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영상레이더운용변수설계

2016.11.28

김재현

Wireless Internet aNd Network Engineering Research Lab.

Department of Electrical and Computer Engineering

Ajou University, Korea

<항공우주산업 영상레이더 세미나>

영상레이더세미나

1차 : 영상레이더기술 (16.06.21)

2차 : 영상레이더운용변수설계 (16.11.28)

Contents

영상레이더원리

영상레이더시스템설계


영상레이더관측시뮬레이션

3


4


Synthetic aperture (합성개구)란?

기존의관측레이더는안테나의면적과분해능이비례

위성등플랫폼은중량제한에의해안테나크기제한

영상레이더를탑재한플랫폼의이동및수신된데이터처리로고분해능영상획득

안테나의물리적크기제한을극복한레이더기술

5

합성 개구 이

나

나 이 나 이

안테나 소형화및 위성 전체중량 감소

<일반 나와 합성 개구 비교>


6

Synthetic aperture 원리

PRI : Pulse repetition interval


7

Side-looking (측 관측) 레이더 (1)

영상레이더는 microwave를 이용하는 RADAR (RAdio Detection And Ranging)

왕복시간 (round trip time)으로영상레이더와목표물(object)간의거리를측정

<거리 측정 원리>

<일반 레이더 원리>


8

Side-looking (측 관측) 레이더 (2)

왕복시간으로거리를측정 ( 2𝑅 𝑐)

측면관측하여목표지점까지의거리를다르게함

<측 관측을 진행하는 영상레이더>


9

Polarization (편파) (1)

선형편파(Linear polarization)

Electric fields (E), Magnetic fields (M) 성분의위상차가 𝑛𝜋인경우

수평편파(Horizontal), 수직편파(Vertical)

Co-polarization (HH, VV) : 송신부와수신부가같은편파면

Cross polarization (HV, VH) : 송신부과수신부가수직편파면

<선형 편파><LP 형태>


Polarization (편파) (2)

원형편파(Circular polarization)

Electric fields (E), Magnetic fields (M) 성분의위상차가 𝑛𝜋 ±𝜋

2인경우

좌원편파(Left-handed circular polarization)

우원편파(Right-handed circular polarization)

10

<원형 편파><CP 형태>


11

Polarization (편파) (3) –선형편파와원형편파의비교[1]

Faraday rotation : 전자파와자기장간상호영향으로인해전파의각(angle)에변화발생, 전파가회전되어수신

선형편파(LP) 원형편파(CP)

장점

기존연구가 넓게진행 Faraday rotation 거의극복가능

제작이용이이론적으로편파효율이높기때문에LP에비해최대송신전력요구값이낮음

단점

대기권에서 Faraday rotation 발생CP방사패턴을구현하는안테나시스템제작이어려움

파장이길수록각회전이큼 기존연구결과부족

[1] Rizki Akbar, P., J. Tetuko SS, and Hiroaki Kuze. “A novel circularly polarized synthetic aperture radar (CP-SAR) system onboard a spaceborne

platform,”International Journal of Remote Sensing, vol. 31, no. 4, pp. 1053-1060, 2010.

영상레이더종류

12

SEASAT ERS-1 Radarsat ENVISAT TerraSAR-X RISAT-1 KOMPSAT-5 Sentinel-1 ALOS-2

Country US EU Canada EU Germany India 대한민국 EU Japan

Launching year 1978 1991 1995 2002 2007 2012 2013. 8. 22 2014 2014

Inclination angle 108.0o 98.5o 98.6o 98.55o 97.44o 97.55o 97.6o 98.18o 97.9o

Repetition days 17 3, 35, 176 35 11 25 28 12 14

Weight 2,300 kg 2,157 kg 8,211 kg 1,250 kg 1,858 kg 1,315 kg 2,300 kg 2,100 kg

Height 760 km 785 km 793-821 km 799.8 km 514 km 536 km 550 km 693 km 628 km

Frequency 1.275 GHz 5.300 GHz 5.300 GHz 5.331 GHz 9.65 GHz 5.35 GHz 9.66 GHz 5.405 GHz 1.2 GHz

Polarization HH VV HH HH,VV, HH +

VV,VV+

VH,HH+HV

HH+VV, HH+H

V,

VV+HV

Single Pol,Dual Pol, Circular Pol, Quad

Pol

HH

HV

VH

VV

VV+VHHH+HV

HH, HV, VH, V

V

HH+HV, VH+V

V

Swath width 100 km 100 km 50 – 500 km 56.5–104.8

km

Along 5 km

Across 15, 30,

100 km

107-659 km 5 - 100 km

Multi mode

80-400Multi mode

Spot : 25 km

Strip:50-70km

Scan:490 kmAzimuth resolution 25 m 30 m 9 – 147 m 30-1000 m 1/ 2/ 3/ 15 m 3/ 6/ 25/ 50/

<2 m

1/3/20 m 5-100 m 3/ 10/100 m

Range resolution 25 m 30 m 6 – 147 m 30-1000 m 1.2/ 1.2/

3/ 16 m

2/ 4/ 8/ 8/

< 2m

1/3/20 m 5/20/100 m 1/ 3/100 m

PRF 1463-1640Hz 1640-1720Hz 1361 - 3,000-6,500Hz 3,000±200 Hz -

Peak power 1000 W 4800 W 5000 W 1400 W 2260 W 2200 W 6700 W 5900 W > 5300 W

Band width 19 MHz 19 MHz 11.6/17.3/30.0

MHz

8.48-16 MHz 150 MHz 18.75/37.5/75/2

25 MHz

- 280 MHz > 28 MHz

Antenna size 2.16x10.74m 1x10 m 1.5x15 m 1.3x10 m 4.78x0.7m 2x6m 2.6x3.9m 0.821x12.3m 10x3 m


13


영상레이더시스템설계단계

1단계 : 영상레이더전체계 및설계

영상레이더시스템변수정립,요구사항에의한변수설계

2단계 : 시스템모듈설계

제어모듈, RF 모듈, 안테나, 데이터저장기설계

3단계 : 세부시스템모듈설계

1단계 2단계 3단계

영상레이더계 및설계

제어모듈

SAR controller

Chirp signal generator

Timing controller

Baseband processor

RF 모듈Baseband amplifier

Oscillator

RF transmitter-receiver

안테나Transmitter

Receiver

데이터저장기Data receiver

Memory 13


영상레이더시스템설계순서

① 영상레이더임무 석

플랫폼

탑재체

관측모드

② 사용자요구사항 (Requirements of Customer) 석

③ 변수설계

15<영상레이더 시스템 설계 순서도>

Platform

selection

Payload

selection

SAR mode

selection

Requirements

Parameters

Mission selection

영상레이더시스템설계 : 임무 석

영상레이더의플랫폼, 탑재체, 관측모드선택

Platform : Satellite (600km), stratosphere (20km), UAV(~2km), drone

Payload : SAR + optical camera or LiDAR, etc.

Operational Mode : Stripmap, Spotlight, ScanSAR mode

16Stratosphere : 성층권 UAV : Unmanned Aerial Vehicle, 무인기 LiDAR : Light Detection and Ranging

<영상레이더 관측 모드>

<Strip-map> <Spotlight> <Scan>

영상레이더시스템설계 : 임무 석

영상레이더관측모드별특징

17

<영상레이더 관측 모드>

<Strip-map> <Spotlight> <Scan>

Strip-map Spotlight Scan

• 일반적인관측모드• 방위분해능 ≈안테나길이• 조향없이관측

• 고분해능• 관측지역을집중조사• 방위방향안테나 조향

• 낮은분해능• 넓은영역영상획득• 고각(elevation)방향 조향

영상레이더시스템설계 : 요구사항 석

플랫폼, 탑재체, 관측모드에따른요구사항도출

요구사항

관측범위(km), 분해능(m), 관측품질(dB)

18

요구사항 예

관측범위 플랫폼에서 688 km떨어진대상을관측폭 64 km로관측

분해능L-band를이용하여방위 2.5 m, 거리 7.5 m 획득X-band를이용하여방위 1.5 m,거리 1 m획득

관측품질플랫폼에서목표지역과의거리 i km에서반사도 x dBsm (크기 k m2)의대상을관측했을때y dB 이상의 SNR을획득하도록관측

영상레이더시스템설계 : 요구사항 석

관측대상과반사도관계

19

반사도 (dBsm) 반사도 (m2) 예

> -5 > 0.3 Man-made objects, very rough surface

0 ~ -10 1 ~ 0.1 Man, Rough surface, dense vegetation (forest)

-10 ~ - 20 0.1 ~ 0.01 Agricultural crops, moderately rough surfaces

< -20 < 0.01 Smooth surface, calm water, road, sand

-20 0.01 Bird

-30 0.001 Stealth aircraft (F-22)

-50 0.00001 Insect

<표. 관측 대상과 반사도 [5]>

<Rough surface> <Calm water><Man-made Objects>

영상레이더시스템설계 : 변수설계

영상레이더변수설계

임무분석,요구사항분석이후영상레이더의운용컨셉설정및변수설계

운용컨셉 : 궤도/고도, 운용주파수, 관측각도

20

영상레이더운용컨셉

궤도/고도

항공기,무인기 : 대류권이하(<15 km)

위성 : 저궤도(200~500 km), 중궤도(1,500~10,000 km),

고궤도(10,000~40,000 km), 정지궤도(약 36,000 km)

운용주파수 L-band, S-band, C-band, X-band 등

관측각도항공기, 무인기 : 10 ~ 70 °

위성 : 10 ~ 60 °

영상레이더시스템설계 : 변수설계

영상레이더변수설계

Basic parameter

Antenna parameter

Resolution & signal parameter

PRF & Swath parameter

Ambiguity parameter

SNR & PSLR parameter

21<영상레이더 변수 도출 흐름>

관측범위, 분해능, 최소SNR

궤도, 운용주파수, 관측각도

요구사항 석

운용 컨셉 설정

영상레이더 spec 도출

고도, 관측각도, 운용주파수위성 도

안테나 길이, , , 이득

Basic paramter Antenna

운용PRFPRFmin, PRFmax, Swath width

PRF & Swath

대역 , 스 ,거리해상도, 방위해상도

Resolution & Signal

거리 ambiguity, 방위 ambiguity

Ambiguity

설정변수 도 변수

σ0, 시스템 , 안테나 면적,

송신 전력안테나 이득, SNR, PSLR

SNR & PSLR

PRF : Pulse repetition frequency

SNR : Signal to noise ratio

PSLR : Peak to side-lobe ratio


22

영상레이더운용변수


23

2

( )

( )

( )

(km/ s)

, ( )

( )

, ( )

(dB)

c

st

e

el az

az

h height m

look angle

f center frequency Hz

v platformvelocity

L W length and widthof antenna m

A effectivearea of antenna m

beam widthof rangeand azimuth

G antenna gain

azimuth res

max

min

( )

( )

(Hz)

(us)

(dB)

r

P

oultion m

range resolution m

B bandwidth

pulse width

PRF maxmimum PRF

PRF minimum PRF

PRF operational PRF

Swath swath width

AASR azimuth ambiguity to signal ratio

RASR rangeambiguity to signal rat

0

(dB)

( )(dB)

(dB)

(W)avg

io

NESZ noiseequivalent sigma zero

F noise figure

P average power

Basic parameter

h γ fc vst

Antenna parameter

L, W Ae θaz, θel

Resolution

δaz δr

BW τp

PRF & Swath

PRFminPRFmax

PRF Swath

G

Ambiguity

AASR

RASR

SNR

σ0Pavg η NESZ

k Ts NF Ls

<영상레이더 변수 흐름도>

γm

Rm

Rf

Rn

θi

Nadir

h

Wgr

Basic parameter

고도 (Height) : 𝒉

플랫폼의운용고도

관측각도 (Look angle) : γ𝒎 플랫폼에서의 직하방(Nadir)과 목표물의 각도

24<Satellite Geometry> <Earth Geometry>

𝑅𝑓 : Far range, 𝑅𝑚 : Middle range, 𝑅𝑛 : Near range

𝑅𝑒 : Radius of the Earth 𝜃𝑖 : Incidence angle

𝑊𝑔𝑟 : Ground swath width 𝛼 : Core angle

γm

h RmRn

Wgr

α m

Re Re

Re

Re

θi

Nadir

α fα n

Rf

Basic parameter

운용주파수 (Operational frequency) : 𝒇𝒄

주파수대역이높을수록짧은파장, 좁은 , 안테나소형화, 좋은분해능

낮은대역(L-band)의경우, 관측 이넓어광역관측에적합

높은대역(X-band)의경우, 좋은분해능(해상도) 획득가능

25

Frequency Band L-band S-band C-band X-band

Frequency [GHz] 1-2 2-3.75 3.75-7.5 7.5-12

Wavelength [cm] 30-15 15-8 4-8 2.5-4

Resolution 수백미터 ~ 서브미터급

<표. 레이더에서 사용하는 밴드 별 주파수와 파장 >

𝑩𝒆𝒂𝒎𝒘𝒊𝒅𝒕𝒉

<영상레이더 빔 폭><파장 별 투과 정도 비교>

플랫폼속도 (Platform velocity) : 𝒗𝒔𝒕

운용경로를따라이동하는플랫폼의 도

𝐺 𝑚𝑀

(ℎ+𝑅𝑒)2 =

𝑚𝑣𝑠𝑡2

ℎ+𝑅𝑒(지구 중력 = 원심력)

𝒗𝒔𝒕 =𝐺 𝑀

ℎ+𝑅𝑒= 중력상수 지구중량

지구중심 ~ 플랫폼거리

ex) 고도 600 km =6.67𝑒−11 5.98𝑒24

6378000+600000~ 7.56 km/s

ex2) 고도 36000 km =6.67𝑒−11 5.98𝑒24

6378000+36000000~ 3.0679 𝑘𝑚/𝑠

26

Basic parameter

𝐺 = 6.67*10^-11 (중력상수) 𝑀 = 5.98*10^24 (지구질량)

𝑚 = 플랫폼무게 𝑅𝑒 = 지구반지름

𝑮𝒎𝑴

(𝒉 + 𝑹𝒆)𝟐

𝒎𝒗𝟐

𝒉 + 𝑹𝒆

<지구 중력과 위성의 원심력>

𝒗𝒔𝒕

𝒉

𝑹𝒆

Basic parameter

27

Ground velocity (Beam velocity) : 𝒗𝒈

지표에 비춰지는 의 도

플랫폼 고도에 따라 변화

𝒗𝒈 ∶ 2𝜋𝑅𝑒 = 𝑣𝑠𝑡 ∶ 2𝜋(𝑅𝑒+ℎ)

𝒗𝒈 =2𝜋𝑅𝑒

2𝜋(𝑅𝑒+ℎ)𝑣𝑠𝑡

𝑒𝑥)고도 600 km =2𝜋 6378

2𝜋 69787.56

~ 6.91 km/s

약 8.6 % 차이

𝑒𝑥2) 고도 36000 km =2𝜋 6378

2𝜋 423783.0679

~ 0.46 km/s

약 85 % 차이

Beam footprint or Printed area

Antenna parameter

나 이 (Length), 폭 (Width) : 𝑳, 𝑾

길이 : Azimuth 방향, azimuth 에영향

: Range 방향, elevation 에영향

나유효 적 (Effective area), 효율 (antenna efficiency) : 𝑨𝒆, 𝜼

안테나의입력단자와안테나내부에서발생되는 을고려

안테나사양과타입에따라다르며제작시고려

28

𝑳< 나 이(L)와 폭(W)>

𝑨𝒛𝒊𝒎𝒖𝒕𝒉 𝒅𝒊𝒓𝒆𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏

Antenna parameter

나빔폭 (Azimuth beamwidth, elevation beamwidth) : 𝜽𝒂𝒛, 𝜽𝒆𝒍

𝜽𝒂𝒛 = 0.886 λ 𝐿

𝑒𝑥) 𝑓𝑐 = 9.66 𝐺𝐻𝑧, 𝜆 = 3 𝑐𝑚, 𝐿 = 5 𝑚, 𝑊 = 2.6 𝑚

𝜃𝑎𝑧 = 0.31° , 𝜃𝑎𝑧 = 0.60°

𝑒𝑥2) 𝑓𝑐 = 1.27 𝐺𝐻𝑧, 𝜆 = 23 𝑐𝑚, 𝐿 = 5 𝑚, 𝑊 = 2.6 𝑚

𝜃𝑎𝑧 = 2.38° , 𝜃𝑎𝑧 = 4.58°

29

𝑨𝒛𝒊𝒎𝒖𝒕𝒉 𝒅𝒊𝒓𝒆𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏𝑳

𝜽𝒂𝒛𝜽𝒆𝒍

<영상레이더 나 변수>

𝜽𝒆𝒍 = 0.886 λ 𝑊

Antenna parameter

나이 (Antenna gain)

지향성(directivity)으로 인해파생되는상대적이득

이득이크다지향성이높다

𝐴𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑎 𝐺𝑎𝑖𝑛 𝑑𝐵 =4𝜋𝐴𝑒

𝜆2=

𝐷

𝐼× 𝐴𝑒

𝑒𝑥) 𝐴 = 0.25 𝑚2, 𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 = 70 %

𝑓𝑐 = 9.66 𝐺ℎ𝑧

=4𝜋 0.25 0.7

(𝑐/9.66𝑒9)2

~ 33.58 dB

30

< 나 지향성과 이 >

𝑰𝒔𝒐𝒕𝒓𝒐𝒑𝒊𝒄

𝑫𝒊𝒓𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒊𝒕𝒚

I

D

Antenna parameter

3 dB 빔폭 (half-power beam width)

Main-lobe의 peak 값에서파워가절반이되는지점의

Side-lobe Level

Main-lobe 대비 side-lobe의세기

31<Polar-coordinate 나 패턴> <Rectangular-coordinate 나 패턴>

Side-lobe level Front to back level

Antenna parameter

정재파비 (Voltage Standing Wave Ratio) : 𝑽𝑺𝑾𝑹

Transmission Line에서 antenna로진행될때매질변화에의한반사파동에의

해생성되는 standing wave 비율

일반적으로 VSWR 2 : 1 이하권장 (2:1 return loss : 10 dB)

𝑉𝑆𝑊𝑅 =𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑚𝑖𝑛=

1+|Γ|

1−|Γ|

32

반사계수 VSWR 상태

Γ = 0 𝑉𝑆𝑊𝑅 = 1All incident power is

delivered to antenna

Γ = 1 𝑉𝑆𝑊𝑅 → ∞All incident power is

reflected

<매질에 따라 반사되어 발생되는 standing wave>

AntennaTransmission

Line

Γ

Resolution

(Resolution) : 𝜹

인접한두물체를구분할수있는거리

임 스응답분석(IRF)의 half-power width

IRF : Peak to side-lobe ratio (PSLR), Integrated side-lobe ratio (ISLR)

33

<임펄스 응답 석 : PSLR (좌), ISLR (우)>

<PSLR> <ISLR>

IRF : Impulse response function PSLR : Peak to Side-Lobe Ratio ISLR : Integrated Side-Lobe Ratio

Resolution

방위 (Azimuth resolution) : 𝜹𝒂𝒛 𝜹𝒂𝒛: 𝐿 2

거리 (Range resolution) : 𝜹𝒓

𝜹𝒓: 𝑐𝜏𝑝

2 sin 𝜃𝑖=

𝑐

2𝐵

34

𝑨𝒛𝒊𝒎𝒖𝒕𝒉 𝒅𝒊𝒓𝒆𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏

<방위 과 거리 >

azimuth

Signal

대역폭 (Bandwidth) : 𝑩

최대지점(peak)에서 – 3 dB 지점의주파수

대역 이넓을수록거리분해능향상

ex) 20 MHz 1초에최대 20 Mbit 전송가능

35<대역폭>

1260 MHz 1270 MHz 1280 MHz

Magnitude

Frequency

Signal

펄스폭 (Pulse width) : 𝛕𝒑

스 이좁을수록작은물체탐지가능

∆𝑅 = 𝑐 𝜏𝑝 / 2

10 𝑛𝑠 1.5 m 분해능

좁은 스 은구현이어렵고비용상승

Chirp 펄스신호

LFM (linear frequency modulation)의한종류

시간에따라주파수가선형적으로변화

주파수변화 이클수록좋은분해능

∆𝑅 = 𝑐 / 2 𝐵

5 𝜇𝑠, 100 𝑀𝐻𝑧 1.5 m 분해능

10 𝑛𝑠 ∶ 5 𝜇𝑠 500 배

36

Bandwidth = 1/𝛕𝒑

<대역폭과 펄스 폭 관계>

Frequency 𝐹1 Frequency 𝐹2

Bandwidth = ∆ 𝐹 = 𝐹2 − 𝐹1

<Chirp 펄스 신호에서의 대역폭>

Time

Time

펄스 반복 주파수 (PRF) : 𝑷𝑹𝑭

스를 얼마나 반복하여 송신하는지를 의미

스 반복 주기(pulse repetition interval)의 역수

𝑃𝑅𝐹 (주파수, 𝐻𝑧), 𝑃𝑅𝐼 (시간, 𝑚𝑠, 𝜇𝑠, etc.)

Pulse repetition frequency

37

<펄스 반복 주파수와 펄스 반복 주기>

스 반복 주기(𝑃𝑅𝐼) =1

𝑃𝑅𝐹

Time

Amplitude(Power)

𝑃𝑅𝐼

𝛕𝒑

𝛕𝒑


최소 펄스 반복 주파수 : 𝑷𝑹𝑭𝒎𝒊𝒏

𝑷𝑹𝑭𝑚𝑖𝑛 >2 𝑣𝑠𝑡 sin 𝜃𝑎𝑧 𝑓𝑐

𝑐(Doppler frequency, 𝑓𝐷)

PRF 값이타겟의도플러주파수보다낮을경우 (if, 𝑃𝑅𝐹 < 𝑓𝐷)

Sampling 부족으로대상의 도탐지불가및 side-lobe에의한 azimuth ambiguity 발생

38

< PRF 값에 의한 샘플링 에러>𝐵 : 대역 𝑓𝐷 : 도플러주파수𝑓𝑝 : PRF

Azimuth ambiguity

Band

width

Ambiguous placement of target due to ambiguity

of Doppler frequency

-B/2 B/20 fp/2 fD

f 'D

Bandwidth

수


최소 펄스 반복 주파수 : 𝑷𝑹𝑭𝒎𝒊𝒏

𝑷𝑹𝑭𝑚𝑖𝑛 >2 𝑣𝑠𝑡 sin 𝜃𝑎𝑧 𝑓𝑐

𝑐

𝑒𝑥) (X−band)2(7.56 km/s) sin(0.31°)(9.66 GHz)

𝑐= 2661.2 Hz < 𝑷𝑹𝑭𝑚𝑖𝑛

𝑒𝑥2) (L−band )2(7.56 km/s) sin(2.38°)(1.27 GHz)

𝑐= 2660.5 Hz < 𝑷𝑹𝑭𝑚𝑖𝑛

39

θaz

<PRF 최소값 제한 – 방위(진행) 방향 side-lobe 유입>

진행 방향


최대펄스반복주파수 : 𝑷𝑹𝑭𝒎𝒂𝒙

𝑷𝑹𝑭𝒎𝒂𝒙 <1

2 𝜏𝑝 + 2 R𝑓 −R𝑛 / 𝑐

최대값 이상을 선택할 경우, 스 송신 주기가 짧음

송수신 스간 충돌 또는 n+1 번 째 스를 수신하여

거리 탐지 불가 및 range ambiguity 발생

40

Transmit pulses

Receive pulsesRx2

Tx1 Tx2

time

Rx1

Normal transmit and receive

Reflector

Tx1

Rx1 Rx2

Tx2 Tx3

time

Abnormal transmit and receive

<PRF 최대값 제한 – n+1 번 째 펄스 수신>


최대펄스반복주파수 : 𝑷𝑹𝑭𝒎𝒂𝒙

𝑷𝑹𝑭𝒎𝒂𝒙 <1

2 𝜏𝑝 + 2 R𝑓 −R𝑛 / 𝑐

𝑒𝑥)1

2(30 μs)+2(706 km−673 km)/𝑐= 16667 Hz > 𝑷𝑹𝑭𝒎𝒂𝒙

41

관측 각도

Rm

Rf

Rn

Wgr

하방

고도

<PRF 최대값 제한 – 송신 방향 펄스 충돌>

R𝑓 − R𝑛

샘플링 구간

[6] 𝜏𝑝 (pulse width) = 30 μs

[6] M. Y. Chua, V. C. Koo, “FPGA-Based Chirp Generator for High Resolution UAV SAR” , Progress In Electromagnetics Research, PIER 99, pp. 71-88, 2009.


𝑷𝑹𝑭 송수신/Nadir 구간 충돌 시 영상 왜곡 발생

시뮬레이션환경 (MATLAB R2013b)

고도 : 600 km

중심주파수 : 1.27 GHz (L-band)

안테나길이 : 5 m, : 2.6 m

스 : 30 μ𝑠

42

Range

Azimuth

(a) PRF 1500 Hz (b) PRF 2000 Hz (c) PRF 3000 Hz (d) PRF 3500 Hz


43

<Azimuth ambiguity in RADARSAT-2>

Azimuth


Azimuth ambiguity


44

<Range ambiguity in RADARSAT-2>

Range


Range ambiguity

Power

frequency

Ambiguity – Azimuth ambiguity

AASR (azimuth ambiguity to signal level)

방위방향안테나패턴의 side-lobe 및 PRF 한계(샘플링한계)에의해발생

Azimuth ambiguity arise from finite sampling of the Doppler spectrum at intervals of the PRF

Ambiguity energyMain signal energy

=

45

𝑚=−∞, 𝑚 ≠ 0∞ −𝐵𝑝

2

𝐵𝑝2 𝐺2 𝑓 + 𝑚𝑓𝑝 𝑑𝑓

−𝐵𝑝/2𝐵𝑝/2 𝐺2 𝑓 𝑑𝑓

<AASR>

𝐵𝑝 : Azimuth bandwidth

𝑓𝑝 : PRF

−𝑓𝑝

20

𝑃𝑅𝐹𝑚𝑖𝑛 =2 𝑣𝑠𝑡𝐿

𝑀𝑎𝑖𝑛 𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟

𝑓𝑝

2

𝐵𝑝

2𝑓𝑝−𝑓𝑝

Ambiguity – Range Ambiguity

RASR (range ambiguity to signal level)

Elevation 방향 패턴의영향

𝑅𝐴𝑆𝑅 = 𝑖=1𝑁 𝑆𝑎𝑖 𝑖=1𝑁 𝑆𝑖

46<RASR [4]>

𝑆𝑎𝑖: Range ambiguous in the i th time interval of the data recording window

𝑆𝑖 : Desired signal powers in the i th time interval of the data recording window

N = Total number of time intervals

Swath width

Slant range : 𝑾𝒓

Sampling window length 도 에 이용

𝑅𝑓 − 𝑅𝑛 ~𝑊𝑔𝑟 sin 𝜃𝑖 = 𝑾𝒓

47<Slant range, Wr>

Wr

Wgr

θi

Rf

Rn

θi

Swath width

Swath width : 𝑾𝒈𝒓

거리 방향(range direction) 관측

관측 범위 설정에 이용

관측 데이터 크기 계산에 이용

1)𝑅𝑒

sin(𝛾𝑚)=

𝑅𝑒+ℎ

𝒔𝒊𝒏(𝟏𝟖𝟎−𝜽𝒊)=

𝑅𝑚

sin(𝛼𝑚)

2)𝑊𝑟

𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑖)~ 𝛼𝑓 − 𝛼𝑛 𝑅𝑒 = 𝑾𝒈𝒓

48<Swath width, Wgr>

γm

hRm

Rf

Rn

Wgr

α m

Re Re

Re

Re

θi

Nadir

Wr

α fα n

Rn

α f-α n

Wnts

Signal to Noise Ratio

Signal to Noise Ratio

수신 신호의 세기와 잡음 세기의 차이

도 식을 이용하여 SNR 기대값을 계산하고 나머지 변수들 수정하며 설계

이용 가능한 자원과 사용자 요구사항 간 절충으로 최종 설계 마무리

49

SNR parameters

Pt : 최대송신전력

Duty cycle : 운용효율(τ𝑝 × 𝑃𝑅𝐹 or 𝑃𝑎𝑣𝑔/𝑃𝑡)

Gt : 안테나송신이득

η : 안테나효율

δr : 거리방향분해능

NESZ : Noise equivalent sigma zero

k : 볼츠만상수

Tr : 시스템온도잡음(noise)

NF : 시스템잡음(noise figure)

Ls : 시스템

SNR =P𝑡 𝑑𝑢𝑡𝑦 G𝑡

2 𝜂2 𝛿𝑟 NESZ2

8𝜋2 𝑅𝑚3 𝜆 𝑘 T𝑠 NF L𝑠 𝑣𝑠𝑡

=800W 10% (33.12 dB)2 (70 %)2 7.5 m (−17 dB)2

8𝜋2 (688833 m)3 0.23 m 1.38𝑒−23 J/K 300 K 3 dB 10 dB 7560.46 m/s

= 26.08 dB

Noise Equivalent to Sigma Zero

NESZ

A measure for the sensitivity of the SAR system

수신된신호세기가시스템잡음과같을때 (SNR = 1일때) 의대상의반사도

관측목적에따라시스템의민감도(sensitivity)를 NESZ로설정

Ex) NESZ : 0 𝑑𝐵𝑠𝑚 설정사람 (0 𝑑𝐵𝑠𝑚) 이상의것을관측하겠다

새 (−20 𝑑𝐵𝑠𝑚) 는관측불가

−20 𝑑𝐵𝑠𝑚새 (−20 𝑑𝐵𝑠𝑚) 이상의것을관측하겠다

사람 (0 𝑑𝐵𝑠𝑚)관측가능

벌레 (−50 𝑑𝐵𝑠𝑚) 는관측불가

NESZ =SNR

𝜎0

−1

KOMPSAT-5 (지구관측) : −17 𝑑𝐵𝑠𝑚, ALOS-2 (해양관측) : −20~ − 22 𝑑𝐵𝑠𝑚

50

Peak to Side-lobe Ratio

PSLR

Main-lobe의 peak 값과 side-lobe peak의비율

PSLR = 10 log10𝐼𝑠

𝐼𝑚

Sinc func.에서 -13 dB를갖고, 일반적으로 SAR 영상에서 < -13 dB 기대

51<PSLR> <PSLR in MATLAB simulation>

Number of

Samples

PSLR

약 -43 dB

Integrated Side-lobe Ratio

ISLR

Main-lobe와 side-lobe의에너지비율

High quality image Low ISLR

ISLR = 10 log10 −∞𝑎

ℎ 𝜏 2𝑑𝜏 + 𝑏∞

ℎ 𝜏 2𝑑𝜏

𝑎𝑏ℎ 𝜏 2𝑑𝜏

52<ISLR>

a b

Losses

Radar System Losses

Transmit Losses

Radome

Circulator

Waveguide

Antenna Efficiency

Beam Shape

Low Pass Filters

Atmospheric

Quantization

53

Receive Losses

Radome

Circulator

Waveguide Feed

Combiner

Receiver Protector

Transmit / Receive Switch

Antenna Efficiency

Beam Shape

Non-Ideal Filter

Quantization

Atmospheric

Downlink Datarate

다운링크통신속도계산

입력변수

54

변수 정의 수식 값

Quantization 양자화 비트수 𝑛𝑏 8 bits/sample

Bandwidth 대역 𝐵𝑅 15 MHz

Antenna length 안테나 길이 𝐿𝑎 5 m

Altitude 고도 ℎ 600 km

Swath width 관측 𝑊𝑔 64.337 km

Incidence angle 입사각 𝜃𝑖 30.906°

Sampling frequency 샘플링 주파수 𝑓𝑠 42 MHz

Oversampling ratio 오버샘플링 비율 𝑘𝑜𝑠 1.2

다운링크통신속도계산

도 변수

Downlink Datarate

변수 정의 수식 값

Required minimum slant range swath

width직거리(slant range) 𝑊𝑠 = 𝑊𝑔 sin 𝜃𝑖 33 km

Data sampling window duration

데이터 샘플링 윈도우 길이 𝜏𝑤~ 2𝑊𝑠𝑐 220.305 μs

Number of samples per range line

거리 방향 sample 개수 𝑁𝑟 = 𝑓𝑠𝜏𝑤 9253 samples

Instantaneous data rate 최대 통신 도 𝒓𝒊 = 𝑛𝑏𝑓𝑠 336 Mbps

Doppler bandwidth 도플러 대역 (방위 방향) 𝐵𝐷~ 2𝑉𝑠𝑡

𝐿𝑎3024 Hz

Oversampling factor in azimuth

방위 방향 오버샘플링 인수 𝑓𝑝 = 𝑘𝑜𝑠𝐵𝐷 3629 Hz

Average real-time downlink data rate

평균 다운링크 통신 속도 요구 값 𝒓𝑫𝑳 = 𝝉𝒘𝒓𝒊

𝑻𝑷𝟐𝟔𝟖 𝐌𝐛𝐩𝐬

55𝑇𝑃 : 스 간 간격, 1 𝑓𝑝

Downlink Datarate

데이터저장소크기비교

요구되는데이터저장소크기비교

세계각국영상레이더의데이터저장소크기비교

56

변수 도출값 (고도 600 km) KOMPSAT-5 (고도 550 km)

한반도 종단(1080 km)관측 소요 시간

2분 23초 (위성 도 = 7.56 km/s) 2분 23초 (위성 도 = 7.59 km/s)

실시간 데이터 전송 268 Mbps -

한반도 종단 관측 요구 데이터 37.42 Gbit -

데이터 저장소 크기 - 256 Gbit

데이터 중계기 310 Mbps X-band , up to 310 Mbps

영상레이더 중심 주파수

(Spot, Stripmap, Scan)데이터저장소크기

ALOS-2 L-band 1 / 3 / 100 m 1040 Gbit

Sentinal-1 C-band 5 / 20 / 100 m 1410 Gbit

RISAT-1 C-band 2 / 6 / 50 m 300 Gbit

TerraSAR-X X-band 1 / 3 / 15 m 256 Gbit

영상레이더관측시뮬레이터

57

영상레이더관측시뮬레이터소개

관측시뮬레이터

위성용영상레이더시스템변수사용

시스템설계흐름및변수간관계고려하여코드작성

MATLAB R2013b 버전

시뮬레이션순서

요구사항및

시스템변수입력

관측

시뮬레이션결과 력

영상레이더관측시뮬레이터

Constant value

빛의 도

지구반지름

볼츠만상수

시스템온도잡음

대역 잡음

시스템잡음

시스템

59

영상레이더관측시뮬레이터변수

Input parameters (1) - Operational concept

플랫폼고도

플랫폼 도

중심주파수

파장

관측각도

Input parameters (2) - Antenna concept

안테나

Elevation

안테나길이

Azimuth

안테나 패턴 력

안테나이득 력

60


Input parameters (3) - Signal concept

스

대역

오버샘플링비율

운용효율

샘플링주파수

첩률 (주파수변화율)

샘플링사이클

도플러주파수

PRF

PRI

Chirp 신호

61

𝐾𝑟 : Chirp rate, the rate of frequency change

Chirp 신호에서단위시간내주파수변화정도


Geometry Parameters

Nadir angle

Near

Middle

Far

Incidence angle

Near

Middle

Far

Core angle

Near

Middle

Far

62


Range and Swath width

Near range

Middle range

Far range

Nadir to swath range

Slant range

Ground swath

Azimuth swath

Resolution

Slant range resolution

Ground resolution

Near

Middle

Far

Azimuth resolution

63


Sampling Window

샘플링윈도우시작시간

샘플링윈도우길이

거리방향샘플개수

Output Parameters

안테나효율

안테나이득

최대전력 (입력)

NESZ

SNR

64


관측시뮬레이션순서

목표물배치

임의의점목표물을관측지역내배치

관측시작

목표물을관측하고반사되어돌아온신호와송신신호를신호처리하여 RawData생성

RDA (range-Doppler algorithm) 이용하여영상획득

시뮬레이션결과 력

SNR, PSLR 값으로영상품질분석

65

목표물 배치

시뮬레이션 결과 출력

관측 시

목표물 관측

신호 처리로 RawData 생성

거리 압축

RCMC

영상 확인

방위 압축


Arranging Target

타겟을다양하게배치하여관측진행

십자모양배치

특정모양배치

랜덤배치

66<십자배치, 모양배치, 랜덤배치>


Start position calc.

y : 플랫폼진행방향

타겟의위치를좌표화

관측시작지점(A)

End position calc.

관측마지막지점(B)

방위방향샘플링간격

방위방향샘플개수

RawData size

67

Azimuth (km)

Range (km)

R

num_azimuth_samples

Printed area

x

y

(A)

(B)

방위방향


Chirp Signal Transmission and RawData Generation

R

플랫폼~타겟거리

theta

플랫폼~타겟각도

index

관측범위( )내타겟수

for loop

시간의흐름에따라(플랫폼이동에따라)

거리방향(x축), 방위방향(y축)의 RawData idx, p

68

Raw data 𝑡 = exp(𝑗𝜋K𝑡𝑡2) ∗ exp(−𝑗2𝜋𝑓𝑐2R/C)

Reference signal Received signal


Range-Doppler Algorithm

69

<RDA 신호처리 과정>

① SAR 관측

② RawData 생성

④ RCMC

⑤ 방위압축

⑥ Squint angle 보정(Squnit관측시)

③ 거리압축

RCMC : Range cell migration compensation


Range Compression

Range FFT

연산량줄이기위해Fourier transform 이용

FFT length

• 𝐿 = 2𝑛

• 𝐿 ≥ 𝑀 + 𝑁 − 1

Range reference func.

기준신호모델링으로거리기준신호도

f_ref : 중심이되는신호

Range IFFT

RawData의거리성분을 FFT하여주파수성분저장

RawData거리성분(f_sig)와거리기준신호(f_ref)의 곱 거리방향위치도

70

L : FFT length M : 송신신호길이 N : 수신신호길이

No hamming

Hamming window

p=1

p=RawData 길이

RawData의 p번째 줄을 FFT f_sig

for문진행

f_ref


Azimuth Compression (1)

Azimuth FFT

r_max : 가장먼타겟

SAL

• Synthetic aperture length

• 합성개구길이

• 가장먼타겟을관측할때 을이용하여계산

SAT

• Synthetic aperture time

• 합성개구시간

• 합성개구길이와 도를이용하여계산

FFT length

거리압축된신호를 FFT하여 rd에저장

fd : −PRF

2~

PRF

2범위를 FFT length만큼샘플링

71



RCMC

𝑓𝑑 =2𝑣𝑠𝑡

𝜆sin 𝜃

=2𝑣𝑠𝑡

𝜆1 − 𝑐𝑜𝑠2 𝜃

cos 𝜃 = 1 −𝑓𝑑

2𝜆2

4𝑣𝑠𝑡2

𝑅 𝑆 =𝑅

cos 𝜃

72

Range cell

RCMC : Range cell migration compensation

R

ΔR

R(S)

AzimuthVst·s

θ

거리압축된타겟신호

RCMC 후compensated signal



Azimuth reference func.

수신신호모델링으로방위기준신호계산

for loop

SAL, SAT, PRI를이용

방위방향샘플링

az_ref

• 방위기준신호생성

Azimuth IFFT

SAR_img생성

73

No hamming

Hamming window

영상레이더관측시뮬레이션결과

74

Reference Signal

기준신호에 hamming window를 적용하여 PSLR 향상기대

Windowing

신호복원시양끝단에 residual signal 또는 noise 발생가능

신호의불연 을막거나주파수스펙트럼의왜곡을막기위해사용

전체 amplitude는감소하나 side-lobe를줄일수있어 main-lobe 강조

<Hamming window 비적용 기준신호> <Hamming window 적용 기준신호>


75

RawData

영상레이더운용중타겟을관측하여얻은데이터

거리방향, 방위방향으로나누어서신호처리

<Hamming window 비적용 RawData> <Hamming window 적용 RawData>


76

Range Compression

거리방향압축

Range cell migration 존재

<Hamming window 비적용 거리 압축 이미지> <Hamming window 적용 거리 압축 이미지 >


Azimuth Compression

거리압축영상에서 RCMC 이용하여 cell migration을보정

최종 SAR 영상

77

<Hamming window 비적용 SAR 영상> <Hamming window 적용 SAR 영상>


78

Zoomed Images

최종 SAR 영상에서타겟을확대한영상

Hamming window 비적용타겟에서강한 side-lobe 관측됨

<Hamming window 비적용 타겟> <Hamming window 적용 타겟>


79

PSLR Analysis

획득한영상의품질분석

Hamming window 비적용타겟결과 PSLR 약 -16 dB

Hamming window 적용타겟결과 PSLR 약 -41 dB

임무분석 tool 이용한시스템변수들이용하여시뮬레이션진행되었고영상품질값이기준이상으로도 됨

-16 dB

-41 dB

<Hamming window 비적용 PSLR> <Hamming window PSLR>

References

[1] Rizki Akbar, P., J. Tetuko SS, and Hiroaki Kuze. “A novel circularly polarized synthetic aperture

radar (CP-SAR) system onboard a spaceborne platform,”International Journal of Remote Sensing,

vol. 31, no. 4, pp. 1053-1060, 2010.

[2] E,M파형태 : https://namu.wiki/w/%EC%A0%84%EC%9E%90%EA%B8%B0%ED%8C%8C

[3] I. G. Cumming and F. H. Wong, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data:Algorithms

and Implementation. Norwood, MA: Artech House, 2005.

Beam width : pp. 164-166

Platform velocity : pp.

PSLR -20 dB : pp. 61

[4] Curlander, John C., and Robert N. McDonough. Synthetic aperture radar. New York, NY, USA:

John Wiley & Sons, 1991.

Rang ambiguity : pp. 297

System design considerations : pp. 294-296

Downlink Data Rate Reduction Techniques : pp. 286-287

Radar performance measures (PSLR, ISLR) : pp. 256, 259-261

PSLR -13 dB : pp. 88

[5] IEEE New Hampshire Section IEEE AES Society

[6] M. Y. Chua, V. C. Koo, “FPGA-Based Chirp Generator for High Resolution UAV SAR” , Progress

In Electromagnetics Research, PIER 99, pp. 71-88, 2009.

80

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Q & A

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