고해상도 와이드 스와스 SAR 이미지

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고해상도 와이드 스와스(HRWS) 이미징은 기상 조건과 햇빛 조명에 관계없이 고해상도 영상을 제공할 수 있는 원격 감지 기술인 SAR(Synthetic Apropure Radar) 이미징의 중요한 분기다. 이를 통해 SAR은 지구 표면의 동적 프로세스를 체계적으로 관찰하는데 매우 매력적이며, 이는 환경 감시, 지구 자원 지도 및 군사 시스템에 유용하다.

SAR 기술은 광물 탐사를 위해 지질학자들에게 지형 구조 정보를 제공하고,^[1] 환경론자들에게는 물에 대한 기름 유출^[2] 경계, 항해자들에게는 해상과 빙하 위험 지도,^[3] 군사 작전에 대한 정보, 감시, 정찰 및 탐지 정보를 제공했다.^[4]

기존의 SAR 시스템은 방위각 분해능 저하로 인해만 넓은 스왓을 달성할 수 있다는 점에서 제한적이다. 넓은 커버리지 스왓과 고해상도 출력이 모두 중요하기 때문에, 이는 우주 기반 SAR 시스템 및 관련 새로운 알고리즘의 설계에 도전과 모순을 야기한다.

문제성명 및 기본사항

문제명세서

최첨단 고해상도 SAR 시스템은 그 획득 능력에 있어서 다소 제한적이다.^{[citation needed]}

독일의 지구 관측 위성인 테라사르-X가 그 예다. 주요 탑재량은 X밴드(3.1cm) 레이더 센서로 다양한 작동 모드를 통해 스와스 폭, 해상도, 편광 등이 다른 영상 녹화를 위한 다중 영상 모드를 제공할 수 있다. 자세한 내용은 그림을 참조하십시오. stripmap 모드(공간 분해능 3m)에서는 지구 육지 지도를 작성하는데 10주가 필요하다. 이러한 한계는 테라사르-X의 쌍둥이 위성인 TanDEM-X의 설계에도 난관을 일으켰다. 불과 몇 백 미터 떨어져 있는 가까운 대형으로 비행하는 두 위성은 그 아래 지형을 동시에 다른 각도에서 촬영하고 있다. TanDEM-X를 위해 지구 대기질량의 전지구적 간섭계 획득을 달성하려면 1년이 필요하다.

이를 극복하기 위해 일부 과학자들이 탠덤-L 미션을 제안하는 사례가 눈에 띈다.^[5] 탠덤-L 미션 개념은 X밴드 대비 파장이 훨씬 긴 L밴드(24cm 파장)로 작동하는 2개의 위성을 이용한 것이다. 파장이 길수록 식물과 얼음 영역의 3차원 구조에 대한 단층 측정에 대한 요건을 충족할 수 있으며, 밀리미터 정확도로 변형을 대규모로 조사할 수 있다.

미래의 SAR 임무는 지구 표면의 동적 프로세스 조사가 목표인 Tandem-L의 그것보다 1 또는 2배 더 우수한 매핑 능력을 요구할 수 있다. 이를 위해서는 지구 표면 전체를 일주일에 두 번 완전 양극화 상태에서 10m 미만의 공간 분해능으로 매핑할 수 있는 매우 강력한 SAR 계측기가 필요하다. 반면에, 다른 미션들은 훨씬 더 높은 공간 해상도를 필요로 한다.

기본.

하나의 위성으로 볼 때, 빈번하고 매끄러운 커버리지는 넓은 면적이 이미징되어야만 달성할 수 있다.

스위트 폭은 펄스 반복 간격(PRI) 또는 동등하게 펄스 반복 주파수(PRF)를 구속하며, 이는 다음 방법에서 1/PRI와 같다.

If the SAR sensor flying with speed ${\displaystyle v}$, and there are two targets P and Q on the ground, the azimuth angle is calculated as ${\displaystyle \Delta \phi =\phi P-\phi Q}$. For small bandwidth SARs, the usual linear relation between azimuth frequency and angle with wavelength ${\displaystyle \lambd$$a}$은(는) 다음과 같이 설명된다$$.

${\displaystyle PRF=(-2v/\lambda )*sin\phi =(-2v/\lambda )*\phi }$

성능을 최적화하고 모호성 범위를 제어하려면 PRI가 전체 조명 스위트로부터 리턴을 수집하는 데 걸리는 시간보다 커야 한다. 그러나, 반면에, 방위각 모호성 수준을 피하기 위해, 큰 PRI는 작은 도플러 대역폭의 채택을 의미하며 달성 가능한 방위각 해상도를 구속한다.^[6]

여러 방위각 채널이 있는 ScanSAR

한 가지 예는 방위각으로 배치된 위상 중심과 저 분해능 ScanSAR 또는 진행형 스캔(TOPS) 모드에 의한 지형 관찰의 결합이다.^[7]

고전적인 ScanSAR에서와 같이 방위 버스트는 몇 개의 스왓을 매핑하는 데 사용된다.^[8] 버스트 모드에서 멀티채널 SAR 시스템의 혁신적인 작동은 두 번째 영상에 나타나는데, 단일 송신("Tx") 안테나와 여러 수신("Rx") 안테나를 가진 멀티채널 구성을 고려하는 경우 Tx와 Rx는 동일한 플랫폼에서 별도로 또는 심지어 동일한 안테나에 통합되어 있을 뿐 아니라 별도의 플랫폼에서도 실현될 수 있다. 전송 및 수신(T/R) 모듈 기술에 의해.

주요 단계 중 하나는 다채널 방위각 처리다. 방위각의 다중 채널 SAR은 도플러 $주파수{\displaystyle }$ f ${\displaystyle f}$에 의존하여 진폭과 위상에서 개별 개구부의 충동 반응을 특징짓는 필터 기능의 선형 시스템으로 해석할 수 있다$.$ 일반 시스템 모델은 왼쪽에 표시된다.

${\displaystyle U_{}}$( ${\displaystyle f}$) ${\displaystyle U_{s}(f)}$이(${\displaystyle 가}$) 씬(scene)의$$ 특성을 나타내고, ${\displaystyle H_{}}$ (${\displaystyle {}_{}}f{\displaystyle {}_{}}$ )${\displaystyle H_{s}(f)$는 단일 어퍼처 시스템의 방위 충동 응답으로$$ U${\displaystyle }$(${\displaystyle f}$ ${\displaystyle )}$ ${\displaysty$ U($f)$가 발생하여$$ 등가 단수 있다. The functions ${\displaystyle H_{s}(f)}$ represent the channel between the transmitter (Tx) and each receiver${\displaystyle j}$ (Rx ${\displaystyle j}$) with respect to the monostatic impulse response, resulting in the respective multichannel SAR signal${\displaystyle U_{j}(f)}$. Assuming a 단일 송신기와 여러 수신기 채널, $Rx{\displaystyle }$ j ${\displaystyle j}$과(와) ${\displaystyle T_{}}$x {\$displaystyle T_${x$}$ 사이의 물리적 궤적 거리는 Δx에 의해 주어지며$$, λ은 반송파 파장을 $나타내며{\displaystyle {}_{}}$, R ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}${\$displaystyle R_{0}}$은 기울어진 범위를 나타내며$$, ${\displaystyle {vs}_{}}$ ${\$와 $$}, v-g${\displaystyle {}_{}}$$\displaystyle v_{g}}$은(는) 센서와 지면에 있는 빔의 속도를 각각 나타낸다$$.

수신 후 각 신호는 PRF에 의해 방위각으로 샘플링되므로, 최대 신호 대역폭은 유효 샘플링 속도에 따라 N nPRF가 된다. 그런 다음 전체 시스템의 컴팩트한 특성화는 매개 변수 PRF에 대한 의존성을 주목해야 하는 $매트릭스{\displaystyle }$ H${\displaystyle (f}$) ${\displaystyle$ H$(f)}$에 의해 주어진다$.$

일반화된 샘플링 정리에 따르면, 신호의 나이키스트 주파수의 1/N에서 각 하위 샘플링된 신호의 N 독립 표현은 N 표현들의 별칭 도플러 스펙트럼에서 원래 신호의 모호하지 않은 "재구축"을 허용한다. 즉, 모든 대역제한 신호 U${\displaystyle (}f{\displaystyle }$ ${\displaystyle$U$(f)$는 응답 $U{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle j_{}}$ (${\displaystyle {}_{}}$f${\displaystyle }$) ${\displaystyle U_{j}(f)}$ 또는$$ 동등하게 각 함수 ${\displaystyle H_{}}$ j ${\displaystyle {}_{}f}$) ${\displaysty H_{j}(f)}$에 의해 결정된다는$$ 것을 의미한다$.$ 이는 표본이 공간에서 일치하지 않는 한 공간 표본 분포와 독립적으로 유효하다. $그런{\displaystyle }$ 다음 H${\displaystyle (f}$) ${\displaystyle H(f)}$의 반전에서는 채널 $j{\displaystyle }$ ${\displaystyle j}$의 멀티채널 처리 필터를 각각 나타내는$$ N 함수 P ${\displaystyle j_{}f}$) ${\displaystyle P_{j}(f)$를 행에 포함하는$$ $매트릭스{\displaystyle }$ P$) {\$displaystystystyle P$(f$)를 산출한다$$.

$P(f)=H^{-1}(f)}$

그런 다음 적절한 "재구축" $필터{\displaystyle {}_{}}$ P $(f$ ${\displaystyle )}$를 사용하여$$ 각 $채널{\displaystyle }$ j ${\displaystyle j}$을(를$)$ 필터링하고 모든 가중 수신기 채널의 후속 일관성 있는 조합을 통해 원래 $신호{\displaystyle }$ U${\displaystyle (f}$) ${\$$displaystyle$ $U$$(f$$)$를 복구한다$$. 서로 다른 스왓들 간에 합성 개구부를 공유함으로써 발생하는 관련 분해능 손실은 복수의 변위된 방위각 개구부와 레이더 에코를 수집하여 보상한다.

다중 채널 ScanSAR 또는 TOPS 접근법의 가능한 단점은 SAR 이미지 계산에서 추정해야 하는 가장 중요한 매개변수 중 하나인 다소 높은 도플러 중심이다.^[9] 이미징된 일부 대상의 경우, 고해상도를 원하는 경우. 더욱이 높은 사팔뜨기 각도는 또한 간섭계 애플리케이션에서 공동 등록에 도전할 수 있다.

다중 입면 빔이 있는 단일 채널 SAR

멀티채널 ScanSAR 외에도 광폭 광학기에 의해 전달되고 서로 다른 방향에서 오는 서로 다른 펄스의 메아리를 동시에 기록하는 것에 기초한 개념들은 큰 관심을 가지고 있다.^[10]

다음과 같은 이점이 있기 때문이다. 선로에서 이동된 여러 개의 개구부는 합성 개구부를 따라 추가 표본을 획득할 수 있으며, 동시에 방위 모호성을 효율적으로 억제할 수 있다. 더욱이 지상에서 이동할 때 레이더 펄스를 따르는 고도로 지시된 수신기 빔을 제어함으로써, 표고에 있는 복수의 채널은 스와트 폭을 줄이지 않고 SNR(신호 잡음 비)을 개선할 수 있다. 또한 고급 다채널 SAR 아키텍처는 별도의 Tx 및 Rx 안테나의 사용을 피할 수 있으며 안테나를 연장하거나 버스트 모드를 채택할 필요 없이 커버리지 면적을 증가시킬 수 있다.

이러한 이점을 얻기 위해 수신 안테나는 대개 여러 개의 하위 인터페이스로 분할되며, 각각 개별 수신기 채널에 연결된다. 그런 다음, 디지털로 녹음된 서브 어퍼처스 신호를 주피템포러 프로세서에 결합하여 여러 개의 독립 빔을 동시에 형성하고 산란 레이더 에코 방향에 대한 추가 정보를 수집한다.

평면 배열의 대안은 L-와 P-밴드(1m)로 운용되는 저주파 레이더 시스템에 특히 관심이 가는 디지털 피드 어레이와 결합한 반사기 안테나가 있는데, 디지털 빔포밍의 기능과 대형 반사기 안테나의 높은 방향성을 결합한 것이다.^[11]

반사기 기반 구조는 광폭 조명에 대해 원하는 대로 스필오버 없이 광폭 빔의 전송을 위해 모든 어레이 요소를 동시에 사용할 수 있는 가능성을 제공한다.

초점에 가까운 피드 배열을 가진 파라볼로이드 반사기의 경우, 주어진 방향에서 오는 신호는 대개 활성화된 피드 요소의 한 부분 집합 또는 매우 작은 부분 집합에 해당한다. 그리고 이 특성은 구현 복잡성과 디지털 빔포밍 레이더의 비용을 줄일 수 있다.

그러나 이 방법은 레이더가 송신하는 동안 수신할 수 없기 때문에 스와트 전체에 걸쳐 맹목적인 범위의 존재라는 단점도 가지고 있다.

리플렉터 안테나를 이용한 디지털 빔포밍

평면 안테나에 대한 흥미로운 대안은 다채널 어레이에 의해 공급되는 반사경이다. 포물선 반사경은 도착하는 평면파를 피드 요소의 하나 또는 작은 부분 집합에 집중시킨다. 외관 각도가 증가함에 따라 스와트 메아리가 평면 파동으로 도착하므로, 한 개의 피드 요소만 판독하면 도착 메아리와 함께 하이게인 빔을 조종할 수 있다. 다중 빔 모드의 단점은 레이더가 송신하는 동안 수신할 수 없기 때문에 스왓을 가로지르는 사각 범위의 존재다.^[12][13]

기존 SAR이 HRWS 영상촬영을 수행하기 위한 고유의 한계를 극복하기 위해 복수 수신 개구부('Rx')를 이용한 몇 가지 혁신적인 기법이 제안되었다. 최적의 성능을 위해 $센서{\displaystyle }$ 속도 $v{\displaystyle }$ ${\displaystyle v}$과(와) N${\displaystyle$ \$Delta$ x$}$ 하위$$$$ $명령$의 트랙 오프셋 Δ x {\$displaystyle$ \Delta x} 사이의 관계는 동일한 간격으로 유효 위상 중심을 생성해야 하므로 수신된 신호의 균일한 샘플링이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 최적의 PRF가 ${\displaystyle 2V}$/ N ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle 2v/N\Delta x}$과 같아야 한다$.$

최소값이 아닌 PRF를 선택하면 수집된 샘플의 간격이 균일하지 않다. 이를 위해서는 기존의 단일 알고리즘(RDA(Range Doppler Algorithm, RDA)^[14]과 Chirp Scaling Algorithm(CSA)^[15] 등)을 적용하기 전에 다진입 방위각 신호의 하향 변환 및 정량화 후 추가 처리 단계가 필요하다. 이를 위해 개별 개구부 신호는 독립 Rx 채널로 간주된다(하위 그림 참조, A/D는 아날로그-디지털 변환기를 의미한다). The purpose of the azimuth processing is to combine ${\displaystyle N}$ channels, each has a bandwidth of ${\displaystyle N*PRF}$, sub-sampled with ${\displaystyle PRF}$ to obtain a signal effectively sampled with ${\displaystyle N*PRF=PRF_{eff}}$, which achieve Nyquist criteri처리 후 평균을 내도록 하지 따라서 출력 신호에는 최적의 경우 앨리어싱이 없다.

시차-SAR

앞의 절에서 설명한 바와 같이, 멀티 빔 모드의 경우, 레이더가 송신하는 동안 수신할 수 없기 때문에, 스왓을 가로지르는 사각 범위의 존재라는 단점이 있다. 시차-SAR은^[16] PRI를 주기적인 방식으로 연속적으로 변화시킴으로써 이러한 단점을 극복할 수 있으므로, 여러 개의 간극이 있는 긴 안테나를 사용하지 않고도 넓은 연속 스왓드의 영상을 촬영할 수 있다.

이게 왜 먹힐까? 위성 SAR 영상촬영에서 안테나 길이 및 필요한 방위 분해능은 선택된 PRI에 상한선을 설정하기 때문이다. PRI는 차례로 압축되지 않은 펄스 길이의 $영향$을 약간만 받는 경사 범위에서 최대 연속 스위트 폭을 제한한다${\displaystyle \tau$}.$$ 레이더 에코를 수신할 수 있는 연속 시간 간격은 전송된 펄스의 끝과 시작 사이의 시간 간격에 의해 상한이다.ing of next one, say ${\displaystyle PRI-\tau }$. However, when the radar is transmitting, the device cannot receive radar echo, thus the radar can only receive a signal from targets that are included within ${\displaystyle PRI-2\tau }$. The difference between these two time intervals ${\displaystyle \tau }$$$ c ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle c_{0}*\tau }$이(가$)$ 제공하는 사각 범위 영역 발생 여기서 c ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$은 자유 공간에서$$ 빛의 속도다.

PRI가 균일할 경우 사각 범위는 방위각을 따라 변경되지 않고 방위각으로 압축한 후에는 이미지 $폭{\displaystyle {}_{}}$ c ${\displaystyle 0{}_{}}${ { { { { { ${\displaystyle c_{0}*\tau }$의 블라인드 스트립이 있을 것이다$.$ PRI가 변하면 여전히 사각 범위가 존재하지만 이러한 사각 범위의 위치도 달라지며 전송되는 각 범위에 따라 달라진다. 펄스, 왜냐하면 전송된 펄스는 앞의 전송된 펄스에만 관련되기 때문이다. 따라서 전체 합성 개구부를 고려할 때 각 경사 범위에서 전송된 펄스 중 일부만 누락되므로 넓은 연속 스왓을 통해 SAR 이미지를 얻을 수 있다. 오른쪽 그림은 고정 PRI와 다양한 PRI의 사각지대 위치를 보여준다.

참조