한국지질자원연구원 - Ground-Based SAR 시스템 개발

Author(s):
조성준 선임연구원 - 한국지질자원연구원 지반탐사연구실

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
시스템의 기본이 되는 것은 벡터네트워크 분석기지만 스위치나 위치제어가 매우 중요하며, 결과를 실시간에 도시하며 IFFT등의 실시간 자료처리를 통해 QC를 해 주는 것이 중요하다.

The Solution:
모든 제어는 LabVIEW를 통해 이루어지며, 실시간 자료처리를 통해 QC를 거친 자료를 획득하게 된다. 자료획득 이후 C 기반의 SAR 자료처리를 통해 SAR 영상을 얻게 되는 데 현재 이를 LabVIEW 코드로 변환하고 있으며, 곧 자료획득과 동시에 SAR 영상을 얻게 될 것이다.

요약:
GB-SAR 시스템은 지상에서 안테나가 레일 위를 단위 간격씩 이동하면서 획득된 자료로 합성 구경(Synthetic Aperture)을 이루어 고해상도의 SAR 영상화(SAR Focusing)을 얻는 시스템이다. 벡터 네트워크 분석기에서 발생된 스텝 주파수 신호가 RF 파워앰프에서 증폭된 후 PXI RF 스위치를 거쳐 분극(Polarimetric) 송신안테나를 통해 복사되게 된다. 지표면에 의해 반사된 반사파는 분극 수신 안테나와 RF 스위치를 거쳐 벡터 네트워크 분석기를 통해 획득되며, GPIB 인터페이스로 연결된 PXI를 거쳐 노트북에 도시된다. 

한편 한 위치에서 자료가 획득된 후 측정 시스템은 PXI의 모션 컨트롤에 의해 제어되는 스텝 모터에 의해 레일을 따라 다음 위치로 이동하게 된다. 이 모든 제어는 LabVIEW를 통해 이루어지며, 실시간 자료처리를 통해 QC를 거친 자료를 획득하게 된다. 자료획득 이후 C 기반의 SAR 자료처리를 통해 SAR 영상을 얻게 되는 데 현재 이를 LabVIEW 코드로 변환하고 있으며, 곧 자료획득과 동시에 SAR 영상을 얻게 될 것이다.

개발 배경 :
GB(Ground Based)-SAR은 레일과 같이 지상에서 안정적인 안테나의 움직임을 통하여, 항공기 및 인공위성에 탑재되어 운용되는 일반적인 SAR 시스템과 유사한 영상 획득 원리로 산란체의 마이크로파 반사 신호를 측정할 수 있는 지상 SAR 시스템이다. 이를 통하여 지상 산란체에 의한 마이크로파 위상의 변화를 장기간 관측하여 지반 침하량 계측, 사면 안정성 평가 및 눈사태 감지와 같은 인공 및 자연 구조물의 안정성을 판단하는 목적으로 사용될 수 있다.

국내 최초이며, 전세계적으로도 몇 군데의 실험실에서만 시스템을 갖추고 있어 이전 어플리케이션의 문제점을 서술하기는 쉽지 않지만 제출자가 일본에서의 경험을 토대로 하면, 시스템의 기본이 되는 것은 벡터네트워크 분석기지만 스위치나 위치제어가 매우 중요하며, 결과를 실시간에 도시하며 IFFT등의 실시간 자료처리를 통해 QC를 해 주는 것이 중요하다. 그런데 당시 일본 실험실은 HPVee를 사용하고 있었는데 자사제품의 사용에는 문제가 없었으나 다른 회사 솔루션을 제어 하는 부분, 자료도시나 처리부분에 문제가 있어 본 제출자가 LabVIEW로 자료 측정 프로그램을 바꾼바 있다.

본론 :

하드웨어
GB-SAR 시스템은 지상에서 안테나가 레일 위를 단위 간격씩 이동하면서 획득된 자료로 합성 구경(Synthetic Aperture)을 이루어 고해상도의 SAR 영상화(SAR Focusing)을 얻는 시스템으로 하드웨어의 구성은 그림 1과 같으면 실제 장치의 사진은 그림 2에 나와 있다. 벡터 네트워크 분석기에서 발생된 스텝 주파수 신호가 RF 파워앰프에서 증폭된 후 RF 스위치를 거쳐 분극(Polarimetric) 송신안테나를 통해 복사되게 된다. 지표면에 의해 반사된 반사파는 분극 수신 안테나와 RF 스위치를 거쳐 벡터 네트워크 분석기를 통해 획득되며, GPIB 인터페이스로 연결된 PXI를 거쳐 노트북에 도시된다. 한편 한 위치에서 자료가 획득된 후 측정 시스템은 PXI의 모션 컨트롤에 의해 제어되는 스텝 모터에 의해 레일을 따라 다음 위치로 이동하게 된다.

벡터 네트워크 분석기는 주어진 구간의 주파수 영역에서 주파수를 스윕하여 송신을 하며, 수신기에서는 각각의 주파수에서 송신파형에 대한 수신파형의 세기와 위상변화를 측정하게 된다. 이 연구에 사용된 벡터 네트워크 분석기는 Agilent 사의 8753ES 모델로 주파수 범위는 30kHz에서 6 GHz이며, 시스템 임피던스는 50 ohm, 시스템 다이나믹 레인지는 110 dB, 송신부의 송신전력은 -85 dBm～10 dBm 이다.

RF 앰프는 2W 파워에 최대 33dB의 증폭이 가능하며, 최대 증폭일 때 가능한 최대 입력은 6 dBm이며, 주파수 대역은 2GHz~ 6GHz 이다. 송•수신안테나는 Ortho-Mode Transducer를 이용한 Dual-Polarization(H, V-분극) Square Horn Antenna로서, 대역은 5-5.6GHz, 중심 주파수는 5.3GHz로서 ERS-1/2, Envisat, Radarsat-1과 같은 인공위성 SAR 영상과 동일한 C-band를 사용하도록 설계되었다.

벡터 네트워크 분석기의 Port 1을 안테나의 V-분극 커넥터에 Port 2를 안테나의 H-분극에 연결하여 s11, s12, s21, s22를 측정하면 바로 Polarimetric GB-SAR의 구현이 가능하나 파워 앰프를 사용하게 되면 앰프의 비가역 특성에 의해 송신안테나를 수신안테나로 동시에 사용하는 것이 불가능하게 된다. 따라서 송신 안테나와 수신 안테나 두 개의 안테나가 필요하며 RF 스위치를 이용한 스위칭으로 Full Plarimetric(VV, VH, HV, HH)을 구현하게 된다. 사용된 RF 스위치는 주파수 통과대역이 26 GHz까지인 2중 1x2 SPDT 타입이다.

GB-SAR에서는 안테나가 레일을 따라 스텝 모터를 이용하여 측정 위치로 움직인 후 정지해 있는 상태에서 마이크로파 송수신이 이루어지기 때문에, 시스템의 위치 제어가 매우 중요하다. 이 연구에서는 2m 길이의 레일을 3개 연결하여 총 6m의 레일을 만들었으며, 모션 컨트롤러 및 마이크로 스텝 모터를 이용하여 안테나의 수평적 혹은 수직적 이동이 가능하도록 설계하였다.

소프트웨어
측정 소프트웨어는 그래픽 기반의 프로그램밍 언어 LabVIEW를 이용하여 만들었다. 측정 소프트웨어 모듈은 벡터 네트워트 분석기와 RF 스위치를 제어하는 부분, 모션 컨트롤 부분으로 나뉘어 진다. 벡터 네트워크 분석기의 제어는 PXI에 연결된 GPIB 인터페이스를 통해 GPIB 명령어에 의해 이루어 진다. 

문자열로 이루어지는 자료획득 GPIB 명령을 네트워크 분석기로 보내면 이를 받은 네트워크 분석기가 트리거링을 하고 각 주파수 별로 실수성분과 허수성분의 데이터를 얻기 시작한다. Full Polarimetric으로 자료를 획득하는 이 시스템에서는 사전에 각각의 분극에 맞는 보정파일을 작성하여 저장하고 있다가 RF 스위치의 변환에 맞추어 각각 분극에 맞는 보정파일을 Call 하여 사용한다. 한 지점에서 측정된 4개 분극 자료는 각기 네 개의 화면에 주파수에 따른 로그 세기 형태로 도시되며, 동시에 IFFT를 통해 실시간 시간영역 자료가 도시되어 측정 자료의 Quality Control을 하기가 용이하게 설계 되어 있다.

모션 컨트롤은 스텝 모터의 속도와 가속도, 이동지점에 의해 제어되며, 보통 수 센티미터 간격으로 자료를 획득하는데 이때 누적오차에 의해 첫 번째 B-scan 이후에 원래의 위치로 돌아가면 약간의 오차가 존재하게 된다. 이를 해결하기 위해 Home 스위치를 시작점으로 하여 각 B-scan 마다의 상대적 위치가 변하지 않도록 하였다.

그림 3은 측정 소프트웨어의 프런트패널을 그림 4는 블록 다이어그램을 보여준다. 프런트패널의 좌측부는 측정 파라미터를 보여주며, 좌측 하단부는 레일에서의 현재 안테나의 위치를 도시해 준다. 오른쪽의 8개의 그래프는 위의 큰 그래프와 바로 아래의 작은 그래프가 한 조로 안테나의 분극에 따라 4조의 자료가 동시에 도시된 것으로, 큰 그래프는 벡터 네트워크 분석기로부터의 주파수 영역 Raw Data의 Log 세기를 계산하여 도시한 것이며, 작은 그래프는 이 Raw Data를 실시간 IFFT를 통해 변환한 시간영역의 자료이다.

그림1. GB-SAR 시스템 개략도

그림 2. GB-SAR 시스템 운용 장면

그림 3. GB-SAR 제어 및 측정 프로그램의 프런트패널

그림 4. GB-SAR 제어 및 측정 프로그램의 블록다이어그램

NI 솔루션을 선택한 이유:
1. 각종 장치제어 및 자료 획득, 도시, 처리 프로그램 작성이 매우 편리하고 강력함
2. 프로그램 작성시나 장비 운용 시 발생하는 문제점에 대해 NI측에 전화나 이메일로 도움 요청할 때 항상 방문 지도를 비롯한 완벽한 해결책을 주었음
3. Instrument Driver 를 이용한 벡터 네트워크 분석의 편리함
4. Motion Control이 편리하고 정밀함

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조성준 선임연구원
한국지질자원연구원 지반탐사연구실

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