Modern synthetic aperture radar system requires a variety of operational modes based on the mission requirements. An active phased array synthetic aperture radar (SAR) system needs to synthesize various antenna patterns to meet the system performance measures such as the range-to-ambiguity ratio (RAR), the noise equivalent sigma zero (NESZ), the swath width and the radiometric accuracy (RA). And also to achieve high resolution impulse response function (IRF), the frequency modulation linearity of a wideband linear frequency modulated waveform is one of the critical requirements in the synthetic aperture radar.
In this dissertation, we focus on two aspects among various design problems of the SAR system. One is SAR instrument error compensation and the other is antenna mask design and its pattern synthesis.
First, in order to compensate for IRF degradation effect due to the nonlinear characteristic induced from the SAR hardware, the nonlinear characteristic of a SAR instrument is modeled as a polynomial for amplitude and phase error consisting of linear, quadratic and random components, respectively.
We propose the waveform compensation method using the system predistortion technique. This method emphasizes on the phase coefficients extraction based on the measurement and analysis of the changing rates of the period of beat frequencies at a specific section within the transmit pulse width. By extracting the amplitude and phase errors from the SAR instrument, the nonlinear effect has been compensated. As a result, IRF is improved and the compensation method is experimentally verified.
Second, the primary contribution of this study is the design guidelines for SAR antenna mask based on the SAR performance measures have been presented to help effectively synthesize the various antenna patterns. We also present the quantative equations of the antenna mask template for the mainlobe and sidelobes from the definition of the NESZ, swath width and RAR.
The simple iterative method such as a random mutation hill-climbing (RMHC) is utilized to optimize the sidelobes level at each ambiguous area using the proposed equations. In order to confirm the effectiveness of the optimized antenna masks, we apply particle swarm optimization (PSO) to synthesize the antenna pattern within a specific mask template. As a result, the swath width, RAR and NESZ have been evaluated and verified using the synthesized antenna patterns.
최근에 개발되는 고해상도 능동 위상 배열 영상레이다 (SAR) 시스템은 임무 요구 조건에 따라 다양한 운용 모드를 필요로 한다. 고해상도 영상을 획득하기 위한 영상레이다 시스템은, 고해상도 임펄스 응답 특성을 얻기 위하여 높은 주파수 변조 선형성을 가지는 광대역 선형 주파수 변조 파형을 필요로 한다. 또한 거리 모호성비 (RAR)와 시스템 감도 특성을 나타내는 잡음 등가 반사 값 (NESZ), 영상 획득 폭 (Swath width) 및 방사분석 정확도 (Radiometric accuracy)와 같은 시스템 성능 지수를 만족하기 위하여 다양한 운용 안테나 패턴을 요구한다.
본 논문에서는 영상레이다 시스템의 성능을 향상시키는 데 초점을 맞추고 크게 송수신기와 안테나의 성능을 최적화시키는 기법을 연구하였다. 임펄스 응답 특성을 향상 시키기 위하여 SAR 센서 시스템에서 발생되는 진폭 및 위상 오차 성분의 발생 원인을 분석하고 수학적으로 모델링 한 뒤 보정을 수행하였으며, SAR 성능 지수를 최적화시키기 위한 기법으로 능동 위상 배열 안테나의 마스크 템플릿 설계와 패턴 합성을 중점적으로 연구하였다.
첫째, SAR 하드웨어로부터 발생되는 비선형 오차 특성에 의해 영상의 해상도가 저하되는 임펄스 응답 특성의 왜곡 현상을 보정하기 위하여, SAR 시스템의 비선형 특성이 발생되는 원인을 분석하였으며, 비선형 오차 성분의 진폭과 위상 오차에 대하여 각각 선형성분, 이차성분 및 랜덤성분을 가지는 다항식으로 전개하여 모델링 하였다.
본 논문에서는 위상 오차를 추출하기 위하여 선형 주파수 변조된 파형을 일정 주기 동안 지연시킨 뒤, 입력신호와 비교함으로써 송신 펄스 폭 내의 특정 위치에 상응하는 비트 주파수의 주기 변화율을 측정하고 해석을 통하여 위상 계수를 추출하는 기법을 제안하였다. SAR 시스템 오차 성분을 보정하기 위하여 추출된 계수에 역함수를 곱하여 파형 발생시 사전 왜곡 (predistortion) 기법을 적용함으로써 하드웨어에서 발생되는 오차를 최소화시키는 보정 기술을 적용함으로써 임펄스 응답 특성을 향상시킬 수 있었다.
둘째로, 본 논문의 핵심이 되는 SAR 시스템의 성능을 최적화 시키기 위한 방법으로 안테나 마스크 템플릿의 설계 및 안테나 패턴 합성 기법을 제안하였다. 또한 시스템 요구조건인 성능 지수를 기반으로 안테나의 주빔과 부엽빔에 대한 마스크를 정량적으로 설계하기 위한 방정식을 유도하였다. 안테나 주빔과 모호 영역에서 정의되는 부엽빔에서의 레벨을 설정하기 위하여 랜덤 변이를 반복적 수행하여 최적화 시키는RMHC를 이용하였다. 최적화된 안테나 마스크 템플릿이 시스템 성능 지수에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 진화 알고리즘인 PSO 기법을 이용하여 안테나 패턴을 합성하는 기법을 제안하였다. 최종적으로, 마스크 템플릿을 기반으로 합성된 안테나 패턴을 이용하여SAR 성능 지수인 영상 획득 폭, 거리 모호성비 및 잡음 등가 반사 값이 최적화되는 것을 확인하였다.