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문제 정의
- 본 논문은 위성체 레벨에서 SAR 시스템의 선행 연구 단계 및 설계 단계에서 적용하기 위한 SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터 프로토타입 설계에 관한 것이다. 최적의 SAR 시스템 성능을 만족하기 위하여 SAR 시스템의 가장 중요한 구성품인 SAR 안테나 패턴 생성 시뮬레이터와 SAR 성능 분석 시뮬레이터, 그리고 영상 품질분석 시뮬레이터로 구성되며 pseudo code 레벨에서 각각의 시뮬레이터 기능을 구현하였다.
- 본 연구에서는 위성체 레벨에서 SAR 탑재체의 요구 사양을 도출하기 위한 선행 연구 단계 또는 초기 설계 단계에서 적용하기 위한 위성용 SAR 시스템의 성능 분석 시뮬레이터 개발에 대하여 기술하였다.
제안 방법
- SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터는 SAR 시스템 성능 파라미터와 직접적인 관련을 가지는 능동 위상 배열 안테나의 패턴 설계를 위한 안테나 패턴 생성 시뮬레이터와 시스템 성능을 분석하기 위한 SAR 성능 분석 시뮬레이터, 그리고 영상 품질을 분석하기 위한 영상 품질 분석 시뮬레이터로 구성되었다. 본 시뮬레이터를 이용하여 SAR 탑재체의 성능 요구 조건을 만족하기 위한 최적의 설계를 수행하도록, 가장 중요한 설계 구성품인 SAR 안테나의 설계에서부터 시스템 성능분석, 그리고 영상 품질 분석까지의 SAR 탑재체개발 전반의 full chain의 설계 및 분석을 선행연구 단계 또는 초기 설계 단계에서 미리 수행해 볼 수 있는 시뮬레이터를 구현했다는 것에 의미를 가질 수 있을 것으로 판단된다.
- SAR 영상 품질 분석 시뮬레이터는 입력 파라미터를 고려하여 원시 데이터를 생성하고 다양한 SAR 프로세싱 알고리즘을 적용하여 공간해상도, PSLR, ISLR 등의 영상 품질을 분석할 수 있음을 다목적실용위성5호 결과를 통하여 검증하였다.
- 13과 같다. 관측폭과 잡음등가수신감도, 고도각과 방위각 모호성비는 각각 Table 3과 같이 성능 요구 조건을 설정하고 안테나 패턴 합성 및 시스템 성능분석을 수행하였다[9].
- 그러나 SAR 영상의 품질을 정량적으로 분석하기 위해서는 여러 가지 고려 사항이 많으며 복잡한 과정이다. 따라서 본 SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터에서는 점표적(Singe Point Target)에 대한 영상의 분석에 초점을 맞추고 구현을 수행하였다.
- 따라서 본 시뮬레이터의 목적이 설계 개발 단계에서의 적용이므로 탑재체와 플랫폼의 설계 파라미터와 궤도 요소 등의 여러 입력 파라미터들을 기초하여 점표적 원시 데이터를 생성하고 시뮬레이션 할 수 있도록 구현하였다. 원시 데이터 생성을 위한 주요한 파라미터의 입력값은 Table4와 같다.
- 안테나 주엽 빔 폭과 방향 이득, 부엽 레벨, 주엽 편평도 등을 고려한 안테나 마스크를 설계하여 마스크에 최적화하도록 안테나 패턴을 생성한 다음 SAR 운영 모드, 영상 획득 기하 구조, SAR 장비의 특성, 생성된 안테나 패턴을 입력으로 하고 펄스 반복 주기를 선정한 다음 SAR 시스템 성능 분석을 수행하게 된다. 만약 성능이 요구 조건을 만족하지 못하게 되면 다시 반복적으로 안테나 패턴을 개선하여 과정을 반복적으로 수행하여 최적의 SAR 시스템 성능을 만족하도록 절차를 수행하게 된다.
- 3과 같다. 안테나 패턴 생성 시뮬레이터는 위상 배열 안테나의 설계 파라미터를 이용하여 실제 안테나 빔 패턴을 생성하는 시뮬레이터로서 지구 기하 구조를 고려한 위성용 SAR 안테나 패턴을 형성하고 SAR 시스템 성능을 만족하기 위한 안테나 마스크를 설계하고, 마스크를 최적화하는 패턴 합성 알고리즘을 적용하여 원하는 최적의 안테나 패턴을 설계할 수 있도록 구현하였다. 영상레이더 성능 분석 시뮬레이터는 안테나 패턴 생성 시뮬레이터를 통하여 생성된 안테나 패턴을 입력하여 SAR 시스템 성능을 분석할 수 있도록 하였으며 파라미터 선정 단계에서 중요한 변수인 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)를 diamond diagram을 통하여 선정할 수 있도록 구현하였다.
- 최종적으로 SAR 안테나 패턴과 밀접한 관계가 있는 중요한 SAR 시스템 성능 파라미터인 SW, NESZ, RASR, AASR 등의 성능을 분석할 수 있도록 구현하였다. 영상 품질 분석 시뮬레이터는 가상의 시나리오를 기반하여 표적과 클러터를 배치한 다음 SAR 원시 데이터를 생성하는 알고리즘을 구현하고 실제 SAR processing 알고리즘을 적용하여 영상을 획득하고 임펄스 응답 특성(IRF)을 통하여 공간 해상도와 PSLR, ISLR 등의 영상 품질 지표를 분석할 수 있도록 구현하였다.
- 안테나 패턴 생성 시뮬레이터는 위상 배열 안테나의 설계 파라미터를 이용하여 실제 안테나 빔 패턴을 생성하는 시뮬레이터로서 지구 기하 구조를 고려한 위성용 SAR 안테나 패턴을 형성하고 SAR 시스템 성능을 만족하기 위한 안테나 마스크를 설계하고, 마스크를 최적화하는 패턴 합성 알고리즘을 적용하여 원하는 최적의 안테나 패턴을 설계할 수 있도록 구현하였다. 영상레이더 성능 분석 시뮬레이터는 안테나 패턴 생성 시뮬레이터를 통하여 생성된 안테나 패턴을 입력하여 SAR 시스템 성능을 분석할 수 있도록 하였으며 파라미터 선정 단계에서 중요한 변수인 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)를 diamond diagram을 통하여 선정할 수 있도록 구현하였다. 최종적으로 SAR 안테나 패턴과 밀접한 관계가 있는 중요한 SAR 시스템 성능 파라미터인 SW, NESZ, RASR, AASR 등의 성능을 분석할 수 있도록 구현하였다.
- 본 논문은 위성체 레벨에서 SAR 시스템의 선행 연구 단계 및 설계 단계에서 적용하기 위한 SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터 프로토타입 설계에 관한 것이다. 최적의 SAR 시스템 성능을 만족하기 위하여 SAR 시스템의 가장 중요한 구성품인 SAR 안테나 패턴 생성 시뮬레이터와 SAR 성능 분석 시뮬레이터, 그리고 영상 품질분석 시뮬레이터로 구성되며 pseudo code 레벨에서 각각의 시뮬레이터 기능을 구현하였다. 다목적실용위성5호의 여러 설계 파라미터를 적용하여 검증 및 시뮬레이션을 수행하였으며 시뮬레이터의 구현 및 시뮬레이션 결과를 분석 및 정리하였다.
- 영상레이더 성능 분석 시뮬레이터는 안테나 패턴 생성 시뮬레이터를 통하여 생성된 안테나 패턴을 입력하여 SAR 시스템 성능을 분석할 수 있도록 하였으며 파라미터 선정 단계에서 중요한 변수인 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)를 diamond diagram을 통하여 선정할 수 있도록 구현하였다. 최종적으로 SAR 안테나 패턴과 밀접한 관계가 있는 중요한 SAR 시스템 성능 파라미터인 SW, NESZ, RASR, AASR 등의 성능을 분석할 수 있도록 구현하였다. 영상 품질 분석 시뮬레이터는 가상의 시나리오를 기반하여 표적과 클러터를 배치한 다음 SAR 원시 데이터를 생성하는 알고리즘을 구현하고 실제 SAR processing 알고리즘을 적용하여 영상을 획득하고 임펄스 응답 특성(IRF)을 통하여 공간 해상도와 PSLR, ISLR 등의 영상 품질 지표를 분석할 수 있도록 구현하였다.
대상 데이터
- SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터는 Fig. 1과 같이 크게 3개의 모듈로 구성되며 안테나 패턴 생성 시뮬레이터(Antenna Pattern Generation Simulator)와 SAR 성능 분석 시뮬레이터(SAR Performance Analysis Simulator), 그리고 영상 품질 분석 시뮬레이터(Image Quality Analysis Simulator)로 구성된다.
데이터처리
- SAR 성능 분석 시뮬레이터는 운영 모드, 위성 고도 등의 영상 획득 기하 구조, SAR 장비 특성, SAR 안테나 패턴 등의 변수를 입력하여 관측폭, 잡음등가수신감도, 모호성비 등의 SAR 시스템 성능을 한번에 분석하여 출력할 수 있으며 다목적실용위성5호의 입력 변수를 적용 시 실제 결과와 유사함을 비교 분석하였다.
- 최적의 SAR 시스템 성능을 만족하기 위하여 SAR 시스템의 가장 중요한 구성품인 SAR 안테나 패턴 생성 시뮬레이터와 SAR 성능 분석 시뮬레이터, 그리고 영상 품질분석 시뮬레이터로 구성되며 pseudo code 레벨에서 각각의 시뮬레이터 기능을 구현하였다. 다목적실용위성5호의 여러 설계 파라미터를 적용하여 검증 및 시뮬레이션을 수행하였으며 시뮬레이터의 구현 및 시뮬레이션 결과를 분석 및 정리하였다.
이론/모형
- 영상 품질 분석 시뮬레이터 구현을 위하여 SAR 프로세싱 알고리즘으로는 Range Doppler Algorithm(RDA)과 Chirp Scaling Algorithm(CSA), 그리고 Omega-K Algorithm(OKA)을 적용하여 구현하였다[13].
- 패턴 합성을 위한 최적화 알고리즘으로는 기본적인 유전알고리즘(Genetic Algorithm, GA)과 개체 군집 최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 기법을 적용하여 안테나 패턴을 생성할 수 있도록 구현하였다. 안테나 패턴 분석 시뮬레이터를 적용하여 SAR 시스템 성능을 고려한 안테나 마스크를 생성할 수 있으며 생성된 마스크에 최적화되도록 다양한 패턴 합성 알고리즘을 적용하여 원하는 안테나 패턴을 합성할 수 있도록 구현하였으며 다목적실용위성5호의 안테나 패턴을 합성하기 위한 파라미터를 적용하여 원하는 성능의 최적화된 안테나 패턴을 생성할 수 있음을 확인하였다.
성능/효과
- 20과 같으며 영상 품질 분석 결과를 요약하면 Table 5와 같다. Windowing과 같은 기법을 적용했을 경우의 공간 해상도의 요구 조건은 3m이고, PSLR과 ISLR의 요구 조건은 각각–19 dB와 –13 dB이지만, windowing을 적용하지 않은 실제적인 시뮬레이션 조건의 결과로는 이론적인 값과 유사한 값이므로 문제없음을 확인하였다.
- 15와 같다. 고도각 모호성비는 26.3도 이상의 입사각에서는 약간 열화되지만 전체적인 평균값은 상당히 개선됨을 확인할 수 있다. 따라서 PSO와 GA 둘 다 마스크를 따르는 안테나 패턴을 효과적으로 생성하는 것을 확인할 수 있다.
- 3도 이상의 입사각에서는 약간 열화되지만 전체적인 평균값은 상당히 개선됨을 확인할 수 있다. 따라서 PSO와 GA 둘 다 마스크를 따르는 안테나 패턴을 효과적으로 생성하는 것을 확인할 수 있다.
- 패턴 합성을 위한 최적화 알고리즘으로는 기본적인 유전알고리즘(Genetic Algorithm, GA)과 개체 군집 최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 기법을 적용하여 안테나 패턴을 생성할 수 있도록 구현하였다. 안테나 패턴 분석 시뮬레이터를 적용하여 SAR 시스템 성능을 고려한 안테나 마스크를 생성할 수 있으며 생성된 마스크에 최적화되도록 다양한 패턴 합성 알고리즘을 적용하여 원하는 안테나 패턴을 합성할 수 있도록 구현하였으며 다목적실용위성5호의 안테나 패턴을 합성하기 위한 파라미터를 적용하여 원하는 성능의 최적화된 안테나 패턴을 생성할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이상의 능동 위상 배열 안테나의 SAR 안테나 설계와 SAR 시스템 성능 파라미터 그리고 영상 품질 파라미터는 설계 단계에서부터 서로간의 관계를 잘 고려하여 시뮬레이션 및 분석과정을 통하여 설계에 반영되어야 한다. 따라서 향후 위성체 레벨의 선행 연구 단계에서 설계 단계까지 SAR 탑재체의 요구 사양 도출 및 성능분석 등의 선행적인 위성체 체계종합 업무에 적용하기 위한 SAR 탑재체의 안테나 패턴 설계에서 성능 분석 그리고 영상 품질 분석까지의 전체 SAR 시스템 성능을 분석하기 위한 통합 시뮬레이터 툴에 대한 필요성이 제기되었다.
- SAR 시스템 성능 분석 시뮬레이터는 SAR 시스템 성능 파라미터와 직접적인 관련을 가지는 능동 위상 배열 안테나의 패턴 설계를 위한 안테나 패턴 생성 시뮬레이터와 시스템 성능을 분석하기 위한 SAR 성능 분석 시뮬레이터, 그리고 영상 품질을 분석하기 위한 영상 품질 분석 시뮬레이터로 구성되었다. 본 시뮬레이터를 이용하여 SAR 탑재체의 성능 요구 조건을 만족하기 위한 최적의 설계를 수행하도록, 가장 중요한 설계 구성품인 SAR 안테나의 설계에서부터 시스템 성능분석, 그리고 영상 품질 분석까지의 SAR 탑재체개발 전반의 full chain의 설계 및 분석을 선행연구 단계 또는 초기 설계 단계에서 미리 수행해 볼 수 있는 시뮬레이터를 구현했다는 것에 의미를 가질 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 MATLAB을 이용한 pseudo code 레벨에서 시뮬레이터의 구현이 완료된 상태이며 추후 프로토타입으로 개발된 본 시뮬레이터의 GUI 구축 및 알고리즘 보완 등의 과정을 거쳐서 좀 더 시뮬레이터의 완성도를 높일 예정이다. 현재까지 주로 다목적실용위성5호의 설계 결과를 적용하여 검증을 수행하였으며, 설계 보완 및 완성도를 높인다면 향 후 다목적실용위성6호 설계에 활용 또는 차세대 SAR 위성의 예비 설계 검증 툴로써 활용 가능할 것으로 기대한다.
- 현재 MATLAB을 이용한 pseudo code 레벨에서 시뮬레이터의 구현이 완료된 상태이며 추후 프로토타입으로 개발된 본 시뮬레이터의 GUI 구축 및 알고리즘 보완 등의 과정을 거쳐서 좀 더 시뮬레이터의 완성도를 높일 예정이다. 현재까지 주로 다목적실용위성5호의 설계 결과를 적용하여 검증을 수행하였으며, 설계 보완 및 완성도를 높인다면 향 후 다목적실용위성6호 설계에 활용 또는 차세대 SAR 위성의 예비 설계 검증 툴로써 활용 가능할 것으로 기대한다.
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