KR101029175B1 - METHOD OF GENERATING LONG RANGE INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGE using polynomial and Gaussian basis function AND APPARATUS THEREOF - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다항식과 가우시안 함수를 이용하는 장거리 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 비행 중인 표적에 대한 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법에 있어서, 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 반사파로부터 추출된 거리측면도를 이용하여 표적의 추정 궤적을 생성하는 단계, 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하는 단계, 거리측면도의 무게 중심 궤적을 구하는 단계, 추정 궤적과 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정하는 단계, 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 파라미터 값을 조절하여 거리 정렬하는 단계, 그리고 거리 정렬된 거리측면도의 위상 오차를 보상하고, 거리측면도를 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함한다. 이와 같이 본 발명에 따르면 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수에 대하여, 무게 중심과 추정 궤적의 차이가 최소가 되도록 1차적으로 모델링하고, PSO 알고리즘을 통하여 2차적으로 모델링 함으로써, 더욱 정확하고 세밀하게 거리 정렬을 수행할 수 있다. The present invention relates to a method and apparatus for generating a long range inverse synthetic aperture radar image using a polynomial and a Gaussian function. According to the present invention, a method for generating a reverse synthetic aperture radar image of a target in flight, comprising: receiving a reflected wave scattered and reflected from a target, and generating an estimated trajectory of the target using a distance side view extracted from the reflected wave Step, modeling the estimated trajectory as an orbital function combined with a polynomial and a Gaussian function, obtaining the center of gravity trajectory of the distance profile, and setting the parameter values constituting the trajectory function to minimize the error between the estimated trajectory and the center of gravity trajectory. Adjusting the parameter values to maximize the cost function of the distance profile, compensating for the phase error of the distance-aligned distance profile, and generating a reverse synthetic aperture radar image using the distance profile It includes. As described above, according to the present invention, the orbital function combined with the polynomial and the Gaussian function is primarily modeled so that the difference between the center of gravity and the estimated trajectory is minimized, and is modeled secondarily through the PSO algorithm, thereby more accurately and precisely. Distance alignment can be performed.

ISAR, 레이더, 거리측면도, 거리성분, PSO, 비용함수 ISAR, radar, distance profile, distance component, PSO, cost function

Description

다항식과 가우시안 기저 함수를 이용하는 장거리 역합성 개구면 레이더 영상 생성 방법 및 그 장치{METHOD OF GENERATING LONG RANGE INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGE using polynomial and Gaussian basis function AND APPARATUS THEREOF}FIELD OF GENERATING LONG RANGE INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGE using polynomial and Gaussian basis function AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 장거리 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 짧은 시간 내에 거리 정렬의 정확도를 높일 수 있는 다항식과 가우시안 기저 함수를 이용하는 장거리 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for generating a long range reverse synthetic aperture radar image. More particularly, the present invention relates to a long range reverse synthetic aperture radar image using a polynomial and a Gaussian basis function that can improve the accuracy of distance alignment within a short time. It relates to a method and an apparatus for generating.

최근들어 이동하는 표적의 2차원 고해상도 영상을 획득하는 역합성 개구면 레이더(Inverse synthetic aperture radar, 이하 "ISAR"라고 함) 영상 시스템에 대한 기술이 널리 사용되고 있다. ISAR 영상의 거리방향(down-range) 해상도는 레이더 신호의 대역폭(bandwidth)에 의해서 결정되며, 수직방향(cross-range) 해상도는 표적과 레이더의 상대적인 회전운동에 의해서 결정된다. 이러한 ISAR 영상의 2차원적인 특성으로 인하여, 많은 군사적인 목적으로 적용되고 있다. Recently, a technology for an inverse synthetic aperture radar (hereinafter referred to as "ISAR") imaging system for obtaining a two-dimensional high resolution image of a moving target has been widely used. The down-range resolution of the ISAR image is determined by the bandwidth of the radar signal, and the cross-range resolution is determined by the relative rotational movement of the target and the radar. Due to the two-dimensional nature of these ISAR images, they are applied for many military purposes.

레이더 영상을 이용하여 먼 거리에 있는 표적을 식별할 수 있으며, 이와 같 은 기술을 NCTR(non-cooperative target recognition) 또는 ATR(automatic target recognition)이라 한다. 이러한 NCTR 또는 ATR을 위해서는 고해상도의 ISAR 영상을 획득하여야 하지만, 표적이 이동하면 이로 인한 위상 오차가 발생하여 레이더 영상이 흐려지는 문제점이 발생한다. ISAR 영상을 획득하기 위하여 주로 사용되는 방법은 range-Doppler 알고리즘이며, range-Doppler 알고리즘에서 가장 중요한 단계는 chirp 레이더 시스템의 경우 펄스 사이, stepped-frequency 레이더 시스템의 경우 burst 사이에 발생하는 병진운동(translational motion)에 대한 보상이다. Radar images can be used to identify targets over long distances, a technique known as non-cooperative target recognition (NCTR) or automatic target recognition (ATR). For this NCTR or ATR, a high resolution ISAR image must be obtained, but when the target moves, a phase error occurs due to the blurring of the radar image. The most commonly used method for obtaining ISAR images is the range-Doppler algorithm, and the most important step in the range-Doppler algorithm is the translational movement between pulses for chirp radar systems and bursts for stepped-frequency radar systems. compensation for motion).

표적이 되는 물체의 요동은 일반적으로 병진운동(translation motion)과 회전운동(rotational motion)으로 구성되어 있으며, 특히 병진운동에 대한 보상이 적절하지 않을 경우, 동일한 산란원(scatterer)들이 거리측면도(range profile) 상에서 상이한 위치에 놓이게 되어서 ISAR 영상이 심하게 흐려진다. The fluctuation of the target object generally consists of translational and rotational motions, especially when the compensation for the translational motion is inadequate, the same scatterers range. in different positions on the profile, which causes the ISAR image to become very blurred.

병진운동에 대한 보상은 크게 거리 정렬(range alignment)과 위상 조정(phase adjustment)의 2단계로 나뉜다. 거리 정렬은 동일한 산란원으로부터 반사된 신호들이 다른 거리측면도에서 동일한 위치에 위치하도록 정렬하는 방법이며, 위상 조정은 강제로 거리 정렬을 수행함으로 인한 위상오차를 보상하는 방법이다. Compensation for translational motion is largely divided into two stages: range alignment and phase adjustment. Distance alignment is a method of aligning signals reflected from the same scattering source so as to be located at the same position in different distance side views, and phase adjustment is a method of compensating a phase error due to a forced distance alignment.

종래 기술에 따른 거리 정렬 알고리즘의 경우, 대부분 표적들의 측정은 근거리 상태에서 이루어졌으므로, 짧은 비행궤적으로 인하여 거리성분(이하 "range bin"라고 함)의 개수가 적기 때문에, 정렬시간이 짧고, 비행궤적이 하나의 다항식으로 모델링 될 수 있어서 정렬 결과가 양호하다. In the case of the distance alignment algorithm according to the prior art, since most targets are measured at a short distance, since the number of distance components (hereinafter referred to as "range bin") is small due to the short flight trajectory, the alignment time is short and the flight trajectory is short. This one can be modeled as a polynomial, so the alignment result is good.

그러나, 실제 영상형성 시에는 표적이 원거리에서 탐지되므로 표적의 비행 궤적이 길며, 비행 궤적은 표적의 초기위치와 운동변수들에 의해서 상당한 영향을 받으므로 하나의 다항식으로 비행궤적을 표현하는 것은 매우 어렵다. 따라서 종래 기술에 따른 거리 정렬 알고리즘을 사용할 경우, 거리 정렬 정확도가 저하되거나 거리 정렬 계산 시간이 크게 증가하는 문제점이 발생한다.However, during the actual image formation, the target is detected at a long distance, so the flight trajectory of the target is long, and it is very difficult to express the flight trajectory in one polynomial since the flight trajectory is significantly affected by the target's initial position and motion variables. . Therefore, when the distance alignment algorithm according to the prior art is used, a problem arises in that the distance alignment accuracy is degraded or the distance alignment calculation time is greatly increased.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 장거리에 있는 표적에 대하여 신속하고 정확하게 거리 정렬을 할 수 있는 장거리 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method and apparatus for generating a long range reverse synthetic aperture radar image capable of rapid and accurate distance alignment with respect to a target at a long distance.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따르면, 비행 중인 표적에 대한 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법에 있어서, 상기 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 상기 반사파로부터 추출된 거리측면도를 이용하여 상기 표적의 추정 궤적을 생성하는 단계, 상기 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하는 단계, 상기 거리측면도의 무게 중심 궤적을 구하는 단계, 상기 추정 궤적과 상기 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 상기 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정하는 단계, 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하여 거리 정렬하는 단계, 그리고 거리 정렬된 상기 거리측면도의 위상 오차를 보상하고, 상기 거리측면도를 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함한다. According to an embodiment of the present invention for solving this problem, in the method for generating a reverse synthetic aperture radar image for a target in flight, receiving a reflected wave scattered and reflected from the target, and extracted from the reflected wave Generating an estimated trajectory of the target using a distance side view, modeling the estimated trajectory as an orbital function combined with a polynomial and a Gaussian function, obtaining a center of gravity trajectory of the distance side view, the estimated trajectory and the weight Setting a parameter value constituting the trajectory function so as to minimize an error between center trajectories, adjusting the parameter value so that the cost function of the distance side view is maximum, and distance-aligning the distance-aligned distance side view Compensate for the phase error and inversely synthesize the distance profile Generating an aperture radar image.

상기 거리측면도는 상기 레이더의 관측 각도에 따른 거리성분을 포함한다. The distance side view includes a distance component according to an observation angle of the radar.

상기 궤도 함수는 아래 수학식으로 표현된다.The orbital function is represented by the following equation.

Figure 112009055518120-pat00001
Figure 112009055518120-pat00001

여기서, P(x)는 추정된 궤도 함수이고, x는 각각의 거리측면도 값이며, pi는 다항식 계수이고, ai는 가우시안 계수이며, bi는 거리측면도의 평균 값(mean)이고, ci는 표준 편차이며, L은 다항식의 차수이고, G+1은 가우시안 함수의 개수를 나타낸다. Where P (x) is the estimated orbital function, x is the respective distance profile, p i is the polynomial coefficient, a i is the Gaussian coefficient, b i is the mean value of the distance profile, c i is the standard deviation, L is the order of the polynomial, and G + 1 represents the number of Gaussian functions.

상기 거리측면도의 무게중심은 아래 수학식으로 표현된다. The center of gravity of the distance side view is represented by the following equation.

Figure 112009055518120-pat00002
Figure 112009055518120-pat00002

여기서, COMm은 m 번째 거리측면도의 무게중심이며, Gm(n)은 m 번째 거리측면도를 나타내며, N은 거리성분(range bin)의 개수를 나타낸다. Where COM m is the center of gravity of the m th distance side view, G m (n) represents the m th distance side view, and N represents the number of range bins.

상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하여 거리 정렬하는 단계는, PSO(particle swarm optimization) 알고리즘를 통하여 상기 파라미터값을 조절하며, 상기 PSO 알고리즘은 아래 수학식으로 표현된다. In the step of adjusting the parameter values to maximize the cost function of the distance profile, the parameter values are adjusted through a particle swarm optimization (PSO) algorithm, and the PSO algorithm is represented by the following equation.

Figure 112009055518120-pat00003
Figure 112009055518120-pat00003

여기서, t는 세대 수이고, φ는 관성 가중치이며, ri 는 0과 1 사이에 균일분포(uniform distribution)를 가지는 랜덤변수이다.Here, t is the number of generations, φ is an inertia weight, and r i is a random variable having a uniform distribution between 0 and 1.

상기 비용함수는, 아래 수학식으로 표현된다. The cost function is represented by the following equation.

Figure 112009055518120-pat00004
Figure 112009055518120-pat00004

C는 비용함수고, Gk는 k번째 거리측면도이며, M과 N은 각각 거리측면도의 번호와 각 거리측면도의 거리 성분(range bin)의 개수이다.C is the cost function, G k is the kth distance profile, and M and N are the number of distance profiles and the number of range bins of each distance profile, respectively.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 비행 중인 표적에 대한 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치에 있어서, 상기 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 상기 반사파로부터 추출된 거리측면도로부터 상기 표적의 추정 궤적을 생성하는 거리측면도 생성부, 상기 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하고, 상기 추정 궤적과 상기 거리측면도의 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 상기 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정한 다음, 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하는 거리 정렬부, 거리 정렬된 상기 거리측면도의 위상 오차를 보상하는 위상 조정부, 그리고 상기 거리측면도를 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, in the apparatus for generating a reverse synthetic aperture radar image for a target in flight, receiving a reflected wave scattered and reflected from the target, and from the distance side view extracted from the reflected wave of the target A distance side view generator for generating an estimated trajectory, and modeling the estimated trajectory as an orbital function combining a polynomial and a Gaussian function, and configuring the trajectory function to minimize an error between the estimated trajectory and the center of gravity trajectory of the distance side view. After setting a parameter value, a distance alignment unit for adjusting the parameter value to maximize the cost function of the distance side view, a phase adjuster for compensating a phase error of the distance-aligned distance side view, and an inverse using the distance side view And an image generator for generating a composite aperture radar image.

이와 같이 본 발명에 따르면 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수에 대하여, 무게 중심과 추정 궤적의 차이가 최소가 되도록 1차적으로 모델링하고, PSO 알고리즘을 통하여 2차적으로 모델링 함으로써, 더욱 정확하고 세밀하게 거리 정렬을 수행할 수 있다. 특히, 장거리에서 비행 중인 궤적에 대해서 더욱 정확한 ISAR 영상을 생성할 수 있다. As described above, according to the present invention, the orbital function combined with the polynomial and the Gaussian function is primarily modeled so that the difference between the center of gravity and the estimated trajectory is minimized, and is modeled secondarily through the PSO algorithm, thereby more accurately and precisely. Distance alignment can be performed. In particular, more accurate ISAR images can be generated for trajectories in flight over long distances.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.

먼저, 도 1을 참고하여 ISAR 영상에 대하여 설명한다. 도 1은 ISAR 영상 생성을 위한 표적의 이동을 도시한 예시도이고, 도 2는 표적으로부터 발생하는 산란원을 나타낸 도면이다. First, an ISAR image will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is an exemplary diagram illustrating movement of a target for generating an ISAR image, and FIG. 2 is a diagram illustrating a scattering source generated from a target.

도 1에서 보는 바와 같이, 레이더(200)로부터 떨어져 있는 표적(100)의 상대적인 이동에 의하여 발생되는 관측각도의 변화가 ISAR 영상의 형성에 사용된다. 즉, 레이더(200)와 표적(100) 사이의 관측각도 변화에 따른 레이더 신호는 영상 생성 장치(300)로 송신되고, 영상 생성 장치(300)는 수신된 레이더 신호를 기반으로 ISAR 영상을 생성한다. 여기서, 레이더(200)가 표적(100)을 향해 레이더 빔(beam)을 발사하면 레이더 빔에 의해 포착된 표적(100)은 레이더 신호를 복수의 반사파로 산란시키게 된다. 이때 레이더 빔에 의해 포착된 표적(100)은 도 2와 같이 3차원 좌표 측 상에 등방성(isotropic) 점 산란원(scatterer)으로 표현된다. As shown in FIG. 1, the change in the observation angle caused by the relative movement of the target 100 away from the radar 200 is used to form an ISAR image. That is, the radar signal according to the change in the observation angle between the radar 200 and the target 100 is transmitted to the image generating apparatus 300, and the image generating apparatus 300 generates an ISAR image based on the received radar signal. . Here, when the radar 200 emits a radar beam toward the target 100, the target 100 captured by the radar beam scatters the radar signal into a plurality of reflected waves. In this case, the target 100 captured by the radar beam is represented as an isotropic point scatterer on the 3D coordinate side as shown in FIG. 2.

이하에서는 본 발명을 설명하기에 앞서 레이더 신호를 함수화하는 도플러 알 고리즘에 대해서 설명한다. 먼저 레이더 신호에 있어서, 모노스태틱 처프 파형(monostatic chirp waveform)이 높은 거리 해상도를 가지므로 가장 널리 이용된다. 전송되는 처프 신호는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. Before describing the present invention, a Doppler algorithm for functionalizing the radar signal will be described. First, in the radar signal, the monostatic chirp waveform is most widely used because it has a high distance resolution. The transmitted chirp signal may be expressed as Equation 1 below.

Figure 112009055518120-pat00005
Figure 112009055518120-pat00005

여기서, r(t)는 t 시간에 전송되는 신호이고, A0 는 신호의 진폭이며, f0 는 시작 주파수이고, B는 대역폭을 나타낸다. τ는 펄스 폭이며, rect는

Figure 112009055518120-pat00006
일 경우 1이고, 그 밖의 범위에서는 0을 갖는 함수이다. Where r (t) is the signal transmitted at time t, A 0 is the amplitude of the signal, and f 0 Is the starting frequency and B is the bandwidth. τ is the pulse width, rect is
Figure 112009055518120-pat00006
If 1, it is a function with 0 in other ranges.

여기서, 산란원으로부터 반사되는 수신 신호는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. Here, the received signal reflected from the scattering source may be represented by Equation 2 below.

Figure 112009055518120-pat00007
Figure 112009055518120-pat00007

A는 반사된 신호의 진폭이고, d 0 는 레이더와 산란원 사이의 지연 시간이다. 다수의 표적의 경우에는 수신 신호 g(t)는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. A is the amplitude of the reflected signal and d 0 is the delay time between the radar and the scattering source. In the case of a plurality of targets, the received signal g (t) can be expressed by Equation 3 below.

Figure 112009055518120-pat00008
Figure 112009055518120-pat00008

여기서, d k ,n 는 레이더와 표적의 n번째 산란원 사이의 시간지연을 나타내고, N은 산란원의 개수이며, K는 표적의 개수이다. d k ,n 값은 평면 파형 근사값을 이용하여 계산할 수 있다. 도플러(Range-Doppler) 알고리즘에서, 반사된 신호는 특정 측면각도에서 거리측면도로 표현되고, 거리 정렬과 위상 조정을 포함하는 병진운동보상을 거친 후, 각각의 거리성분(이하, "range bin"이라 함)에 fast 푸리에 변환(FFT)이 적용되는바, 이에 대한 상세한 설명은 도 3을 통하여 설명하기로 한다. Where d k , n represents the time delay between the radar and the nth scattering source of the target, N is the number of scattering circles, and K is the number of targets. The value of d k , n can be calculated using the planar waveform approximation. In the Doppler (Range-Doppler) algorithm, the reflected signal is represented as a distance profile at a particular lateral angle, undergoes translational compensation, including distance alignment and phase adjustment, and then each distance component (hereinafter referred to as "range bin"). Fast Fourier transform (FFT) is applied, a detailed description thereof will be described with reference to FIG.

도 3은 ISAR 영상을 생성하기 위한 도플러 알고리즘의 순서도이다. 도플러(Range-Doppler) 알고리즘은 표적과 레이더 사이의 상대적인 회전 각도가 작고, 작은 회전각에 대해 산란원들이 인접하는 range bin으로 이동하지 않는다고 가정한다. 회전 각도가 큰 경우에는 극사상(polar format)을 이용하여 (주파수, 각도) 영역에서 균일하게 내삽(interpolation)을 하며, 고해상도의 영상을 얻기 위한 기법으로서 현대 스펙트럼 추정기법들 중의 하나인 2차원의 다중신호구분(multiple signal classification: MUSIC) 기법 등이 이용될 수 있다. 3 is a flowchart of a Doppler algorithm for generating an ISAR image. The Doppler (Range-Doppler) algorithm assumes that the relative angle of rotation between the target and radar is small and that scattering circles do not move to adjacent range bins for small angles of rotation. When the rotation angle is large, the interpolation is uniformly performed in the (frequency, angle) region by using a polar format, and a technique for obtaining a high resolution image is one of two-dimensional spectral estimation techniques. Multiple signal classification (MUSIC) techniques and the like can be used.

도 3에서 보는 바와 같이 도플러 알고리즘은 거리압축(range compression) 단계(S310), 병진운동보상(translational motion compensation) 단계(S320), 수직압축(azimuth compression) 단계(S350)의 3단계로 이루어 진다. As shown in FIG. 3, the Doppler algorithm is composed of three stages: a range compression step S310, a translational motion compensation step S320, and an azimuth compression step S350.

거리압축 단계(S310)는 각각의 관측각에서 산란원들의 분포를 나타내는 거리측면도를 형성하는 과정이다. 이 단계에서는 광대역의 처프신호를 이용한 정합 필터링(matched filtering)이나, stepped 주파수 신호를 이용한 역푸리에변환 (inverse discrete Fourier transform : IDFT)이 이용된다. 거리방향의 해상도는 레이더 신호의 대역폭에 의해서 결정되는데, 식으로 표현하면 c/2B 이다. 여기서 c는 빛의 속도, B는 대역폭이다. 도 3의 우측 단에 도시된 거리측면도는 특정 관측각에서 산란원들로부터 반사되는 반사파를 복수의 range bin로 표현될 수 있다. The distance compression step S310 is a process of forming a distance side view representing the distribution of scattering circles at each observation angle. In this step, matched filtering using a wideband chirp signal or an inverse discrete Fourier transform (IDFT) using a stepped frequency signal is used. Distance resolution is determined by the bandwidth of the radar signal, expressed as c / 2B to be. Where c is the speed of light and B is the bandwidth. In the distance side view shown in the right end of FIG. 3, the reflected waves reflected from the scattering sources at a particular viewing angle may be represented by a plurality of range bins.

병진운동보상 단계(S320)는 처프 레이더(chirp radar)의 경우 펄스 사이, stepped 레이더의 경우 burst 사이의 운동을 보상하는 과정으로서, 거리 정렬 단계(S330)와 위상 조정 단계(S340)로 구분된다. The translational motion compensation step S320 is a process of compensating motion between pulses in the case of a chirp radar and bursts in the case of a stepped radar, and is divided into a distance alignment step S330 and a phase adjustment step S340.

마지막으로 수직방향압축(S350) 단계는 각각의 산란원의 도플러 주파수들의 차이를 이용하여 수직 방향으로 산란원들을 배치시키는 과정이다. 수직방향 해상도는 관측각에 영향을 받으며, λ/2Δθ로 표현된다. 여기서 Δθ 는 관측각이고, λ는 파장이다. 병진운동 보상이 없을 경우, ISAR 영상은 단지 2차원의 푸리에 변환일 뿐이며, 표적의 운동으로 인한 거리측면도들의 움직임이 보상되지 않을 경우, ISAR 영상은 심각하게 흐려지게 되므로 이하에서는 병진운동보상 과정에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. Finally, the vertical compression (S350) is a process of arranging the scattering circles in the vertical direction by using the difference in the Doppler frequencies of the scattering sources. Vertical resolution is affected by the viewing angle and is expressed as λ / 2Δθ. Where Δθ is the observation angle and λ is the wavelength. In the absence of translational compensation, the ISAR image is just a two-dimensional Fourier transform, and if the movement of the distance profiles due to the target's motion is not compensated for, the ISAR image will be seriously blurred. It demonstrates in more detail.

도 3에서 보는 바와 같이, 병진운동보상 단계(S320)는 거리 정렬 단계(S330)와 위상 조정 단계(S340)로 구분되며, 거리 정렬(range alignment) 단계(S330)는 거리측면도를 정렬하는 단계이고, 위상 조정(phase adjustment) 단계(S340)는 강제 로 정렬된 거리측면도들의 상대적인 위상 오차를 보상해주는 단계다. As shown in Figure 3, the translational motion compensation step (S320) is divided into a distance alignment step (S330) and a phase adjustment step (S340), the range alignment step (S330) is a step of aligning the distance side view , Phase adjustment step S340 is a step for compensating for the relative phase error of the distance-sided views that are forcibly aligned.

만약 표적이 정지한 상태에서 회전만 할 경우, 동일한 산란원으로부터 반사된 신호들은 거리측면도 상에서 고정된 거리에 위치하게 된다. 그러나, 펄스 사이에 표적이 여러 range bin들을 이동할 수 있으므로, 반사된 신호들은 일반적으로 다른 거리측면도에서 다른 위치에 존재하게 된다. 따라서 동일한 산란원으로부터 반사된 신호들이 모든 거리측면도에서 동일한 거리에 위치하도록 거리측면도들을 정렬해야 한다. 하지만 거리측면도들을 아무런 위상보상 없이 이동할 경우에 위상오차가 생기게 되므로, 이러한 위상오차를 거리측면도별로 보상을 해 주어야 한다. If the target is stationary and only rotates, the signals reflected from the same scattering source will be at a fixed distance on the distance profile. However, because the target can move several range bins between pulses, the reflected signals will generally be in different locations at different distance profiles. Therefore, the distance side views must be aligned so that the signals reflected from the same scattering source are located at the same distance in all distance side views. However, when the distance side views are moved without any phase compensation, a phase error is generated. Therefore, the phase error should be compensated for each distance side view.

만일 표적의 운동변수들을 정확히 알고 있을 경우, 병진운동보상은 직접적으로 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 변수들을 정확하게 아는 것은 불가능하므로, 거리 정렬을 위한 상대적인 이동거리 및 위상오차는 정확하게 산출될 수 없다. 이러한 이유로 운동변수를 이용하지 않고 거리 정렬과 위상 조정을 할 수 있는 기법들이 널리 사용된다. If the target's kinematic parameters are known correctly, translational compensation can be performed directly. However, since it is impossible to know these variables accurately, the relative travel distance and phase error for distance alignment cannot be accurately calculated. For this reason, techniques for distance alignment and phase adjustment are widely used without using motion variables.

거리 정렬 단계(S330)에 있어서, 상관도(correlation)와 엔트로피(entropy)와 같이 거리측면도들의 유사성을 나타내는 비용함수가 널리 이용된다. 여러 비용함수 중에, 1차원의 엔트로피 비용함수가 아주 효율적이며, 잡음에도 강하다고 알려져 있다. 이 비용함수(HGm , Gm +1)는 다음의 수학식 4와 같다. In the distance sorting step S330, a cost function indicating similarity of distance side views, such as correlation and entropy, is widely used. Among many cost functions, the one-dimensional entropy cost function is known to be very efficient and robust to noise. This cost function (H Gm , Gm +1 ) is given by Equation 4 below.

Figure 112009055518120-pat00009
Figure 112009055518120-pat00009

수학식 4에서 Gm(n)과 Gm +1(n)은 n번째 range bin에서의 m 번째 및 (m+1) 번째 거리측면도를 나타내며, N p 는 range bin들의 총 개수를 나타내고, σ는 거리 정렬을 위한 이동횟수를 나타낸다. 일반적으로 거리 정렬 시의 오차를 최소화하기 위해 Gm(n) 대신에 첫 번째에서 m 번째까지의 거리측면도들의 평균이 이용된다. 수학식 1에 따르면, 1차원 엔트로피 비용함수 HGm , Gm +1 를 최소화 시키는 이동횟수 σ만큼 (m+1) 번째 거리측면도를 이동시켜서 정렬한다.In Equation 4, G m (n) and G m +1 (n) represent m-th and (m + 1) -th distance profiles in the n-th range bin, N p represents the total number of range bins, and σ Indicates the number of movements for distance alignment. In general, G m (n) to minimize errors in distance alignment Instead, the mean of the first to mth distance profiles is used. According to Equation 1, alignment is performed by moving the (m + 1) th distance side view by the number of shifts σ minimizing the one-dimensional entropy cost functions H Gm and Gm +1 .

위상 조정 단계(S340)에는 최대대비기법(maximum contrast method)과 최소엔트로피기법(minimum entropy method)등과 같은 방법이 사용된다. 이 기법들 또한 거리 정렬 기법과 마찬가지로 표적의 운동에 대한 정보가 없이도 적용되는 기법이며, 당업자라면 용이하게 실시할 수 있는바, 상세한 설명은 생략한다. In the phase adjusting step S340, methods such as a maximum contrast method and a minimum entropy method are used. These techniques, like the distance alignment technique, are also applied without information on the motion of the target, and can be easily implemented by those skilled in the art, and thus detailed descriptions are omitted.

한편, 거리 정렬 단계(S330)에 있어서, 수학식 4에 나타낸 1차원 비용함수를 최소화 시키는 이동횟수 σ는 정수이어야 하므로, 거리 정렬의 정확성이 떨어질 수 있으며 에러가 발생할 수도 있다. 또한 앞에서 언급한 바와 같이, 수학식 1 내지 수학식 4에 나타낸 거리 정렬 기법들은 레이더와 표적의 거리가 가깝다는 가정 하에 수행되므로 표적이 원거리에 위치할 경우에는, 거리방향 해상도와 동일한 수 직방향 해상도를 얻기 위한 비행궤적의 길이가 길어지게 된다. On the other hand, in the distance alignment step (S330), since the number of movements σ to minimize the one-dimensional cost function shown in Equation 4 should be an integer, the accuracy of the distance alignment may be lowered and an error may occur. Also, as mentioned above, the distance alignment techniques shown in Equations 1 to 4 are performed under the assumption that the distance between the radar and the target is close, so that when the target is located at a long distance, the same vertical resolution as the distance resolution is achieved. The length of flight trajectory to obtain

이하에서는 도 4 및 도 5를 통하여 장거리 표적에 대하여 신속하고 정확하게 거리 정렬을 수행할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 ISAR 영상 생성 장치 및 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, an apparatus and method for generating an ISAR image according to an exemplary embodiment of the present invention, which can perform distance alignment with respect to a long distance target, will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ISAR 영상 생성 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ISAR 영상 생성 장치(300)는 거리측면도 생성부(310), 병진운동 보상부(320) 및 영상 생성부(330)를 포함한다. 4 illustrates a configuration of an ISAR image generating apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, an ISAR image generating apparatus 300 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a distance side view generator 310, a translational motion compensator 320, and an image generator 330.

거리측면도 생성부(310)는 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 산란원들의 분포를 나타내는 거리측면도를 생성한다. 거리측면도는 레이더의 관측 각도에 따른 표적에 대한 거리성분(range bin)을 포함한다. 또한 거리측면도 생성부(310)는 거리측면도로부터 비행 중인 표적의 추정 궤적을 생성한다. The distance side view generator 310 receives the reflected waves scattered and reflected from the target, and generates a distance side view indicating the distribution of scattering circles. The distance side view includes a range bin for the target according to the viewing angle of the radar. In addition, the distance side view generation unit 310 generates an estimated trajectory of the target in flight from the distance side view.

병진운동 보상부(320)는 표적의 병진운동을 보상하는 것으로, 거리 정렬부(322)와 위상 조정부(324)를 포함한다. The translation compensation unit 320 compensates for the translation of the target, and includes a distance alignment unit 322 and a phase adjuster 324.

거리 정렬부(322)는 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하고, 추정 궤적과 상기 거리측면도의 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 상기 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정한다. 그리고, 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 파라미터 값을 조절한다. The distance alignment unit 322 models the estimated trajectory as an orbital function combining a polynomial and a Gaussian function, and sets parameter values constituting the trajectory function to minimize an error between the estimated trajectory and the center of gravity trajectory of the distance side view. . Then, the parameter value is adjusted to maximize the cost function of the distance profile.

위상 조정부(324)는 거리 정렬된 거리측면도의 위상 오차를 보상한다. 영상 생성부(330)는 수직 방향으로 산란원들을 배치시키며, 거리측면도를 이용하여 ISAR 영상을 생성한다. The phase adjuster 324 compensates for the phase error of the distance-aligned distance side view. The image generator 330 arranges scattering circles in a vertical direction, and generates an ISAR image using a distance side view.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 거리 정렬 방법에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동 중인 표적에 대한 거리 정렬 방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 이동 중인 표적에 대하여 생성한 거리측면도 궤적을 도시한 것이다. 또한 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 1차 정렬된 궤도 함수와 거리측면도의 무게 중심 궤적을 나타낸 그래프이다.Hereinafter, a distance alignment method according to an embodiment of the present invention will be described. 5 is a flowchart illustrating a distance alignment method for a moving target according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6 illustrates a distance side view trajectory generated for a moving target. 7 is a graph showing the center of gravity trajectory of the first ordered orbital function and the distance side view according to the embodiment of the present invention.

먼저 거리 정렬부(322)는 장거리에서 비행 중인 표적에 대하여 각각의 관측각에서 산란원들의 분포를 나타내는 거리측면도를 생성한다. 즉, 거리 정렬부(322)는 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 반사파로부터 추출된 거리측면도를 이용하여 도 6과 같은 표적에 대한 추정 궤적을 생성한다(S510). First, the distance alignment unit 322 generates a distance side view indicating a distribution of scattering circles at each observation angle with respect to a target in flight at a long distance. That is, the distance alignment unit 322 receives the reflected wave scattered and reflected from the target, and generates an estimated trajectory for the target as shown in FIG. 6 using the distance side view extracted from the reflected wave (S510).

도 6에 도시한 거리측면도 궤적은 레이더가 표적에 대해 레이더 펄스(또는 레이저 빔)를 발사한 뒤, 반사되어 돌아오는 반사파의 크기를 도시한 것으로, 도 6에서 세로축인 Cross-Range Bin은 레이더가 표적을 향해 발사한 레이더 펄스의 개수(도 6에서는 128개의 펄스로 가정함)를 나타낸다. 또한 도 6에서 가로축인 Down-Range Bin은 레이더가 레이더 펄스를 발사한 뒤 반사파를 수신할 때까지 걸리는 시간을 나타내는 것으로, 이는 레이더와 표적 사이의 거리에 대응한다. 따라서 도 6에 도시한 거리측면도 궤적은 표적의 비행 궤적에 대응한다고 할 수 있다. The distance side view trajectory shown in FIG. 6 shows the magnitude of the reflected wave reflected back after the radar fires a radar pulse (or laser beam) to the target. In FIG. Shows the number of radar pulses fired toward the target (assuming 128 pulses in FIG. 6). In addition, the horizontal axis Down-Range Bin in Figure 6 represents the time it takes for the radar to receive the reflected wave after firing the radar pulse, which corresponds to the distance between the radar and the target. Therefore, the distance side view trajectory shown in FIG. 6 corresponds to the flight trajectory of the target.

그리고 거리 정렬부(322)는 표적의 비행 궤적을 추적하기 위하여 수학식 5에 나타낸 궤도 함수를 통하여 비행 궤적을 모델링 한다(S520). 수학식 5는 비행 궤적을 추정하기 위한 궤도 함수에 관한 식으로서, N개의 거리성분(range bin)을 가 지는 M개의 거리측면도를 통하여 추정된 식이다. 수학식 5와 같이, 궤도 함수(P(x))는 다항식과 가우시안 함수가 결합된 식으로 표현된다. In addition, the distance alignment unit 322 models the flight trajectory through the orbital function shown in Equation 5 to track the flight trajectory of the target (S520). Equation 5 is an equation for an orbital function for estimating a flight trajectory, which is estimated through M distance profiles having N range bins. As shown in Equation 5, the orbital function P (x) is represented by a combination of a polynomial and a Gaussian function.

Figure 112009055518120-pat00010
Figure 112009055518120-pat00010

수학식 5에서, P(x)는 추정된 궤도 함수이고, x는 각각의 거리측면도 값으로서 0 ~ M-1의 범위에 있으며 1씩 증가한다. 또한 pi는 다항식 계수이고, ai, bi, ci는 가우시안 관련 파라미터이며, L은 다항식의 차수이고, G+1은 가우시안 함수의 개수를 나타낸다. 특히, ai는 가우시안 계수이고, bi는 거리측면도의 평균 값(mean)이며, ci는 표준 편차를 나타낸다. In Equation 5, P (x) is an estimated orbital function, and x is each of the distance profile values in the range of 0 to M-1 and increases by one. In addition, p i is a polynomial coefficient, a i , b i , c i are Gaussian related parameters, L is the order of the polynomial, and G + 1 represents the number of Gaussian functions. In particular, a i is a Gaussian coefficient, b i is the mean value of the distance profile, and c i represents the standard deviation.

여기서, 종래 기술에 따르면 수학식 5의 오른쪽 단에서 첫번째 식(term) 해당하는 다항식으로 이루어졌지만 장거리에서 비행 중인 표적에 대해 적용하기에는 다항식만으로는 부정확하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 수학식 5에 두번째 식(term)에 해당하는 가우시안 함수를 추가함으로써, 실제 비행 궤적과 다항식 사이의 오차를 줄이도록 한다. Here, according to the prior art, the right end of Equation 5 is made of a polynomial corresponding to the first term, but the polynomial alone is incorrect to apply to a target in flight at a long distance. Therefore, according to the embodiment of the present invention, by adding a Gaussian function corresponding to the second term to Equation 5, the error between the actual flight trajectory and the polynomial is reduced.

비행 중인 표적이 멀어지면 수학식 5에 나타낸 추정 궤도 함수를 최적화 시키기 위해서는 여러 번의 계산 과정이 필요하므로, 각각의 파라미터에 대한 초기 값을 정하는 것이 중요하다. If the target in flight is far away, several calculations are required to optimize the estimated orbital function shown in Equation 5, so it is important to determine the initial value for each parameter.

거리 정렬부(322)는 수학식 6과 같이 각각의 거리측면도의 무게 중심을 구하 고, 무게 중심 궤적을 생성한다(S530). 여기서, 거리측면도의 무게 중심은 도 3의 우측 단에 도시된 복수의 거리 성분(range bin)들의 무게 중심을 나타내는 것으로서, 일반적으로 가장 큰 값을 갖는 중심 부분의 거리 성분(range bin)이 상대적으로 무게 중심에 가깝게 된다. 이와 같은 무게 중심을 연결하면 도 7과 같은 무게 중심 궤적을 생성할 수 있다. The distance alignment unit 322 obtains the center of gravity of each distance side view as shown in Equation 6, and generates a center of gravity trajectory (S530). Here, the center of gravity of the distance side view represents the center of gravity of the plurality of range bins shown in the right end of FIG. 3, and in general, the range bin of the center portion having the largest value is relatively It is close to the center of gravity. By connecting such a center of gravity, it is possible to generate the center of gravity trajectory as shown in FIG.

m 번째 거리측면도의 무게중심(COMm)은 다음의 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다. The center of gravity (COM m ) of the m-th distance profile can be expressed by Equation 6 below.

Figure 112009055518120-pat00011
Figure 112009055518120-pat00011

여기서, Gm(n)은 m 번째 거리측면도를 나타내며, N은 거리 성분(range bin)의 개수를 나타낸다.Here, G m (n) represents the m-th distance side view, and N represents the number of range bins.

거리측면도 상에서 표적부분을 제외한 대부분의 값들은 0 근처이므로 수학식 6의 무게 중심은 표적부분에 위치한다. 그러므로 본 발명의 실시예에 따르면 각 거리측면도의 무게 중심을 이용하여 비행 궤적을 효과적으로 추적할 수 있다. Since most values except for the target portion on the distance side view are near zero, the center of gravity of Equation 6 is located at the target portion. Therefore, according to the embodiment of the present invention it is possible to effectively track the flight trajectory by using the center of gravity of each distance side view.

거리 정렬부(322)는 생성된 거리측면도의 무게 중심(COMm)과 추정된 궤도 함수(P(x)) 사이의 오차를 최소화하도록 초기 파라미터를 설정한다(S540).The distance alignment unit 322 sets an initial parameter to minimize an error between the center of gravity COM m of the generated distance side view and the estimated orbital function P (x) (S540).

여기서, 각 거리측면도 x에 대한 궤도 함수(P(x)) 값을 y라 하고, 거리측면 도의 무게 중심 함수를 f(x, V)라고 가정하면, 거리측면도의 무게 중심(COMm)과 추정된 궤도 함수(P(x)) 사이의 오차를 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. Here, if the value of the orbital function (P (x)) for each distance side view x is y and the center of gravity function of the distance side view is f (x, V), the center of gravity (COM m ) of the distance side view is estimated and An error between the orbital functions P (x) may be expressed as in Equation 7 below.

Figure 112009055518120-pat00012
Figure 112009055518120-pat00012

여기서, E는 오차 함수이고, V는 수학식 5에 나타낸 파라미터(pi, ai, bi, ci)의 벡터를 나타낸다. Here, E is an error function, and V represents a vector of the parameters p i , a i , b i , c i shown in equation (5).

오차 함수(E)를 최소화하는 파라미터 값을 구하기 위하여 수학식 7을 파라미터 벡터(V) 성분으로 미분하면 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. In order to obtain a parameter value for minimizing the error function E, Equation 7 can be expressed as Equation 8 below.

Figure 112009055518120-pat00013
Figure 112009055518120-pat00013

여기서, Vj는 파라미터 벡터(V)의 j번째 성분이며, 파라미터는 다음의 수학식 9와 같은 과정을 반복하여 오차 함수(E)를 최소화하는 파라미터를 구하도록 한다. Here, V j is the j-th component of the parameter vector (V), and the parameter is repeated to obtain a parameter that minimizes the error function (E) by repeating the following equation (9).

Figure 112009055518120-pat00014
Figure 112009055518120-pat00014

여기서, △Vj는 수학식 10에 나타낸 가우스-뉴튼 알고리즘(Gauss-Newton algorithm)로부터 도출된 이동 벡터이다. ΔV j is a motion vector derived from a Gauss-Newton algorithm shown in equation (10).

Figure 112009055518120-pat00015
Figure 112009055518120-pat00015

여기서, e는 오차 함수 벡터이고, Je는 각각의 파라미터(V)에 대한 e의 야코비안 매트릭스(Jacobian matrix)를 나타낸다. Here, e is an error function vector, and J e represents a Jacobian matrix of e for each parameter (V).

오차 함수(E)가 최소가 될 때까지 수학식 8 내지 10을 반복하여 수행하며, 오차 함수(E)가 최소가 될 때의 파라미터 값을 초기 파라미터(pi, ai, bi, ci)로 설정한다. 수학식 8 내지 10을 통하여 초기 파라미터 값을 획득하는 과정은 당업자라면 용이하게 실시할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. Equations 8 to 10 are repeated until the error function E becomes minimum, and the parameter values when the error function E becomes minimum are initial parameters p i , a i , b i , c i Set to). A process of obtaining an initial parameter value through Equations 8 to 10 may be easily performed by those skilled in the art, and thus a detailed description thereof will be omitted.

이와 같이 거리측면도의 무게 중심(COMm)과 추정된 궤도 함수(P(x)) 사이의 오차가 최소화되도록 초기 파라미터를 설정하면, 궤도 함수(P(x))는 도 7과 같이 거리측면도의 무게 중심(COMm) 궤적에 최대한 일치되도록 설정된다. 즉, 궤도 함수(P(x))는 초기 파라미터의 설정에 의해 거리측면도의 무게 중심(COMm) 궤적에 거의 일치되도록 1차 정렬된다. In this way, if the initial parameter is set to minimize the error between the center of gravity (Com m ) and the estimated orbital function (P (x)) of the distance side view, the orbital function (P (x)) as shown in Figure 7 It is set to match the center of gravity (COM m ) trajectory as much as possible. In other words, the trajectory function P (x) is first ordered so as to substantially match the center of gravity COM m trajectory of the distance profile by setting the initial parameter.

그리고, 거리 정렬부(322)는 비용함수가 최대가 되도록 파라미터를 조절한다(S550). 여기서, 거리 정렬부(322)는 유전 알고리즘(genetic algorithm: GA)나 PSO(particle swarm optimization)를 통하여 풀 수 있다. 본 발명에서는 GA에 비해 상대적으로 구현이 용이하고, 여러 공학 문제에 있어서 효율적임이 검증된 PSO 를 이용하도록 한다. In addition, the distance alignment unit 322 adjusts the parameter to maximize the cost function (S550). Here, the distance alignment unit 322 may be solved through a genetic algorithm (GA) or particle swarm optimization (PSO). In the present invention, the PSO has been proven to be relatively easy to implement and to be effective in various engineering problems.

PSO는 개체에 근거한(population-based) 확률적인 최적화 기법이며, particle이라 불리는 개체들을 랜덤한 값으로 초기화 시킨 후에 각 particle의 지역최대(local best)와 전역최대(global best)를 향하여 속도(velocity)를 변화시켜 비용함수의 최소, 최대값 및 이를 제공하는 개체를 찾는다. 각 particle을 갱신하는 방법은 다음의 수학식 11과 같다. PSO is a population-based probabilistic optimization technique that initializes entities called particles to random values and then velocity towards the local best and global best of each particle. Change to find the minimum and maximum cost functions and the entity providing them. The method of updating each particle is as shown in Equation 11 below.

Figure 112009055518120-pat00016
Figure 112009055518120-pat00016

여기서, t는 세대 수이고, φ는 관성 가중치이며, ρ 1 = r1c1, ρ 2 = r2c2이며, c1, c2 > 1, c1 + c2 < 4 이고, ri 는 0과 1 사이에 균일분포(uniform distribution)를 가지는 랜덤변수이다. 수학식 6을 통하여 구해진 속도벡터는 t번째 세대에서의 속도벡터 (

Figure 112009055518120-pat00017
)는 i번째 particle(x i (t))에 더해져서 이 particle을 이동시킨다.Where t is the number of generations, φ is the inertia weight, ρ 1 = r 1 c 1 , ρ 2 = r 2 c 2 , c 1 , c 2 > 1, c 1 + c 2 <4, r i Is a random variable with a uniform distribution between 0 and 1. The velocity vector obtained from Equation 6 is the velocity vector
Figure 112009055518120-pat00017
) Is added to the i th particle ( x i (t) ) to move this particle.

본 발명의 실시예에서는 이러한 PSO를 이용하여 각 particle들의 모든 원소 값을 -1과 1 사이의 랜덤한 값으로 설정한 후, 비용함수를 최소화 시키는 particle들을 찾는다. 비용함수(C)는 다음의 수학식 12와 같이 정의되며, 정렬된 총 거리측면도들의 합의 에너지를 나타내며, 본 발명의 실시예에서는 PSO를 통하여 비용함수를 최대화하는 다항식의 계수들을 찾을 수 있다. In an embodiment of the present invention, after setting all element values of each particle to a random value between -1 and 1 using the PSO, particles that minimize the cost function are found. The cost function C is defined as in Equation 12 below, and represents the energy of the sum of the aligned total distance profiles. In the embodiment of the present invention, the coefficients of the polynomial maximizing the cost function can be found through the PSO.

Figure 112009055518120-pat00018
Figure 112009055518120-pat00018

Gk는 k번째 거리측면도, M과 N은 각각 거리측면도의 번호와 각 거리측면도의 거리 성분(range bin)의 개수이다. 수학식 12가 최대가 되도록 각 거리측면도들을 정렬할 경우 정렬된 거리측면도들의 대비가 최대가 됨이 증명되어 있다. 또한 이러한 에너지를 최대화 시킬 경우, 각 거리측면도들의 푸리에 변환하여 얻어진 다음의 수학식 13에 나타낸 비용함수가 최대값을 갖게 된다.G k is the kth distance side view, M and N are the numbers of the distance side views and the number of range bins of each distance side view, respectively. It is proved that when the distance profiles are arranged such that Equation 12 is maximized, the contrast of the aligned distance profiles is maximized. In addition, when the energy is maximized, the cost function shown in the following equation (13) obtained by Fourier transform of each distance profile has a maximum value.

Figure 112009055518120-pat00019
Figure 112009055518120-pat00019

A m 은 m번째 거리측면도들의 푸리에 변환이며, n m 은 번째 거리측면도들을 정렬하는데 필요한 이동값이다. M과 N은 각각 거리측면도의 번호와 각 거리측면도의 range bin 개수이다. A m is the Fourier transform of the m th distance profiles, and n m is the shift required to align the th distance profiles. M and N are the number of distance profiles and the number of range bins for each distance profile, respectively.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 PSO 알고리즘을 이용하여 비용함수가 최대가 되도록 파라미터(pi, ai, bi, ci) 값을 초기 값으로부터 조절함으로써, 추정된 궤도 함수(P(x))가 장거리 비행 중인 표적의 실제 비행 궤적에 더욱 일치되도록 더욱 정확하게 거리 정렬을 수행할 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, by adjusting the values of the parameters p i , a i , b i , c i from the initial values so that the cost function is maximized using the PSO algorithm, the estimated orbital function P (x The distance alignment can be performed more accurately so that)) more closely matches the actual flight trajectory of the target during long distance flight.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 세대 수에 따른 비용함수를 나타낸다. 도 8과 같이 비용함수는 일정 값이 되면 세대 수가 증가하더라도 일정하게 유지되며, 이때의 값이 최대 값이 된다. 따라서, 비용함수가 최대가 되도록 하는 파라미터(pi, ai, bi, ci) 값을 PSO 알고리즘을 통하여 구하도록 한다. 8 shows a cost function according to the number of households according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the cost function remains constant even if the number of households increases, and the value at this time becomes the maximum value. Therefore, the values of the parameters p i , a i , b i , and c i that maximize the cost function are obtained through the PSO algorithm.

도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 2차 정렬된 궤도 함수를 나타낸 그래프이다. 즉, 거리측면도의 무게 중심을 이용하여 1차 정렬된 궤도 함수(P(x))가 PSO 알고리즘을 통하여 2차 정렬이 되면 도 9a와 같은 궤적을 나타낸다. 9A is a graph illustrating a quadratic ordered orbital function in accordance with an embodiment of the present invention. That is, when the first ordered orbital function P (x) is second ordered through the PSO algorithm using the center of gravity of the distance side view, it shows the trajectory as shown in FIG. 9A.

그리고, 도 9b는 2차 정렬된 궤도 함수와 무게 중심 궤적의 차이를 나타내는 그래프이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 궤도 함수(P(x))는 거리측면도의 무게 중심을 추적하여 1차 정렬되므로, 도 9b에 나타낸 그래프는 1차 정렬된 궤도 함수(P(x))와 2차 정렬된 궤도 함수(P(x))의 차이라고 볼 수 있다. 9B is a graph showing the difference between the quadratic aligned trajectory function and the center of gravity trajectory. That is, according to the embodiment of the present invention, since the orbital function P (x) is first-order aligned by tracking the center of gravity of the distance side view, the graph shown in FIG. 9B is the first ordered orbital function P (x). It can be regarded as the difference of the quadratic aligned orbital function P (x).

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 거리측면도의 무게 중심을 이용하여 대략적으로 파라미터의 초기 값을 획득하고, PSO 알고리즘을 통하여 최적화된 파라미터 값을 생성하도록 한다. 이와 같이 2단계를 통하여 파라미터 값을 연산함으로써 장거리 비행에서도 실제 비행 궤적에 더욱 근접한 궤도 함수(P(x))를 얻을 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the initial value of the parameter is approximately obtained by using the center of gravity of the distance side view, and the optimized parameter value is generated through the PSO algorithm. By calculating the parameter values through the two steps as described above, an orbital function P (x) closer to the actual flight trajectory can be obtained even in a long distance flight.

도 10a는 종래 기술에 따른 거리 정렬을 수행한 결과를 나타내며, 도 10b는 도 10a를 이용하여 생성한 ISAR 영상을 나타낸 예시도이다. 또한 도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 정렬을 수행한 결과를 나타내며, 도 11b는 도 11a를 이용하여 생성한 ISAR 영상을 나타낸 예시도이다.FIG. 10A illustrates a result of performing distance alignment according to the prior art, and FIG. 10B is an exemplary diagram illustrating an ISAR image generated using FIG. 10A. FIG. 11A illustrates a result of performing distance alignment according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is an exemplary view showing an ISAR image generated using FIG. 11A.

다항식만을 이용하여 파라미터를 조절하는 종래 기술에 따르면 도 10a에서 보는 바와 같이 거리 정렬이 반듯하게 수행되지 않으며, 이에 따라 도 10b와 같이 ISAR 영상이 선명하게 생성되지 않는 것을 알 수 있다. 특히 장거리에 위치한 표적일수록 거리 정렬이 정확하게 수행되지 않으므로 ISAR 영상이 뚜렷하게 생성되지 않는다. According to the related art of adjusting a parameter using only a polynomial, as shown in FIG. 10A, distance alignment is not performed smoothly, and therefore, as shown in FIG. 10B, the ISAR image is not clearly generated. In particular, long-range targets do not produce accurate ISAR images because distance alignment is not performed correctly.

그러나, 다항식과 가우시안 함수를 이용하여 파라미터를 조절하는 본 발명에 따르면 도 11a에서 보는 바와 같이 거리 정렬이 반듯하게 수행되며, 이에 따라 도 11b와 같이 ISAR 영상이 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 표적이 장거리에 위치하더라도 정확하고 세밀하게 거리 정렬을 수행할 수 있으므로, ISAR 영상 또한 선명하고 초점이 잘 맞춰지게 된다. However, according to the present invention, which adjusts parameters using a polynomial and a Gaussian function, distance alignment is performed smoothly as shown in FIG. 11A, and thus, the ISAR image is clearly displayed as shown in FIG. 11B. In particular, even if the target is located over a long distance, distance alignment can be precisely and precisely performed, so that the ISAR image is also sharp and well focused.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수에 대하여, 무게 중심과 추정 궤적의 차이가 최소가 되도록 1차적으로 모델링하고, PSO 알고리즘을 통하여 2차적으로 모델링 함으로써, 더욱 정확하고 세밀하게 거리 정렬을 수행할 수 있다. 특히, 장거리에서 비행 중인 궤적에 대해서 더욱 정확한 ISAR 영상을 생성할 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the orbital function combined with the polynomial and the Gaussian function is primarily modeled so that the difference between the center of gravity and the estimated trajectory is minimized, and modeled secondarily through the PSO algorithm, thereby making it more accurate. Distance alignment can be performed in detail. In particular, more accurate ISAR images can be generated for trajectories in flight over long distances.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

도 1은 ISAR 영상 생성을 위한 표적의 이동을 도시한 예시도이다. 1 is an exemplary diagram illustrating movement of a target for generating an ISAR image.

도 2는 표적으로부터 발생하는 산란원을 나타낸 도면이다. 2 is a diagram showing a scattering source generated from a target.

도 3은 ISAR 영상을 생성하기 위한 도플러 알고리즘의 순서도이다. 3 is a flowchart of a Doppler algorithm for generating an ISAR image.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ISAR 영상 생성 장치의 구성을 나타낸 것이다. 4 illustrates a configuration of an ISAR image generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동 중인 표적에 대한 거리 정렬 방법을 나타내는 순서도이다. 5 is a flowchart illustrating a distance alignment method for a moving target according to an embodiment of the present invention.

도 6은 이동 중인 표적에 대하여 생성한 거리측면도 궤적을 도시한 것이다. Figure 6 shows the distance side view trajectory generated for the moving target.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 1차 정렬된 궤도 함수와 거리측면도의 무게 중심 궤적을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the center of gravity trajectory of the first ordered orbital function and the distance side view according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 세대 수에 따른 비용함수를 나타낸다. 8 shows a cost function according to the number of households according to an embodiment of the present invention.

도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 2차 정렬된 궤도 함수를 나타낸 그래프이다. 9A is a graph illustrating a quadratic ordered orbital function in accordance with an embodiment of the present invention.

도 9b는 2차 정렬된 궤도 함수와 무게 중심 궤적의 차이를 나타내는 그래프이다. 9B is a graph showing the difference between the quadratic aligned trajectory function and the center of gravity trajectory.

도 10a는 종래 기술에 따른 거리 정렬을 수행한 결과를 나타낸다. Figure 10a shows the result of performing the distance alignment according to the prior art.

도 10b는 도 10a를 이용하여 생성한 ISAR 영상을 나타낸 예시도이다. FIG. 10B is an exemplary diagram illustrating an ISAR image generated using FIG. 10A.

도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 거리 정렬을 수행한 결과를 나타낸다. 11A illustrates a result of performing distance alignment according to an embodiment of the present invention.

도 11b는 도 11a를 이용하여 생성한 ISAR 영상을 나타낸 예시도이다.FIG. 11B is an exemplary diagram illustrating an ISAR image generated using FIG. 11A.

Claims (11)

비행 중인 표적에 대한 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법에 있어서, A method for generating a reverse synthetic aperture radar image for a flying target, 상기 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 상기 반사파로부터 추출된 거리측면도를 이용하여 상기 표적의 추정 궤적을 생성하는 단계, Receiving a reflected wave scattered and reflected from the target, and generating an estimated trajectory of the target using a distance side view extracted from the reflected wave, 상기 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하는 단계, Modeling the estimated trajectory as an orbital function combined with a polynomial and a Gaussian function, 상기 거리측면도의 무게 중심 궤적을 구하는 단계, Obtaining a center of gravity trajectory of the distance side view, 상기 추정 궤적과 상기 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 상기 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정하는 단계, Setting a parameter value constituting the trajectory function to minimize the error between the estimated trajectory and the center of gravity trajectory, 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하여 거리 정렬하는 단계, 그리고 Adjusting the parameter values so that the cost function of the distance profile is maximized, and 거리 정렬된 상기 거리측면도의 위상 오차를 보상하고, 상기 거리측면도를 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함하는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법. Compensating the phase error of the distance-aligned distance side view, and generating a reverse synthetic aperture radar image using the distance side view. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 거리측면도는 상기 레이더의 관측 각도에 따른 거리성분을 포함하는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법. And said distance side view comprises a distance component according to a viewing angle of said radar. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 궤도 함수는 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법: The orbital function generates a reverse synthetic aperture radar image represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00020
Figure 112009055518120-pat00020
여기서, P(x)는 추정된 궤도 함수이고, x는 각각의 거리측면도 값이며, pi는 다항식 계수이고, ai는 가우시안 계수이며, bi는 거리측면도의 평균 값(mean)이고, ci는 표준 편차이며, L은 다항식의 차수이고, G+1은 가우시안 함수의 개수를 나타낸다. Where P (x) is the estimated orbital function, x is the respective distance profile, p i is the polynomial coefficient, a i is the Gaussian coefficient, b i is the mean value of the distance profile, c i is the standard deviation, L is the order of the polynomial, and G + 1 represents the number of Gaussian functions.
제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 거리측면도의 무게중심은 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법:A method for generating a reverse synthetic aperture radar image in which the center of gravity of the distance side view is expressed by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00021
Figure 112009055518120-pat00021
여기서, COMm은 m 번째 거리측면도의 무게중심이며, Gm(n)은 m 번째 거리측면도를 나타내며, N은 거리성분(range bin)의 개수를 나타낸다. Where COM m is the center of gravity of the m th distance side view, G m (n) represents the m th distance side view, and N represents the number of range bins.
제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하여 거리 정렬하는 단계는, The step of adjusting distance by adjusting the parameter value such that the cost function of the distance side view is maximum, PSO(particle swarm optimization) 알고리즘를 통하여 상기 파라미터값을 조절하며, 상기 PSO 알고리즘은 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법:A method of adjusting the parameter value through a particle swarm optimization (PSO) algorithm, wherein the PSO algorithm generates a reverse synthetic aperture radar image represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00022
Figure 112009055518120-pat00022
여기서, t는 세대 수이고, φ는 관성 가중치이며, ri 는 0과 1 사이에 균일분포(uniform distribution)를 가지는 랜덤변수이다.Here, t is the number of generations, φ is an inertia weight, and r i is a random variable having a uniform distribution between 0 and 1.
제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 비용함수는, The cost function is 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법: To generate a reverse synthetic aperture radar image represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00023
Figure 112009055518120-pat00023
C는 비용함수고, Gk는 k번째 거리측면도이며, M과 N은 각각 거리측면도의 번호와 각 거리측면도의 거리 성분(range bin)의 개수이다.C is the cost function, G k is the kth distance profile, and M and N are the number of distance profiles and the number of range bins of each distance profile, respectively.
비행 중인 표적에 대한 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치에 있어서, An apparatus for generating a reverse synthetic aperture radar image for a flying target, 상기 표적으로부터 산란되어 반사되는 반사파를 수신하고, 상기 반사파로부터 추출된 거리측면도로부터 상기 표적의 추정 궤적을 생성하는 거리측면도 생성부, A distance side view generation unit for receiving a reflected wave scattered and reflected from the target and generating an estimated trajectory of the target from the distance side view extracted from the reflected wave, 상기 추정 궤적을 다항식과 가우시안 함수가 결합된 궤도 함수로 모델링하고, 상기 추정 궤적과 상기 거리측면도의 무게 중심 궤적 사이의 오차가 최소화되도록 상기 궤도 함수를 구성하는 파라미터 값을 설정한 다음, 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하는 거리 정렬부, The estimated trajectory is modeled as an orbital function combining a polynomial and a Gaussian function, a parameter value constituting the orbital function is set to minimize the error between the estimated trajectory and the center of gravity trajectory of the distance side view, and then the distance side view Distance alignment unit for adjusting the parameter value so that the cost function of the maximum, 거리 정렬된 상기 거리측면도의 위상 오차를 보상하는 위상 조정부, 그리고A phase adjuster for compensating for the phase error of the distance-aligned distance profile, and 상기 거리측면도를 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함하는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치. And an image generator for generating a reverse synthetic aperture radar image using the distance side view. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 궤도 함수는 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치: The orbital function is a device for generating a reverse synthetic aperture radar image represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00024
Figure 112009055518120-pat00024
여기서, P(x)는 추정된 궤도 함수이고, x는 각각의 거리측면도 값이며, pi는 다항식 계수이고, ai는 가우시안 계수이며, bi는 거리측면도의 평균 값(mean)이고, ci는 표준 편차이며, L은 다항식의 차수이고, G+1은 가우시안 함수의 개수를 나타낸다. Where P (x) is the estimated orbital function, x is the respective distance profile, p i is the polynomial coefficient, a i is the Gaussian coefficient, b i is the mean value of the distance profile, c i is the standard deviation, L is the order of the polynomial, and G + 1 represents the number of Gaussian functions.
제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 거리측면도의 무게중심은 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치:An apparatus for generating a reverse synthetic aperture radar image, wherein the center of gravity of the distance side view is represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00025
Figure 112009055518120-pat00025
여기서, COMm은 m 번째 거리측면도의 무게중심이며, Gm(n)은 m 번째 거리측면도를 나타내며, N은 거리성분(range bin)의 개수를 나타낸다. Where COM m is the center of gravity of the m th distance side view, G m (n) represents the m th distance side view, and N represents the number of range bins.
제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 거리 정렬부는, The distance alignment unit, PSO(particle swarm optimization) 알고리즘를 통하여 상기 거리측면도의 비용함수가 최대가 되도록 상기 파라미터 값을 조절하며, 상기 PSO 알고리즘은 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치:An apparatus for generating a reverse synthetic aperture radar image, wherein the parameter value is adjusted to maximize the cost function of the distance profile through a particle swarm optimization (PSO) algorithm.
Figure 112009055518120-pat00026
Figure 112009055518120-pat00026
여기서, t는 세대 수이고, φ는 관성 가중치이며, ri 는 0과 1 사이에 균일분포(uniform distribution)를 가지는 랜덤변수이다.Here, t is the number of generations, φ is an inertia weight, and r i is a random variable having a uniform distribution between 0 and 1.
제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 비용함수는, The cost function is 아래 수학식으로 표현되는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 장치: Apparatus for generating a reverse synthetic aperture radar image represented by the following equation:
Figure 112009055518120-pat00027
Figure 112009055518120-pat00027
C는 비용함수고, Gk는 k번째 거리측면도이며, M과 N은 각각 거리측면도의 번호와 각 거리측면도의 거리 성분(range bin)의 개수이다.C is the cost function, G k is the kth distance profile, and M and N are the number of distance profiles and the number of range bins of each distance profile, respectively.
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