위성 탑재 영상레이다 검보정 신호를 이용한 내부 지연 측정 기법

Ⅰ. 서 론

위성체에 탑재되는 영상레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)는 첩(Chirp) 신호를 지상으로 방사하고, 표적으로부터 반사된 신호를 안테나로 수신하여, 레이다 신호를 위상이 일치하도록 코히어런트(Coherent)하게 합성함으로써 안테나의 개구면(Aperture)의 크기를 작게 유지하면서도 방위 분해능을 향상시키며 영상을 처리하는 레이다 시스템이다[1]. 이때, 영상에서 표적 위치에 대한 정확도(PLA, Pixel Localization Accuracy)는 전파가 송신되고 수신되는 전체 경로에서의 장치 타이밍(Timing), 위성체 고도 및 입사각 관련 기하 구조(Geometry), 위성체 속도(Velocity), 외부 대기 환경 요인에 의한 전파 지연(Propagation delay), 그리고 장비의 내부 지연(Internal delay) 등에 의해 결정된다[2][3]. 특히, 장비의 내부 지연은 영상에서 표적의 거리 방향 위치에 영향을 끼치며, 일반적으로 지상에서 시험 및 측정을 통해 정량화하고 레이다 신호의 발생이나 타이밍 운용 시 보상해준다. 그리고 그 정확도(오차)는 영상에서 표적의 위치 정확도를 산출하는 기여 요소(Budget)로 관리한다. 통상적으로 대형 능동위상배열 안테나를 적용하는 위성 탑재 영상레이다는 레이다 신호의 분배 및 수집을 위한 RF(Radio Frequency) 송수신 경로가 길어짐에 따라 상당 수준의 내부 지연이 발생한다. 이때 이러한 내부 지연 고려 없이 영상레이다를 운용할 경우 영상품질이 떨어지거나, 원하는 지역의 영상 촬영이 이뤄지지 않는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 정확한 내부 지연 값을 레이다 타이밍 변수에 반영한 모드 운용이 필요하다[4].

기존에 내부 지연을 측정할 경우 송신, 수신경로를 각각 따로 측정하므로 많은 시간이 소요되며, 시험 케이블 및 장치 내부 지연 요소 등을 제거해주는 작업이 필요하다. 또한, 위성에 탑재되는 영상레이다의 경우 우주 환경에서의 열 영향성 판단을 위한 환경시험을 수행하는데, 환경시험 중에는 시험 구성 변경이 어려워 기존의 내부 지연 측정 방법으로는 열 영향성을 판단하기 어렵다.

본 논문에서는 기존의 소모적이고 제한성 있는 내부 지연 측정 방법이 아닌, 영상레이다 장비에 내재하는 검보정경로(TxCal, RxCal, ShortCal)를 통해 얻어진 신호를 이용하여 내부 지연을 추출하는 방법을 소개하고, 지상시험 간 획득한 영상레이다 검보정 신호로부터 내부 지연 값과 그 정확도를 도출하였다.

Ⅱ. 영상레이다 검보정경로를 이용한 내부 지연 측정

2.1 내부 지연 측정 필요성

그림 1은 영상레이다를 구성하는 장치들의 송수신경로 및 검보정경로를 나타내며, 경로는 각각 구분하여 송신(실선), 수신(점선)경로와 검보정(일점쇄선)경로를 나타낸다. 송신경로(TX path)는 첩 신호발생기(Chirp generator)에서 생성된 레이다 신호가 RF 송신장치(RF transmitter), 송수신 전단장치(Frontend interface)를 거쳐 안테나를 통해 방사되는 경로이며, 수신경로(RX path)는 안테나를 통해 수신한 신호가 역으로 송수신 전단장치, RF 수신장치(RF receiver)를 거쳐 저장장치(Receiver unit)에 신호가 저장되는 경로이다. 검보정경로는 영상 생성 시 장비 내부의 영향성 확인을 위한 레플리카(Replica) 형성 경로이며, 각 경로에 해당하는 송수신경로를 통과 후에 보정경로를 통과하는 경로이다[5]-[7].

Fig. 1.

Overall SAR architecture with main signal path and internal calibration paths

송수신경로를 통해 송신된 신호는 표적을 맞고 되돌아오는 신호를 안테나로 수신하는데, 이때 표적까지의 거리를 제외한 신호의 지연시간이 장비의 내부 지연이다. 영상레이다는 운용 환경 및 조건에 따라 운용 파라미터를 설정하며, 파라미터를 기반으로 산출 된 타이밍 변수는 영상레이다 장치들의 송수신 게이트(Gate) 동작 위치 및 간격, 반복 구간 등을 제어한다. 이때 타이밍 운용에 영향을 주는 요소 중에 하나가 바로 내부 지연이며, 타이밍 변수를 통해 내부 지연의 영향성을 반영해주는 것이 필요하다. 내부 지연 영향성이 타이밍에 반영되지 않을 경우에는 위치정확도 성능이 떨어질 수 있어, 사전에 지상시험을 통해 반영해주는 것이 필요하다.

Ⅲ. 내부 지연 측정 개선 기법

해당 장에서는 영상레이다 검보정경로를 통해 획득한 신호를 이용하여 내부 지연을 산출하는 기법을 제시하며, 해당 기법에 대한 순서도는 그림 2와 같다. 먼저 검보정경로를 통해 제어장치 저장장치에 획득한 신호에 대하여 각각 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)을 수행한다. 검보정경로를 통해 수신된 신호는 시간 도메인(Time domain)에서 수신 구간(Sampling window)내에 신호별로 미세한 수신 시간이 차이가 발생하며, 이러한 차이를 없애기 위해 FFT를 수행한다.

Fig. 2.

Flow diagram of a improved methodology to measure internal delay

FFT 수행 후에는 송수신경로의 특성을 나타내는 특성함수(PG product; Peak power receive Gain product) 산출이 필요한데, 이때 검보정 신호를 통해 PG product 산출이 가능하다[8]. 검보정경로에 관한 개념적 구성도는 그림 3과 같으며, 아래와 같이 검보정경로에 따라 신호의 크기와 위상으로 표현하였다.

• 1) TxCal
• 　▪ ① → ② → ⑧ → ⑦ → ④
• 2) RxCal
• 　▪ ① → ⑤ → ⑥ → ③ → ④
• 3) ShortCal
• 　▪ ① → ⑤ → ⑨ → ⑦ → ④

Fig. 3.

Conceptual diagram showing SAR internal calibration data acquisition in terms of signal path

검보정경로를 통해 저장장치에서 획득한 신호는 식 (1)~(3)과 같으며, TxCal, RxCal에서 ShortCal를 제외할 경우 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 식 (4)에서 송수신경로 아닌 잔여 경로 신호(Residual term)를 제거해줄 경우 식 (5)와 같이 PG product 산출이 가능하다. 잔여 경로 신호는 그림 3에서 송수신 전단장치와 검보정 송신, 수신경로 내부를 통과하는 경로로써 장치 개발 시 시험을 통해 해당 경로의 특성을 획득하는 것이 가능하다. 검보정 신호를 통해 상기와 같이 송수신경로의 특성을 나타내는 PG product 산출 후에는 해당 신호와 이상 신호(Ideal signal)의 위상 차이를 산출한다. 여기서 이상 신호는 검보정경로 신호와 신호 특성은 동일하나 내부 지연이 없는 신호를 말한다. 이상 신호는 장비 내부 경로에 따른 내부 지연이 없어 주파수에 따른 위상 변화량이 일정하므로 해당 신호를 기준으로 PG product 신호와 위상을 비교한다. 그림 4에서 보듯이 이상 신호는 주파수에 따른 위상 변화가 일정한 반면 PG product 신호의 경우 주파수에 따른 위상 변화가 생기는 것을 확인할 수 있다. 따라서 식 (6)과 같이 PG product 신호와 이상 신호와의 주파수에 따른 위상 변화량이 송수신경로의 내부 지연을 나타낸다.

Fig. 4.

Phase variation of ideal signal and delayed signal

Ⅳ. 시험 결과 분석

본장에서는 영상레이다 개발 간 지상시험을 통해 획득한 검보정 신호를 통해 본 논문에서 제시한 내부 지연 개선 기법에 대하여 검증을 수행하였다. 그림 1과 같이 영상레이다를 구성하는 장치 전체가 통합된 형상으로 시험을 수행하였으며, 시험에 사용된 모드 파라미터는 표 1과 같다. 영상레이다 검보정경로를 통해 획득한 신호는 그림 5와 같으며, 펄스폭에 대하여 신호 분주비(0.0ns) 만큼 샘플링(Sampling)을 수행하여 도시한 결과이다. 검보정경로 신호를 이용하여 PG product 수행에 따른 송수신경로의 특성함수는 그림 6과 같다. PG product 신호와 이상 신호와의 주파수에 따른 선형위상은 그림 7과 같다. 그림 7에서 실선은 PG product와 이상 신호와의 위상 차이를 나타내며, 점선은 RF 운용 주파수 대역에 따른 위상 변화량을 나타낸다. 해당 주파수 대역에 따른 선형 위상 변화량인 기울기가 최종 산출 된 송수신경로의 내부 지연이 된다.

Table 1.

Mode parameter for on-ground test

Fig. 5.

Measured internal calibration data

Fig. 6.

PG product signal

Fig. 7.

Result of linear phase

검보정경로 신호를 통해 개선 기법을 기반으로 최종 산출 된 내부 지연은 그림 8과 같다. 시험결과 분석을 위해 검보정경로에서 획득한 20개의 신호를 사용하여 내부 지연을 분석하였다. 송수신경로의 내부 지연은 평균 300.27ns 이며, 표준편차(정확도) 값은 5.62ps 이다.

Fig. 8.

Internal delay of main signal path

내부 지연의 표준편차 값을 통해 각각의 장치들이 올바르게 타이밍 제어가 되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 지상시험 수행 시 기존의 내부 지연 측정 방법과 비교하였고 해당 결과는 표 2에 작성하였다. 기존 방법과 개선 기법의 차이는 1.14ns로 기존 측정 방법과 비교하여 큰 차이가 없음을 확인하였고, 개선된 기법으로 간단하게 내부 지연을 측정할 수 있음을 확인하였다.

Table 2.

Results of internal delay according to the measuring method

Ⅴ. 결 론

내부 지연은 모드 운용 시 표적의 위치 정확도에 영향을 주는 요소로서 내부 지연을 반영한 영상레이다 타이밍 운용은 필수적이다. 본 논문에서는 기존의 번거롭고, 시간이 많이 소요되는 내부 지연 측정 방법을 개선하기 위해 영상레이다 검보정경로를 통해 획득한 신호를 기반으로 송수신경로의 내부 지연을 개선하는 기법을 제시하였다. 지상시험 시 해당 기법을 통해 내부 지연을 산출하였고, 정확도(5.62ps)를 통해 영상레이다를 구성하는 각 장치들이 정교하게 타이밍 제어가 되고 있고, 해당 규격을 만족함을 확인하였다.

또한 기존 측정 방법과 비교하여 1.14ns로 큰 차이가 없음을 확인하여, 본 논문에서 제시한 기법을 통해 내부 지연을 측정할 수 있음을 검증하였다.

References

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