Synthetic aperture radar (SAR) is a high-tech imaging method for remote sensing. It obtains detailed images of the Earth’s terrain independently of light and weather states like rain, clouds, and fog. Due to inher-ent system limitations, conventional SAR with single aperture does not allow for a wide swath imaging with high resolution. The margin of this limitation depends on the SAR systems such as an airborne SAR and a spaceborne SAR. In this dissertation, two methods are introduced to overcome the constraints based on the difference between the systems.
The platform velocity of an airborne SAR system is considerably lower than that of a spaceborne SAR system; moreover, the required swath width of the former is considerably smaller than that of the latter. Thus, an airborne SAR system has a wider margin in terms of a pulse repetition frequency (PRF). Therefore, higher PRF can be selected to achieve both high resolution and wide swath imaging using an antenna with a wide beam width. Since a small antenna with a large beam width has very low gain, which results in difficulty in detection; the azimuth beam pattern optimization of a large active phased array antenna is needed for an airborne SAR system optimization.
For those reasons, I present an optimal azimuth beam pattern mask template for an airborne SAR system with respect to the SAR system performance measures such as the noise-equivalent sigma zero (NESZ), the azimuth resolution, the azimuth ambiguity ratio (AAR), and the azimuth radiometric accuracy (ARA), and also suggest an azimuth beam pattern satisfying the mask template using a particle swarm opti-mization (PSO). The mode with the proposed beam pattern guarantees continuous and high resolution imag-es, simultaneously. Using a point target simulation, the advantages of the mode are shown compared to con-ventional SAR modes such as strip-map and spotlight modes.
In contrast to an airborne SAR system, the PRF margin of a spaceborne SAR system become very narrow due to its inherent higher platform speed and wider image swath width requirement. Thus, several pio-neering techniques based on the displaced phase center antenna (DPCA) method which contains single trans-mit aperture and multiple receive apertures, have been suggested to overcome this limitation. Compared to a conventional SAR system, the DPCA-based SAR systems obtain additional samples by a factor of N, i.e., the number of receiving channels, for each pulse repetition interval (PRI). The increase in the number of samples allows either for an enhanced azimuth resolution or for a decreased PRF needed for an image with large swath width.
In order to achieve more sample positions, I propose a novel shifting multiple-input multiple-out (MIMO) SAR system concept for a spaceborne SAR system to obtain high resolution and wide swath imag-ing. For low cross-correlation level between the transmit pulses, slope-varying chirp signals are used. To achieve wide Doppler bandwidth which results in a high azimuth resolution, the beam pattern optimization method which is also used in an airborne SAR system is applied. For proper sampling of the widened Doppler spectrum without ambiguity, a transmit antenna shift method in MIMO SAR system is proposed and it shows that the number of phase centers during one PRI can be increased to N2. Therefore, either the azimuth resolu-tion or the system PRI can be increased by a factor of N compared to those in the DPCA-based SAR system. To verify the proposed method, a point target, distributed target simulations and the timing analyses are car-ried out.
The two presented techniques can be utilized to successfully improve the performance of an airborne SAR system and a spaceborne SAR system.
합성 개구면 레이더는 지구관측을 위한 영상레이더로써 태양에너지를 이용한 전자광학 카메라보다 전천후로 고해상도의 영상을 획득하는 장점을 가진다. 즉, 신호를 능동적으로 발생하여 수신하기 때문에 일조량 및 구름, 안개, 비와 같은 기후조건에 관계없이 안정적으로 원하는 지역의 영상을 얻을 수 있는 것이다. 일반적인 합성 개구면 레이더는 하나의 안테나로 송신과 수신을 처리하는데, 이때 방위방향 해상도와 거리방향의 관측폭이 서로 trade-off 관계를 가지게 되며, 하나의 성능을 개선하기 위해선 다른 하나의 성능저하가 불가피하다. 이런 제한사항은 합성 개구면 레이더 시스템을 적용하는 환경에 따라 크게 좌우되며, 특히 항공기용 시스템과 위성용 시스템에 큰 차이를 보인다. 본 논문에서는 언급한 두 시스템의 차이점에 기반하여 각 시스템에 적용 가능한 두 가지 방법을 제시하였다.
항공기의 운행속도 및 고도는 위성보다 매우 느리고, 낮다. 따라서 항공기용 합성 개구면 레이더 시스템은 펄스 반복 주파수 관점에서 매우 넓은 여유 폭을 가지며 높은 해상도와 넓은 관측폭을 위해 보다 큰 펄스 반복 주파수를 선택할 수 있다. 방위 방향의 해상도를 증가시키기 위해선 넓은 대역의 도플러 주파수를 획득하여야 하며, 이는 방위방향 안테나의 빔폭을 넓힘으로써 가능하다. 이를 위해 길이가 짧은 안테나를 사용하게 되면, 안테나의 이득이 감소하여 수신단의 최소수신전력을 만족하지 못해 탐지거리가 짧아지는 문제가 발생한다. 이에 상대적으로 긴 능동 위상배열 안테나의 빔 패턴 최적화 기법이 요구된다.
이러한 이유로, 항공기용 합성 개구면 레이더 시스템을 최적화하는 최적 빔 패턴 마스크 템플릿을 제안하였다. 시스템의 성능을 평가하는 항목인 NESZ, 방위방향 해상도, ARA, AAR에 기반하여 빔 패턴의 내부 마스크 및 외부 마스크를 수식으로 정의하여 제안하였으며, 이를 만족하는 빔 패턴을 입자군집최적화 알고리즘을 이용하여 구성하였다. 제안한 방법의 성능을 검증하기 위해 점 표적에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 일반적인 합성 개구면 레이더 시스템의 운용모드인 표준영상모드와 같이 지형의 연속성이 보장되며, 고해상도 모드와 같이 영상의 해상도가 향상됨을 확인하였다.
항공기의 운용환경과는 매우 다른 위성용 합성 개구면 레이더 시스템은 매우 좁은 펄스 반복 주파수 여유 폭을 가진다. 이는 위성의 빠른 운행 속도와 높은 고도에 기인한 것이며, 방위방향 해상도의 향상을 위해 높은 펄스 반복 주파수를 선택하는 것이 불가능해진다. 이런 제한사항을 극복하기 위해 많은 시도가 이루어져 왔으며, 특히 DPCA 기술이 소개된 이후 대부분의 논문들이 이 기술을 기반으로 연구되고 있다. 일반적인 합성 개구면 레이더 시스템이 하나의 안테나로 송수신을 처리하는 반면, DPCA 방법은 하나의 송신 안테나와 다수의 수신안테나로 구성되어, 한 펄스 반복 구간 동안 N배, 즉 수신안테나의 개수에 해당하는 만큼 많은 데이터를 수신할 수 있다. 이렇게 증가한 데이터의 개수는 방위방향의 해상도를 증가시키거나 거리방향의 관측폭을 넓힐 수 있는 가능성을 가진다.
보다 더 많은 데이터를 하나의 펄스 반복 구간 동안 얻기 위하여 새로운 이동형 MIMO 합성 개구면 레이더 시스템을 제안하였다. DPCA 방법에 기반한 기법들이 하나의 송신 안테나를 사용하는 것에 반해, 제안한 방법은 다수의 송신 안테나를 사용하여 보다 향상된 방위방향 해상도 및 넓은 관측폭을 가짐을 확인하였다. 송신 신호들간의 상호상관계수를 감소시키는 것이 최종영상 품질의 질을 높이는 방법이 되며, 이를 위해 다수의 기울기 가변 첩 신호를 사용하였다. 또한 넓은 범위의 도플러 대역폭을 획득하기 위해 항공기용 합성 개구면 레이더에 사용하였던 최적 빔 패턴 마스크 템플릿을 위성환경에 맞추어 새로 설계하여 적용하였으며, 이를 만족하는 빔 패턴 역시 입자군집최적화 알고리즘을 이용하여 구성하였다. 이렇게 확장된 빔폭을 에러 없이 Nyquist조건에 만족하는 범위에서 샘플링 하기 위해 이동형 송신안테나 개념을 제안하였다. DPCA방법에 기반한 기술들은 한 펄스 반복 구간 동안 N개의 샘플 위치를 갖는 반면, 본 논문에서 제안한 이동형 MIMO 합성 개구면 레이더 방법은 동일한 구간 동안 N2의 샘플 위치를 갖게 되고 이는 방위방향 해상도 및 관측 폭을 N배 향상시킬 수 있게 된다. 본 시스템을 검증하기 위해 diamond 도표분석 및 점 표적에 대한 시뮬레이션을 수행하였고 보다 일반화하기 위해 2차원의 지도를 입력으로 사용하여 최종영상을 획득하는 시뮬레이션을 수행하였다. 최종결과는 DPAC방법에 기반한 기술들과 비교하였으며, 해상도 및 관측폭이 현저하게 향상되었음을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 두 가지 방법(항공기용 안테나 빔 패턴 최적화 기법, 위성용 이동형 MIMO 시스템)은 기존의 합성 개구면 레이더 시스템의 성능을 확실히 향상시키는 기술로써 사용 가능하다.
