NASAJPL AIRBORNE SYNTHETIC APERTURE RADAR 시스템 by slappypappy116

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									     NASA/JPL AIRBORNE SYNTHETIC APERTURE RADAR SYSTEM
                          Yunling Lou, Yunjin Kim, and Jakob van Zyl
                                                       ESI3 Lab. 번역


서론
 NASA/JPL airborne SAR (AIRSAR)시스템은 P, L, C 밴드에서 전 편광 모드(fully
polarimetric mode)와 L, C밴드에서 간섭계 모드(interferometric mode)로 동시에 작동한다.
이 시스템은 1987년 말에 사용되었으며 나사의 Ames Research Center에서 운영하는 DC-
8 기에 실려 첫 실험을 하였다. 그 이후로 AIRSAR는 매년 실험을 했으며 북, 중앙, 남 아
메리카와 유럽 호주의 영상을 획득했다. 이 논문에서는 기기 특징, 다양한 레이더 모드의
발달, 기기수행과 레이더의 위치와 고도 정보에 관한 이론의 향상에 대해 간략히 설명 할
것이다. 특히 간섭계 처리에 있어서 자료처리의 향상에 대해 요약 할 것이다. 끝으로
cross-track 간섭계(XTI) 자료의 처리와 보정에 있어서 현안에 대해 언급할 것이다.


기기 특징
 AIRSAR에서는 수평과 수직 편광을 이용한 신호를 교대로 보냄으로써 다양한 편광을 보
낸다. 3개 주파수에서 H 와 V 편광으로 6개의 채널에서 동시에 원시 자료를 수집할 수 있
다. 비디오 자료는 8 비트 ADCs를 사용해 디지털화 되고 항해 자료와 함께 40dB이 넘는
동적 range를 제공하며 고밀도 디지털 기록기를 사용한 테이프에 저장된다. AIRSAR 시스
템은 12개 채널의 어느 자료라도 실시간으로 영상으로 만들 수 있는 처리기기를 갖추고 있
다. 그리고 레이더의 상태를 점검하고 실시간 이미지를 통해 정확한 지역이 영상화 되어 가
는지를 확인 할 수 있다. 표 1은 AIRSAR 시스템 특징에 대해 요약한 것이다. AIRSAR는
기기의 복잡성과 유연성으로 많은 다양한 모드에서 작동 될 수 있다. 이러한 레이더 모드의
발달은 다음 부분에 요약 되어 있다.
표1. AIRSAR 시스템 특징 요약. 괄호 안의 숫자는 40MHz chirp bandwidth에
적용되는 변수이다.
                                      P 밴드            L 밴드            C 밴드
         Chirp Bandwidth(MHz)                       20(or 40)
                                      438.75         1248.75          5298.75
        Chirp Center Freq.(MHz)
                                      ,427.5         ,1237.5          ,5287.5
   Peak Transmitter Power(dBm)          62              67              60
          Antenna Polarization                  H/V dual microstrip
           Antenna Gain(dBi)            14              18              24
       Azimuth Beamwidth (deg)          19              8               2.5
       Elevatioin Beamwidth (deg)       38              44              50
           Antenna Size (m)           0.9x1.8        0.5x1.6          0.2x1.4
        ADC Sample Rate (MHz)                         45(90)
           Data Rate (MB/s)                             10
            NE Sigma0(dB)               -45            -45             -35
          Nominal Altitude (m)                         8000
        Nominal Velocity (Knots)                       450
       PRF/Polarization Channel     1(programmable)xground speed in Knots
    Slant Range Resolution (m)                        10(5)
        Azimuth Resolution (m)                          1
       Ground Range Swath(km)                        10 ~15


레이더 모드
 AIRSAR가 1988년에 첫 실험을 실시 했을 때는 P, L, C 밴드에서 편광 모드와 L, C밴드
에서 along track 간섭계(ATI) 모드로 동시에 영상화 할 수 있는 기능을 가지고 있었다.
ATI 모드는 레이더의 관측 방향으로 해수의 흐름과 파도의 움직임을 영상화 하는데 성공적
으로 사용되었다. 그 이후로 XTI모드와 바이스태틱 모드를 제공하기 위해 더 많은 안테나
와 안테나 스위치 망이 설치 되었다. XTI 모드는 연구 지역의 지형도를 만드는데 성공적으
로 사용되었으며 바이스태틱 모드는 ERS-1(CVV)와 SIR-C(LVV 와 CVV)와 함께 자료를
수집하는데 성공적으로 사용되었다. 그림 1은 DC-8기의 현재 가능한 모든 안테나의 상대
적 위치와 편광에 대해 보여주고 있다. 표 2는 이러한 레이더 모드의 발달에 대해 요약한
것이다.
 표 2와 그림 1에서 보듯이 1991년에 C 밴드 ATI 모드의 베이스라인은 해수의 더 짧은
decorrelation 시간에 감도를 높이기 위한 노력으로 C-SAR 안테나와 함께                        C-bt 안테나가
새롭게 부착 되면서 상당히 짧아졌다. 1995년 이전에는 단 주파수 XTI 모드(XTI1)가 가장
적당한 SNR 을 제공하는 한 개의 송신 안테나와 함께 작동 되었다. C-tp 안테나를 통해 송
신하는 이유는 길이가 C-bt 안테나 보다 3m 짧아짐으로써 더 나은 SNR을 제공하기 때문
이다. 1995년 이후에는 송신 안테나로 위의 안테나와 아래 안테나를 바꿔 가면서 실험해 왔
다. 이것은 효과적으로 베이스라인의 길이를 두 배로 만들었고 초기 자료 처리에서 더 긴
베이스라인은 더 작은 RMS 높이 오차를 가지는 DEM를 만들어 냈다. 그리고 새롭게 부착
된 L 밴드 XTI 모드는 보정을 위해 많은 작업이 필요함에도 C 밴드 XTI 모드와 비교해서
더 짧은 베이스 라인 길이 때문에 약간 높은 RMS 높이 오차를 가진 DEM을 만들어 냈다.
정확한 DEM을 만들기 위해 베이스라인의 길이를 정확히 알아야 한다. 그러기 위해 관성항
해 시스템(INS)과 안테나의 위치와 고도에 대해 더 정확하게 알기 위해 GPS 수신기의 성능
을 향상 시켰다. 성능향상은 다음 장에 설명되어있다.

                               P 밴드              L 밴드                 C 밴드
     모드             기간
                              TX    RX     TX        RX        TX         RX
   POLSAR        1988 ~ 현재 P-SAR (H/V)       L-SAR (H/V)         C-SAR (H/V)
     ATI         1988~1990   P-SAR (H/V)   L-fwd and L-SAR     C-fwd and C-SAR
     ATI         1991~현재     P-SAR (H/V)   L-fwd and L-SAR    C-bt (V) and C-SAR
     XTI1          1991      P-SAR (H/V)     L-SAR (H/V)      C-bt     C-bt/C- tp
     XTI1        1992~1995   P-SAR (H/V)     L-SAR (H/V)      C- tp    C-bt/C- tp
XTI1-ping pong     1995      P-SAR (H/V)     L-SAR (H/V)        C-bt and C- tp
     XTI2          1995      P-SAR (H/V) L- tp   L-bt/L- tp   C- tp    C-bt/C- tp
XTI2-ping pong     1995      P-SAR (H/V)    L-bt and L- tp      C-bt and C- tp


표2 AIRSAR의 가능한 레이더 모드 요약, 1994년 이래로 레이더가 20 MHz chirp
bandwidth 모드 일 때 P 밴드는 오직 미국에서만 송신 할 수 있다. 비행전에 날씨가 특히
맑다면 P밴드는 40 MHz chirp bandwidth 모드에서도 송신 할 수 있다.
           그림 1 안테나의 상대적 위치 (크기에 상관 없음)



항해 시스템
 AIRSAR 원래의 항행 시스템은 항공기의 고도를 측정하는 링 레이저 자이로가 포함된
Honeywell INS와 항공기의 위치정보 (위도와 경도)를 제공하는 모토로라 Eagle 4-channel
GPS 수신기로 이루어져 있다. 기술이 발달하고 더 정확한 위치와 고도 정보가 필요함에 따
라 1994년에 새로운 모토로라 Six-Gun GPS 수신기와 Honeywell Integrated GPS와 INS
(IGI)를 구입했다. Six-Gun GPS 수신기는 6개의 채널과 구형과 비교했을 때 더욱 안정된
시계를 가지고 있어서 CA 코드를 이용한 100M 오차의 위치 정확도를 제공한다. 이 수신기
는 1994년 레이더에 설치 되었다. Honeywell IGI는 더 작고 더욱 감도가 높은 링 레이저
자이로가 더욱 정확한 수신이 가능하지만 Precise Positioning Service(PPS) 자료에 한정된
GPS와 함께 설치 되었다. 이 기기는 heading 정확도가 0.02 roll 과 pitch 정확도가 0.02
속도 정확도가 0.03m/s 이고 위치 정확도는 PPS로 16m/s 이다.      IGI는 1994년에 DC-8에
장착 되었으나 자료가 오프라인에서 저장되어서 1995년 까지 레이더에는 사용할 수 없었다.
또한 비행기의 Turbo Rogue GPS 수신기와 지상의 또 다른 Turbo Rogue GPS 수신기를
사용하여 DGPS로 실험 하였다. 이 실험은 JPL의 다른 부서에 있는 GPS 전문가로부터 도
움을 받았으며 1m 이상의 정확도를 얻기 위하여는 특별한 후처리 과정이 필요하다.


자료처리
 AIRSAR자료를 영상화 하기 위해서는 다양한 프로세서와 처리 기술이 사용된다. 실시간
코릴레이터는 AIRSAR 레이더 부품의 한 부분이고 낮은 해상도(약 25m)의 2 look 영상을
만드는데 사용된다. 기내에 있는 실시간 코릴레이터는 빠른 프로세서로 자료를 입수하고 10
분 안에 약간 높은 해상도(15m)를 가진 작은 지역의 16 look 영상을 만들어 낸다. 이러한
기내 프로세서는 실시간으로 레이더의 일반적인 상태를 점검하고 자료 획득의 성공여부를
알아내는데 쓰인다. 완전히 보정된 양질의 자료를 얻기 위한 마지막 처리 과정은 관측이 이
루어진 후 몇 주나 몇 달 후에 실시 된다. 현재 사용자는 두개의 다른 프로세서(시놉틱 프
로세서와 프레임 프로세서)로부터 영상을 요청 할 수 있다. 시놉틱 프로세서에서는, 사용자
가 처리하고자 하는 세 자료의 채널을 지정한다. 약 5분동안의 선택된 채널의 원시자료는
트랙을 따라 약 40km의 범위를 16look의 진폭영상으로 처리된다. 40MHz 모드에서는 이
영상은 8look의 20km범위가 된다. 이러한 영상들은 크로스 트랙방향으로 20MHz모드는
9km, 40MHz모드에서는 4.5km가 된다.
 프레임 프로세서에서는 2가지 프로세서 버전을 지원한다: AIRSAR 프로세서(ver. 3.5x)와
new integrated 프로세서(ver. 5.x). 이것은 여전히 계발 중에 있다(특히, XTI 보정). 1995
년은 AIRSAR의 지상 프로세서 기지의 변환기였다. XTI 모드가 날로 인기가 있게 됨에 따
라, new integrated 프로세서는 주로 XTI모드의 자료를 처리하는데 주로 사용되었다. 그래
서 이 비행기의 움직임을 추적하고 보정할 수 있는 새로운 프로세서가 필요했다. 만약 보정
이 이루어지지 않으면 두 안테나사이의 베이스라인의 오차를 야기할 것이고, 이것은 결국
수치표고모델(DEM)의 높이 에러를 야기하기 때문이다. 이러한 보정뿐만 아리가, 이 새로운
프로세서는 기존의 3.5 버전 프로세서가 swath의 절반정도만 프로세서한데 반해 전체
swath 범위에 대해 영상을 만들 수 있게 되었다. XTI프로세서는 절대적인 위상을 계산하기
위해 아직도 정확한 알고리즘의 계발이 필요하고, DEM에서 계통적인 높이 에러를 제거하기
위해 더 나은 보정이 필요하다.
 이전버전과 함께, 이 integrated 프로세서는 모든 가능한 채널의 1분 정도의 자료를 절대
적으로 보정된 압축 Stokes matrix영상으로 프로세싱을 한다. 이 압축 Stokes matrix는 모
든 편광정보를 담고있게 된다. 만약 C-밴드 크로스트랙 간섭 자료(interferometer data)가
얻어졌다면, Integrated 프로세서는 수치표고모델과 국부입사각지도(local incidence angle
map)을 생성할 것이다. 이 국부입사각지도를 이용하여 최종영상은 지형과 방사보정이 이루
어진 10m10m의 영상이 만들어지게 될 것이다. 이 최종영상은 40MHz모드의 경우 크로스
트랙 방향으로 10-12km와 비행방향으로는 약 10km의 영상을 형성할 것이고, 20Mhz모드
의 경우는 10km10km의 영상을 만들게 된다. 입사각에 따라 SNR(신호대 잡음비)이 감소
하게 되면 위상의 잡음이 증가하게 되며 이는 곧 두 안테나 채널의 상관성을 떨어뜨리게 된
다. 결과적으로 안테나에서 먼 지역일수록 낮은 SNR에 의해 큰 RMS 높이 오차를 야기하
게 되는 것이다.


자료보정
 편광자료의 보정은 잘 조사되어 있다. 간단히 코너 리플렉터를 이용한 톤 보정을 이용하
여 절대 정확도 3dB이상, 3개의 레이더 주파수 사이에서 상대 정확도 1,5dB이상, 편광 채
널 사이에서는 0.5dB이상의 정확도를 가진 편광 영상을 만들 수 있다. HH 와 VV 채널 사
이에서 상대 상 보정은 10보다 좋다. XTI 자료의 보정은 베이스라인 벡터와 같은 다양한
변수가 XTI 자료 처리에 포함되어 훨씬 어렵다. 2 ambiguity 없이 간섭 자료로부터 높이
정보를 이끌어 내기위해서는 절대 상(phase)을 알아야 한다.         레이더의 두 채널 사이의 상
차이는 시스템 온도의 함수 일 수 있다. 그러므로 각각의 자료가 수집 될 때 절대 상과               상
차이를 알아야 한다. 또한 정확한 DEM을 만들어 내기 위해서는 두 안테나 사이의 베이스
라인 길이를 수 밀리미터의 오차로 알아야 한다. 우리는 C 밴드 안테나에 대한 베이스라인
을 결정하기 위해 Rosamond Dry Lake에서 코너 리플렉터 어레이를 성공적으로 사용하였
다. 현재는 L 밴드 안테나에 대해 1995년에 시작하여 실시 중이다.


요약
 이번 논문에서는 AIRSAR 기기의 특징, 다양한 레이더 모드의 발달, 항해 시스템의 향상
에 대해 다루었다. 또한 자료 처리의 발달에 대해 요약했으며 XTI 자료의 보정에 대해 간
단히 언급했다. 우리는 사용자들에게 L, C 밴드에서 DEM을 쉽게 제공하기위해 위상 보정
문제를 해결 할 수 있기를 바란다.

								
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