2 위성용 능동 감지 페이로드

SAR은 위성에 있는 능동 감지 페이로드의 일반적인 유형입니다. 모든 레이더 시스템과 마찬가지로 SARS는 안테나에서 라디오파의 펄스 또는 주파수 치프(Chirp)를 방출하여 이는 대상까지 전파된 후 반사되어 동일한 안테나로 수신됩니다. 이 이동이 이루어지는 데 걸리는 시간을 측정하면 대상까지의 거리를 결정할 수 있습니다. 그러나 위성이 지면의 대상과 특정 각도로 비행하기 때문에(그림 2-1 참조) 반사 에너지의 양은 대상의 평탄도와 각도에 따라 결정됩니다.

그림 2-1 평탄한 표면 대상에서 반사되는 라디오파형

예를 들어, 평탄한 수면은 수신기(예: 안테나)에서 떨어진 레이더 감지에 사용되는 모든 라디오파를 반사합니다. 반사 에너지의 양은 회색조 이미지로 표시되며, 흰색 영역은 반사가 높음을 나타내고 어두운 영역은 반사가 낮음을 나타냅니다.

또한 라디오파는 여러 물체에서 반사될 수 있습니다. 예를 들어, 먼저 수면에 반사된 후 나무에 반사되는 경우로, 이는 더블 바운스라고 합니다. 더블 바운스는 SAR 이미지에서 평탄한 수면이 어둡게 보이는 대신 밝게 보일 수 있으며, 그림 2-2에서 볼 수 있듯이 라디오파는 먼저 수면의 표면을 반사 한 다음 나무를 반사할 수 있습니다.

그림 2-2 라디오파의 더블 바운스

레이더의 주파수는 관찰 가능한 범위에 큰 영향을 미치는 중요한 속성입니다. 라디오파는 파장의 길이보다 큰 물체에서만 반사됩니다.

라디오파의 반사 특성 덕분에 레이더는 구름뿐만 아니라 지상의 식생을 통과하여 관측할 수 있습니다. 초저주파의 레이더는 토양을 관통하여 수분 수준이나 광학 이미징으로 감지할 수 없는 특징을 파악할 수도 있습니다.

레이더의 또 다른 기능은 조리개 크기입니다. 레이더의 유효 크기는 지면을 스캔할 때 레이더 빔의 스팟 크기에 반비례합니다. 스팟 크기는 레이더의 방위각 해상도라고 하며, 이는 위성이 서로 가까이 있는 두 개의 객체를 구별할 수 있는 능력을 의미합니다. 더 큰 레이더는 지면에서 더 작은 스팟 크기를 형성하며, 더 높은 방위각 해상도를 제공합니다. 그러나 레이더의 크기와 무게를 고려할 때, 매우 큰 레이더를 우주로 발사하는 것은 현실적으로 어렵습니다. 하지만 시스템 설계자는 컴퓨터 프로세싱을 통해 레이더가 물리적 크기보다 더 크게 보이도록 구현할 수 있습니다. 이 방법은 위성이 대상을 따라 이동한다는 특성을 활용하여, 레이더 스팟 크기 내에서 다중 중첩된 펄스의 반사를 이용해 조리개를 합성하는 방식입니다.

위성에서 SAR 장비를 구현하려면 매우 특수한 무선 주파수(RF) 부품이 필요합니다. 그림 3은 위성에서 SAR을 구현하기 위한 레이더 이미징 페이로드의 일반적인 블록 다이어그램을 보여줍니다.

그림 2-3 레이더 이미징 페이로드 블록 다이어그램

레이더 이미징 페이로드의 고속 데이터 컨버터는 레이더의 성능 및 아키텍처를 파악하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, RF 샘플링 데이터 컨버터는 레이더 주파수 대역을 직접 디지털 정보로 변환하여 처리할 수 있습니다. 이러한 데이터 컨버터에 대한 가장 중요한 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 최대 입력 주파수보다 큰 아날로그 입력 대역폭.
• 레이더 신호의 순간 대역폭의 두 배 이상인 샘플링 속도.
• 관심 주파수에서 시스템 성능 요구 사항을 충족하기 위한 높은 신호 대 잡음비와 스퓨리어스 프리 동적 범위.
• 미션 요구 사항을 충족하는 방사능 내성.

예를 들어, AFE7950-SP RF 샘플링 트랜시버는 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• L-대역에서 X-대역으로 RF 샘플링을 지원하는 10.6GHz, –3dB 아날로그 입력 대역폭.
• 3GSPS 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 6개와 12GSPS 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 4개. 1.2GHz의 최대 순간 대역폭은 더 높은 범위 해상도를 제공하며, 재밍 방지 기술 구현을 용이하게 합니다.
• -155dBc/Hz 이하의 잡음 스펙트럼 밀도와 5GHz 입력 주파수에서 76dBc 이상의 3차 상호 변조 왜곡(IMD3)은 높은 수신기 감도를 가능하게 합니다.
• 100krad/75MeV의 핀-호환 설계는 저궤도(LEO)부터 정지궤도(GEO)까지의 운용을 가능하게 합니다.

또 다른 유형의 능동 센서는 레이더의 전자기파 대신 레이저를 조명원으로 사용하지만, 시간을 이용해 거리를 측정하는 원리는 동일하게 적용됩니다. 그러나 레이저는 매우 높은 주파수와 짧은 파장에서 작동하기 때문에 구름이나 지상의 물체를 투과할 수 없으며, 따라서 맑은 조건이 필요합니다. 레이저 시스템은 안테나 대신 포토다이오드를 사용하여 목표물에서 반사된 레이저 광을 수신하고 측정합니다. 그림 2-4에는 이러한 유형의 시스템의 블록 다이어그램이 나와 있습니다.

그림 2-4 레이저 이미징 블록 다이어그램

그림 2-4에서 볼 수 있듯이 포토다이오드 센서 어레이 뒤에 트랜스임피던스 증폭기가 있어 전류 출력을 데이터 컨버터가 샘플링할 수 있는 전압으로 변환합니다. 이 경우, 데이터 컨버터는 반사된 광 펄스의 상승 에지와 파형을 샘플링할 수 있을 만큼 충분히 빠른 속도를 가져야 하며, 이는 레이저의 상승 시간과 펄스 반복률에 따라 결정됩니다.