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영상레이더기술

2016.06.21

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

Contents

영상레이더(SAR)란?

영상레이더구조

영상레이더개발

영상레이더활용

3

영상레이더란?: 원격탐사

원격탐사의정의

멀리떨어져있는물체를직접적인접촉없이관측하는행위

원격탐사의구성요소

A. 광원(전파원)

B. 신호송신

C. 관측대상

D. 데이터저장

E. 데이터송수신및처리

F. 데이터해석

G. 활용

4

<원격탐사의 구성 요소 [1]>

[1] P. R. Akbar, “Development of Circularly Polarized Synthetic Aperture Radar (CP-SAR) for Small Satellite: Preliminary Design”, Thesis, 2011.

영상레이더란?: 원격탐사

원격탐사센서의종류

수동형센서

센서로수집되는에너지또는빛을이용하여데이터형성

능동형센서

센서에서직접에너지를방사하고, 대상으로부터반사되는에너지를획득하여데이터형성

5

구분 수동형센서 능동형센서

방사원 태양열 관측대상 레이더

수신 반사율 열방사 후방산란

수동형 센서와 능동형 센서 비교 [1]

[1] P. R. Akbar, “Development of Circularly Polarized Synthetic Aperture Radar (CP-SAR) for Small Satellite: Preliminary Design”, Thesis, 2011.

영상레이더란?: 레이더기술의중요성

6

레이더

기술

국방

우주

기상

해양

의료보안

환경

교통

항공

영상레이더란?: 레이더(RADAR)의정의

RADAR

RAdio Detection And Ranging의약자

전파를이용하여표적을탐지하고거리를측정하는장치

7[2] P. A. Rosen, “Principles and Theory of Radar Interferometry”, NASA/JPL UNAVCO Short Course, Aug, 2011.

<레이다의 동작 [2]>

<신호의 송수신 과정 [2]>

<송신 신호와 수신 신호>

영상레이더란?: 레이더의특성

송신신호와수신신호

송신(Tx):

일반적으로사각파형태의펄스

수신(Rx):

수신파형에나타나는변화가관측대상의특징을나타냄

수신신호의지연(delay)이관측대상까지의거리를나타냄

• 지연시간신호의속도

=거리

8

기　 시간

진폭

송신 신호 사 신호

지연 시간

Cross range

Range

9090

RADAR

∆𝑅𝑟

𝑅𝑚𝑎𝑥<레이더 해상도>

영상레이더란?: 레이더의특성

영상레이더의 해상도

인접해있는 두 물체를 분간하는 능력

∆𝑅𝑟 = 𝑐𝜏/2

𝑐 = 빛의 속도 (3 × 108 𝑚/𝑠)

𝜏 = 펄스 폭

9𝑅𝑚𝑎𝑥 : 최대관측범위

∆𝑅𝑐𝑟

∆𝑅𝑐𝑟 = L/2

L = 안테나 길이

영상레이더란?: SAR Onboard Satellite

10

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+

HV,

VV+HV

Single Pol,

Dual Pol, Circ

ular Pol, Qua

d Pol

HH

HV

VH

VV

VV+VH

HH+HV

HH, HV, VH,

VV

HH+HV, VH+

VV

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

80-400

Multi mode

Spot : 20 km

Scan : 489.5 km

Azimuth resolutio

n

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, 44.2 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, 56.7 m

PRF 1463-1640H

z

1640-1720H

z

1361 - 3,000-6,500H

z

3,000±200 Hz -

Peak power 1000 W 4800 W 5000 W 1400 W 2260 W 2200 W 6700 W 5900 W > 2300 W

Band width 19 MHz 19 MHz 11.6/17.3/30.

0 MHz

8.48-16 MH

z

150 MHz 18.75/37.5/75

/225 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

영상레이더란?: Polarization

Polarization (편파)

선형 편파(Linear polarization)

수평 편파(H), 수직 편파(V)

Co-polarization (HH, VV)

• 송신부와 수신부가 같은 편파 면을 갖음

Cross polarization (HV, VH)

• 송신부과 수신부가 수직 편파 면을 갖음

원형 편파(Circular polarization)

<선형 편파> <원형 편파>11

영상레이더란?: 영상레이더특징

영상레이더(SAR)

Synthetic Aperture Radar의약자

전파(microwave)를이용하여관측대상의영상을형성하는능동형센서(active

sensor)

기상현상과일조현상에관계없이고해상도영상획득가능

Moving-platform에탑재되어운용

지구관측, 군사정보획득, 자연재해감시, 자원탐사등에활용됨[3]-[5]

12

<KOMPSAT-5(2013.8.22 발사)>

[3] J. Amini and J. T. S. Sumantyo, “Employing a method on SAR and optical images for forest biomass estimation,” IEEE Transactions Geoscience and

Remote Sensing, vol. 47, no. 12, pp. 4020–4026, 2009.

[4] L. Bayuaji, J. T. S. Sumantyo, and H. Kuze. “ALOS PALSAR D-InSAR for land subsidence mapping in Jakarta, Indonesia,” Canadian Journal of

Remote Sensing, vol. 36, no. 1, pp. 1-8, 2010.

[5] A. Saepuloh, K. Koike, M. Urai, and J. T. S. Sumantyo “Identifying surface materials on anactive volcano by deriving dielectric permittivity from

polarimetric SAR data,” IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 12, no. 8, pp. 1620-1624, 2015.


레이더에서사용하는밴드별 파수와파장

주파수대역이높을수록파장이짧고, 좋은분해능갖음

낮은대역(L-band)의경우, 관측폭이넓어광역관측에적합

위성용레이더에서는주로 X, C, S, L-band 를사용

차량용레이더는 K, W-band 대역사용

13

Frequency Band L S C X K Ka W

Frequency [GHz] 2-1 3.75-2 7.5-3.75 12-7.5 25-17.6 40-25 110-75

Wavelength [cm] 15-30 8-15 4-8 2.5-4 1.2-1.7 0.75-1.2 0.27-0.4

레이더에서 사용하는 밴드 별 파수와 파장


영상레이더동작

일반적인레이더의경우, 안테나빔폭이좁을수록고해상도영상획득

안테나빔폭은안테나길이와반비례

실제위성에서는안테나크기에제한이있음

영상레이더는이동하며넓은빔폭으로관측

관측한데이터를합성하여높은해상도의영상획득

14<일반레이더(좌)와 영상레이더(우) 비교>

성 개구 이

작 나 분해능 능

나 이 나 이

빔 폭

분해능 분해능

안테나 소형화및 위성 전체중량 감소


영상레이더동작

측면관측(Side-looking) 진행

전파가대상지역까지도달하는시간을이용하여거리측정및영상획득

측면관측을진행하기때문에영상에왜곡발생가능

15

<측면 관측 영상레이더>


영상레이더에서나타나는왜곡

Foreshortening

입사각에따라전면이짧게보이는현상

Layover

가파른고도차이를가지는부분에서발생

Radar shadow

대상반대편의신호가돌아오지않아영상이어둡게나타내는지역

16<영상레이더에서 나타나는 왜곡>

(c) Radar shadow

(b) Layover

(a) Foreshortening


광학센서 vs. 영상레이더

17<광학 영상과 레이더 영상>

특징 광학센서 영상레이더

사용 펙트럼 가시광선 전파

센서 종류 수동형 센서 능동형 센서

관측방법 수직 관측 측면 관측

기상조건 및일조현상의 영향

높음 전천후 관측 가능

영상 이해도 쉬움 어려움

영상 왜곡 거의 없음 다소 존재함

광학센서와 영상레이더 영상 비교


광학센서 vs. 영상레이더

광학센서로는불가능한구름투과및야간관측가능

초기획득데이터에영상처리하여최종영상획득

18

<영상레이더 초기 획득 데이터(좌)과 영상처리 후 영상(우)><광학 센서(좌)와 영상레이더(우)로 관측한 프랑스 파리>

영상레이더란?: 영상레이더동작모드

영상레이더동작모드

Strip-map mode

일반적인영상레이더에서사용되는모드

빔을고정한상태로관측진행

Spotlight mode

지형및목표물을식별하기위해특정지역에빔을집중조사

일반적인영상합성시간이상집중조사하여정밀한영상획득가능

Scan-SAR mode

넓은지역의영상획득을위해전자적으로빔을조향

다른모드에비해해상도가가장떨어짐

19<Strip-map mode> <Spotlight mode> <Scan-SAR mode>

영상레이더구조: 영상레이더시 템

영상레이더시 템동작 flow

① 신호생성및송신(Tx)

Chirp 신호생성

관측대상으로신호방사

② 신호수신(Rx)

관측대상으로부터후방산란(Back-scattered) 신호수신

수신된신호는관측대상의특성을반영

③ 신호처리(Processing)

수신한신호를저장및영상화

20

<영상레이더 시스템 동작 flow chart>

영상레이더구조: Chirp 신호

영상레이더의품질평 지표

펄스폭이좁을수록해상도증가

고전력신호의경우탐지거리증가

영상레이더의송신신호

Chirp 신호

LFM(Linear frequency modulation)의한종류

시간에따라신호의주파수가선형적으로변화

신호대역폭을증가시켜해상도성능을높임

21

<Chirp 신호>

2 2

c cR

B

Frequency 𝐹1 Frequency 𝐹2

Bandwidth = 1/T Bandwidth =∆𝐹=𝐹2 − 𝐹1

∆𝑅 = resolutionc = speed of lightB = chirp bandwidth

<일반적인 펄스와 chirp 펄스 예>

영상레이더구조: Chirp 신호

Chirp 신호

시간에따라주파수가선형적으로증가또는감소 Up-chirp : 주파수가시간에따라증가하는 chirp 신호

Down-chirp : 주파수가시간에따라감소하는 chirp 신호

22

Down-chirp Up-chirp

<양방향 Chirp 신호>

영상레이더구조: 레이더시 템한계

레이더시 템제한사항

고전력의좁은펄스폭을갖는신호를만드는데는전력제한, 열등의문제가발생함

Pulse compression 기법을이용하여기술적문제를해결함

23<레이다 시스템 블록도 [6]>

[6] R. M. O’Donnell, “Radar System Engineering Lecture 1”, IEEE New Hamshire Section, Oct, 2009.

영상레이더구조: 레이더시 템한계

Pulse compression

비교적적은전력, 구현이용이한넓은폭의펄스를이용

수신단의후처리(Post-processing)

단계에서고전력, 좁은폭의펄스를사용했을때와같은효과를냄

수신신호와송신신호를 matched

filter에통과시킴으로써관측대상의특성을알수있음

24<Pulse compression 예시>

영상레이더구조: 영상처리과정

레이더영상처리의기초

관측대상으로부터받은신호를처리

수신신호를 raw 데이터형태로저장

후처리(Post-processing)

Raw 데이터를이미지파일로변환

영상처리과정

25<RAW 데이터 처리 과정>

영상레이더구조: 신호처리알고리즘

영상레이더모드별신호처리알고리즘

26

모드알고리즘

Strip-map SpotlightWide-swath

알고리즘 설명

Range Doppler Algorithm(RDA) O

1976~1978년 개발광범위하게 사용 중구현 용이(직관적)효율성, 정확성 측면에서 trade-off 가능

Range Migration Algorithm(RMA) O O

1987년 개발가장 정확한 알고리즘많은 연상량

Chirp ScalingAlgorithm(CSA) O

1994년 개발RDA 알고리즘의 문제점 해결을 위해 개발

Extended CSA O O O1996년 개발강한 요동하의 항공 SAR 데이터 처리를 위해개발

Polar FormatAlgorithm(PFA) O

1969년 개발Spotlight 용 알고리즘으로 개발

Spectrum AnalysisAlgorithm(SPECAN) O O

1979년 개발실시간 SAR 프로세서를 위해 개발

영상레이더구조: RDA 알고리즘

RDA 알고리즘의영상 과정

27<영상 획득 과정>

① 영상레이더관측

② Raw 데이터생성

③ Range compression ④ Range cell migration

compensation (RCMC)

⑤ Azimuth compression

⑥ Squint angle 보상

영상레이더개발: 시 템설계

영상레이더시 템구조

Controller module, RF module, antenna, data recorder 등으로구성

28<영상레이더 시스템 세부 구성도>

SAR

Controller

Chirp

Pulse

Generator

Timing

Controller

I

data

Q

data

L

P

F

L

P

F

Baseband

Processor

L

P

F

L

P

F

Controller Module

BPF BPF

Frequency

Generator

(1.27 GHz

OSC)

90º

Phase

shifter

Data RecorderBPF

90º

Phase

shifter

Tx

Antenna

Rx

Antenna

Output QOutput I

+3.3/12V+3.3/12V +12V +5/12V +28V

Antenna

RX

TX

RF Module

Combiner

Timing

switch

Isolator/

Circulator

Circulator

Frequency

Generator

HPA

LNA


영상레이더시 템설계

영상레이더의 platform을정하고, 이에따른탑재체를선택

Satellite(600km), Stratosphere (20km), UAV(~20km), Airplane, Drone

사용할모드를선택

Strip-map, spotlight, Scan

용도, 탑재체, 모드에따른요구사항도출

요구사항에따른시스템변수도출및상세설계

29<영상레이더 시스템 설계 순서도>

Platform

selection

Payload

selection

SAR mode

selection

Requirements

Parameters

Mission selection


영상레이더시 템변수도출

30

2.AntennaparameterL , W Tant θel , θaz

3.Resolu on

δx

BR , τp

δR

4.PRF&Swath

PRF Valid PRFmin

PRFmax Swathmax

5.Ambiguity

AASR

RASR

6.SNR

σ0 F SNR

G Aef Pavg

1. Basicparameter

h f0 γ Vst

<영상레이더 변수 도출>

0

( )

( )

( )

(km/ s)

, ( )

( )

, ( )

( )

st

ant

el az

x

R

h height m

look angle

f center frequency Hz

V platformvelocity

L W length and widthof antenna m

T antenna temperature K

beam widthof range and azimuth

azimuth resoultion m

range res

0

( )

(Hz)

(us)

(dB)

(dB)

( )(dB)

(dB)

(dB)

R

P

ef

olution m

B bandwidth

pulse width

AASR azimuth ambiguity to signal ratio

RASR range ambiguity to signal ratio

NESZ non equivalent sigma zero

F noise figure

G gain

A effective area of a

2( )

(W)avg

ntenna m

P average power

요 변수

Pulse repetition frequency (PRF)

펄스를 얼마나 반복하여 송신하는지를 의미 (Hz)

단일레이더를 사용하는 경우, PRF 구간 충돌 시 영상 왜곡 발생

기　


31(a) PRF = 2000 Hz (b) PRF = 3000 Hz

<PRF 값에 따른 왜곡 영상(a),(c)과 정상 출력된 영상(b),(d)>

(c) PRF = 1500 Hz (d) PRF = 3000 Hz

고스트 이미지잔상 왜곡

<펄스 반복 주파수>

펄스 반복 주기(PRI) = 1 PRF


요 변수

Signal to noise ratio

수신 신호의 세기와 잡음 세기의 차이

도출식을 이용하여 기댓값을 계산하고 나머지 변수들 예상 가능

예)

32

<신호 대 잡음 비>

SNR

수신 신호 세기

세기

Power (dB)

시간

SNR (dB)

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


요변수도출식

33

변수 수식

나최소 적

나이

나빔폭

PRF range

PRFmin, PRFmax

SNR

𝐴 =4𝑉𝑠𝑡𝑅tan𝜃𝑖

𝑓

qel = 0.638l

Wqaz = 0.638

l

L

1 <

( / 2) ( / 2)near M p nadir far p M nadir

M MPRF

PRFmin =2Vst sinqaz

cf PRFmax =

1

2t p + 2(Rf - Rn ) / céë ùû

𝑆𝑁𝑅 =𝑃𝑡 𝑑𝑢𝑡𝑦 𝐺𝑡

2 𝜂2 𝛿𝑟 𝑁𝐸𝑆𝑍2

8𝜋2 𝑅𝑚3 𝜆 𝑘 𝑇𝑠 𝑁𝐹 𝐿𝑠 𝑣𝑠𝑡

𝐺𝑡 =4𝜋 𝑊 𝐿 𝜂

𝜆2


다운링크통신속도최소요구값 (고도 600 km 정)

34

변수 수식 값

Quantization 𝑛𝑏 8 bits/sample

Bandwidth 𝐵𝑅 15 MHz

Antenna length 𝐿𝑎 5 m

Swath width 𝑊𝑔 64337 m

Incidence angle 𝜂 30.906°

Required minimum slant range swath width

𝑊𝑠 = 𝑊𝑔 sin 𝜂 33045 m

Data sampling window duration 𝜏𝑤~ 2𝑊𝑠

𝑐 220.305 μs

Number of samples per range line

𝑁𝑟 = 𝑓𝑠𝜏𝑤 9253 samples

Instantaneous data rate 𝑟𝑖 = 𝑛𝑏𝑓𝑠 336 Mbps

Doppler bandwidth 𝐵𝐷~ 2𝑉𝑠𝑡 sin 𝜃𝑎𝑧 𝑓𝑐𝑐 2660 Hz

Oversampling factor in azimuth

𝑓𝑝 = 𝑘𝑜𝑠𝐵𝐷 3725 Hz

Average real-time downlink data rate

𝒓𝑫𝑳 = 𝝉𝒘𝒓𝒊

𝑻𝑷𝟐𝟕𝟔𝐌𝐛𝐩𝐬

𝑓𝑠 : 샘플링 주파수 𝑘𝑜𝑠 : 오버샘플링 비율 𝑇𝑃 : 펄스 간 간격, 1 𝑓𝑝


데이터전송

한반도관측에약 2분 23초소요 ( 1080 𝑘𝑚7.56 𝑘𝑚/𝑠)

재방문주기 28일

지구자전에의해특정지점의상공을 28일주기로다시방문

영상다운링크통신에 X-band 사용

전송능력 : 310 Mbit/s

35

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

한 도 종단 관측 소요 시간 2분 23초 (위성 속도 = 7.56 km/s) 2분 23초 (위성 속도 = 7.59 km/s)

데이터 저장소 크기 - 256 Gbit = 32 Gb

영상 전송 능력 310 Mbit/s 310 Mbit/s

필요한 데이터 전송 능력 > 276 Mbit/s -


시 템설계변수도출및도출시고려사항

Basic parameter

고도, 운용주파수, look angle 등의임무에따른변수

Antenna parameter

선정한안테나의특성을반영

PRF (pulse repetition frequency)

송신윈도우와수신윈도우가겹치지않도록선택

Ambiguity

AASR (azimuth ambiguity to signal ratio)

• 방위방향빔패턴및 PRI에의한왜곡

RASR (range ambiguity to signal ratio)

• 거리방향빔패턴및 PRI에의한왜곡현상

SNR (signal to noise ratio)

하드웨어및소프트웨어의이득을고려

관측대상을고려한 NESZ (Non-Equivalent Sigma Zero) 계산

36

영상레이더개발: Chirp 신호발생기

Chirp 신호발생기개발

SAR 시스템의성능을좌우하는중요한요소

Chirp 신호의입출력특성이좋을수록획득영상의품질이향상될수있음

Analog 방식 chirp 신호발생기

Chirp 신호발생을위해 VCO (voltage controlled oscillator) 사용

VCO의 Linear ramp-up과 ramp-down 전압신호를적용시켜발생

VCO의선형성과응답특성의신뢰도가떨어짐

Digital 방식 chirp 신호발생기

주로디지털전자부품이나 FPGA (field programmable gate array)

로구현

디지털전자부품

카운터 IC, 메모리 IC, 컨트롤러와 DAC 등다양한 IC를이용함

FPGA

Programmable logic 요소, programmable interconnect 반도체장치

37


Analog 방식 vs. digital 방식 chirp 신호발생기 [7], [8]

38

System Performance Analog chirp 발생기 Digital chirp 발생기

FM noise Good Good

Frequency response Good Excellent

Linearity Good Excellent

Spurious Minimum filtering Requires filtering

Complexity Low Moderate to high

Digital compatible No Yes

[7] M.Y. Chua, V. C. Koo, “FPGA-based Chirp Generator for High Resolution UAV SAR”, PIER 99, pp.71-99, 2009.

[8] Kyohei Suto et al., “FPGA Based Multiple Preset Chirp Pulse Generator for Synthetic Aperture Radar Onboard Unmanned Aerial Vehicle

System”, SOMIRES 2013, Aug, 2013.


Memory-map based chirp 신호발생기 (digital 방식)

구성요소

Counter, ROM, DAC (digital to analog converter), clock source

동작구조

Chirp 신호를 ROM에미리저장하여재생성함

39

Memory

ROM (I)

Clock

source

Counter

PLL

PRFMemory

ROM (Q)

DAC

DAC

Recon

stru

ctio

n

filter

I data

Q data

<Memory-map based chirp signal generator의 구조>

PRF : Pulse repetition frequency PLL : Phase locked loop


Memory-map based chirp 신호발생기 (digital 방식)

장점

저장된데이터를아날로그신호로변환하기만하면사용가능

신호발생기제작이매우간단

시스템구성의단순함, 신호의높은정확도

단점

메모리장치의의존도가큼

우주환경에서 chirp 신호데이터가저장된메모리장치가손상될가능성이있으며, 저장할수있는데이터의크기가한정됨

저장된 chirp 신호데이터를사용하기적합하지않은환경에서는변수수정불가

여러환경에서사용할수있도록설계하기위해서추가적인메모리장치가필요

이에따른위성의무게증가

40


DDS(direct digital synthesizer) chirp 신호발생기 (digital 방식)

구성요소

Register, LUT (look-up table), DAC, clock

동작구조

Phase register로부터위상신호를누적

LUT로부터위상주소에따른진폭값을 load하여신호합성

41

Tuning

word

System

clock

Phase

register

Cosine

LUT

Sine

LUT

DAC

DAC

Phase accumulator Output

(I)

Output

(Q)

<Block diagram of DDS signal generator>


DDS chirp 신호발생기 (digital 방식)

장점

메모리장치에대한의존도가낮음

원하는 chirp 신호를언제든지생성하여사용가능

고해상도의영상을얻기위한광대역 chirp 신호를생성할경우요구조건이크지않음

단점

Truncation error에의해스펙트럼특성이좋지않음

Chirp 신호의위상오차발생 => 오차보상연구로제거

높은클럭에서동작할수있는부품이필요하므로많은제작비용이요구됨

42


DDS chirp 신호발생기동작구조

Chirp 신호위상생성:

상수입력: chirp rate

주파수누적기입력: frequency offset

위상누적기입력: phase offset

43<Controller 의 chirp 신호 발생기>

<DDS chirp 신호 발생기 신호 발생 과정>

𝜑 𝑡 = 𝜋𝐾𝑡2Chirp

Pulse

Generator

DAC

DAC

I

data

Q

data

Controller Module

Timing

Control

Unit

Virtex - 5 Clock LO

= 𝛼 2 𝑡2 + 𝛽𝑡 + 𝛾

𝛼 : chirp rate

𝛽 : frequency offset

𝛾 : phase offset

𝑡 : 시간𝑇 : 신호의주기𝐾 : chirp rate


Chirp 신호발생기의파형및위상오차

DDS chirp 파형은 ideal chirp에비해위상오차가생김

위상오차를추출하여보상하는연구진행필요

44

<시간영역의 ideal 신호와 DDS 신호>


DDS chirp generator 보상블록도

Ideal 신호와위상을비교하여위상오차를다항식으로모델링

다항식모델의계수를추출하여위상누적기뒷단에보상함

45

Frequency

accumulator

Modulus

operator

Phase

accumulatorLUT

Constant

source

Maximum

control word

Sweep

constant =2

+_

+_

Ideal signal

phase

Phase error

coefficient

calculation

β : Frequency

offset


위상오차모델링

DDS와이상적인첩신호간의에러분석

이상적인첩신호의위상:

DDS 신호의위상:

위상에러정의

위상누적기출력

β : frequency offset

보상된위상신호

46

𝜙𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙= 5.903 × 105 𝑡2 + −6.342 × 10−11 𝑡+ −1.033 × 10−9 ≈ 5.903 × 105 𝑡2

𝜙𝐷𝐷𝑆 = 5.903 × 105 𝑡2 + −2.185 𝑡 + −0.00747

𝜙𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝜙𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 − 𝜙𝐷𝐷𝑆= 2.185𝑡 + 0.00747 ≈ 2.185𝑡

𝜙𝑜𝑢𝑡 = 𝛼 2 𝑡2 + 𝛽𝑡 + 𝛾

𝜙𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡𝑒𝑑 = 𝜙𝐷𝐷𝑆 + 𝜙𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝜙𝐷𝐷𝑆 + 𝜙𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 − 𝜙𝐷𝐷𝑆


DDS 신호위상오차보상

위상오차추출후, 일련의보상과정을통하여 ideal 신호와 DDS의신호가거의일치하여보상을완료

47

<Ideal 신호, DDS 신호와 위상오차를 보상한 DDS 신호의 위상>


DDS chirp generator

성능평

IRF (Impulse response function) 분석

SAR 시스템을거쳐획득한영상분석

PSLR (Peak to side-lobe ratio)

Main-lobe peak값과첫번째 side-lobe

peak값의차이

SAR 시스템에서는 -14 dB이하의PSLR을요구

ISLR (Integrated side-lobe ratio)

모든 side-lobe 값의에너지합과 main-

lobe 에너지비율

48<이상적 신호, DDS 신호, 제안한 DDS 신호의 IRF 특성 비교>

PSLR


Chirp generator 성능평

성능평가결과

기존 DDS 방식대비

설계한 DDS 방식의 PSLR 값이 -0.2649 dB 더좋음

설계한 DDS 방식의 ISLR 값이 -0.2087 dB 더좋음

설계한 DDS 방식 chirp generator의성능이더뛰어남

49

기존 DDS Method (a) [9] Proposed DDS [10]

Value Value Enhancement Value Enhancement

PSLR(dB) -13.3559 -13.3585 -0.0026 -13.6208 -0.2649

ISLR(dB) -10.1365 -10.1378 -0.0013 -10.3152 -0.2087

[9] J. B. Sung, S. Y. Kim, H. I. Lee, and B. T. Jeon, “Modeling and simulation for performance analysis of high resolution SAR system”, Journal of

Korean institute of electromagnetic engineering and science, pp. 558-565, May, 2013.

[10] H. I. Yang, S. B. Ryu, H. C. Lee, S. G. Lee, S. S. Yong, and J. H. Kim, "Implementation of DDS Chirp Signal Generator on FPGA," in Proc. ICTC

2014, Busan, Korea, 22-24. Oct. 2014.


영상레이더발전방향

재방문주기를단축할수있는위성군(Constellation)으로발전

양산을통해국내위성산업발전에기여할수있는계획수립

단순히영상만보는활용에서벗어나위상, 편파정보를적극활용할수있도록활용분야확대

InSAR, PS-InSAR 등에활용가능

50

<InSAR 의 활용 예> <위성군 활용 예>

InSAR : Interferometry SAR, 두개 이상의 SAR 영상을 이용하여 대상 지역의 DEM 생성 혹은 측지학에 이용DEM : Digital elevation mode, 3D 영상 형성하는 방법PS-InSAR : Persistent scatterer-InSAR, 인공건물 등 고정적인 반사 신호를 이용한 SAR


51

항목 상세

기초 활용

Scattering mechanism of circularly polarized microwave

초목, 빙하, 토양, 암석, 사막 등의 반사 정도를 이용

Interferometry method 2장 이상의 SAR 영상을 이용하여 지형 형성

Axial ratio image (ARI), 영상 축비를 이용한 초목, 지질학, 빙하 등

영상 응용

Land covering map(토지에 대한 정보 제공)

산림 – 비 산림 지역 구분숲 지역의 나무 높이 추정논 지역 정보 제공습지 정보 제공설빙 지역 탐지

자연재해 감시 지진, 화살폭발, 홍수, 산림화재 등

빙하지역 감시 빙산, 빙하, 북극 경로 etc.

해양 감시 기름유출, 파도의 파고 또는 파주기 등

홍수 화산활동관측 지구온난화 빙산이동 사막화 현상 삼림화재관측


육상활용분야

지형측량

Radargrammetry (레이더측량법)

• 입사각의차이가큰두영상을이용

• 스테레오영상처리를통해지형고도를알아냄

Interfrometry SAR (간섭측량법)

• 서로다른위치에서얻은두개의SAR 영상의위상차를이용

• 정밀 DEM을얻음

52

<영상레이더를 이용한 DEM>

SRTM : Shuttle radar topography mission, 2000년 2월에 진행한 전 지구적 DEM 모델 형성을 위한 미션


육상활용분야

기타분야

산림학

• 산림분포, 나무의높이

• 편광측정법, 단층촬영

지질학

지구조/지반변위

• 차분위상기법(differential

interferometry, DInSAR)를이용

• 지반의변위를측정

습지또는호수연구

지진학, 토양학, 화산학

53

<PSInSAR를 이용하여 형성한 지도>


해양활용분야

해풍

영상레이더영상은해수면의거칠기에따라서밝기가변화

해풍의풍속과풍향을계산

54

<TerraSAR-X를 이용한 해풍 탐사>


극지활용분야

빙하연구

영상레이더를이용하여빙하의분포와특성, 빙퇴석의분포, 빙하의용융에따른산란특성의변화연구

DInSAR를이용하여빙하의수평적흐름속도계산, 조석에의한빙하의수직적이동분석

55

<간섭을 이용한 빙하의 이동>


아 대학교연구팀수행내용

InSAR를이용한해안선추출 [11]

InSAR를이용하여영상내해안선추출

cm급해상도의해안선지도제작

ALOS PALSAR 데이터사용

56

Master image

(SLC)

Master image

(SLC)

Slave image

(SLC)

Slave image

(SLC)

Baseline

estimation

Baseline

estimationDEM generationDEM generation

Interferometry

generation

Interferometry

generation

Coherence

generation

Coherence

generationMedian filteringMedian filtering

Edge function

(MATLAB)

Edge function

(MATLAB)Coastline imageCoastline image

Satellite Date of acquisition Baseline

Master ALOS PALSAR 13 October 2009 2207.7m

Slave ALOS PALSAR 16 October 2010 2207.7m

<아주대학교 연구팀이 제안한 알고리즘>

<제안한 알고리즘으로 추출한 해안선>[11] H. Yang, D. G. Lee, T. H. Kim, J. T. Sri Sumantyo, and J. H. Kim, “Semi-automatic coastline extraction method using synthetic aperture radar image”,

ICACT 2014, Pyeong-Chang, Feb. 2014.


아 대학교연구팀수행내용

Circular polarization을이용한영상품질향상[12]

이온층에서발생하는 Faraday rotation에의한 polarization mismatch loss 감소

: polarization ratio (tx)

: circular polarization ratio (rx)

시뮬레이션결과

57

-17.52 dB

-14.01 dB

-35.98 dB

-27.86 dB

2 2

2 2

1 2 cos 210log

1

w A w A

w A

dB

w

A

Parameters PLSR (dB)

Range samples of CP -35.98dB

Range samples of LP -27.86dB

Azimuth samples of CP -17.52dB

Azimuth samples of LP -14.01dB

[12] H. Yang, J. H. An, H. W. Jung, J. H. Kim, and, J. T. Sri Sumantyo. “Circular Polarization Implementation on Synthetic Aperture Radar”, ICTC

2014, Busan, Oct. 2014.

57

Thank you !

Q & A

참고문헌

[1] P. R. Akbar, “Development of Circularly Polarized Synthetic Aperture Radar (CP-SAR) for

Small Satellite: Preliminary Design”, Thesis, 2011.

[2] P. A. Rosen, “Principles and Theory of Radar Interferometry”, NASA/JPL UNAVCO Short

Course, Aug, 2011.

[3] J. Amini and J. T. S. Sumantyo, “Employing a method on SAR and optical images for

forest biomass estimation,” IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing, vol. 47, no.

12, pp. 4020–4026, 2009.

[4] L. Bayuaji, J. T. S. Sumantyo, and H. Kuze. “ALOS PALSAR D-InSAR for land subsidence

mapping in Jakarta, Indonesia,” Canadian Journal of Remote Sensing, vol. 36, no. 1, pp. 1-8,

2010.

[5] A. Saepuloh, K. Koike, M. Urai, and J. T. S. Sumantyo “Identifying surface materials on

anactive volcano by deriving dielectric permittivity from polarimetric SAR data,” IEEE

Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 12, no. 8, pp. 1620-1624, 2015.

[6] R. M. O’Donnell, “Radar System Engineering Lecture 1”, IEEE New Hamshire Section, Oct,

2009.

[7] M.Y. Chua, V. C. Koo, “FPGA-based Chirp Generator for High Resolution UAV SAR”, PIER

99, pp.71-99, 2009.

[8] Kyohei Suto et al., “FPGA Based Multiple Preset Chirp Pulse Generator for Synthetic

Aperture Radar Onboard Unmanned Aerial Vehicle System”, SOMIRES 2013, Aug, 2013.

59

참고문헌

60

[9] J. B. Sung, S. Y. Kim, H. I. Lee, and B. T. Jeon, “Modeling and simulation for performance

analysis of high resolution SAR system”, Journal of Korean institute of electromagnetic

engineering and science, pp. 558-565, May, 2013.

[10] H. I. Yang, S. B. Ryu, H. C. Lee, S. G. Lee, S. S. Yong, and J. H. Kim, "Implementation of

DDS Chirp Signal Generator on FPGA," in Proc. ICTC 2014, Busan, Korea, 22-24. Oct. 2014.

[11] H. Yang, D. G. Lee, T. H. Kim, J. T. Sri Sumantyo, and J. H. Kim, “Semi-automatic

coastline extraction method using synthetic aperture radar image”, ICACT 2014, Pyeong-

Chang, Feb. 2014.

[12] H. Yang, J. H. An, H. W. Jung, J. H. Kim, and, J. T. Sri Sumantyo. “Circular Polarization

Implementation on Synthetic Aperture Radar”, ICTC 2014, Busan, Oct. 2014.

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