i). 서 론
해상 파랑 관측은 해안에서 발생하는 다양한 자연현상들을 이해하는 데 있어서 가장 기 초적인 작업 중에 하나이며, 또한 해변보호, 항만관리, 해운안전, 해안자원관리, 인명구조 등 해안 관리활동을 지속적으로 지원하기 위해서도 필히 요구되는 작업이다. 전통적인 파랑관측의 방법은 해상에 파랑계측기를 설치하여 직접적으로 파랑을 측정하는 점측정 방식으로 부이식 파고계, 수압식 파고계, 초음파식 파고계 등을 사용하는 것이다. 하지 만, 이러한 방법은 넓은 해안 지역에 걸쳐 파랑을 관측하는 데 많은 계측기를 설치해야 하며, 이로 인하여 많은 인력과 관리비용이 소요된다. 뿐만 아니라, 폭풍 해일이나 부주 의한 인근 어로활동 때문에 계측기들이 분실되는 위험이 크다.
이러한 현장 측정 방법의 단점을 보완하기 위하여, 항공기 및 인공위성에 탑재 광학센 서, HF 레이다 및 X-band 레이다 등을 활용한 원격측정 방법이 개발되어 왔다. 이 원 격측정 방법은 설치 및 유지관리에 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 한 대의 관측 장비만으 로도 넓은 지역을 한 번에 관측할 수 있다는 장점을 또한 가지고 있다. X-band 레이다 의 경우 반경이 3 ~ 5 km에 이르는 지역까지 관측할 수 있다. HF 레이다의 경우는 X-band 레이다에 비해서 해상도는 떨어지지만 보다 더 넓은 지역에 까지 (보통 50 km 범위) 해류 측정이 가능하다 (Gurgel et al., 1999). HF 레이다를 이용한 파랑 측정은 레이다파 송수신 장비 이외에 추가로 별도의 장비가 필요한 것으로 알려져 있다 (Hi-Res SeaSonde from Codar Ocean Sensors 웹싸이트).
HF 레이다와 X-band 레이다의 측정원리는 해상파랑에 의해서 되돌아 오는 레이다파의 Bragg 효과를 이용하는 것으로 비슷하다. 하지만, 각각의 레이다가 사용하는 파장은 서 로 다르다. HF 레이다는 해상에서 Bragg 산란파를 얻어내기 위하여 주파수가 3 ~ 30 MHz (파장: 10 ~ 100 m)인 전자기파를 사용하는 반면, X-band 레이다는 이보다도 더 큰 8 ~ 12 GHz범위의 주파수(파장: 2.5 ~ 3.75 cm)를 사용한다. X-band 레이다는
HF 레이다에 비해서 해운 목적으로 널리 사용되는 등 큰 시장을 형성하고 있어, 장비의 가격이 상대적으로 저렴하여 파랑관측에 보다 더 용이하게 사용될 수 있는 경제성을 갖 추고 있다.
X-band 레이다를 파랑관측에 이용한 사례는 Young et al. (1985)에 의해서 처음으로 제안되었다. 그 당시에, 레이다 영상은 종이에 인쇄되어 출력되었으며, 파랑자료의 분석 을 위하여 영상을 수치화하는 작업이 필요하였다. 그 이후, X-band 레이다를 이용한 파 랑관측 기술이 지속적으로 발전되어 상업용 완제품으로 출시되기도 하였다. 예를 들어, WaMoS II라는 파랑관측 레이다 시스템은 Young et al. (1985) 제시한 기술적 원리를 적용시켜 개발된 제품이다 (Borge et al., 1998; 1999; Borge and Soares, 2000;
Krogstad et al.,1999; Wyatt et al., 1999; Wolf and Bell, 2001; Wyatt et al., 2003). X-band 레이다를 활용한 다른 파랑관측 제품으로는 Miros 파랑 및 해류 관측 장비가 있다 (http://www.miros.no/). 이 Miros 장비는 레이다 안테나가 회전하지 않는 장점이 있는 반면, 측정가능 거리가 450 m 이하로 매우 짧다는 단점이 있다.
상업용 완제품으로 출시되는 파랑관측 레이다 장비들은 실제 장비구입 가격에 비해서 4
~ 5배 비싸며, 파랑자료 분석 및 시스템 제어에 사용되는 원본 코드가 제공되지 않는 등 연구 개발에 사용하기에는 많이 불편하다. 그러므로, 본 연구에서는 X-band 레이다 를 활용하여 어떻게 파랑영상을 수집하고 분석하는 지의 기술적 과정을 상세하게 파악하 여 제시하고, 또한 레이다식 파고계가 가지는 한계점에 대해서도 언급하고자 한다.
ii). X-밴드 레이다의 특성
해상 항해용 X-band 레이다는 시장규모가 크고 가격이 비교적 저렴하여 구입하기가 용 이하다. X-band를 이용한 파랑관측 기술개발을 위한 방안으로, 선박용 X-band 레이다 장비를 구입한 후 수집된 레이다 영상으로부터 파랑속성에 관한 자료를 분석해 낼 수 있 는 소프트웨어 프로그램을 개발 및 추가하여 파랑관측에 활용하면 경제적으로 크게 절약 할 수 있다. 또는, 약간 비싸긴 하지만, 파랑관측용으로 개발된 상용 레이다 시스템 (예, WaMoS II) 장비일체를 구입하여, 이 레이다 시스템에 의해서 바로 분석되어 제공되는 파랑자료와 이 레이다로부터 얻어진 영상을 활용하여 자체 개발한 파랑관측 분석 프로그 램을 통한 결과를 상호 비교함으로써 개발 과정마다 검증의 실효성을 거둘 수도 있다.
본 절에서 X-band 레이다가 공통적으로 가지는 물리적 그리고 기술적 특성을 다룬다.
1. X-band 레이다의 기술적 개요
X-band 레이다의 주파수 범위는 전 절에서 언급하였듯이 약 8 ~ 12 GHz로 이 레이다 파의 파장은 약 2.5 ~ 3.75 cm의 범위를 갖는다. 이 파장의 범위는 바람(풍속 3 m/s 이상)에 의해서 해수면에 생성되는 리플들의 파장의 범위와 일치하여 실제적으로 파랑을 관측하는데 아주 중요한 역할을 한다. 하지만, 레이다를 통하여 측정하고자 하는 파랑은 이 작은 리플들이 아니며, 대신 리플들을 통하여 드러나는 보다 큰 중력파를 측정하는 것이 목적이다.
X-band 레이다를 이용하여 파랑을 측정하는 원리는 레이다의 라디오파와 해수면 리플 파랑의 상호작용에 의한 공명효과(Bragg effect: Valenzuela, 1978)를 이용하는 것이다.
공명효과로부터 반사된 라디오파가 해수면의 중력파에 의하여 산란되는 형태가 일정하게 변형되어(modulated) 실제 중력파의 형태와 유사한 모형을 이루게 된다. 이렇게 해수면 리플파랑과 중력파에 의해서 반사되고 변형되어 레이다 스캐너에 수집된 2차원(공간평 면) 신호를 ‘sea clutter noise'라고, 시간에 따라 수집된 레이다파의 반사신호는 결국 3 차원(거리-거리-시간)적인 해수면 파랑정보를 제공하게 된다. 이 3차원 레이다파 신호정 보를 분석함으로써 해수면 중력파에 대한 측정이 가능하다.
2. X-band 레이다의 성능 결정인자
우선, 레이다 전자파의 파장이 해수면 리플의 파장의 크기와 비슷해질수록 더 강한 공명 현상이 발생한다. 이에 따라, 레이다 안테나가 해수면으로부터 강하게 발생하는 반사신 호를 수집하기가 더 쉬어지므로, 이런 점에서 X-band 레이다는 해상 파랑을 측정하는데 큰 장점을 갖는다. 반면, S-band 레이다의 경우는 사용 주파수가 약 2.455 GHz로 전자 파의 파장이 약 12 cm인데, 이는 해수면에서 발생하는 리플의 파장보다는 더 길고, 전 자파와 리플 파랑 상호간에 공명현상도 잘 발생하지 않는다. 따라서, S-band 레이다는 해수면으로부터 반사신호를 수집하기가 쉽지 않다.
레이다파의 파장 외에도, 레이다 안테나의 성능 및 설치위치 또한 레이다 영상신호의 해 상도에 영향을 미친다. 레이다 안테나의 길이와 회전수에 따라 해상도가 영향을 받는데, 안테나가 길수록 공간적인 해상도가 높아지며, 회전수가 높을수록 시간적인 해상도가 높
아진다. 레이다의 설치 높이와 관련해서는, 레이다의 반사신호를 가장 잘 수집할 수 있 는 각도의 범위를 고려하여 설치 높이를 정하는 것이 필요하다. 그림 2.1은 레이다 안테 나가 반사신호를 수집할 수 있는 최적정 범위를 보여주고 있다.
그림 2.11 . 레이다를 이용하여 해상 파랑을 관측할 수 있는 최적정 범위 (Lb).
일반적으로, 안테나로부터 방사된 전자파는 수평면을 중심으로 25° 범위 안에서 상하로 퍼져나간다. 이 중에서 수평면의 상부(하늘)를 향하여 방사되는 파는 되돌아 않으므로 의미가 없고, 하부(해상)를 향하여 방사되는 파만이 해상 파랑을 측정하는데 사용될 수 있다. 레이다파의 방사각도의 범위가 25°임을 고려하면, 실제로 해수면의 파랑을 유효하 게 측정할 수 있는 범위는 수평면 아래 약 1° ~ 12.5° 사이에 위치하는 해상 지역이다.
레이다 안테나의 설치 높이에 따라 확보할 수 최적정 관측범위(Lb)를 그래프로 그려보면 그림 2.2와 같다. 이 그림은 설치위치를 높이 올릴수록 최적정 관측거리도 늘어나는 것 을 보여주고 있다. 예를 들어, 해안선으로부터 반경 1.5 Km 이내 지역에 대해서 파랑을 관측하기 위해서는 설치높이가 30 m 정도 되어야 함을 알 수 있다.
그림 2.12 레이다 안테나의 설치 높이에 따른 최적정 관측 (Lb) 및 관측가능 (Lf) 범위.
iii). 레이다 관측 장비의 구성
여기서는 레이다를 이용하여 파랑을 관측하는데 필요한 장비 및 설치기술에 대해서 언급 하고, 또한 레이다 영상이 얻어지는 과정에 대해서 상세히 기술한다.
1. 시스템 제어
레이다 시스템을 구성하는 대표적인 장치부품들과 이 시스템을 제어하는 계통도가 그림 2.13에 제시되어 있다. 일반적으로 모든 장비 부품들은 개인용 컴퓨터 안에 설치된다.
주 제어장치는 TFX-11라는 마이크로 컨트롤러이다. 이 마이크로 컨트롤러의 기능은 1) 자료수집을 위한 레이다 작동 4분전에 레이다를 켜고, 2) 레이다 작동 2분전에 컴퓨터의 자료수집 장치를 준비시키고, 3) 레이다 작동 1분전에 레이다의 안테나 회전을 시작하 고, 4) 자료수집이 끝난 후에는 레이다를 끌 수 있도록 설정할 수 있다.
그림 2.13 파랑관측 레이다 시스템의 계통도. 점선박스는 파랑관측을 위해 새로 추가된 장치이며, 굵은 선 박스는 레이다
제조사에서 제공하는 장치이다. 전선 화살표는 파랑자료 수집 명령을 통제하는 신호의 흐름을 나타낸다.
위의 처음 세가지 동작기능은 그림 2.14의 Nais TF2-12v Telcom 라는 계전기에 의해 서 활성화되거나 혹은 비활성화되는 데, 이 계전기는 평상시에 회로신호를 닫고 있다가 펄스신호를 보냄으로써 위의 세가지 기능을 활성화시킨다. 이 계전기의 운전은 BASIC 언어를 사용하여 프로그램되어 있으며, 이 계전기로의 명령 입출력은 NEC PS2506라는 광분리기 (opto-isolator) 장치를 통하여 이루어진다. 마지막 레이다의 끔 기능은BASIC 프로그램의 입출력 명령에 의해서 작동된다.
일반적으로, 대부분의 레이다 시스템은 위의 동작기능 체계로 이루어져 있다. 레이다 시 스템 동작과정에서 가장 기술을 필요로 하는 부분은 전류와 총 전압을 통제하는 계전기 에 관한 부분이다. 예를 들어, Furuno 8251 레이다를 운영하는 데는 Nais TF2-12v Telcom 정도의 계전기와 80 mA DC-to-DC (5 ~ 15 V 전압변위) 정도의 전원 공급장 치를 사용하면 충분하다. 하지만, 다른 종류의 레이다를 사용할 경우에는 동일 제조사에 서 만들어졌다고 할지라도 (예, Furuno 1510 모델) 이에 맞는 계전기와 전원 공급장치 를 찾아야 한다.