위성 관련 기사를 보다 보면 SAR(Synthetic Aperture Radar, 합성개구레이더, 영상레이더)위성, SAR 센서 등의 단어를 자주 보게 됩니다. SAR (합성개구레이더) 기술에 대해 누구나 이해할 수 있도록 쉽게 기초적인 내용을 설명을 해보려고 합니다. 이 글에는 아래 내용이 포함됩니다.
- SAR 개요 및 간단 원리
- 다른 레이더, 광학카메라와 차이점
- 장·단점
- 활용
- 첨단 기술
SAR(Synthetic Aperture Radar, 합성개구레이더, 영상레이더)
개요
SAR(보통 '싸' 라고 합니다.)는 기존의 레이더를 변형하여 영상을 취득할 수 있도록 만든 레이더 기술입니다. 구름이 끼면 관찰이 어려운 광학카메라와 달리 SAR를 이용하면 날씨와 관계없이 대상물을 관찰할 수 있습니다.
레이더란? (참고 링크)
관찰하고자 하는 대상물에 전파(전자기파)를 쏘고 반사되어 들어오는 전파를 확인하여, 대상물이 있는지 확인하고 대상물의 속도 등의 정보를 확인하는 장치입니다. 군에서는 전투기 등의 위치와 속도를 파악하기 위해서도 사용하고, 민간에서는 기상 레이더를 통해 구름을 관찰하고 날씨를 예측하는 데 사용합니다.
SAR의 간단 원리
SAR의 핵심은 기존 레이더 대비 매우 높은 수준의 해상도입니다. 해상도가 높기 때문에 이를 처리하여 사진과 같이 볼 수 있는 것 입니다. 따라서 'SAR의 원리=SAR의 해상도가 높은 이유' 라 할 수 있습니다.
'SAR'의 'A'에 해당하는 Aperture는 우리말로 개구 또는 구경이라고 부르며 쉽게 말해 안테나 크기를 말합니다. 안테나를 키우면 레이더의 해상도가 높아져 더욱 정밀한 관찰이 가능합니다. 따라서 일반적으로 레이더의 해상도가 높은 레이더는 매우 큰 안테나를 갖습니다.
하지만 SAR는 큰 안테나를 필요로 하지 않습니다. SAR는 SAR가 탑재된 항공기나 위성의 이동속도를 이용합니다. 이동하면서 같은 대상물에 전파를 쏘고, 반사되어 돌아온 신호를 처리해 매우 큰 안테나로 빔을 쏘고 받은 것과 같은 효과를 냅니다. 실제로는 작은데 가상적으로 안테나 구경이 커진 것과 같은 효과를 낸 것입니다. (조금 더 어렵게 말하면 AESA 레이더와 같은 효과를 낸 것입니다.) 이러한 이유로 SAR는 합성 개구 레이더라고 부릅니다.
합성이란 표현 때문에 무언가와 조합된 레이더라고 생각될 수 있는데, 인조가죽을 합성피혁이라고도 하는 것처럼, 진짜(Real)의 반대어로서 이해하시면 되겠습니다. SAR를 언급할 때 일반적인 레이더는 RAR(Real Aperture Radar, 실 개구 레이더) 라고 말합니다.
SAR의 장점
SAR는 아래와 같은 여러 장점이 있어 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
- 날씨 관계없이 측정 가능(가시광선과 달리 레이더에서 사용하는 주파수의 전파는 구름 통과 가능)
- 여러 해상도의 영상정보 획득 가능(관측폭과 해상도가 반비례하여 조절)
- 운용 주파수 및 편파 특성에 따라 대상물의 반사 특성이 달라 획득 정보의 분석 및 활용성이 높음
- 고도 정보 추출 가능
SAR의 단점
동일한 해상도의 광학영상과 비교하면 선명도 떨어져 광학 영상도 함께 볼 필요가 있습니다. 또한 광학 영상과 달리 컬러 이미지를 얻을 수 없습니다. 편광 정보를 이용해 색을 넣기도 하지만, 이는 우리가 생각하는 것과 같은 물질 고유의 색상을 보는 것과 전혀 다릅니다.
사용 주파수
주파수가 낮을수록 투과가 잘되어 관찰 대상의 여러 특성을 확인할 수 있으나, 해상도는 떨어집니다.
반대로 주파수가 높을 수록 해상도가 높은 영상을 얻을 수 있으나, 전파 손실이 쉽게 발생합니다.
L, C 대역 (저주파수 대역)
자연환경 관측 자원관리(산림 잘 투과, 수목 종류에 따른 특성 확인이 가능합니다.
일정 수준으로 해양을 깊이 방향으로 투과할 수 있어 해양 관측에 유리합니다.
X대역~Ka (고주파수 대역)
높은 공간 해상도를 갖습니다. 최근 무인기에 탑재되는 SAR는 대부분 Ku 대역을 사용합니다. 잡음이나 대기에 의한 손실이 일어나기 쉽기 때문에 이에 대한 극복 필요합니다.
SAR 관측 데이터의 활용
민간 활용
렌즈에 들어온 각 전자기파 주파수별 세기만 파악할 수 있는 광학카메라와 달리, SAR는 SAR 안테나에서 송신한 전파에 대해 지구 표면이 갖는 고유한 형태의 산란을 통해 해당 표면이 갖는 특성을 파악할 수 있습니다. 이로 인해 토양의 수분 함유량, 생물량, 식물 생육상태까지도 파악이 가능하여 농업 생산성 향상을 위해 사용하기도 합니다
군사적 활용
SAR가 있다면 날씨와 관계없이 항상 정찰을 가능하게 하기 때문에, 군사적 가치가 매우 높습니다. 이로 인해 각 군은 SAR 탑재체가 실린 위성을 확보하려 노력하고 있습니다. 우리나라도 425 사업을 통해 SAR 탑재체가 실린 군 정찰위성 4대를 개발하고 있습니다.
SAR의 첨단 기술
다중 편광
SAR 안테나로부터 어떠한 전파를 송신하느냐에 따라 얻을 수 있는 정보도 달라집니다. SAR의 경우 편광을 이용해 정보를 다양화 합니다. SAR에서 송신하는 편광이 다중화되어 완전 편광이 되면 활용성은 더욱 증가합니다.
현재의 고성능 SAR는 완전평관과 거의 유사한 사중 편광이 적용되는 추세이며, 우리나라 위성 중 다목적실용위성 5호의 SAR 탑재체에서는 이중 편광이, 다목적실용위성 6호에서는 사중 편광이 사용되고 있습니다.
3차원 영상 - InSAR(Interferometry SAR, 간섭계 SAR)
서로 다른 2개의 고도 관측각에서 촬영한 2개의 SAR영상의 위상차를 이용해 고도 정보를 획득할 수 있습니다. 이렇게 고도 정보를 획득하는 기술을 InSAR(간섭계 SAR)라고 합니다. 건물의 높이와 형상 등을 조합하면 지표면의 3차원 형상을 만들 수 있습니다.
바이스태틱/멀티스태틱 기술
현재의 위성용 SAR는 송신과 수신을 1개 위성에서 수행합니다. 송신과 수신을 늘리면 늘릴수록 다양한 데이터를 확보할 수 있습니다. 멀티스태틱은 송신과 수신이 분리되어 있으며, 수신이 여러 개인 경우를 말하며, MIMO(Multi Input Multi Output)은 송신과 수신 둘 다 여러개인 경우입니다. 이는 SAR에만 해당되는 내용이 아니고 모든 레이더에서 적용되는 내용입니다.
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