A Study on the Radio-Frequency Interference Mitigation and Ocean Salinity Monitoring using L-band Microwave Radiometer

Abstract

마이크로파 라디오미터는 고감도 RF 수신기로써 지구 환경의 해양, 지표 및 습도 등의 다양한 원거리 측정에 주요한 역할을 해왔다. 특히, 해양의 염도는 바다의 물리적인 온도와 마이크로파 방사율 (Emissivity)에 의존하기 때문에 원격탐사로써 마이크로파 라디오미터를 이용할 수 있다. 항공기와 위성에 탑재된 L-대역 라디오미터를 이용하여 토양의 수분 및 해양의 염도 측정에 많은 연구팀의 연구가 성공적으로 수행되었다. 이러한 L-대역 라디오미터는 물체의 미약한 신호인 밝기 온도 (Brightness temperature)를 측정하기 때문에 지상으로부터 통신 및 내비게이션 시스템 등과 같은 L-대역에서의 무선 주파수 간섭 (Radio Frequency Interference: RFI)에 대한 영향이 상당히 크며, 이를 최소화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 학위논문은 수면에서 복사되는 마이크로파 역의 미약한 열잡음을 수신하여 해수면의 염도를 원격으로 모니터링할 수 있는 마이크로 라디오미터의 개발과 무선 주파수 간섭에 대한 감지 및 완화할 수 있는 알고리즘을 이용하여 연안 해역에서 염도 측정을 제안한다. 서해안의 염도 측정 가능한 방안 연구가 주목적이며 이에 실험으로부터 발생할 수 있는 다양한 측정 오차에 대한 분석이 요구된다. 첫번째로, 본 논문에서는 고정밀 염도 측정을 위해 요구되는 L-대역 마이크로파 라디오미터를 포함한 전체적인 시스템의 설계, 개발 및 성능 검증을 제안한다. 라디오미터 시스템은 각각 안테나부, 라디오미터 수신기부, 보정부, 데이터 획득, 처리부 및 이미지를 얻기 위한 스캐닝 구조부로 구성된다. 고정밀 염도를 측정하기 위해서는 저잡음, 고안정의 라디오미터 수신기가 요구되며, 주기적인 보정 회로를 가지는 저잡음 total power 수신기로 설계하였다. 본 마이크로파 라디오미터는 RF 스위치를 이용한 내부 보정 (Internal calibration)을 수행하였으며, 각 보정 소스의 물리적 온도 변화에 대한 마이크로파 라디오미터의 보상을 수행하였다. 제작된 라디오미터 시스템의 성능 분석을 위해, 수신기 성능, 안정화 특성 및 온도감도 특성 등이 측정되었으며 1초의 적분 시간에서 약 0.13 K의 온도감도 특성을 가진다. 이는 이 대역에서 보고된 다른 라디오미터 시스템과 비교하여 우수한 특성을 가짐을 보여준다. 두번째로, 개발된 라디오미터를 이용하여 지상에서 해양의 고정밀 염도 측정을 수행하기 위해 L-대역 무선 주파수 간섭에 대한 감지 및 완화할 수 있는 알고리즘 연구에 관하여 서술하였다. 기존의 연구에서는 이를 제거하기 위한 기법으로는 통계적 기법, 시간-주파수 영역에서의 기법, 스펙트로그램 (Spectrogram) 기법 등이 연구가 되었다. 하지만 각각의 기법들은 무선 주파수 간섭의 종류, 크기 및 분포에 따라 제거 특성이 다르므로 한가지의 기법을 이용하여 무선 주파수 간섭을 제거하는 것은 적합하지 않다. 특히, 항공기와 인공위성을 이용한 외양 (Open ocean)에서의 무선 주파수 간섭은 지상에서 인접한 해안지대에서의 염도 측정과 비교하면 무선 주파수 간섭에 대한 영향은 매우 크며, 이를 제거하기 위한 다양한 도전적인 연구를 요구한다. 이를 해결하기 위해, L-대역 무선 주파수 간섭의 감지 및 완화를 위해 다양한 신호를 감지할 수 있는 스펙트로그램 기법을 기반으로 통계적 기법을 적용한 알고리즘을 제안하였다. 국립전파연구원의 RF 차폐실 내에서 무선주파수 간섭의 다양한 크기와 종류의 무선 주파수 간섭 신호로부터 제안한 알고리즘의 성능을 검증하였으며, 최대 3K 이하의 오차를 보였다. 마지막으로, 서해에 위치한 ‘신시도’의 염도 측정 및 분석을 수행하였다. 개발된 L-대역 라디오미터를 이용하여 안테나의 입사각에 따라 밝기 온도를 측정하였으며, 무선 주파수 간섭 알고리즘을 적용한 밝기 온도, 해수면 온도를 이용하여 해수면의 염도를 추출하였다. 개발된 라디오미터를 이용한 염도 측정값과 염분측정기를 이용한 측정값을 비교함으로써 오차 요소 및 불확실성에 대한 분석을 수행하였으며, 1 PSU이하의 오차를 보였다. 측정 결과에 대한 연구는 해양 생태계의 자료로써 유용하게 이용될 것이다.|Microwave radiometer has played an important role in various remote sensing measurements of the earth environment such as the ocean, soil, humidity, and so on. In particular, it is possible to utilize microwave radiometers to sense sea-surface temperature and sea-salinity remotely because sea-salinity is dependent on the physical temperature and microwave emission of ocean water. Many research groups have been successfully conducted in the measurement of soil moisture and ocean salinity using the L-band microwave radiometer on aircraft and satellites. Since the microwave radiometer measures the natural thermal emission signal from the terrestrial atmosphere and surface, the effects on the radio-frequency interference (RFI) such as communication and navigation systems near the ground is the critical issue for salinity measurement at the coastline, and researches are being actively performed to minimize these effects. In this dissertation, the main purpose of this research is to measure sea surface salinity using the L-band radiometer installed on the ground near the coastline of the Yellow Sea in South Korea. Firstly, L-band microwave radiometer is developed with the performance of the temperature change of 0.13 K in the sea surface temperature range of 5 ~ 40 ˚C. The radiometer system consists of an antenna part, a radiometer receiver part, calibration part, data acquisition part, and scanning part. For a low noise and high stable radiometer receiver, it is designed as a total power radiometer. The microwave radiometer performed an internal calibration using an RF switch with periodic calibration and compensated the brightness temperature from the changes in the physical temperature of each critical radiometer component. All the operation such as the data acquisition, relay switch control, and scanning motor are performed through LabVIEW. The experimental tests were performed to analyze the performance of the developed radiometer system, and the sensitivity, stability, and accuracy were less than approximately 0.13, 0.2, and 1 K at an integration time of 1 second, respectively. These results show that it has superior characteristics compared to conventional radiometer systems reported in this band. Secondly, we have described the novel RFI detection and mitigation algorithm to perform the sea-salinity measurement at the coastline. In the previous researches, statistical techniques, time-frequency techniques, and spectrogram techniques have been studied; however, a method based on only one technique can not sufficiently remove contaminated RFI signals because each technique has different removal characteristics depending on the RFI signal level, type, and distribution. As the presence of RFI at the coastal areas adjacent to the ground is a critical problem compared to the RFI in the open ocean for the radiometric measurement using aircraft and satellites. Thus, we propose a method to detect and mitigate RFI contamination using the threshold level from statistical criteria based on a spectrogram technique. The experiments for RFI detection and mitigation are performed using developed L-band microwave radiometer in RFI shielding chamber at Radio Research Agency (RRA). In addition, the performance of the proposed algorithm was verified, and the errors of the retrieved brightness temperature according to the various cases and levels of RFI signals as tested are less than approximately 3 K. Finally, the experiment for sea salinity measurements was performed at the coastline of the Yellow Sea in South Korea. According to the incident angle of an antenna to the plane-surface of the seawater, the brightness temperatures were measured using the developed L-band radiometer. The sea salinity was extracted by the parameters such as the incident angle, the physical temperature of the sea surface, and the brightness temperature applied to the RFI detection and mitigation algorithm. The accuracy in radiometric measurement shows the accuracy of less than 1 PSU. The error analysis was evaluated by the comparison between the salinity value using a salinity measuring instrument and using the radiometric measurements. The studies on the measured results will be useful for the study of the marine environment.