KR101007389B1 - 이미지 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 압축 감지(compressive sensing) 기법을 이용하여 타겟을 이미지로 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 송신기에 구비된 각 안테나에 할당된 광대역 주파수를 협대역 주파수들로 분할하고, 상기 분할된 협대역 주파수들 중에서 일부 협대역 주파수를 통해 전자기파 신호를 이미지화하기 위한 타겟으로 송신하고, 상기 타겟으로부터 피드백된 각 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하고, 상기 샘플링된 신호들을 이용하여 상기 타겟을 이미지화하는 과정을 포함한다.
압축 감지, 이미지 생성, 광대역 레이더

Description

이미지 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING IMAGE}
본 발명은 이미지 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 압축 감지(compressive sensing) 기법을 이용하여 타겟을 이미지로 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 벽투과 레이더 이미징(through-the-wall radar imaging)은 방위 섹터에 넓게 응용되기 때문에 최근에 많이 부각되고 있다. 유전체 벽을 통과할 수 있는 전자기파는 합성 배열(synthetic array) 속의 여러 위치에서 송수신되며 2차원 이미지로 결합된다. 그리고, 이러한 벽투과 레이더 이미징은 높은 해상 이미지를 얻기 위해 광대역 주파수를 사용하며, 주파수 대역은 일부 연속적인 협대역 주파수(예: step-frequency 신호)로 분할될 수 있기 때문에, 실내의 이미지와 같이 수 GHz의 주파수를 갖는 광대역은 많은 양의 협대역 신호를 요구한다. 다시 말하면, 하나의 광대역 주파수는 다수의 협대역 주파수로 분할되고, 각각의 분할된 주파수에서 타겟을 이미지화하기 위해 송신기는 전자기파 신호를 타겟으로 송신하고, 상기 타겟으로부터 피드백된 전자기파 신호를 수신한다. 예를 들어, 50개의 안테나 위치와 200개의 협대역 신호가 사용될 때, 데이터 샘플의 전체 수는 10000개가 된 다. 즉, 어떤 타겟을 이미지화 할 경우, 타겟을 이미지화하기 위해 다양한 위치에서 협대역 신호를 송신하고, 타겟으로부터 반사된 신호를 통해서 타겟을 이미지화한다.
이경우, 적은 데이터 수집과 포착 횟수의 요구가 고려되기 때문에, 데이터 샘플의 전체 수는 많으며 많은 실질적 감독과 상황을 트래킹하는 것이 필요하다. 압축 감지 기법은 이미지 품질의 손상없이 다수의 샘플을 감소하기 위한 효율적인 방법이다. 즉, 이러한 압축 감지 기법은 적은 양의 데이터로부터 완벽한 신호 복원이 가능하다. 이러한 압축 감지 응용을 위해 예정된 데이터 벡터y와 요구된 미지의 신호 s간의 관계는 하기 <수학식 1>로 주어진다.
y=As
상기 <수학식 1>에서 y는 측정된 데이터 벡터이며, A는 매트릭스를 나타내며, s는 미지의 신호를 나타낸다. 매트릭스 A의 행렬의 수는 열의 수보다 작은 경우, y로부터 s를 단일하게 복구하기는 불가능하다. 그리고, 압축 감지 기법으로 s를 찾을 수 있고 스파스 벡터(sparse vector)를 제공한다. 스파스 벡터 표현은 오직 넌제로(nonzero) 요소의 작은 수에 적용한다. 이러한 벡터는 아래 <수학식 2>의 최적 문제를 해결함으로써 찾을 수 있다.
Figure 112009062056754-pat00001
상기 <수학식 2>에서
Figure 112009062056754-pat00002
는
Figure 112009062056754-pat00003
놈(norm)에서
Figure 112009062056754-pat00004
이다.
실내 이미지, 타켓들의 수, 또는 타겟의 객체 영역은 관심있는 전체 화면과 비교하여 볼 경우 매우 작다. 이러한 압축 감지는 희박한 이미지 영역에 기반하여 벽투과 레이더 이미징에 응용될 수 있다. 압축 감지 기법은 정지된 표적의 위치를 검출하는 영상 레이더에 적용된다.
그런데, 종래에는 광대역 주파수를 다수의 협대역 주파수로 분할하고, 분할된 다수의 협대역 주파수 모두를 다양한 위치에서 타겟을 이미지화하기 위한 신호를 송수신한다. 이와 같이, 종래에는 다양한 위치에서 모든 협대역 주파수를 송수신하기 때문에, 협대역 주파수의 수가 많은 단점과, 타겟을 이미지로 표현함에 있어서 간결한 포착(short acquisition)이 어렵고, 처리 시간이 많은 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위해서 착안된 것으로서, 타겟으로부터 피드백된 임의의 개수의 협대역 주파수를 이용하여 이미지를 생성하는 이미지 생성 장치 및 방법을 제공한다.
상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 송신기에서 타겟을 이미지로 생성하는 방법에 있어서, 상기 송신기에 구비된 각 안테나에 할당된 광대역 주파수를 협대역 주파수들로 분할하고, 상기 분할된 협대역 주파수들 중에서 일부 협대역 주파수를 통해 전자기파 신호를 이미지화하기 위한 타겟으로 송신하는 과정과, 상기 타겟으로부터 피드백된 각 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하는 과정과, 상기 샘플링된 신호들을 이용하여 상기 타겟을 이미지화하는 과정을 포함한다.
또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 송신기에 있어서, 상기 송신기에 구비된 각 안테나에 할당된 광대역 주파수를 협대역 주파수들로 분할하고, 상기 분할된 협대역 주파수들 중에서 일부 협대역 주파수를 통해 전자기파 신호를 이미지화하기 위한 타겟으로 송신하고, 상기 타겟으로부터 피드백된 각 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하고, 상기 샘플링된 신호들을 이용하여 상기 타겟을 이미지화하는 이미지 생성 장치를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 생성 장치 및 방법은 타겟으로부터 피드백된 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하여 이미지화함으로써, 협대역 주파수의 수가 많은 단점과, 타겟을 이미지로 표현함에 있어서 간결한 포착이 어렵고, 처리 시간이 많은 문제점을 해결하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 이미징의 압축 감지 기법을 위한 안테나별 주파수를 나타낸 예시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 벽투과 레이더 이미징의 압축 감지 기법은 송신단에 구비된 다수의 안테나(예: 안테나 1, 안테나 2, 안테나 3,...안테나 N)가 구비되어 있으며, 각각의 안테나는 광대역 주파수가 할당되어 있다. 예를 들어, 안테나 1에는 f1이 할당되어 있고, 안테나 2에는 f2가 할당되어 있고, 안테나 N에는 fN이 할당되어 있거나, 또는 상기 안테나들(안테나 1, 안테나 2, 안테나 3,...안테나 N)에게 동일한 대역폭을 갖는 광대역 주파수가 할당될 수 있다. 또한, 타겟을 이미지화하기 위해 각각의 광대역 주파수는 도시된 바와 같이 다수의 협대역 주파수(예: f1, f2, f3, f4,...fM)로 분할된다. 이러한 협대역 주파수를 주파수 빈이라고도 한다.
즉, 본 발명은 각각의 안테나 별로 할당된 광대역 주파수를 다수의 협대역 주파수로 분할하고, 분할된 다수의 협대역 주파수 중에서 임의의 개수에 해당되는 협대역 주파수를 이용하여 전자기파 신호를 타겟에 송신하고, 타겟으로부터 수신된 일부 협대역 주파수를 샘플링하여 압축 감지 기법을 적용하고, 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)함으로써 타겟을 이미지화한다. 이하, 타겟을 이미지화하기 위한 본 발명에 따른 압축 감지 기법과, 타겟을 이미지화하기 위한 특징은 후술한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이더 이미징의 압축 감지 기법을 나타낸 예시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 송신기는 안테나에 할당된 광대역 주파수를 다수의 협대역 주파수로 분할하고, 분할된 다수의 협대역 주파수들 주에서 임의의 개수에 해당되는 협대역 주파수를 선택하여 협대역 주파수를 통해서 타겟을 이미지화하기 위한 전자기파 신호를 송신한다. 그리고, 타겟을 통해 피드백된 신호들을 수신한다. 수신된 신호는 광대역 주파수가 분할된 협대역 주파수들(예: M개) 중에서 선택된 임의의 협대역 주파수(예: k개)의 수와 같다. 이와 같이, 선택된 협대역 주파수 별로 피드백된 신호들이 수신되면, 이를 샘플링한다. 그리고, 샘플링된 신호들에 압축 감지 기법을 수행한다. 즉, K개의 주파수 빈 샘플들은 압축 감지 기법에 의해 M 레인지 빔 샘플들로 변환되고, 상기 변환된 M 레인지 빔 샘플들은 이산 퓨리에 변환 과정을 거친 후, 빔포밍에 사용된다. 즉, 모든 N 개의 안테나 위치들로부터 K 개의 주파수 빈 샘플들이 수집되고, 타겟을 이미지로 만들기 위해 빔포밍에 사용된다. 상기 송신기는 다수의 안테나가 구비되어 있으며, 각각의 안테나는 타겟으로부터 피드백된 전자기파 신호를 수신한다. 이러한 K개의 협대역 주파수는 안테나 별로 서로 다르거나 같다.
이하, 압축 감지 기법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
압축 감지 기법을 적용하기 위해 먼저, 가용 데이터와 신호간의 선형 관계를 정의한다. 그리고, <수학식 1>에서 y와 s를 복구하는 경우, 상기 <수학식 1>은 아래 <수학식 3>으로 표현될 수 있다.
Figure 112009062056754-pat00005
Figure 112009062056754-pat00006
그리고,
Figure 112009062056754-pat00007
이다.
상기 <수학식 3>에서 sn을 n번째 안테나 위치에서부터 타겟 위치의 이산 범위로 정의한다. 비록 압축 감지 기법이 합성 개구면 배열(synthetic aperture array)을 사용하지만, 각 안테나 위치로 수집된 신호들은 1차원 벡터로 독립적으로 처리될 수 있다. yn이 n번째 안테나 위치에 수신된 신호라 정의한다. 그러면 y와 타겟 위치간의 관계는 <수학식 3>으로 표현된다. <수학식 3>을 통해서 관심영역이 ui로서 M개의 동일한 공간 거리로 분할되고,
Figure 112009062056754-pat00008
는 하나의 ui와 매칭됨을 알 수 있다.
신호 sn의 차원과 yn의 차원은 이산(discrete) 범위의 수이고 협대역 주파수 의 수이다. 매트릭스 A는 퓨리에 매트릭스와 유사하며, 퓨리에 매트릭스는 주파수 표현과 시간 표현에 관련된다. 압축 감지 기법으로 인해,
Figure 112009062056754-pat00009
로부터 sn을 복구할 수 있으며,
Figure 112009062056754-pat00010
는 k차원 벡터이고, yn으로부터 랜덤하게 선택된 구성요소들이다. 다시 말해서, 본 발명은 타겟을 이미지화함에 있어서, 아래 <수학식 4>을 이용하여 M 대신에 오직 k(<M) 개의 협대역 주파수를 사용하여 레이더 신호인
Figure 112009062056754-pat00011
로부터 sn을 복구할 수 있다.
Figure 112009062056754-pat00012
여기서,
Figure 112009062056754-pat00013
이다.
상기 <수학식 4>에서
Figure 112009062056754-pat00014
Figure 112009062056754-pat00015
은 랜덤하게 선택된 협대역 주파수의 인덱스들이다. 선택된 협대역 주파수는 전체 주파수 대역에 걸쳐 분포된다. 또한, 선택된 협대역 주파수는 안테나별로 다를 수도 있으며, 같을 수도 있다.
sn의 복구된 버전인
Figure 112009062056754-pat00016
은 모든
Figure 112009062056754-pat00017
에서 찾을 수 있으며, 지연 합산(delay-and-sum, DS) 빔포밍을 적용함으로써 레이더 이미지를 얻을 수 있다. 상기 지연 합산 빔포밍은 일반적으로 주파수 도메인에 적용된다. 주파수 도메 인 표현은 이산 퓨리에 변환을 sn에 적용함으로써 얻을 수 있다. sn의 퓨리에 변환에서 주파수 범위와 주파수 스텝은 yn의 값들과 다르다. 이러한 파라미터들은 다수의 레인지 빈들에 종속적이며 레인지 빈들간의 거리다.
Figure 112009062056754-pat00018
을 레인지 빈들간의 거리라 가정하면, 레인지 빈들간의 시간 간격은 아래 <수학식 5>로 표현될 수 있다.
Figure 112009062056754-pat00019
이다.
상기 <수학식 5>에서
Figure 112009062056754-pat00020
은 레이더의 다운 레인지 최소 식별거리(down-range resolution)이며
Figure 112009062056754-pat00021
이다. C는 레이더 신호의 전파 속도이고, B는 신호 대역폭이다.
Figure 112009062056754-pat00022
일 때, 시간 간격 T는 아래 <수학식 6>으로 표현된다.
Figure 112009062056754-pat00023
이다.
상기 <수학식 6>에서
Figure 112009062056754-pat00024
의 퓨리에 변환에서 사용된 주파수 스텝은
Figure 112009062056754-pat00025
이다.
α는 두개의 연속적인 레인지 빈들간의 손실 타겟을 방지하기 위해 1보다 적다. 상기
Figure 112009062056754-pat00026
은 주파수 도메인에서 지연 합산 빔포밍을 적용하기 위해 사용된다. K 개의 협대역 주파수 샘플들은 압축 감지 기법에 의해 M 레인지 빔 샘플들로 변환된다. 그러면, 그들은 M개의 주파수 빈 샘플들로 변환되고 빔포밍에 사용된다. 모든 N 안테나 위치들로부터 M 주파수 빈 샘플들이 수집되고, 이미지를 만들기 위해 빔포빙에 사용된다.
이하, 수집된 빈 샘플들로부터 타겟을 이미지화하기 위한 특징을 설명하면 다음과 같다.
타겟을 이미지화하기 위해서, 송신기는 몇몇 위치에서 전자기파를 송수신함으로써 이미지화 할 수 있다. N개의 안테나 위치와 각 안테나 별로 M개의 협대역 신호가 있다고 가정하자. m번째 주파수를 가지는 n번째 안테나 위치에서 수신된 레이더 신호는
Figure 112009062056754-pat00027
와 같이 주어진다.
여기서
Figure 112009062056754-pat00028
는 p번째 타겟의 반사계수이며,
Figure 112009062056754-pat00029
는 n번째 안테나에서 p번째 타겟의 신호 전파 거리이며, C는 신호 전파의 속도이다. 주파수 빈 fm은 주파수 범위내에서 일반적으로 단일하게 분포되어 있다. 자유 공간에서 신호 전파 범위는 타겟 즉, 타겟과 안테나간의 지리적 거리이다. 그런데, 신호 전파가 변경되는 벽이 존재할 때, 전파 범위는 벽 두께 및 유전체 상투에 따라서 적절히 계산된다. 본 발명은 이러한 벽 파라미터가 이용하고 벽 계수를 고려한다. 모든 데이터 샘플 또는 M개의 협대역 신호 중에서 K개의 협대역 신호가 수집되어졌을 때, 지연 합산 빔포밍은 이미지를 구성하기 위해 적용될 수 있다. 지연 합산 빔포밍을 사용한 (g,h)번째 픽셀 값은
Figure 112009062056754-pat00030
위 수학식에서
Figure 112009062056754-pat00031
는 n번째 안테나 위치와 (g,h)번째 픽셀 위치간의 신호 전파 거리이다. 비록 일부 데이터 샘플이 손실되더라도 이미지는 여전히 달성될 수 있다. 오직 주파수 밴드의 일부만을 사용하여 생성된 얇은(thinned) 주파수 이미지는 이미지 품질을 보여주며, 이러한 이미지 품질은 다수 손신된 데이터의 감쇄에 비례한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 영상 생성 방법을 나타낸 순서도이다.
도시된 바와 같이, 송신기는 구비된 다수의 안테나들을 통해서 광대역 주파수가 M개로 분할된 협대역 주파수 중 K개 협대역 주파수의 전자기파 신호를 이미지하고자 하는 타겟으로 송신한다(S301). 이때, 각각의 안테나는 동일한 광대역 주파수를 사용한다. 상기 일부 신호들(예: K개)은 광대역 주파수가 M개의 협대역 주파수로 분할되었을 경우, 상기 M보다 적다(M>K). 또한, K개의 협대역 주파수는 각 안테나별로 같을 수도 있으며, 다를 수도 있다. 그리고, 송신된 협대역 전자기파 신호들이 상기 타겟으로부터 피드백되면, 수신된 K개의 협대역 주파수에 해당되는 신호들을 샘플링한다(S303). 그리고, 샘플링된 신호들에 압축 감지 기법을 적용하여 M개의 레인지 빈 값들을 생성하고, 생성된 M개의 레인지 빈 값들에 이산 퓨리에 변환을 수행하여 M개의 주파수 빈 값들을 생성한다(S305). 상기 압축 감지 기법은 전 술하였으므로, 생략한다. 그리고, 상기 과정(S305)에서 M개의 주파수 빈 값들이 생성되면, 생성된 M개의 주파수 빈 값들의 레이더 신호를 추출하고, 추출된 레이더 신호를 이용하여 빔포밍을 수행하여 이미지를 생성한다(S307).
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 이미징의 압축 감지 기법을 위한 안테나별 주파수를 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이더 이미징의 압축 감지 기법을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이더 영상 생성 방법을 나타낸 순서도.

Claims (4)

  1. 송신기에서 타겟을 이미지로 생성하는 방법에 있어서,
    상기 송신기에 구비된 각 안테나에 할당된 광대역 주파수를 협대역 주파수들로 분할하고, 상기 분할된 협대역 주파수들 중에서 일부 협대역 주파수를 통해 전자기파 신호를 이미지화하기 위한 타겟으로 송신하는 과정과;
    상기 타겟으로부터 피드백된 각 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하는 과정과;
    상기 샘플링된 신호들에 압축 감지 기법을 적용하여 상기 분할된 협대역 주파수의 개수와 동일한 개수의 레인지 빈 값들을 생성하는 과정과;
    상기 생성된 레인지 빈 값들에 이산 퓨리에 변환 과정을 적용하는 과정과;
    상기 이산 퓨리에 변환이 적용된 값에 빔포밍을 수행하여 상기 타겟을 이미지화하는 과정을 포함하는 이미지 생성 방법.
  2. 삭제
  3. 송신기에 있어서,
    상기 송신기에 구비된 각 안테나에 할당된 광대역 주파수를 협대역 주파수들로 분할하고, 상기 분할된 협대역 주파수들 중에서 일부 협대역 주파수를 통해 전자기파 신호를 이미지화하기 위한 타겟으로 송신하고, 상기 타겟으로부터 피드백된 각 협대역 주파수의 전자기파 신호들을 샘플링하고, 상기 샘플링된 신호들에 압축 감지 기법을 적용하여 상기 분할된 협대역 주파수의 개수와 동일한 개수의 레인지 빈 값들을 생성하고, 상기 생성된 레인지 빈 값들에 이산 퓨리에 변환 과정을 적용하고, 상기 이산 퓨리에 변환이 적용된 값에 빔포밍을 수행하여 상기 타겟을 이미지화하는 이미지 생성 장치를 포함하는 송신기.
  4. 삭제
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CN102890275A (zh) * 2011-07-22 2013-01-23 中国科学院电子学研究所 一种基于交叉熵最小化的压缩感知雷达成像方法
CN103983972A (zh) * 2014-05-06 2014-08-13 电子科技大学 一种快速压缩传感三维sar稀疏成像方法

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KR100413831B1 (ko) * 2001-09-04 2004-01-14 한국전기연구원 지반탐사 레이더

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