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치
10 : 기초자료수신수단
20 : 레이그룹설정수단
30 : 데이터압축수단

Claims (20)

  1. 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치에 있어서,
    기상 레이더 반사도 자료를 구성하는 임의의 레이에 대하여 인접한 레이와의 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 수행함으로써 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    별도의 기초자료제공장치로부터 다수의 레이 집합으로 구성되는 기상 레이더 반사도 자료를 수신하는 기초자료수신수단(10);
    기상 레이더 반사도 자료로부터 하나의 인트라(Intra) 레이 및 1 이상의 인터(Inter) 레이를 포함하는 레이 그룹을 설정하는 레이그룹설정수단(20); 및
    1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 이용하여 상기 인트라 레이 및 인터 레이 데이터를 압축하여 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 데이터압축수단(30);을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비트스트림은 레벨 1 비트스트림, 레벨 2 비트스트림 및 레벨 3 비트스트림을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터압축수단(30)은,
    인터 레이에 대해 인접한 인터 레이와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터를 검색하며, 인트라 레이 및 유사도 벡터 결과를 이용하여 임의의 레이 그룹에 관한 레벨 3 압축 비트스트림을 계산하고, 유사도 벡터 및 유사도 보상 결과를 이용하여 레벨 2 압축 비트스트림을 계산하며, 레벨 2 압축 비트스트림 결과에 최대 허용 오차를 반영함으로써 레벨 1 압축 비트스트림을 계산하고, 레벨 3 압축 비트스트림부터 레벨 1 압축 비트스트림을 순차적으로 복호화하여 복호화에 의한 값을 누적함으로써 반사도 자료 압축 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데이터압축수단(30)의 유사도 벡터 검색은 하나의 레이 내에서 게이트 그룹(MG) 단위로 이루어지는 SAD(sum of absolute differential) 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터압축수단(30)의 유사도 벡터 검색은 다음의 수학식에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
    Figure 112015113117217-pat00078

    (위 수학식에서, 좌변은 SAD, R은 레이, n은 레이 그룹 내의 레이 개수, G는 레이 그룹, nG는 게이트 개수, w는 n-1번째 레이에서 s번째를 기준으로 하는 탐색 윈도우를 의미한다)
  7. 제6항에 있어서,
    레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 인트라 레이
    Figure 112015113117217-pat00079
    및 유사도 벡터
    Figure 112015113117217-pat00080
    를 엔트로피 코딩하여 완성되며 하나의 레이 그룹에 대한 레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
    Figure 112015113117217-pat00081

  8. 제7항에 있어서,
    레벨 2 압축 비트스트림 BS2는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
    Figure 112015113117217-pat00082

    Figure 112015113117217-pat00083

    Figure 112015113117217-pat00084

    (위 수학식에서,
    Figure 112015113117217-pat00085
    는 유사도 벡터
    Figure 112015113117217-pat00086
    와 유사도 보상에 의해
    Figure 112015113117217-pat00087
    로부터 예측된 인터 레이
    Figure 112015113117217-pat00088
    에 의해 결정된 차분,
    Figure 112015113117217-pat00089
    는 양자화 파라미터를 의미한다)
  9. 제8항에 있어서,
    레벨 1 압축 비트스트림 BS1은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
    Figure 112015113117217-pat00090

    (위 수학식에서,
    Figure 112015113117217-pat00091
    는
    Figure 112015113117217-pat00092
    로부터의 양자화 오차 값을 의미한다)
  10. 제9항에 있어서,
    Figure 112015113117217-pat00093
    은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치.
    Figure 112015113117217-pat00094

  11. 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법에 있어서,
    (A) 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 기상 레이더 반사도 자료를 구성하는 임의의 레이에 대하여 인접한 레이와의 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 수행함으로써 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 단계;를 포함하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (A) 단계는,
    (A1) 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 별도의 기초자료제공장치로부터 다수의 레이 집합으로 구성되는 기상 레이더 반사도 자료를 수신하는 단계;
    (A2) 상기 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 기상 레이더 반사도 자료로부터 하나의 인트라(Intra) 레이 및 1 이상의 인터(Inter) 레이를 포함하는 레이 그룹을 설정하는 단계; 및
    (A3) 상기 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 1차원 선형 유사도 추정 및 보상을 이용하여 상기 인트라 레이 및 인터 레이 데이터를 압축하여 기상 레이더 반사도 자료를 계층적으로 구성된 비트스트림 형태로 압축하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비트스트림은 레벨 1 비트스트림, 레벨 2 비트스트림 및 레벨 3 비트스트림을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (A3) 단계는,
    (A4) 상기 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 인터 레이에 대해 인접한 인터 레이와의 유사도 추정을 수행하여 유사도 벡터를 검색하는 단계;
    (A5) 상기 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 인트라 레이 및 유사도 벡터 결과를 이용하여 임의의 레이 그룹에 관한 레벨 3 압축 비트스트림을 계산하고, 유사도 벡터 및 유사도 보상 결과를 이용하여 레벨 2 압축 비트스트림을 계산하며, 레벨 2 압축 비트스트림 결과에 최대 허용 오차를 반영함으로써 레벨 1 압축 비트스트림을 계산하는 단계; 및
    (A6) 상기 기상 레이더 반사도 자료 압축 장치(100)가, 레벨 3 압축 비트스트림부터 레벨 1 압축 비트스트림을 순차적으로 복호화하여 복호화에 의한 값을 누적함으로써 반사도 자료 압축 데이터를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (A4) 단계의 유사도 벡터 검색은, 하나의 레이 내에서 게이트 그룹(MG) 단위로 이루어지는 SAD(sum of absolute differential) 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (A4) 단계의 유사도 벡터 검색은 다음의 수학식에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
    Figure 112015113117217-pat00095

    (위 수학식에서, 좌변은 SAD, R은 레이, n은 레이 그룹 내의 레이 개수, G는 레이 그룹, nG는 게이트 개수, w는 n-1번째 레이에서 s번째를 기준으로 하는 탐색 윈도우를 의미한다)
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (A5) 단계의 레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 인트라 레이
    Figure 112015113117217-pat00096
    및 유사도 벡터
    Figure 112015113117217-pat00097
    를 엔트로피 코딩하여 완성되며 하나의 레이 그룹에 대한 레벨 3 압축 비트스트림 BS3는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
    Figure 112015113117217-pat00098

  18. 제17항에 있어서,
    상기 (A5) 단계의 레벨 2 압축 비트스트림 BS2는 다음의 수학식과 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
    Figure 112015113117217-pat00099

    Figure 112015113117217-pat00100

    Figure 112015113117217-pat00101

    (위 수학식에서,
    Figure 112015113117217-pat00102
    는 유사도 벡터
    Figure 112015113117217-pat00103
    와 유사도 보상에 의해
    Figure 112015113117217-pat00104
    로부터 예측된 인터 레이
    Figure 112015113117217-pat00105
    에 의해 결정된 차분,
    Figure 112015113117217-pat00106
    는 양자화 파라미터를 의미한다)
  19. 제18항에 있어서,
    상기 (A5) 단계의 레벨 1 압축 비트스트림 BS1은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
    Figure 112015113117217-pat00107

    (위 수학식에서,
    Figure 112015113117217-pat00108
    는
    Figure 112015113117217-pat00109
    로부터의 양자화 오차 값을 의미한다)
  20. 제19항에 있어서,
    Figure 112015113117217-pat00110
    은 다음의 수학식에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 기상 레이더 반사도 자료 압축 방법.
    Figure 112015113117217-pat00111

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