KR102454706B1

KR102454706B1 - Ｓａｒ 시스템

Info

Publication number: KR102454706B1
Application number: KR1020200159327A
Authority: KR
Inventors: 우무현; 남명용
Original assignee: 루미르 주식회사
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-10-17
Also published as: KR20220071793A

Abstract

본 발명은 SAR 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 RF 증폭기 특성에 따라 주파수의 평탄도(Flatness)에 나타나는 불균형(Imbalance)을 보상할 수 있는 SAR 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은, 기저대역의 첩 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 디지털부; 상기 기저대역의 첩 신호를 주파수 상향 변환하여 RF대역의 첩 신호를 출력하고, 상기 RF대역의 첩 신호를 증폭하여 증폭된 첩 신호를 출력하는 RF부; 상기 RF로부터 출력되는 상기 증폭된 첩 신호를 외부로 송출하는 안테나부; 및 상기 RF대역의 첩 신호와 상기 증폭된 첩 신호를 수신하여, 상기 증폭된 첩 신호의 평탄도 열화를 보상하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 신호 발생기로 출력하는 첩 신호 보상부;를 포함한다.

Description

ＳＡＲ 시스템{SAR SYSTEM}

본 발명은 SAR 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 RF 증폭기 특성에 따라 주파수의 평탄도(Flatness)에 나타나는 불균형(Imbalance)을 보상할 수 있는 SAR 시스템에 관한 것이다.

합성개구레이더(SAR, Synthetic Aperture Radar) 시스템은 전자기파를 이용한 전천후 레이더로써 원거리에 위치한 타겟의 고해상도 영상을 획득하는데 사용된다.

SAR 시스템은 거리방향의 고해상도 영상을 제공하기 위하여, 선형 주파수 변조(LFM, Linear Frequency Modulation)의 한 종류인 첩(Chirp)을 송신파로 사용한다. 송신파의 포락선(Envelope)은 일반적인 레이더와 같은 구형파(Square Wave)를 사용한다. SAR 시스템은 송신파와 타겟의 표면으로부터 산란된 수신파를 펄스 압축(Pulse Compression) 또는 상호 상관(Cross Correlation)하는 방법으로 영상을 생성한다.

SAR 시스템의 거리방향 해상도는 펄스 압축(Pulse Compression)의 결과물인 싱크(Sinc) 함수 그래프의 주 로브(Main Lobe)의 3 dB 폭으로 정의한다. 그러므로 거리방향의 고해상도 영상을 획득하기 위하여 이상적인 형태의 송신파를 생성하는 것이 필수적이다.

도 1은 종래의 일반적인 SAR 시스템의 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 SAR 시스템은 신호를 생성하는 디지털부(Digital Part, 10), 생성한 신호를 특정 주파수로 증폭시키는 RF부(RF Part, 30), 증폭한 신호를 송수신 하는 안테나부(Antenna Part, 50)로 구성된다.

도 1에 도시된 종래의 SAR 시스템은 고해상도의 영상을 생성하기 위하여 선형 주파수 변조신호(LFM, Linearly Frequency Modulated Signal)의 일종인 첩(Chirp) 신호를 사용한다. 첩 신호는 순시주파수가 시간에 대하여 선형적으로 변화하는 특징을 가지며 이에 따라 일정량의 대역폭을 갖는다.

디지털부(10)는 일반적으로 FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 또는 상용 칩 등으로 제조되어 기저대역의 첩 신호를 생성한다.

디지털부(10)는 메모리-맵(Memory-map) 방식 또는 직접 디지털 파형 합성(DDS, Direct Digital Synthesizer) 방식을 이용하여 첩 신호를 생성한다. 각 방식에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2는 메모리-맵(Memory-map) 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)의 블록 구성도이고, 도 3은 DDS 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)의 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 메모리-맵(Memory-map) 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)는 도 1에 도시된 디지털부(10) 내의 메모리 소자에 미리 설정한 첩 신호를 입력한 후, 도 1에 도시된 디지털부(10)의 동작에 따라 저장된 첩 신호를 읽어내는 방식으로 동작한다.

한편, 도 3을 참조하면, DDS 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)는 주파수누적기(FA, Frequency Accumulator)와 위상 누적기(PA, Phase Accumulator), 룩업 테이블(LUT, Look-up Table)로 구성된다. DDS의 입력 값은 주파수 컨트롤 워드(FCW, Frequency Control Word)이며, 각 누적기(FA, PA)는 매 클럭마다 FCW를 누적하여 LUT의 입력 값으로 사용한다. 입력 값에 따라 LUT는 사용자가 원하는 첩 신호를 생성한다.

다시, 도 1을 참조하면, RF부(30)는 업-컨버터(Up-converter), 다운-컨버터(Down-converter), 국부 발진기(LO, Local Oscillator) 및 고출력 증폭기(HPA, High Power Amplifier)로 구성된다. 이 때, 디지털부(10)에서 생성된 기저대역의 첩 신호는 업-컨버터를 통과하여 중심주파수가 상향되고, HPA를 통과하며 신호의 레벨이 커진다. RF 대역으로 변조된 첩 신호는 안테나부(50)의 Tx 안테나를 통하여 원거리에 위치한 타겟을 향하여 송신된다.

일반적인 레이더와 마찬가지로, 종래의 SAR 시스템은 Rx 안테나를 통해 수신된 데이터를 처리하기 위하여 송신한 첩 신호와 수신된 신호에 매치드 필터링(Matched Filtering) 연산을 수행한다. 매치드 필터링 연산 결과, 고해상도의 타겟 영상 형성이 가능하며, 이 때, 송신되는 첩 신호의 퓨어리티(Purity)에 따라 타겟 영상의 품질이 결정된다.

송신되는 첩 신호의 대역 내의 불균형(Imbalance)은 타겟 영상 품질을 결정하는 가장 중요한 지표 중 하나이다. 디지털부(10)에서 생성한 기저대역 첩 신호는 도 2에 도시된 바와 같이, 거의 이상적인 형태의 스펙트럼을 나타낸다. 하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, RF부(30)의 특성과 노이즈에 의하여 송신될 첩 신호에 불균형(Imbalance)이 발생한다.

불균형(Imbalance)이 존재하는 첩 신호를 이용하여 매치드 필터링(Matched Filtering) 연산을 하는 경우, 임펄스 응답 특성(IRF, Impulse Response Function)의 최대 부엽 레벨(PSLR, Peak-to-Sidelobe Ratio)과 누적 부엽 레벨(ISLR, Integrated Sidelobe Ratio)의 특성이 열화되므로, 좋은 영상 품질을 위해서는 첩 신호의 불균형을 보정하는 것이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, RF 증폭기의 특성에 의해 주파수 평탄도(Flatness)에 나타나는 불균형(Imbalance)을 보상할 수 있는 SAR 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은, 기저대역의 첩 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 디지털부; 상기 기저대역의 첩 신호를 주파수 상향 변환하여 RF대역의 첩 신호를 출력하고, 상기 RF대역의 첩 신호를 증폭하여 증폭된 첩 신호를 출력하는 RF부; 상기 RF로부터 출력되는 상기 증폭된 첩 신호를 외부로 송출하는 안테나부; 및 상기 RF대역의 첩 신호와 상기 증폭된 첩 신호를 수신하여, 상기 증폭된 첩 신호의 평탄도 열화를 보상하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 신호 발생기로 출력하는 첩 신호 보상부;를 포함한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템을 사용하면, RF 증폭기의 특성에 의해 주파수 평탄도(Flatness)에 나타나는 불균형(Imbalance)을 보상할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 SAR 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 메모리-맵(Memory-map) 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)의 블록 구성도이다.
도 3은 DDS 방식의 첩 신호 발생기(Chirp Generator)의 블록 구성도이다.
도 4는 도 1의 디지털부(10)에서 생성된 기저대역의 첩 신호의 스펙트럼이다.
도 5는 도 1의 RF부(30)에 의하여 불균형(Imbalance)이 생긴 첩 신호의 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템의 블록 구성도이다.
도 7은 SAR 시스템이 발생시키는 첩 신호의 순시주파수(Instantaneous Frequency)를 시간축에 나타낸 것이다.
도 8은 이상적인 첩 신호의 스펙트럼과 이를 간소화한 스펙트럼이다.
도 9는 RF부(300)가 이상적이지 않을 경우에 출력되는 첩 신호의 간소화한 스펙트럼이다.
도 10은 RF부(300)의 불균형(Imbalance)을 보상하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템의 블록 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은 디지털부(100), RF부(300), 안테나부(500) 및 첩 신호 보상부(700)를 포함한다.

디지털부(100)는 SAR 제어기(110), 신호 발생기(130, Signal Generator), 트리거 발생기(150, Trigger Generator) 및 데이터 수신기(170, Data Receiver)를 포함한다.

SAR 제어기(110)는 신호 발생기(130), 트리거 발생기(150) 및 데이터 수신기(170)를 제어한다. 구체적으로, SAR 제어기(110)는 신호 발생기(130)에서 첩 신호가 생성되도록 제어할 수 있고, 데이터 수신기(170)로부터 데이터를 수신할 수 있다. 트리거 발생기(150)는 RF부(300) 및 안테나부(500)의 게이트 인에이블 신호(Gate Enabel Signal)를 발생하여 출력한다.

신호 발생기(130)는 첩 신호를 생성하고, 생성된 첩 신호를 RF부(300)로 출력한다. 신호 발생기(130)에서 생성되는 첩 신호는 순시주파수의 증분 및 제로-크로싱(Zero-Crossing) 여부에 따라 명명을 달리하는 경우가 있다. 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 7은 SAR 시스템이 발생시키는 첩 신호의 순시주파수(Instantaneous Frequency)를 시간축에 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 (1), (2), (3)은 첩 신호의 순시주파수 여러 형태들이다. (1)은 시간에 따라 주파수가 선형적으로 상승하는 첩 신호의 순시주파수이며, (2)는 시간에 따라 주파수가 선형적으로 하강하는 첩 신호의 순시주파수이며, (3)은 시간에 따라 주파수가 선형적으로 하강하되 소정 시간에서 제로-크로싱(Zero-Crossing)하는 첩 신호의 순시주파수이다. (1), (2), (3)의 주파수의 변화 모습을 따라 업-첩(Up-Chirp), 다운-첩(Down-Chirp), 다운-업-첩(Down-up-Chirp)으로 명명된다. 본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은 상기 언급한 첩 신호의 생성방식 및 순시주파수 형태를 생성할 수 있다.

다시, 도 6을 참조하면, RF부(300)는 업-컨버터(310, Up-converter), 고출력 증폭기(320, High Power Amplifier), 국부 발진기(330, Local Oscilltor), 저전력 증폭기(340, Low Noise Amplifier) 및 다운-컨버터(350, Down-converter)을 포함한다. 도면에 도시하지 않았지만, RF부(300)는 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF), 밴드통과필터(Band Pass Filter: BPF), 고역통과필터(High Pass Filter: HPF)를 더 포함할 수 있다.

업-컨버터(310)는 국부 발진기(330)로부터의 국부 신호에 기초하여 신호 발생기(130)로부터의 기저대역의 첩 신호의 주파수를 상향 변환하여 RF대역의 첩 신호를 출력한다.

고출력 증폭기(320)는 업-컨버터(310)에서 출력되는 RF대역의 첩 신호를 증폭한다. 증폭된 첩 신호는 안테나부(500)로 출력된다.

저전력 증폭기(340)는 안테나부(500)로부터 수신되는 RF 수신 신호를 저전력 증폭한다.

다운-컨버터(350)는 국부 발진기(330)로부터의 국부 신호에 기초하여 저전력 증폭기(340)로부터의 RF 수신 신호의 주파수를 하향 변환하여 기저대역의 수신 신호를 출력하고, 이를 디지털부(100)의 데이터 수신부(170)로 출력한다.

안테나부(500)는 송신 안테나(510, Tx Antenna)와 수신 안테나(550, Rx Antenna)를 포함한다. 송신 안테나(510)는 RF부(300)의 고출력 증폭기(320)로부터 출력되는 첩 신호를 수신하고, 수신 안테나(550)는 수신된 신호를 RF부(300)의 저전력 증폭기(340)로부터 출력한다.

도 6에서 안테나부(500)에 2개의 안테나(510, 550)가 존재하는 것으로 나타나 있지만, 이는 송신과 수신을 하는 일반적인 구조를 나타내기 위하여 도시한 것이다. 따라서, 안테나부(500)는 1개의 안테나를 서큘레이터(Circulator) 또는 아이솔레이터(Isolator)를 이용하여 송수신을 번갈아 하는 구조, 또는 2개 이상의 안테나를 이용하여 송수신하는 구조일 수도 있다.

도 8은 이상적인 첩 신호의 스펙트럼과 이를 간소화한 스펙트럼이고, 도 9는 RF부(300)가 이상적이지 않을 경우에 출력되는 첩 신호의 간소화한 스펙트럼이다.

이상적인 첩 신호는 도 8에 도시된 바와 같은 스펙트럼을 갖는다. 이상적인 첩 신호는 디지털부(100)에서 생성될 수 있다. 하지만, RF부(300)가 이상적이지 않은 경우에 RF부(300)에서 출력되는 첩 신호는 도 9와 같은 스펙트럼을 가질 수 있다. 도 9에 점선으로 나타낸 부분은 이상적이지 않은 첩 신호의 스펙트럼이며, RF부(300)의 불균형(Imbalance) 등이 존재하는 경우에 나타날 수 있다. 다시 말해, 도 9에 도시된 스펙트럼은, 첩 신호의 스펙트럼(Spectrum)의 에너지에 불균형이 생겨 평탄도(Flatness)가 열화된 경우를 보여준다.

본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은 첩 신호 보상부(700)를 포함하여 RF부(300)에서 출력되는 첩 신호의 평탄도 열화를 줄이거나 생기지 않도록 할 수 있다. 이하, 첩 신호 보상부(700)를 상세히 설명한다.

첩 신호 보상부(700)는 감쇠기(710, Attenuator), 다운-컨버터(730), 스펙트럼 커브 피팅(Curve-Fitting)기(750) 및 첩률 발생기(770, Chirp Rate Generator)를 포함한다.

감쇠기(710)는 RF부(300)에서 출력되어 안테나부(500)로 입력되는 RF대역의 첩 신호를 수신하고, 수신된 RF대역의 첩 신호를 감쇠하여 출력한다. 여기서, RF부(300)에서 출력되는 RF대역의 첩 신호는 RF부(300)의 고출력 증폭기(320)에서 출력된 신호일 수 있다.

다운-컨버터(730)는 감쇠기(710)의 출력 신호(감쇠된 RF대역의 첩 신호)와 RF부(300)의 업-컨버터(310)에서 출력된 신호(RF대역의 첩 신호)를 수신하고, 수신된 두 신호를 기저대역의 신호로 주파수 하향 변환하여 스펙트럼 커브 피팅기(750)로 출력한다. 여기서, 다운-컨버터(730)은 국부 발진기(330)의 국부 신호에 기초하여 상기 수신된 두 신호를 기저대역의 신호로 주파수 하향 변환할 수 있다.

스펙트럼 커브 피팅기(750)는 다운-컨버터(730)에서 출력되는 기저대역의 두 신호를 수신하고, 수신된 기저대역의 두 신호 각각에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하고, FFT 연산된 두 신호를 각각 커브 피팅하여, 도 9에 도시된 바와 같은, 스펙트럼을 생성한다. 생성된 스펙트럼은 메모리에 저장될 수 있고, 상기 메모리는 디지털부(100)에 구비될 수 있다.

첩률 생성기(770)는 스펙트럼 커브 피팅기(750)에서 생성된 스펙트럼을 수신하고, 수신된 스펙트럼에서 관심 주파수 대역의 평탄도(Flatness)를 연산하고, 상기 관심 주파수 대역 내의 2개 최대 피크 포인트(Maximum Peak Point)로 이루어지는 제1 직선과 2개 최소 피크 포인트(Minimum Peak Point)로 이루어지는 제2 직선을 각각 생성한다. 첩률 생성기(770)는 생성된 제1 및 제2 직선의 기울기를 연산한다. 그리고, 첩률 생성기(770)는 연산된 평탄도(Flatness), 제1 직선의 기울기 및 제2 직선의 기울기에 기초하여 불균형(Imbalance)이 발생한 주파수 대역과 불균형(Imbalance)의 양을 기록한다.

첩률 생성기(770)는 기록된 불균형(Imbalance)이 발생한 주파수 대역과 불균형(Imbalance)의 양에 기초하여, 디지털부(100)의 신호 발생기(130)로 소정의 제어 신호를 출력한다. 상기 제어 신호는 불균형(Imbalance)이 발생한 주파수 대역에서 순시주파수의 증가속도를 변화시키기 위한 제어 신호이다. 수신된 제어 신호에 기초하여 디지털부(100)의 신호 발생기(130)는 기저대역의 첩 신호를 생성한다.

첩률 생성기(770)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 불균형(Imbalance)이 열화된 특정 대역의 RF 파워(Power)를 보상하여 RF부(300)에서 출력되는 첩 신호의 상기 특정에서의 불균형(Imbalance)을 제거하게 한다.

이러한 첩률 생성기(770)는 신호 발생기(130) 내의 누적기(Accumulator)의 출력을 비선형(Non-linear)하게 발생시켜, 초기에 신호 발생기(130)가 출력한 첩 신호와 다른 보상된 첩 신호가 신호 발생기(130)에서 발생되도록 한다. 이후 상기 보상된 첩 신호가 RF부(300)를 통과하면, 출력되는 첩 신호의 주파수 스펙트럼은 이상적인 첩 신호의 주파수 스펙트럼에 동일 또는 매우 가까워지게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 SAR 시스템은, 첩 신호 보상부(700)를 구비하여, RF부(300)의 증폭기의 특성에 의해 RF 대역의 첩 신호의 평탄도 열화를 완화 또는 제거할 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 디지털부
300: RF부
500: 안테나부
700: 첩 신호 보상부

Claims

기저대역의 첩 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 디지털부;
상기 기저대역의 첩 신호를 주파수 상향 변환하여 RF대역의 첩 신호를 출력하고, 상기 RF대역의 첩 신호를 증폭하여 증폭된 첩 신호를 출력하는 RF부;
상기 RF로부터 출력되는 상기 증폭된 첩 신호를 외부로 송출하는 안테나부; 및
상기 RF대역의 첩 신호와 상기 증폭된 첩 신호를 수신하여, 상기 증폭된 첩 신호의 평탄도 열화를 보상하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 신호 발생기로 출력하는 첩 신호 보상부;를 포함하고,
상기 첩 신호 보상부는,
상기 RF대역의 첩 신호와 상기 첩 신호 각각을 기저대역 신호로 주파수 하향 변환하여 제1 기저대역 첩 신호와 제2 기저대역 첩 신호를 출력하는 다운-컨버터;
상기 제1 및 제2 기저대역 첩 신호를 커브 피팅하여 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 커브 피팅기; 및
생성된 상기 스펙트럼을 기초로 상기 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 상기 신호 발생기로 출력하는 첩률 생성기;를 포함하고,
상기 첩률 생성기는,
상기 스펙트럼에서 관심 주파수 대역의 평탄도를 연산하고,
상기 관심 주파수 대역 내의 2개의 최대 피크 포인트로 구성된 제1 직선과 2개의 최소 피크 포인트로 구성된 제2 직선을 각각 생성하고,
상기 제1 직선과 제2 직선의 기울기를 연산하고,
상기 평탄도, 상기 제1 직선의 기울기 및 상기 제2 직선의 기울기에 기초하여 불균형이 발생한 주파수 대역과 상기 불균형의 양을 기록하고,
상기 불균형이 발생한 주파수 대역과 상기 불균형의 양에 기초하여 상기 제어 신호를 생성하고,
상기 제어 신호는 상기 불균형이 발생한 주파수 대역에서 순시주파수의 증가속도를 변화시키기 위한 것인, SAR 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 첩 신호 보상부는,
상기 증폭된 첩 신호를 감쇠하여 감쇠된 첩 신호를 상기 다운-컨버터로 출력하는 감쇠기;
를 포함하는, SAR 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 디지털부는,
상기 신호 발생기를 제어하는 SAR 제어기;
트리거를 생성하는 트리거 발생기; 및
상기 RF부로부터 출력되는 기저대역의 수신 첩 신호를 수신하는 데이터 수신부;
를 포함하는, SAR 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 RF부는,
상기 기저대역의 첩 신호를 주파수 상향 변환하여 상기 RF대역의 첩 신호를 출력하는 업-컨버터;
상기 RF대역의 첩 신호를 증폭하여 증폭된 첩 신호를 상기 안테나부로 출력하는 고출력 증폭기;
상기 안테나부로부터 출력되는 RF대역의 수신 첩 신호를 저전력 증폭하는 저전력 증폭기;
상기 RF대역의 수신 첩 신호를 기저대역의 수신 첩 신호로 주파수 하향 변환하는 다운-컨버터; 및
상기 업-컨버터와 상기 다운-컨버터로 국부 주파수 신호를 제공하는 국부 발진기;
를 포함하는, SAR 시스템.