SAR(Synthetic Aperture Radar)의 Wideband 스펙트럼 측정

Strip-map SAR 측정의 기하학

Aperture는 항공기 속도(v)와 SAR 적분 시간(t_int)에 따라 달라집니다. 펄스를 시간에 대해 적분한 다음 t_int, SAR은 현재 Scene에 대한 맵을 생성하면서 비행 경로에 따라 다음 Scene에 대한 펄스를 적분합니다.

SAR 분해능 방정식

거리 분해능(ΔR)은 다음 방정식으로 계산합니다.

c는 빛의 속도, BW는 SAR 파형에 사용된 LFM 처프 대역폭입니다. LFM 대역폭이 클수록 거리 분해능이 정교해집니다. 미터 미만의 거리 분해능이 필요한 경우가 많습니다.

교차-거리 분해능(ΔCR)은 방정식으로 구합니다.

λ는 레이더 파장, R은 Scene까지의 거리, LSynth는 합성 Aperture의 길이 또는 항공기 속도(v)와 적분 시간(t_int)의 곱입니다.

애플리케이션 전용 SAR 시스템 및 대역

SAR은 UHF 대역부터 X 대역, W 대역과 그 이상까지 적용됩니다. SAR 파장은 운용 방식에 따라 달라집니다. X 대역은 일반적으로 도시 지형과 빙설의 고분해능 SAR 이미징에 사용됩니다. 대기 흡수는 X 대역에서 허용되는 반면 K 대역에서는 물의 흡수로 인해 허용되지 않습니다. UHF, S 대역 등의 대역은 바이오매스와 식물을 측정하는 데 적합합니다. L 대역에서는 고대 도시 또는 임관 아래 암반층의 지구물리학 측정을 위한 잎 침투가 양호합니다[1]. 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz, 235 GHz 밀리미터파 대역에서는 시야가 열악한 환경에서 항공기 착륙 시 Video synthetic aperture 레이더와 같이 새로운 첨단 운용 방식을 기대할 수 있습니다. 이러한 SAR은 더욱 넓은 파형 대역폭에서 작동하여 높은 분해능을 구현합니다.

최신 SAR 및 모든 레이더 운용 방식은 점차 AESA(Active Electronically Scanned Array)를 사용하는 사례가 증가하고 있습니다. AESA는 일반적으로 TRM(Transmit/Receive Module)의 2차원 배열입니다. 각 TRM에는 서큘레이터, 전력 증폭기, 위상 편이기, 스위치가 포함됩니다. 디지털 빔포머는 TRM을 전자식으로 제어하며 개별 TRM 또는 TRM 서브 배열에 해당 진폭 및 위상을 지시합니다. 빔포머는 또한 빔폭과 사이드로브를 줄이기 위해 Hanning 윈도우와 같은 아퍼처 테이퍼링 기능을 적용합니다. 안정적 위상 레퍼런스에서 파생된 수신기/익사이터가 배열을 피드합니다. 레이더 반환과 레퍼런스의 위상을 비교해 도플러 편이를 측정할 수 있습니다.

TRM은 InP(Indium Phosphide, 인화인듐), GaN(Gallium Nitride, 질화갈륨), SiGe(Silicon Germanium, 실리콘 게르마늄), 실리콘과 같은 다양한 소재로 위에서 언급한 밀리미터파 대역을 위한 개발이 진행 중입니다.

로데슈바르즈 솔루션

OTA(over-the-air) 방식의 테스트는 네트워크 분석기를 사용하는 TRM 프로빙보다 간단하고 AESA와 레이더 리시버/익사이터 사이에 밀접히 통합되어 있기 때문에 시스템 수준의 레이더 테스트를 OTA(over-the-air) 방식으로 수행하는 사례가 증가하고 있습니다. 아래에 안테나 테스트 챔버에 레이더가 들어 있는 일반적인 OTA 테스트 셋업 그림이 나와 있습니다. 측정 장비는 R&S®FSW Signal and Spectrum Analyzer에 연결된 표준 게인 혼 안테나입니다.

R&S®FSW Signal and Spectrum Analyzer에는 대부분 W 대역을 통한 SAR 측정을 위해 최대 폭의 분석 대역폭이 탑재되어 있으므로 12 GHz ~ 18 GHz에서 4.4 GHz 대역폭, 18 GHz 이상에서 6.4 GHz 또는 8.3 GHz 대역폭으로 실제 사전선택을 이용한 스윕 스펙트럼 측정, 이미지 거부 및 확장형 벡터 신호 분석, 펄스 분석, 과도현상 분석이 가능합니다.

R&S®FSW-K6 펄스 측정 애플리케이션을 사용하여 진폭, 펄스 폭, PRI(펄스 반복 간격), 펄스 레이더 측정의 주파수 및 위상을 측정하십시오. 이러한 측정값의 통계를 통해 Skolnik의 레이더 핸드북[2]의 설명에 따라 펄스-펄스 불안정성을 확인할 수 있습니다. 위상 노이즈로 인한 펄스-펄스 위상 불안정성에 대한 설명은 로데슈바르즈의 "펄스 위상 노이즈 측정" 애플리케이션 노트[3]를 참조하십시오.

펄스-펄스 통계 이외에도, R&S®FSW-K6 내에서 R&S®FSW-K6S Time Sidelobe Measurement 옵션을 사용하여 레이더 펄스 내 위상 비선형성을 측정하여 배열 문제 또는 D/A 컨버터(DAC)의 추가 업스트림을 노출할 수 있습니다. LFM(Linear Frequency Modulated) 처프의 비선형성은 DAC의 INL(Integral Nonlinearity) 또는 전력 증폭기 또는 TRM의 PIN 스위치 내 AM-PM 변환으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 현상에 대한 자세한 설명은 로데슈바르즈의 "시간 사이드로브 측정으로 레이더 시스템 성능 최적화" (PD 3607.2626.92) 애플리케이션 카드[4]에 나와 있습니다.

마지막으로 로데슈바르즈의 "77 GHz FMCW 레이더 신호의 자동 측정" 애플리케이션 노트[5]의 설명에 따라 R&S®FSW-K60 Transient Analysis 애플리케이션을 사용하여 SAR에 대한 Wideband FMCW 파형을 분석할 수 있습니다.

참조자료

[1] Article by Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington and Leah Kucera in collaboration with the Earth Science Data Systems. Graphics by Leah Kucera. Published April 16, 2020. "What is Synthetic Aperture Radar?". NASA Earthdata. Retrieved 15 November 2020 from earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 January 2008). "Radar Handbook" – 3rd revised edition. New York: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11 May 2016). Application note 1EF94 "Pulsed phase noise measurements". Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Application card "Time sidelobe measurements optimize radar system performance" (PD 3607.2626.92, December 2020). Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/applications/time-sidelobe-measurementsoptimize-radar-system-performance-application-card_56279-134857.html

[5] Dr. Heuel, Steffen (05 May 2014). Application note 1EF88 "Automated Measurements of 77 GHz FMCW Radar Signals". Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html