[논문]소형위성 SAR 설계 기술

안진홍; 정해원; 김두환; 김재현

소형위성 SAR 설계 기술 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.42 no.4 = no.371, 2015년, pp.64 - 71

안진홍 (아주대학교 우주전자정보공학과) , 정해원 (아주대학교 우주전자정보공학과) , 김두환 (아주대학교 우주전자정보공학과) , 김재현 (아주대학교 전자공학과)

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문제 정의

지금까지 위성 SAR에 대한 최근 기술 동향과 소형경량화 이슈에 대해 살펴보고, L-band SAR 시스템 설계 방안 연구결과를 제시하고 임무 및 요구조건에 따른 설계변수를 도출하였으며, SAR 시스템의 핵심기능을 담당하는 chirp 신호 발생기 설계에 대해 간단히 논의하였다. 끝으로, 위의 일련의 과정을 통해서 만들어진 위성 SAR는 실제로 어떻게 활용되고 있는지 살펴보았다.
본문에서는 위성 SAR에 대한 최근 기술 동향과 소형경량화 이슈에 대해 살펴보고, 소형위성 SAR의 시스템 설계 방안을 연구하여 주어진 임무 및 요구조건을 만족하는 시스템 변수를 도출하며, 그 중 SAR 시스템의 핵심기능을 담당하는 chirp 신호 발생기의 설계에 대해서 논의 한다.
. 본문에서는 이 중에서 마이크로 위성을 목표로 두고 논의한다.

제안 방법

SAR의 영상은 해수면의 거칠기에 따라서 밝기가 변화 하므로 이를 활용하여 해양 분야에서 해풍의 풍속과 풍향을 계산한다. 또한 SAR를 이용하여 빙하의 분포와 특성, 빙퇴석의 분포, 빙하의 용융에 따른 산란 특성의 변화를 연구한다.
일반적으로 L-band는 사용할 수 있는 대역폭이 15MHz에서 40MHz 정도로 제한된다. 따라서 16MHz의 대역폭을 설정하여 PDDS chirp 신호 발생기를 설계하였다. 표 4에 chirp 신호 발생기의 설계 사양을 나타내었다.
저궤도 운용 100 kg급 소형위성, 지구관측에 유리한 L-band 설정, 소형 및 경량화를 위해 빔 조향이 필요 없는 strip-map 모드로 설정하여 시스템 설계사양을 도출하였다. 또한 L-band 소형위성 SAR 탑재에 중점을 두고 chirp 신호 발생기 개발에 대해 논의하였으며, DDS 방식을 기반으로 하여 PDDS chirp 신호 발생기를 구현하였다.
SAR의 영상은 해수면의 거칠기에 따라서 밝기가 변화 하므로 이를 활용하여 해양 분야에서 해풍의 풍속과 풍향을 계산한다. 또한 SAR를 이용하여 빙하의 분포와 특성, 빙퇴석의 분포, 빙하의 용융에 따른 산란 특성의 변화를 연구한다. 이 외에도 SAR는 홍수, 화산활동과 사막화 현상에 대해서도 관측을 하는 등 그 활용 분야가 방대하다^[10].
Spotlight 모드는 지형 및 목표물을 자세히 식별하기 위해 빔을 진행방향에 수평으로 조향하여 특정지역에 집중한다. 영상을 합성하는 데 걸리는 시간보다 길게 촬영하여 정밀한 영상을 획득하며 가장 정밀한 해상도를 제공한다. <그림 1>에 SAR의 동작모드를 나타내었다.
아주대학교 연구팀은 InSAR 프로세싱을 이용하여 SAR 영상 내의 해안선을 추출하였다. 일본 ALOS PALSAR의 데이터를 활용하여 cm급 해상도의 해안선 지도를 제작하였고, 이를 그림에 나타내었다. 또한, CP-SAR를 이용한 영상 품질 향상에 대한 연구를 진행하였으며, Faraday rotation에 의한 polarization mismatch loss가 감소하여 영상의 품질이 향상되었음을 확인하였다^[11].
SAR 시스템 설계는 임무설정과 요구사항 도출을 한 후 그에 따른 설계변수 도출로 진행된다. 저궤도 운용 100 kg급 소형위성, 지구관측에 유리한 L-band 설정, 소형 및 경량화를 위해 빔 조향이 필요 없는 strip-map 모드로 설정하여 시스템 설계사양을 도출하였다. 또한 L-band 소형위성 SAR 탑재에 중점을 두고 chirp 신호 발생기 개발에 대해 논의하였으며, DDS 방식을 기반으로 하여 PDDS chirp 신호 발생기를 구현하였다.
또한 소형 위성은 높은 전력을 조달할 수 없으므로 상대적으로 저전력인 L-band가 적합하다. 저전력 및 경량화를 고려하였으며, SAR의 동작 모드는 빔 조향을 위한 추가적인 기계적, 전기적인 방법이 필요 없는 strip-map 모드로 설정하였다.
지금까지 위성 SAR에 대한 최근 기술 동향과 소형경량화 이슈에 대해 살펴보고, L-band SAR 시스템 설계 방안 연구결과를 제시하고 임무 및 요구조건에 따른 설계변수를 도출하였으며, SAR 시스템의 핵심기능을 담당하는 chirp 신호 발생기 설계에 대해 간단히 논의하였다. 끝으로, 위의 일련의 과정을 통해서 만들어진 위성 SAR는 실제로 어떻게 활용되고 있는지 살펴보았다.
1951년, Carl Wiley가 DBS (Doppler beam sharpening)기술을 선보인 이후 주로 우주선 및 항공기 탑재 등의 군사목적으로 활용이 제한되었지만, 1978년부터 위성에 SAR를 탑재하여 지구를 관측하는 데에 관심을 가지게 되었다. 최초의 위성 SAR인 미국의 SEASAT을 시작으로 유럽우주국(ESA)의 ENVISAT, 캐나다 우주국 (CSA)의 RADARSAT, 일본의 PALSAR 등 많은 국가에서 성공적으로 위성 SAR를 개발하였다. 하지만 기존의 위성 SAR들은 너무 많은 시간과 비용이 투자 되었고, 1990년대에 이후, 관련 분야의 기술이 발전하면서 위성 SAR의 개발 기간과 비용을 줄이기 위한 연구가 진행되어 왔다^[1].

대상 데이터

표 4에 chirp 신호 발생기의 설계 사양을 나타내었다. DDS 블록은 4개를 사용하였으며, 각각의 동작주파수는 전체 동작주파수의 1/4만큼 줄어들게 된다.

이론/모형

육상에서는 입사각의 차이가 큰 두 영상을 이용하는 스테레오 기법(radargrammetry)으로 지형의 고도를 알아낸다. 또한, 서로 다른 두 위치에서 얻은 두 개의 영상의 위상차를 활용하는 InSAR (interferometry SAR)로 정밀 DEM (digital elevation model)를 얻을 수 있다. 차분 위상기법(differential interferometry SAR, DInSAR) 으로 지반의 변위를 측정하기도 하며, 다편파 분석법 (polarimetry), 토모그래피(tomography)를 활용하여 산림의 분포나 나무의 높이를 측정한다.
또한, 서로 다른 두 위치에서 얻은 두 개의 영상의 위상차를 활용하는 InSAR (interferometry SAR)로 정밀 DEM (digital elevation model)를 얻을 수 있다. 차분 위상기법(differential interferometry SAR, DInSAR) 으로 지반의 변위를 측정하기도 하며, 다편파 분석법 (polarimetry), 토모그래피(tomography)를 활용하여 산림의 분포나 나무의 높이를 측정한다.

성능/효과

이상적인 양방향 chirp 신호를 에 나타내었으며, 신호의 주파수가 양방향으로 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.

후속연구

향후 연구를 통하여 SAR 시스템 설계결과가 실제 위성 탑재에 적용 가능한지에 대한 검증 방안을 제시되어야 한다. 또한 설계한 DDS chirp 신호 발생기를 하드웨어로 구현하여 펄스의 오차 특성과 I, Q 불균형, IRF (impulse response function)분석을 활용하여 성능이 검증된다면 위성 SAR에 탑재할 수 있으리라 생각된다.
아직까지는 영상의 품질과 이해도의 측면에서 광학센서가 유리한 고지를 점하고 있다. 하지만 지속적인 연구개발로 SAR 기술이 양산화 된다면 SAR의 이점으로 인해 다방면으로 활용될 것으로 예상된다.
향후 연구를 통하여 SAR 시스템 설계결과가 실제 위성 탑재에 적용 가능한지에 대한 검증 방안을 제시되어야 한다. 또한 설계한 DDS chirp 신호 발생기를 하드웨어로 구현하여 펄스의 오차 특성과 I, Q 불균형, IRF (impulse response function)분석을 활용하여 성능이 검증된다면 위성 SAR에 탑재할 수 있으리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAR이란 무엇인가?	일반적으로 레이더란 전파를 송수신하여 표적을 탐지하고 거리를 측정하는 장치를 말한다. SAR는 이러한 레이더의 한 종류로, 전파를 이용하여 관측대상의 영상을 획득하는 센서 이다. Doppler 효과를 이용하여 영상을 획득하기 때문에 반드시 움직이는 플랫폼에 탑재되어야 하며, 스스로 전자파를 송신하고 수신하기 때문에 능동형 센서로 구분된다.
	소형위성을 무게에 따라 분류하시오.	소형위성은 저궤도 실용위성과 차별되는 개념으로 저비용과 짧은 개발기간으로 개발이 가능한 위성 본체를 기반으로 우주과학, 기술시 험, 우주탐사 등의 임무를 수행하며 미니위성(500 kg 이하), 마이크로위성(100 kg 전후), 나노위성(10 kg 전후)과 피코위성(1 kg 전후)으로 분류된다[2]. 본문에 서는 이 중에서 마이크로 위성을 목표로 두고 논의한다.
	SAR의 동작모드에는 어떤 것들이 있는가?	SAR는 크게 세 가지 동작모드를 사용한다. Strip-map 모드는 가장 일반적으로 동작하는 방법으로, 빔을 고정시킨 채로 플랫폼의 진행방향을 따라 연속적으로 촬영하는 방법이다. 정찰 범위가 넓으며 적당한 해상도를 제공한다. ScanSAR 모드는 넓은 지역의 대략적인 영상을 획득하기 위해서 빔을 진행방향에 수직으로 조향하면서 촬영하는 방법이다. 가장 낮은 해상도를 제공하지만 넓은 지역의 영상을 얻을 수 있다. Spotlight 모드는 지형 및 목표물을 자세히 식별하기 위해 빔을 진행방향에 수평으로 조향하여 특정지역에 집중한다. 영상을 합성하는 데 걸리는 시간보다 길게 촬영하여 정밀한 영상을 획득하며 가장 정밀한 해상도를 제공한다. <그림 1>에 SAR의 동작모드를 나타내었다.

참고문헌 (11)

R. Klemm, 1999, "SAR Technology-Where are We Going?", IEEE AES Magazine, pp.25-29.
과학기술부, 행정자치부, 건설교통부, 외교통상부, 산업자원부, 해양수산부, 국방부, 정보통신부, 기획예산처, "우주개발사업 세부실천로드맵(안)," 2007.
장영근, "소형위성 기술 연구개발 동향과 전망," 한국항공우주학회지 pp.118-112 제 31권, 제6호, October 2003.

원문보기 상세보기
Y. -K. Kwag, "Performance Characteristics of the High Resolution, X-band Small Satellite SAR System Design", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, the 11th volume, 7th edition, 2000.
M. A. Garcia, D. P. Lopez, "Feasibility Study on SAR Systems on Small Satellites," Technical reprots, UPC, 2009.
Merrill, 2008, RADAR HANDBOOK 3th edition, the McGraw-Hill Companies.
J. Curlander, R. McDonough, 1991, Synthetic Aperture Radar-Systems & Signal Processing, John Wiley & Sons, pp. 9-44.
M. Y. Chua, V. C. Koo, "FPGA-BASED CHIRP GENERATOR FOR HIGH RESOLUTION UAV SAR," Progress In Electromagnetics Research, PIER 99, pp.71-88, 2009.
N. Salemo, L. Simone, S. Cocchi, V. Piloni, M. Maei and Cocciolillo, "Wideband arbitrary waveform generator for enhanced spaceborne sar," Radar Conference 2008, EuRAD 2008, European, IEEE, Amesterdam, pp. 416-419, 2008.
이훈열, "SAR 영상의 활용," 한국전자파학회지 pp.55-67, 제 22권, 제6호, November, 2011.

원문보기 상세보기
H. I. Yang, J. H. An, H. W. Jung, J. H. Kim, and S. S. Josaphat Tetuko, "Circular polarization implementation on synthetic aperture radar", Proc. in ICTC 2014, Busan, Korea, Oct., 2014.

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