Phase noise compensation via inter-satellite link for bistatic radar interferometry

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2020-05-18

Department

Major/Subject

Space Science and Technology

Mcode

ELEC3039

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

58+3

Series

Abstract

Recent developments in space and radio technology have made it possible to deploy space-borne synthetic aperture radar (SAR) constellations to observe large areas with short revisit times and nearly all weather conditions. By flying satellites in a close formation, bistatic imaging modes can be used. Combining these imaging modes with interferometric measurements, digital elevation models can be created without the addition of temporal decorrelation present in interferometric images created over multiple satellite passes. One of the challenges of bistatic imaging is the need for synchronisation between radar platforms. As the two radars have separate local oscillators, the phase noise present in the transmitted pulse will not be cancelled out during the downconversion of the return signal. As a result, the phase noise present in the oscillator signal will degrade the resulting image quality. This thesis focuses on one possible solution to compensate for this difference in phase noise by using an inter-satellite radio link. The thesis describes how known parameters of a local oscillator are used to estimate the quality of a bistatic interferometric image. Combining the results of these simulations with information obtained from previous research, requirements for a test board are derived, which are used to demonstrate the operation of the synchronisation link. The design of this test board is described together with measurements performed to validate it's operation. The main metric of performance for the synchronisation link is how well it is able to recreate the phase noise of the transmitting satellite's oscillator on board the receiving satellite. The measurement results indicate that the phase noise behaviour was not fully within the initially specified limits. However, based on the results, only small modifications are needed in order to reach the required phase recreation accuracy.

Lähiaikojen radio- ja avaruustekniikan kehitys on mahdollistanut pienten satelliitten konstellaatiot, joilla on päähyötykuormanaan synteettisen apertuurin tutka (SAR). Näiden satelliittikonstellaatioiden avulla on mahdollista kuvata laajoja alueita lyhyillä vasteajoilla riippumatta sääolosuhteista. Jos konstellaation satelliitit lentävät riittävän lyhyillä välimatkoilla, on mahdollista tehdä bistaattisia tutkamittauksia. Yhdistämällä nämä bistaattiset mittaukset interferometrian kanssa, on mahollista luoda digitaalisia korkeuskarttoja ilman aikajohdannaista dekorrelaatiota, jota esiintyy usean ylilennon aikana tehdyissä interferometrisissa mittauksissa. Yksi bistaattisen kuvantamisen päähaasteista on useamman tutkajärjestelmän synkronointi. Koska kahdessa tutkajärjestelmässä on erilliset oskillaattorit, vastaanotetun tutkapulssin vaihekohina ei kompensoidu signaalin alas muunnoksessa. Sen sijaan oskillaattorin vaihekohina jää haittaamaan interferometrisen kuvan laatua. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia yhtä mahdollista ratkaisua tähän ongelmaan. Ratkaisu hyödyntää satelliittien välistä radioyhteyttä, jolla lähetetään tutkien oskillaattorisignaalia. Tässä diplomityössä kuvaillaan, kuinka oskillaattorin ominaisuuksien perusteella voidaan analysoida itnerferometrisen kuvan laatua tilanteessa, jossa vaihekohinan kompensointia ei tapahdu. Näihin simulaatioihin sekä edelliseen tutkimustyöhön perustuen luodaan vaatimukset synkronointijärjestelmän prototyyppiä varten, jonka tarkoitus on demonstroida synkronisaatiolinkin toimintaa. Testilevyn suunnitelmat sekä sille toteutettavat mittaukset on kuvailtu tässä työssä. Synkronisaatiolinkin tärkein toiminnan mittasuure on, kuinka hyvin lähettävän tutkan oskillaattorin signaali saadaan toistettua vastaanottavassa tutkassa. Erityisen tärkeää on signaalin vaiheen jäljitelmä. Mittausten perusteella testilevy ei saavuttanut täysin tässä työssä määriteltyjä vaatimuksia. Tekemällä testilevyyn muutamia pieniä muutoksia, tarvittavaan tarkkuuteen on mittausten perusteella mahdollista päästä.

Description

Supervisor

Praks, Jaan

Thesis advisor

Neerot, Martin

Keywords

synthetic aperture radar, bistatic, interferometry, phase noise, inter-satellite

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202005243267

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC