KR20230006192A - 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법 - Google Patents

다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 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 단일 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

다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법{DEVICE FOR ATTENUATION CORRECTION OF X-BAND SINGLE POLARIZATION RADAR REFLECTIVITY USING ADJACENT MULTIPLE TERRESTRIAL MICROWAVE LINKS AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
레이더(Radio Detection And Ranging, RADAR)는 초기에 군사적 목적으로 사용되어오다 2차 세계대전 이후 수문, 기상 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기상 레이더는 전자기파를 송신하여 목표물(강수입자)에 부딪혀서 후방 산란되어 되돌아오는 전자기파를 수신하여 목표물(강수입자)까지의 거리와 강수입자의 강도를 측정하는 원격관측장비이다. 고출력의 대형 에스(S)밴드 및 씨(C)밴드 레이더는 200km 이상의 관측 반경에서 1km 이상의 공간해상도와 5분에서 10분의 시간해상도를 가지기 때문에 저고도 및 시공간적으로 고해상도의 정밀한 강우 관측에는 기술적 한계가 있다. 이와 달리 소형 엑스(X)밴드 레이더는 전자기파의 파장이 에스밴드와 씨밴드에 비해 상대적으로 짧아서 100m 이하의 공간적인 분해능을 가지며 2분 이하의 시간 주기로 저고도 관측이 가능하여 서울과 같은 도심 지역 및 산악지역에서 국지성 호우 관측에 효과적이다. 2003년 9월에 국립 과학 재단의 후원을 바탕으로 설립된 미국 CASA-ERC(Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere- Engineering Research Center)센터는 여러 소형 엑스밴드 레이더를 이용하여 저고도를 고해상도로 관측하여 강우 추정 정확성을 향상시켰고, 일본 방재과학기술연구소는 2006년부터 여러 엑스밴드 레이더망을 구축하여 성공적인 도시홍수경보시스템을 구축하였다. 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 레이더의 도입으로 감쇠보정 알고리즘이 개발되고 있으나 본 발명에서는 이미 전세계에 곳곳에 구축된 방송통신데이터 중계용으로 사용되고 있는 지상 통신 기지국(이하, 지상 마이크로파 링크) 마이크로파 감쇠 자료를 이용하여 엑스밴드 단일 편파 레이더의 반사도 감쇠를 보정할 수 있는 방법을 새롭게 제안한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1291980호(2013.07.25. 등록)
본 발명의 목적은 강수에 의한 전파 감쇠가 큰 단일 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 단일 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 감지기에 기록된 강우 시간과 우량계에 기록된 누적 강우량과 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(
Figure pat00001
)와, 엑스밴드 레이더의 레이더 반사도(
Figure pat00002
)를 이용하여 산출된 감쇠 보정된 레이더 반사도(
Figure pat00003
)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 단일 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
Figure pat00004
와 감쇠 보정 계수 a, b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기
Figure pat00005
로 감쇠 보정한 레이더 반사도
Figure pat00006
를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계를 포함한다.
여기서, 감쇠 보정된 레이더 반사도(
Figure pat00007
)는,
Figure pat00008
이며,
Figure pat00009
은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서,
Figure pat00010
이고,
Figure pat00011
는 엑스밴드 레이더의 첫번째 게이트의 감쇠 값으로
Figure pat00012
의 값은 0이며, N은 엑스밴드 레이더 게이트 전체 자료 수,
Figure pat00013
은 엑스밴드 레이더의 게이트 간격(km), a, b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 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 단일 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 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치의 개념도이다.
도 2는 대류운 사례에서 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수의 변동성을 나타낸 도면이다.
도 3은 층상운 사례에서 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수의 변동성을 나타낸 도면이다.
도 4는 마이크로파 링크에서 계산한 감쇠 보정 계수들의 평균값과 최대값, 최소값 및 중앙값 등으로 적용하여 게이트별 감쇠 크기를 계산한 후 이를 이용하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하고 에스밴드 레이더 반사도와 비교 검증한 결과를 통계적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다.
도 6은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 7은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 a와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 8은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00014
를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 9는 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 10은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 11은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 12는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다.
도 13은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다.
도 14는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00015
를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다.
도 15는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 16은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 17은 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 18은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 19는 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 20은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 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 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치의 개념도이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 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(Rain-caused attenuation,
Figure pat00016
)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 수집하고, 6~8㎓ 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 반사도를 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,
Figure pat00017
)
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(
Figure pat00018
)를 산출하는 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320), 결정된 창 크기 동안의 마이크로파 감쇠와 평균 마이크로파 감쇠(
Figure pat00019
)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
Figure pat00020
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(
Figure pat00021
)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.
Figure pat00022
수학식 1에서,
Figure pat00023
이고
Figure pat00024
는 지연 시간을 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(
Figure pat00025
)를 산출한다.
여기서, 평균 마이크로파 감쇠(
Figure pat00026
)는 창 크기(Wt)내의 마이크로파 감쇠 크기의 평균이며, 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00027
수학식 2에서,
Figure pat00028
는 실시간 측정되는 마이크로파 감쇠 크기이며,
Figure pat00029
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(
Figure pat00030
)와, 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320)에서 산출된 평균 마이크로파 감쇠(
Figure pat00031
)의 차이를 이용하여 마이크로파 감쇠의 검정 통계량을 산출한다. 여기서, 마이크로파 감쇠의 검정 통계량(
Figure pat00032
)은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00033
수학식 3에서, 마이크로파 감쇠는 비정상성(nonstationary)이기 때문에 마이크로파 감쇠의 검정 통계량(
Figure pat00034
)과 마이크로파 감쇠의 표준 편차는 상호 수렴하지 않는다.
Figure pat00035
는 창 크기(Wt)내의 마이크로파 감쇠의 평균이다.
임계 값 산출 모듈(340)은 마이크로파 감쇠를 이용한 강우 유무를 1차 판단하기 위해 필요한 임계값(
Figure pat00036
)을 산출한다. 본 실시예는 강우 감지기 자료와 비교하여 90% 이상의 일치를 보이는 임계값을 최종 임계값(
Figure pat00037
)으로 결정하는 것을 예시하며, 이는 0.09인 것을 예시한다.
1차 강우 유무 탐지 모듈(350)은 마이크로파 감쇠의 검정 통계량(
Figure pat00038
)과, 임계 값 산출 모듈(340)에서 산출된 임계값 간의 초과 여부를 통해 1차적으로 강우 유무를 탐지한다. 즉, 창 크기(Wt)가 결정되면 임계값(
Figure pat00039
)이 결정되고, 아래의 수학식 4에 의해 1차적으로 마이크로파 감쇠를 이용한 강우 유무, 즉, 1차 강우 유무가 결정된다.
Figure pat00040
Figure pat00041
마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈(360)은 평균 마이크로파 감쇠 산출 모듈(320)에서 산출된 평균 마이크로파 감쇠(
Figure pat00042
)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.
Figure pat00043
Figure pat00044
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(
Figure pat00045
)가 마이크로파 기준 감쇠 산출 모듈(360)에서 산출된 마이크로파 기준 감쇠(
Figure pat00046
)와의 차이가 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00047
)의 2.5%보다 클 때 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠(
Figure pat00048
)로 결정한다.
2차 강우 유무 탐지 모듈(370)은 마이크로파 감쇠(
Figure pat00049
)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(
Figure pat00050
)는 강우가 내렸을 때의 마이크로파 감쇠(
Figure pat00051
)로 결정하기 위해 사용된다. 최종적으로 2차 강우 유무 탐지 모듈(370)에서 마이크로파 감쇠(
Figure pat00052
)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(
Figure pat00053
)를 연산하는 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈(420)과, 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기(
Figure pat00054
)를 산출하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈(430), 레이더 주파수로 변환된 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00055
)를 산출하는 마이크로파 감쇠k 크기 산출 모듈(440), 비용함수(
Figure pat00056
)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 감쇠(Ad)를 초과하는 마이크로파 감쇠(
Figure pat00057
)를 강우에 의해 야기된 마이크로파 감쇠(
Figure pat00058
)로 결정한다.
엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기 연산 모듈(420)은 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기(
Figure pat00059
)를 연산한다. 여기서, 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기는 아래의 수학식 6과 같다.
Figure pat00060
수학식 6에서,
Figure pat00061
는 측정된 엑스밴드 레이더의 반사도 자료이며,
Figure pat00062
는 레이더의 첫번째 게이트, 레이더 첫번째 게이트의 감쇠 값인
Figure pat00063
의 값은 0이다. N은 레이더 게이트 전체 자료 수이다.
Figure pat00064
은 레이더의 게이트 간격(km)이며, 레이더 전자기파의 왕복 거리를 고려하기 위해서 2를 곱하였다. a, b는 경험적으로 결정되는 레이더 감쇠 보정 계수이다. 본 실시예에서 a는
Figure pat00065
범위 내에서 변동하고, b는
Figure pat00066
범위인 것을 예시한다. 각각의 마이크로파 링크에 가장 근접한 레이더 방위각을 선택하였고, 마이크로파 링크는 그 레이더 방위각의 선상에 있는 것으로 가정하였다,
엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈(430)은 최적화된 a, b 계수를 결정하기 위해서 아래의 수학식 7과 같이 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기(
Figure pat00067
)를 계산한다. a, b 계수는 초기값으로 a는
Figure pat00068
그리고 b는 0.7로 상수로 사용한다.
Figure pat00069
수학식 7에서,
Figure pat00070
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(
Figure pat00071
)를 산출한다. 마이크로파 링크의 주파수와 엑스밴드 레이더 주파수가 다를 경우, 마이크로파 링크의 감쇠 크기(
Figure pat00072
에 마이크로파 링크 주파수와 엑스밴드 레이더 주파수의 비를 곱하여 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00073
)를 아래의 수학식 8과 같이 변환하고, 레이더 감쇠 보정 계수 a를 결정하기 위한 기준 값으로 사용한다.
Figure pat00074
비용함수 산출 모듈(450)은 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기(
Figure pat00075
)와 변환된 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00076
)간의 차이를 계산하여 아래의 수학식 9와 같이 비용함수(
Figure pat00077
)를 추정한다.
Figure pat00078
엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기(
Figure pat00079
) 계산에서 필요한 a, b 계수는 초기값으로 a는
Figure pat00080
으로 상대적으로 크게 설정하였고, a를
Figure pat00081
단위로 감소하면서 계산상의 안정성을 도모하였다. 그리고 b는 0.7으로 상수로 사용하였고, 비용함수의 값이 0.25 이하일 때의 a값을 엑스밴드 레이더 감쇠 보정 계수 값으로 결정하였다.
도 2는 대류운 사례에서 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수의 변동성을 나타낸 도면이고, 도 3은 층상운 사례에서 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수의 변동성을 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 마이크로파 링크에서 계산한 감쇠 보정 계수들의 평균값과 최대값, 최소값 및 중앙값 등으로 적용하여 게이트별 감쇠 크기를 계산한 후 이를 이용하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하고 에스밴드 레이더 반사도와 비교 검증한 결과를 통계적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 대류운, 3은 층상운 사례에서 전술된 수학식 1에서 수학식 9를 이용하여 결정한 각각의 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수(a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7)의 변동성을 나타낸 것이다. 대부분의 마이크로파 링크별 감쇠 보정 계수는 0에서 0.04 이하의 범위를 보였으나 마이크로파 링크 6, 7에서는 상대적으로 큰 변화를 보였는데 이것은 링크 길이가 상대적으로 짧았고, 두 마이크로파 링크와 엑스밴드 레이더와 수평 거리가 상대적으로 가장 멀었기 때문이다. 도 4는 각각의 마이크로파 링크에서 계산한 감쇠 보정 계수들의 평균값, 최대값, 최소값, 중앙값 등으로 적용하여 게이트 별 감쇠 크기를 계산한 후 이를 이용하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하고 에스밴드 레이더 반사도와 비교 검증한 결과를 통계적으로 나타낸 것이다.
엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈(460)은 레이더 반사도
Figure pat00082
와 감쇠 보정 계수 a, b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기
Figure pat00083
를 이용하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이는 아래의 수학식 10과 같이 감쇠 보정한 레이더 반사도
Figure pat00084
를 산출하여 수행할 수 있다.
Figure pat00085
도 5는 2016년 7월 5일 7시의 대류운 사례에서 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(Plan Position Indicator, PPI)를 나타낸 것이다. 도 6은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 7은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 a와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 8은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00086
를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 도 9는 기상청이 서울시에서 운영중인 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 10은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 5는 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 6은 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 7은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수 a와 b를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 8은 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00087
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 9는 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 10은 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 11은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이고, 도 12는 기상청의 에스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 13은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 14는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00088
를 수학식 10에 적용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 나타낸 것이다. 도 15는 AWS 위치에서의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 16은 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 11은 층상운 사례인 2016년 5월 2일 22시의 한국건설기술연구원의 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도(PPI)를 나타낸 것이다. 도 12는 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 13은 7개의 마이크로파 링크 감쇠를 수학식 1에서 수학식 9까지 적용하여 산출한 최적의 감쇠 보정 계수를 수학식 6에 적용하여 산출한 엑스밴드 레이더 감쇠장을 나타낸 것이다. 도 14는 산출한 엑스밴드 레이더 게이트 별 감쇠 크기
Figure pat00089
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 15는 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 16은 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 17은 2016년 7월 5일의 대류운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이며, 도 18은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 19는 2016년 5월 2일의 층상운 사례에서 감쇠 보정 전의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다. 도 20은 감쇠 보정 후의 엑스밴드 레이더 반사도와 에스밴드 레이더 반사도 간의 산포도를 나타낸 것이다.
도 17은 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 18은 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 dB에서 8.4 dB로 크게 감소하였고, RMSE는 20.6 dB 에서 10.8 dB로 감소하였으며 상관 계수는 0.4에서 0.7로 증가한 것을 확인할 수 있다. 도 19는 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 20은 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 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치를 이용하여 감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 검증하였다.
감쇠 보정한 엑스밴드 레이더 반사도를 검증하기 위해서 자동기상관측장비(AWS) 지점에서 에스밴드 레이더 반사도 자료와 정량적으로 비교 검증을 하였다. 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°)을 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 angle (°)
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 11을 이용하여 에스밴드 레이더 반사도를 엑스밴드 레이더 반사도로 변환하였다.
Figure pat00090
Figure pat00091
수학식 11에서,
Figure pat00092
는 에스밴드 레이더 반사도이며,
Figure pat00093
는 엑스밴드 레이더 파장으로 변환한 에스밴드 레이더 반사도이다. 에스밴드 레이더 반사도가 25dBZ 이하일 때는
Figure pat00094
식에 적용하여 반사도 변환을 하였고, 에스밴드 레이더 반사도가 25dBZ 에서 45dBZ 사이일 경우에는
Figure pat00095
식을 적용하였고, 45dBZ 이상일 경우에는
Figure pat00096
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.
Figure pat00097
Figure pat00098
Figure pat00099
Figure pat00100
Figure pat00101
본 발명에서는 강우의 시공간적인 변동성을 고려한 최적의 엑스밴드 레이더 감쇠 보정 계수 a를 결정하기 위해 레이더 반경 내에 위치한 7개의 마이크로파 링크 감쇠 자료를 모두 이용하는 방법을 제안하였다. 각각의 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 강우에 의한 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기(
Figure pat00102
,
Figure pat00103
,
Figure pat00104
,
Figure pat00105
,
Figure pat00106
,
Figure pat00107
,
Figure pat00108
)를 엑스밴드 레이더 주파수로 변환한 7개의 마이크로파 링크 감쇠(
Figure pat00109
Figure pat00110
Figure pat00111
Figure pat00112
Figure pat00113
Figure pat00114
Figure pat00115
)와 각각의 비용함수(
Figure pat00116
)가 최소(
Figure pat00117
0.25)가 될 때의 감쇠 보정 계수(a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7)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 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 후술될 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법의 각 단계는 전술된 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치를 이용한다.
도 21은 본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법은 도 21을 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
Figure pat00118
와 감쇠 보정 계수 a, b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기
Figure pat00119
로 감쇠 보정한 레이더 반사도
Figure pat00120
를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이러한 엑스밴드 레이더의 반사도를 보정하는 단계(S3)는 비용함수를 판단하는 단계(S3-1)와, 레이더 반사도
Figure pat00121
를 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(
Figure pat00122
)를 연산한다. 여기서, 엑스밴드 레이더 게이트(r) 별 감쇠 크기(
Figure pat00123
)는 전술된 수학식 6과 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,
Figure pat00124
)를 산출한다.
마이크로파 감쇠 크기를 연산하는 단계(S3-1-3)는 마이크로파 감쇠 크기 산출 모듈이 레이더 주파수로 변환된 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00125
)를 산출한다. 이는 전술된 수학식 8과 같이 구할 수 있다.
엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기를 산출하는 단계(S3-1-4)는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기 산출 모듈이 전술된 수학식 7과 같이 마이크로파 링크 경로 길이에 해당하는 엑스밴드 레이더 평균 감쇠 크기(
Figure pat00126
)를 계산한다.
비용함수를 연산하는 단계(S3-1-4)는 비용함수 산출 모듈이 엑스밴드 레이더의 평균 감쇠 크기(
Figure pat00127
)와 변환된 마이크로파 감쇠 크기(
Figure pat00128
)간의 차이를 계산하여 전술된 수학식 9와 같이 비용함수(
Figure pat00129
)를 추정한다.
레이더 반사도
Figure pat00130
를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계(S3-2)는 레이더 반사도
Figure pat00131
를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정한다. 이를 위해서, 레이더 반사도
Figure pat00132
를 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
Figure pat00133
와 감쇠 보정 계수 a, b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기
Figure pat00134
를 이용하여, 전술된 수학식 10과 같이 감쇠 보정한 레이더 반사도
Figure pat00135
를 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

Claims (4)

  1. 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(
    Figure pat00136
    )와, 엑스밴드 레이더의 레이더 반사도(
    Figure pat00137
    )를 이용하여 산출된 감쇠 보정된 레이더 반사도(
    Figure pat00138
    )로 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 엑스밴드 레이더 반사도 보정 모듈을 가지는 반사도 보정 모듈을 포함하는 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감쇠 보정된 레이더 반사도(
    Figure pat00139
    )는,
    Figure pat00140
    이며,
    상기
    Figure pat00141
    은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서,
    Figure pat00142
    이고,
    상기
    Figure pat00143
    는 엑스밴드 레이더의 첫번째 게이트의 감쇠 값으로
    Figure pat00144
    의 값은 0이며,
    상기 N은 엑스밴드 레이더 게이트 전체 자료 수,
    상기
    Figure pat00145
    은 엑스밴드 레이더의 게이트 간격(km),
    상기 a, b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수인 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 장치.
  3. 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
    Figure pat00146
    와 감쇠 보정 계수 a, b를 적용하여 계산한 게이트(r)별 엑스밴드 레이더 감쇠 크기
    Figure pat00147
    로 감쇠 보정한 레이더 반사도
    Figure pat00148
    를 산출하여 엑스밴드 레이더 반사도를 보정하는 단계를 포함하는 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 감쇠 보정된 레이더 반사도(
    Figure pat00149
    )는,
    Figure pat00150
    이며,
    상기
    Figure pat00151
    은 엑스밴드 레이더 감쇠 크기로서,
    Figure pat00152
    이고,
    상기
    Figure pat00153
    는 엑스밴드 레이더의 첫번째 게이트의 감쇠 값으로
    Figure pat00154
    의 값은 0이며,
    상기 N은 엑스밴드 레이더 게이트 전체 자료 수,
    상기
    Figure pat00155
    은 엑스밴드 레이더의 게이트 간격(km),
    상기 a, b는 엑스밴드 레이더의 감쇠 보정 계수인 다중 지상 통신 기지국 마이크로파를 활용한 엑스밴드 단일 편파 레이더 반사도 보정 방법.
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