A spaceborne synthetic aperture radar (SAR) is an all-weather active imaging sensor in which backscattered microwave pulses are collected by a satellite and processed to form day and night images of the earth’s surface, which requires a high resolution to the level of several centimeters recently.
In order to make high-quality SAR images without focusing errors, very accurate SAR raw data processing is needed. Especially, critical factors that induce errors in a SAR image have to be analyzed precisely and processed accurately in SAR raw data focusing; They are mainly related to the estimation of focusing parameters such as slant range for the signal transmission (Tx) and reception (Rx) path, effective beam velocity, and Doppler frequency reflected on SAR raw data. In this thesis, for precise raw data focusing of a high-resolution spaceborne SAR (HRS-SAR), with the accurate calculation of focusing parameters based on the realistic two-way slant range model (RTW-SRM), the enhanced two-way chirp scaling focusing method is proposed considering the real two-way signal path on a curved orbit. Moreover, the realistic full-chain model-ing and simulation of a spaceborne SAR system is suggested. The realistic point target raw data simulated by it are needed and utilized to develop and verify the raw data processing methods for the HRS-SAR.
The realistic spaceborne SAR modeling and simulation method is proposed, which reflects the characteristics and operations of a real spaceborne SAR system. Unlike several conventional simulations that model partially data acquisition of a spaceborne SAR for specific purposes, its full-chain modeling and simulation is carried out, which is related to SAR dynamics and attitudes, two-way antenna beam patterns, antenna beam pointing and steering, SAR hardware pulse errors, ground point target observation, and received echo signal characteristics. In particular, the proposed models simulate the raw data for multi point targets taking into account realistic spaceborne SAR operations, and reproduce main spaceborne SAR functionalities without considering system hardware choices. Through the proposed modeling and simulation, simulated point target raw data are almost identical to ones acquired by a real system.
Further, the enhanced two-way chirp scaling focusing method is proposed, which can reduce error ef-fects arising from inherent characteristics of a spaceborne SAR system used to achieve raw data, so retain reasonable image quality at the same time. In the proposed method, the two-way based method is proposed to calculate focusing parameters such as a slant range, an effective beam velocity, and a Doppler frequency, which is based on the RTW-SRM using SAR state vectors consisting of the position, velocity, and time on a curved orbit. In addition, it uses ground target position vectors at the time of pulse Tx and Rx. Moreover, in the proposed method, the effective chirp rate, RCM factor, and focusing phase functions are modified on the basis of the RTW-SRM, and the additional processing load can be reduced by using a chirp scaling focusing approach. Related to proposed methods, total processing procedures are suggested with simulation results.
Comparative and extensive experiments were performed on the realistic simulated point target raw data of the HRS-SAR to evaluate the performance and effectiveness of proposed methods. The experimental results showed that high-resolution point target raw data were processed accurately by proposed methods, which various effects induced from a real spaceborne SAR are reflected on. Therefore, the proposed methods are useful for accurate HRS-SAR image formation.
본 연구는 고해상 위성 영상레이더 시스템에 대한 점표적 원시데이터 모의 생성을 위한 사실적인 모델링 및 시뮬레이션 방법을 우선 제안하였다. 특정 일부 목적을 위해서 위성 영상레이더 시스템의 원시데이터 획득 과정을 부분적으로 모델링 및 시뮬레이션하는 기존 주요 방법들과 달리, 실제 위성 영상레이더 시스템의 주요 운용 및 특징을 반영하여 전 과정(full-chain) 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 즉 영상레이더의 동작 및 자세, 안테나 양방향 빔 패턴, 안테나 빔 지향 및 조향, 하드웨어 펄스 오차, 지상 표적 관측, 수신신호 특성 등이 사실적으로 모의되었다. 제안된 모델링 및 시뮬레이션을 기반으로, 실제 위성 영상레이더에서 획득되는 원시데이터와 동등한 수준의 점표적 원시데이터가 모의 생성되었다. 이는 모의 점표적 원시데이터에 대한 실험 및 분석을 통해서 검증되었다.
또한, 위성 영상레이더의 고품질 고해상 영상형성을 위해서, 향상된 원시데이터 처리 방법을 제안한다. 특히, 정확한 거리 셀 이동 보상(range cell migration correction)을 위한 핵심 처리변수들로써, 유효 빔 속도, 도플러 주파수, 경사거리 정보를 사실적 양방향 경사거리 모델(realistic two-way slant range model)을 기반으로 계산하는 방법을 제시하였다. 즉, 이는 위성 영상레이더와 지상 표적들 간의 관측거리가 매우 멀기 때문에, 펄스 신호의 송신 및 수신 간 영상레이더의 위치 차이가 있다는 사실에 기반한다. 결과적으로, 위성 영상레이더 및 거리 샘플 셀들의 위치 및 속도 벡터 정보를 활용하여, 주요 데이터 처리 변수들이 모든 거리 샘플 셀들에 대해 정확히 계산되었다. 따라서 정확한 원시데이터 처리를 위한 성능 향상된 양방향 기반 거리 셀 이동 인자(two-way based range cell migration factor)가 구해졌다. 이를 통해서, 정지출발(stop-go) 및 직선경로(straight path) 근사화에 기반한 기존 하이퍼블릭 경사거리 모델(conventional hyperbolic slant range model)로 인한 경사거리 오차를 보상할 수 있었다.
게다가, 고해상 위성 영상레이더 원시데이터 처리를 위해서 개선된 양방향 첩 스케일링 처리(enhanced two-way chirp scaling processing) 방법이 제안되었다. 제안된 방법에서, 유효 첩 주파수 변화율, 거리 셀 이동 인자, 신호처리 함수들이 곡선 궤도 상의 실제 양방향 신호 경로 특성을 고려하는 사실적 양방향 경사거리 모델에 기반하여 개선되었다. 특히, 개선된 방위신호 압축처리 과정은 기존 하이퍼블릭 경사거리 모델에 의해서 야기되는 경사거리 오차로 인한 왜곡없이 매우 정확히 수행되었다. 이러한 제안 방법의 전체 처리 과정이 실험 분석 결과와 함께 제시되었으며, 부가적인 처리 부하는 일반적으로 처리 효율이 높다고 평가되는 첩 스케일링 방법에 기반함으로써 높지 않다.
제안된 방법의 성능 분석 및 검증을 위해서 시뮬레이션에 기반한 실험 및 결과 분석이 수행되었다. 분석 결과를 통해서, 제안된 방법이 0.5 m이하의 고해상 고품질 영상을 생성할 수 있음 확인되었다. 즉, 모의 원시데이터 처리 결과영상에서 점표적 임펄스 응답 함수(impulse re-sponse function)의 해상도, 최대 부엽 레벨(peak side lobe ratio), 누적 부엽 레벨(integrated side lobe ratio) 성능이 저하없이 이상적으로 분석되었다.
결론적으로 제시된 실험 및 검증을 통해서 고해상 위성 영상레이더 영상형성을 위해서 제안된 방법들이 매우 효과적임을 알 수 있었다. 따라서 제안된 방법들을 활용하여 위성 영상레이더로부터 야기되는 다양한 효과들이 반영되는 실제 원시데이터 처리를 통해서 고해상 고품질 영상형성이 가능할 것이다.
