KR101006080B1 - 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법 - Google Patents

합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 인공위성 또는 항공기에 탑재된 합성개구레이더를 이용하여 선박 등과 같은 이동체의 진행 방향을 측정하고, 합성개구레이더의 시선 방향으로 이동체의 속도를 측정하여, 실제 이동체의 속도 벡터를 도출하는 방법에 관한 것이다.
레이더, 도플러, 속도, 방위각

Description

합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법 {Velocity measuring method of moving object using synthesized aperture radar}
본 발명은 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 인공위성 또는 항공기에 탑재된 합성개구레이더를 이용하여 선박 등과 같은 이동체의 진행 방향을 측정하고, 상기 합성개구레이더의 시선 방향으로 이동체의 속도를 측정하여 이동체의 실제 속도를 도출하는 방법에 관한 것이다.
어선, 여객선, 군함 또는 화물선 등과 같은 해상에서의 이동체의 위치식별에 있어서, 종래에는 일정한 시간 간격을 두고 인공위성에서 복수 번 레이더 신호를 발사하여 상기 이동체의 위치를 파악하고 이동방향을 식별하였다. 즉, 전자 기술 및 컴퓨터 기술의 급격한 발달과 더불어 전에는 군사 기술로만 취급되던 레이더 신호를 컴퓨터 데이터로 변환하는 장비인 RSC(Radar Scan Converter)가 저가로 시장에 나오게 되었으며, 이에 따라 레이더 신호를 영상화하고, 영상 이미지 속의 이동체의 좌표를 구하여 이동체의 위치를 식별하게 되었다.
또한, 이동체의 위치 측정과 함께 이동체의 속도를 측정하는 기술이 연구되고 있다. 그러나, 레이더를 탑재하는 인공위성 또는 항공기가 특정 방향으로 이동하므로, 레이더에서 방출된 신호가 이동체에 반사되어 되돌아오는 과정에서 인공위성 또는 항공기의 이동에 의한 여러 가지 오차가 발생하고, 따라서 이러한 레이더 신호를 이용하여 속도를 계산하였을 때에도 상기 오차에 의한 부정확한 결과가 도출되는 단점이 발생한다.
상기의 단점을 해결하기 위해 육상에 레이더를 설치한다 하더라도 연근해에서만 한정적으로 사용되는 단점이 있으며, 정지 위성에 레이더를 탑재하는 경우에도 합성 개구 원리를 사용할 수 없어 정밀한 측정을 수행할 수 없고 신호에 따른 영상의 해상도가 나빠지는 등의 단점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 합성개구레이더의 데이터를 이용하여 이동체의 위치, 진행 방향 및 합성개구레이더의 시선 방향으로 이동체의 속도를 측정하여 이동체의 실제 속도를 도출하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 비행체에 탑재된 합성개구레이더를 이용하여 이동체의 속도를 측정하는 방법에 있어서, 상기 합성개구레이더로 이동체가 위치한 구역을 탐지하는 제 1 단계, 상기 합성개구레이더에 의해 탐지된 데이터를 수신하는 제 2 단계, 상기 합성개구레이더로부터 상기 이동체로의 시선 방향으로 상기 데이터를 압축하는 제 3 단계, 상기 데이터의 도플러 위상 성분을 이용하여 상기 이동체의 시선 방향의 속도를 계산하는 제 4 단계, 상기 이동체의 이동 방향으로 상기 데이터를 압축하고, 상기 데이터를 화상 이미지로 변환하는 제 5 단계, 상기 화상 이미지를 이용하여 이동체의 위치와 침로의 방위각을 확인하는 제 6 단계, 및 상기 제 6 단계에서 도출된 이동체의 침로의 방위각과 상기 제 4 단계에서 계산된 이동체의 시선 방향으로의 속도를 이용하여 상기 이동체의 실제 속도 벡터를 계산하는 제 7 단계를 포함하고, 상기 제 4 단계는, 상기 화상 이미지에서 도플러 위상 성분을 추출하는 제 4-1 단계, 상기 도플러 위상 성분에서 이동체의 이동에 대한 도플러 위상 성분을 제외한 오차 성분을 제거하는 제 4-2 단계, 및 상기 이동체의 시선 방향으로의 속도를 계산하는 제 4-3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 비행체는 인공위성 또는 항공기인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 이동체는 선박인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 7 단계에서 상기 이동체의 실제 속도 벡 터는 하기 수학식 1과 같이 계산되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112009018388247-pat00001
(여기서 V는 이동체의 속도, Vr은 이동체의 속력,θ는 이동체의 침로의 방위각)
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 6 단계에서 침로의 방위각의 확인은 화상 이미지의 픽셀을 이루는 신호의 강도, 또는 픽셀의 분포 정보를 통해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 4-2 단계의 오차 성분은 상기 비행체의 이동에 따른 선형 도플러 위상 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 제공한다.
본 발명의 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법은 이동체의 위치를 식별할 수 있을 뿐 만 아니라, 이동체의 진행 방향 및 속력을 측정하여 이동체의 실제 속도 벡터를 계산하는 과정을 제공하는 효과가 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법에 관한 과정이 도시되어 있고, 도 2 내지 도 4에는 도 1의 과정 중 일부에 관한 도면이 도시되어 있다.
도 1을 도 2 내지 도 4와 함께 참조하면, 먼저 합성개구레이더를 이용하여 이동체가 위치한 구역을 탐지(S100)한다. 상기 합성개구레이더(110)는 인공위성(100) 또는 항공기 등 소정의 속력으로 이동하는 비행체에 탑재된다. 이러한 합성개구레이더는 대기권 또는 대기권의 외곽을 따라 이동하면서 바다 또는 육지를 탐지한다. 상기 합성개구레이더에 의한 탐지 데이터는 소정의 데이터 처리 장치에 수신(S200)되어 합성개구레이더의 시선 방향으로 1차 압축(S300)된다. 합성개구레이더를 통해 얻은 데이터의 화상 이미지에는 한 픽셀에 대한 정보가 여러 픽셀에 걸쳐 흩어져 있게 되는데 본 발명에서 '압축'은 흩어져 있는 데이터를 원래의 픽셀로 모아주는 과정을 의미한다. 도 2에는 상기 이동체에 대한 화상 이미지를 1차 압축시킨 후의 이미지가 나타나 있다.
본 발명에서 '시선 방향'은 합성개구레이더로부터 전파를 방출하는 방향으로 대부분의 경우 비행체의 이동방향에 대해 수직 방향이다. 이러한 시선 방향은 상기 합성개구레이더가 탑재된 비행체의 이동에 따라 기울기가 변화한다.
상기 1차 압축된 데이터는 다시 이동체가 이동하는 방향으로 2차 압축을 수행하여 최종 화상 이미지를 도출(S400)한다. 그 후, 상기 최종 화상 이미지의 픽셀을 이루는 신호의 강도, 또는 픽셀의 분포 정보를 통해 이동체의 침로의 방위각을 확인(S500)한다. 이러한 과정은, 예를 들어 도 3과 같이 이동체가 선박(20)인 경우 그것의 형태는 일반적으로 유선형의 형태를 이루므로, 상기 최종 화상 이미지(도 4 참조)에도 대략 유선형 형태(200)으로 선박(20)의 형상이 나타나며, 상기 선박(20)의 형상을 이루는 픽셀들에 대하여 별도의 프로그램 등에 의한 분석 과정을 수행하여 선박(20)의 선수 또는 선미가 어느 방향을 향하고 있는지의 방위각을 도출한다. 이 때, 상기 유선형 형태(200)의 픽셀 분포는 폭보다 길이가 긴 형태를 이루므로, 길이가 긴 방향에 대한 가상선(210)을 형성시키고 상기 가상선(210)이 향하는 방향을 상기 선박의 방위각으로 결정한다. 경우에 따라서, 상기 최종 화상 이미지에서 선박(20)의 선수 및 선미의 구분이 명확하지 않을 수 있지만, 적어도 선박의 선수 또는 선미가 어느 방향을 향하고 있는지는 파악이 가능하다.
한편, 상기 합성개구레이더에서 상기 이동체를 향해 전파된 전파는 도플러 효과에 의해 중심주파수의 변이가 일어나게 되고, 이는 상기 합성개구레이더를 탑재한 비행체(위성, 항공기 등)의 비행 방향으로의 신호를 미분하여 얻은 신호(차분 신호)에서의 위상 변화로 나타난다. 일반적으로 합성개구레이더에서 감지하는 타겟의 위상은 도플러 변화율에 따라 선형적으로 변한다. 따라서, 상기 1차 압축된 데이터로부터 차분 신호를 도출하고, 상기 차분 신호로부터 상기 이동체의 이동에 관한 도플러 위상 성분을 추출(S510)한 후, 상기 비행체의 이동에 따른 선형 도플러 위상 성분 및 상수 값을 갖는 위상 성분 등의 오차 성분(S520)를 제거하고 남은 신호로부터 합성개구레이더의 전파가 전파되는 방향, 즉 합성개구레이더의 시선 방향으로의 이동체의 이동 속도를 계산(S530)한다.
마지막으로, 상기 이동체의 침로의 방위각 데이터 및, 상기 합성개구레이더의 시선 방향에서의 상기 이동체의 이동 속력 데이터를 이용하여 상기 이동체의 실제 속도 벡터를 계산(S700)한다.
이러한 이동체의 실제 속도 벡터를 계산하는 과정은 도 5 및 하기 [식 1]과 같은 과정으로 수행된다.
Figure 112009018388247-pat00002
(여기서 V는 이동체의 속도, Vr은 이동체의 속력,θ는 이동체의 침로의 방위각)
도 6은 합성개구레이더의 이동, 시선 방향, 및 이동체의 이동에 관한 모식도로서, 하기 식 2 내지 식 4의 과정을 통해 이동체의 실제 속도를 계산하는 과정의 참조 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 합성개구레이더가 탑재된 비행체의 이동 속도를 V, 방위각 시간을 t, 상기 합성개구레이더와 상기 이동체 사이에서 방위각 시간에 따른 시선 방향의 기울기를 r(t), 상기 합성개구레이더에서 사용하는 전파의 파장을 λ, 상기 이동체의 시선 방향의 속도를 Vsr이라 할 때, 1차 압축된 후에 합성개구레이더의 화상 이미지에서 이동체에 반사되어 돌아온 전파 신호의 강도는 하기 수학식 2와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112009018388247-pat00003
상기 수학식 2를 이용하여 방위각 차분 이미지를 하기 수학식 3과 같이 생성할 수 있다.
Figure 112009018388247-pat00004
또한 상기 수학식 3을 전개하면 하기 식(4)과 같이 이동체의 속도 성분이 포함된 위상 성분을 구할 수 있다.
Figure 112009018388247-pat00005
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법에 관한 흐름도이다;
도 2는 이동체에 대한 화상 이미지를 1차 압축시킨 후의 이미지에 관한 도면이다;
도 3은 비행체 및 이동체에 관한 예시도이고, 도 4는 도 3의 비행체의 합성개구레이더에 의해 탐지된 이동체의 화상 이미지이다;
도 5는 이동체의 실제 속도 벡터를 계산하는 과정의 참조 도면이다;
도 6은 합성개구레이더의 이동, 시선 방향, 및 이동체의 이동에 관한 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 선박 30: 바다
100 : 인공위성 110 : 합성개구레이더

Claims (6)

  1. 비행체에 탑재된 합성개구레이더를 이용하여 이동체의 속도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 합성개구레이더로 이동체가 위치한 구역을 탐지하는 제 1 단계;
    상기 합성개구레이더에 의해 탐지된 데이터를 수신하는 제 2 단계;
    상기 합성개구레이더로부터 상기 이동체로의 시선 방향으로 상기 데이터를 압축하는 제 3 단계;
    상기 데이터의 도플러 위상 성분을 이용하여 상기 이동체의 시선 방향의 속도를 계산하는 제 4 단계;
    상기 이동체의 이동 방향으로 상기 데이터를 압축하고, 상기 데이터를 화상 이미지로 변환하는 제 5 단계;
    상기 화상 이미지를 이용하여 이동체의 위치와 침로의 방위각을 확인하는 제 6 단계; 및
    상기 제 6 단계에서 도출된 이동체의 침로의 방위각과 상기 제 4 단계에서 계산된 이동체의 시선 방향으로의 속도를 이용하여 상기 이동체의 실제 속도 벡터를 계산하는 제 7 단계;
    를 포함하고,
    상기 제 4 단계는,
    상기 화상 이미지에서 도플러 위상 성분을 추출하는 제 4-1 단계;
    상기 도플러 위상 성분에서 이동체의 이동에 대한 도플러 위상 성분을 제외한 오차 성분을 제거하는 제 4-2 단계; 및
    상기 이동체의 시선 방향으로의 속도를 계산하는 제 4-3 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비행체는 인공위성 또는 항공기인 것을 특징으로 하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동체는 선박인 것을 특징으로 하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 7 단계에서 상기 이동체의 실제 속도 벡터는 하기 수학식 1과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 레이더를 이용한 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112009018388247-pat00006
    (여기서, V는 이동체의 실제 속도 벡터, Vr은 합성개구레이더의 시선 방향에서의 이동체의 속도, θ는 이동체의 침로의 방위각)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서 침로의 방위각의 확인은 화상 이미지의 픽셀을 이루는 신호의 강도, 또는 픽셀의 분포 정보를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4-2 단계의 오차 성분은 상기 비행체의 이동에 따른 선형 도플러 위상 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성개구레이더를 이용한 이동체 속도 측정 방법.
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