위성 탑재를 위한 영상레이더 시스템 설계 및 성능 분석

Abstract

영상레이더는 이동하는 플랫폼에 탑재되어 가동되며, 이동 중에 전자파를 송수신하고 획득한 데이터를 영상 처리하여 관측 지역의 영상을 획득하는 전천후 레이더이다. 영상레이더는 이동 중 획득한 데이터를 압축하는 과정을 거치기 때문에 합성 개구면 레이더로 불리며 일반적인 레이더와 달리 안테나 개구면의 길이가 짧을수록 좋은 분해능을 갖는다. 또한 전자파의 투과성에 의해 영상레이더의 송수신 신호는 대기 및 지표 투과가 가능하며, 기상조건에 관계없이 전천후로 영상 획득이 가능한 이점이 있다. 이러한 이점으로 인해 영상레이더는 적진 감시 등의 국방 용도와 자연재해 감시, 자원 탐사 등 다양한 영역에서 연구가 진행되고 있고 그 활용 범위가 늘어나고 있다. 특히 L밴드 대역은 X밴드나 C밴드 대역에 비해 파장이 길고 관측 가능 범위가 넓기 때문에 지구 관측의 용도로 이용되고 있다. 한편 기존의 영상레이더 시스템은 중대형 위성에 탑재되어 가동되었기 때문에 개발에 막대한 비용과 수년의 기간이 소모되었다. 그러나 기술의 발전으로 인해 최근에는 위성의 소형화가 진행되는 추세이며, 구글, 스페이스X 등의 세계적인 대기업들 또한 소형 위성 사업에 뛰어들고 있다. 또한 특정 기능만을 탑재한 소형 위성에서도 중대형 위성 못지않은 성능을 발휘하고 있으며, 위성 발사체의 재사용, 상용 부품만을 이용한 소형 위성의 개발 성과 등으로 소형 위성의 개발 비용은 더욱 절감되고 있다. 그리고 독일, 이탈리아 등 유럽에서는 다수의 소형 위성을 이용한 위성군의 연구 개발이 진행되고 있어, 소형 위성의 활용 범위는 더욱 증가하는 추세이다. 본 논문에서는 소형 위성에 적합한 영상레이더 시스템의 설계를 목표로 한다. 지구 관측을 목적으로 하는 L밴드 대역의 영상레이더 시스템을 연구하고 구조 설계를 진행하였으며 제작을 위한 회로도와 부품을 제시하였다. 또한 영상레이더의 소형 경량화를 위해 내부 시스템을 FPGA를 이용한 모듈형태의 조립으로 설계하였다. 영상레이더 시스템은 전체 시스템을 관장하는 영상레이더 제어기, 신호를 증폭하고 안테나로 송신하며 수신된 신호를 분석하여 데이터 저장기로 전송하는 RF 모듈, 신호를 송수신하는 안테나, 데이터를 저장하고 영상 처리를 진행하는 데이터 저장기 등으로 구성된다. 구조 설계를 기술한 후에는 실제 영상레이더의 운행을 가정하여 레이더 방정식을 기반으로 시스템 설계를 진행한다. 시스템 설계는 excel을 이용하여 진행하였으며, 시스템 설계 툴을 제작하여 각 변수들의 변화에 따라 나머지 변수 값이 유기적으로 도출되도록 하였다. 설계 순서는 사용자 요구를 분석하고 조건 값을 설정 한 뒤 최종적으로 시스템 변수를 도출하는 과정으로 진행되었다. 또한 도출된 시스템 변수의 신뢰성을 확인하기 위한 방법으로 MATLAB을 이용하여 관측 시뮬레이터를 제작하였다. 관측 시뮬레이션은 고도 600 km 상공의 L밴드 영상레이더에서 지상의 목표물을 관측하고, 획득한 데이터에 영상 처리 알고리즘을 적용하여 관측한 영상을 획득하는 과정으로 진행된다. 시뮬레이션 결과, 최종 영상에서 목표물의 관측을 확인하였다. 또한 관측 영상 분석 결과로 영상레이더 품질이 사용자 요구를 만족하는 것으로 나타났다. 연구 결과, 소형 및 경량화를 위해 FPGA를 이용하여 모듈 형태로 영상레이더 제어기를 설계하였고 RF 모듈의 회로도를 작성하였다. 안테나는 선형 편파를 이용하며, 플레나 형태의 안테나를 설계하고 안테나 변수를 도출하였다. 또한 시뮬레이션 결과, 도출한 시스템 변수 값이 유효함을 증명하였고, 제작한 시스템 설계 툴을 다른 영상레이더 시스템 설계에 이용한다면 설계에 소요되는 시간을 단축할 수 있을 것으로 기대된다.