Synthetic Aperture Radar (SAR) with an active phased array antenna can support user needs for diverse operation modes and images that require lots of antenna beam patterns with different shapes and steered angles in the along-track direction as well as in the across-track direction. In particular, the antenna beam patterns of the space-borne SAR system significantly impact on the key performance parameters of SAR such as NESZ (Noise Equivalent Sigma Zero), ASR (Ambiguity to Signal Ratio), and RA (Radiometric Accuracy) due to geometric factors and system constraints. In terms of design, verification and operation for the space-borne SAR antenna performance, the beam patterns can be categorized as following three types. The first one is design beam pattern. It can be obtained by beam pattern synthesis from the SAR mode design and performance analysis. The second one is measured beam pattern. After manufacturing antenna hardware, the design beam pattern should be measured in order to verify the antenna. The last one is model beam pattern. It is mathematical modeling to represent real radiated patterns of the active SAR antenna. In ideal antenna, the three beam patterns are identical. However, there are differences between the beam patterns due to error factors. Therefore, algorithm to minimize the differences is essential to achieve improvement of the beam pattern performance for the space-borne SAR system with the active phased array antenna.
In this dissertation, error compensation and optimization methods are proposed for improvement of antenna beam pattern performance of space-borne SAR system. The dissertation consists of following three main ideas.
First, the error factors defined from the differences between the design and measured beam pattern are identified and characterized. Based on the characterization data, the errors are classified as setting errors, offset errors, and errors due to temperature variation. Furthermore, the appropriate and effective compensation method is proposed. The proposed method is established with short measurement time and high accuracy via validation process. In order to implement and validate the proposed method, an active phased array antenna, consisting of 16 TRMs (Transmit Receive Modules) is manufactured. In addition, the validity of the proposed method is shown in terms of antenna pattern shape, relevant key parameters of SAR performance.
Second, a method which improves the antenna model accuracy is proposed. The antenna model accuracy can be defined as the differences between the measured and model beam pattern. Because the measured beam patterns (radiated patterns) of the active SAR antenna include error contributions caused by its hardware, the antenna model should take into account the errors in order to improve the antenna model accuracy. The proposed method can be utilized to achieve the high accuracy using optimization of the errors based on a convex algorithm. The proposed method is validated by measured results of a manufactured antenna that is composed of 32 TRMs and is also analyzed in terms of SAR performance.
Third, TRM failure compensation method is proposed using optimization approach. In case of space-borne active SAR system, beam pattern should be resynthesized to meet SAR performance, because TRMs is impossible to be repaired or replaced when the TRMs are degraded or failed. Differences between the model and design pattern can be caused by the TRM failure. A method to minimize the differences is proposed using error matrix optimization based on convex algorithm. Notwithstanding the TRMs failure, the proposed method can efficiently and accurately provide the resynthesized beam patterns for the required criteria.
능동 위상배열 안테나를 탑재한 영상레이더는 거리 방향 및 방위각 방향에 대해서 각기 다른 빔모양과 빔조향각을 가지는 수 많은 빔패턴을 운용을 통해 다양한 운용 모드와 영상 획득이 가능하다. 특히, 위성 탑재 영상레이더 시스템의 안테나 빔패턴은 기하학적인 요소와 제한사항 때문에 NESZ (Noise Equivalent Sigma Zero, 시스템 감도), ASR (Ambiguity to Signal Ratio, 모호성비) 및 RA (Radiometric Accuracy, 방사정확도) 등과 같은 주요 성능 변수에 영향을 많이 끼친다. 위성탑재 영상레이더의 설계, 검증 및 운용 관점에서, 안테나 빔패턴은 다음과 같은 세 가지 형태로 분류할 수 있다. 첫 번째는 설계 빔패턴이다. 설계 빔패턴은 영상레이더 모드 설계 및 성능분석으로부터 빔패턴 합성에 의해 생성된다. 두 번째는 측정 빔패턴이다. 안테나 하드웨어의 제작 후 설계 빔패턴은 측정을 통해 검증되며, 이때 측정 결과가 측정 빔패턴이다. 마지막은 모델 빔패턴이다. 모델 빔패턴은 능동 영상레이더의 실제 방사 빔패턴을 모사하기 위해 수학적으로 구현한 빔패턴이다. 이상적인 경우 위에서 언급한 세 빔패턴은 동일해야 한다. 그러나 오차 요소들에 의해 빔 패턴 간 차이가 발생하므로, 능동 위상배열 안테나가 탑재된 위성탑재 영상레이더의 빔 패턴 성능을 향상시키기 위해서는 이러한 차이를 최소화하는 알고리즘이 요구된다.
본 논문에서는, 위성탑재 영상레이더의 안테나 빔패턴 성능 향상을 위한 오차 보정 및 최적화 방법이 제안되었다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
첫 번째, 설계 빔패턴과 측정 빔패턴 간의 차이로부터 정의된 오차 요소들을 식별하고 특성화하였다. 특성화 결과를 바탕으로 오차는 세팅 오차, 오프셋 오차, 그리고 온도 변화에 의한 오차로 구분하였다. 또한 적절하고 효율적인 오차 보정 방법이 제안되었다. 제안한 방법은 검증 과정을 통해 짧은 측정 시간과 높은 정확도를 제공한다는 것이 확인되었다. 제안한 방법의 구현과 검증을 위해 16개의 송수신모듈로 구성된 능동 위상 배열 안테나를 제작하였다. 검증 결과 제안한 방법이 빔패턴 성능 변수 및 영상레이더의 주요 성능 변수들에 대해서 유효함이 확인되었다.
두 번째, 안테나모델 정확도를 향상시키기 위한 방법이 제안되었다. 안테나모델 정확도는 측정 빔패턴과 모델 빔패턴 간의 차이로 정의된다. 일반적으로 안테나는 다양한 오차 요소를 포함하고 있기 때문에 안테나 모델 정확도를 향상시키기 위해서는 안테나 모델은 모든 오차 요소를 고려해야 한다. 제안한 방법은 convex 알고리즘을 기반으로 하여 오차의 최적화를 통해 빠른 계산 시간과 높은 정확도를 달성하였다. 제안한 방법은 32개의 송수신모듈로 구성된 제작된 안테나의 측정 결과를 토대로 검증되었으며, 또한 영상레이더 성능 변수 측면에서 분석이 수행되었다.
세 번째, 최적화 방법을 이용한 송수신모듈 고장 보상 방법이 제안되었다. 위성탑재 영상레이더는 송수신모듈 고장 시 대체 또는 수리가 불가능하므로, 영상레이더 성능 유지를 위해 빔패턴의 재합성이 요구된다. 송수신 모듈 고장은 모델 빔패턴과 설계 빔패턴 간의 차이를 유발한다. 이러한 차이를 오차로 정의하고, convex 최적화 기법을 기반으로 제한 조건을 조절하여 차이를 최소화 할 수 있는 방법이 제안되었다. 송수신 모듈의 고장에도 불구하고, 제안한 방법은 효율적이고, 정확한 빔패턴 재합성을 제공하였다.
