KR101058452B1 - Antenna Radiation Pattern Synthesis Method for High Resolution Image Radar - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명의 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법은 2차원 배열 구조의 다수의 안테나 복사소자를 갖는 레이더의 기하학적 구성과 레이더 시스템의 파라미터(parameter)에 적합한 안테나 마스크 템플릿(mask template)을 반복적 최적화 기법을 이용하여 설계하는 단계; 및 PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 위상 배열 안테나의 진폭과 위상의 최적의 분포를 찾아내어, 상기 설계된 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar. Such a method of synthesizing the antenna radiation pattern of the high resolution image radar of the present invention iteratively repeats the antenna mask template suitable for the radar geometry and the parameters of the radar system having a plurality of antenna radiation elements of a two-dimensional array structure Designing using an optimization technique; And finding an optimal distribution of amplitude and phase of the phased array antenna by using a particle swarm optimization (PSO) technique, and synthesizing an antenna radiation pattern with the designed antenna mask template.

이와 같은 본 발명에 의하면, 위상 배열 안테나에서 각 안테나의 진폭과 위상에 대한 개구면 분포를 반복적 최적화 방식과 PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 최적값을 찾아내어 시스템 성능에 알맞는 마스크 템플릿과 안테나 복사패턴을 합성함으로써 위상 배열 고해상도 영상 레이더의 성능을 최적화할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, a mask template suitable for system performance is found by finding an optimal value of an aperture distribution for amplitude and phase of each antenna in a phased array antenna using an iterative optimization method and a particle swarm optimization (PSO) method. Synthesizing the antenna radiation pattern has the advantage of optimizing the performance of the phased array high resolution image radar.

해상도, 영상, 레이더, 안테나, 복사, 패턴, 합성, 마스크, 템플릿 Resolution, image, radar, antenna, copy, pattern, compositing, mask, template

Description

고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법{Method for composing a radiation pattern of antennas in a synthetic aperture radar system}Method for composing a radiation pattern of antennas in a synthetic aperture radar system

본 발명은 고해상도 영상 레이더(SAR:Synthetic Aperture Radar)의 안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 위상 배열 안테나에서 각 안테나의 진폭과 위상에 대한 개구면(aperture) 분포를 반복적 최적화 방식과 PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 최적값을 찾아내어 시스템 성능에 알맞는 마스크 템플릿(mask template)과 안테나 복사패턴을 합성함으로써 위상 배열 고해상도 영상 레이더의 성능을 최적화할 수 있는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사 패턴 합성방법에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna of a high resolution imaging radar (SAR), and more particularly, to iteratively optimizing an aperture distribution for amplitude and phase of each antenna in a phased array antenna and a particle swarm (PSO). Method of synthesizing antenna radiation pattern of high resolution image radar to optimize the performance of phased array high resolution image radar by finding the optimal value using the optimization technique and synthesizing the mask template and antenna radiation pattern suitable for system performance It is about.

수동형 안테나로 구성된 고해상도 영상 레이더 시스템의 경우, 영상을 획득하고자 하는 기하학적 구성에 따라 안테나 패턴을 바꿀 수 없기 때문에, 레이더 시스템의 초기 설계 시부터 안테나 패턴이 레이더의 기하학적 구성에 영향을 받지 않도록 안테나 패턴에 시스템 이득을 크게 반영하여 안테나 패턴을 합성하여야 한다. 그러나 이와 같은 방식은 다기능 다중모드를 가지는 고해상도 영상 레이더의 경우에는 기술적으로 크게 부합하지 않는다. 현재는 송수신 모듈을 이용하여 운용모드 와 기하학적 구성에 크게 의존하지 않고 시스템이 요구하는 안테나 패턴을 합성하는 기술이 제시되고 있다. 이때 시스템 입장에서 제일 중요한 부분은 시스템 파라미터와 운용 기하학적 구성에 따라 안테나 패턴의 마스크 템플릿(mask template)을 설계하는 것이다. 안테나 패턴의 마스크 템플릿은 시스템의 성능을 크게 좌우하기 때문에 안테나 템플릿과 시스템 성능 변수를 함수로 하여 최적화하는 방법이 요구되고 있다.In the case of a high resolution image radar system composed of passive antennas, the antenna pattern cannot be changed according to the geometric configuration of the image to be acquired. The antenna pattern should be synthesized by greatly reflecting the system gain. However, this method is not technically very large in the case of a high resolution image radar having a multifunction multimode. Currently, a technique for synthesizing antenna patterns required by a system using a transmission / reception module without much dependence on an operation mode and a geometric configuration has been proposed. The most important part of the system is to design the mask template of the antenna pattern according to the system parameters and the operating geometry. Since the mask template of the antenna pattern greatly influences the performance of the system, a method of optimizing the antenna template and system performance variables as a function is required.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 위상 배열 안테나에서 각 안테나의 진폭과 위상에 대한 개구면 분포를 반복적 최적화 방식과 PSO (Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 최적값을 찾아내어 시스템 성능에 알맞는 마스크 템플릿과 안테나 복사패턴을 합성함으로써 위상 배열 고해상도 영상 레이더의 성능을 최적화할 수 있는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-mentioned matters, and finds an optimal value of an aperture distribution for the amplitude and phase of each antenna in a phased array antenna using an iterative optimization method and a PSO (Particle Swarm Optimization) technique. It is an object of the present invention to provide a method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar capable of optimizing the performance of a phased array high resolution image radar by synthesizing a mask template and an antenna radiation pattern suitable for performance.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법은,In order to achieve the above object, a method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention,

a) 2차원 배열 구조의 다수의 안테나 복사소자를 갖는 레이더의 기하학적 구성과 레이더 시스템의 파라미터(parameter)에 적합한 안테나 마스크 템플릿(mask template)을 반복적 최적화 기법을 이용하여 설계하는 단계; 및a) designing an antenna mask template suitable for the parameters of the radar system and the geometrical configuration of the radar having a plurality of antenna radiation elements of a two-dimensional array structure by using an iterative optimization technique; And

b) PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 위상 배열 안테나의 진폭과 위상의 최적의 분포를 찾아내어, 상기 설계된 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.b) finding the optimal distribution of the amplitude and phase of the phased array antenna using Particle Swarm Optimization (PSO), and synthesizing the antenna radiation pattern with the designed antenna mask template.

여기서, 상기 단계 a)(안테나 마스크 템플릿의 설계 단계)는,Here, the step a) (design stage of the antenna mask template),

a-1) SAR(Synthetic Aperture Radar:고해상도 영상 레이더) 기하 변수를 이용하여 균일 분포 안테나 패턴을 생성하는 단계;a-1) generating a uniformly distributed antenna pattern using a Synthetic Aperture Radar (SAR) geometry variable;

a-2) SAR 기하 변수와 SAR 입력 변수를 이용하여 거리 방향의 부엽 패턴으로부터 주엽으로 동시에 수신되는 거리 모호 영역을 계산하는 단계;a-2) calculating a distance ambiguity area simultaneously received from the side lobe pattern in the distance direction to the main lobe using the SAR geometric variable and the SAR input variable;

a-3) 상기 단계 a-1)에서 생성된 균일 분포 안테나 패턴에 상기 단계 a-2)에서 계산된 거리 모호 영역과, SAR 입력 변수, 레이더 시스템으로부터 설정된 주엽 변수 및 부엽변수를 적용함으로써 최종 안테나 마스크 템플릿을 결정하는 단계; a-3) The final antenna by applying the distance ambiguity region calculated in the step a-2), the SAR input variable, the main lobe variable and the sublobe variable set from the radar system to the uniformly distributed antenna pattern generated in the step a-1). Determining a mask template;

a-4) 상기 결정된 안테나 마스크 템플릿을 이용하여 RAR(Range Ambiguity Ratio)과 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero)를 계산하는 단계; 및a-4) calculating a range ambiguity ratio (RAR) and a noise equivalent sigma zero (NESZ) using the determined antenna mask template; And

a-5) 안테나 주엽과 부엽에 대한 마스크 템플릿을 최종적으로 설정하기 위하여, 상기 계산된 NESZ와 주엽 변수인 스워스 폭(swath width)을 기준으로 안테나 주엽에 대한 템플릿을 결정하고, 상기 계산된 RAR 값을 만족할 수 있도록 반복적 최적화 기법을 이용하여 상기 계산된 거리 모호 영역에서의 템플릿 폭을 결정함으로써 안테나 부엽에 대한 템플릿을 결정하는 단계를 포함한다.a-5) In order to finally set the mask template for the antenna main and side lobe, the template for the antenna main lobe is determined based on the calculated NESZ and swath width, which is the main lobe variable, and the calculated RAR Determining a template for the antenna side lobe by determining a template width in the calculated distance ambiguity region using an iterative optimization technique to satisfy the value.

여기서, 상기 단계 a-1)에서의 SAR 기하 변수는 고도, 입사각, 스워스 폭을 포함할 수 있다. Here, the SAR geometric variables in step a-1) may include altitude, angle of incidence, and swath width.

또한, 상기 단계 a-2)에서의 SAR 입력 변수는 PRF(pulse repetition frequency), 출력 전력, 펄스 폭(pulse width)을 포함할 수 있다.In addition, the SAR input variable in step a-2) may include a pulse repetition frequency (PRF), an output power, and a pulse width.

또한, 상기 단계 b)(안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계)는,In addition, the step b) (synthesizing the antenna radiation pattern to the antenna mask template),

b-1) 안테나 개구면에 균일하게 분포하는 송수신 모듈의 진폭과 위상의 최적의 분포 계수를 찾기 위하여 소정 개수의 개체(particle; 송수신 모듈의 진폭과 위상의 분포 계수를 갖는 한 개의 조합)를 생성하는 단계; b-1) Generate a certain number of particles (a combination of distribution coefficients of amplitude and phase of the transceiver module) to find an optimal distribution coefficient of amplitude and phase of the transceiver module uniformly distributed on the antenna aperture. Making;

b-2) 상기 생성된 개체들의 위치 및 속도를 초기화하는 단계;b-2) initializing the position and velocity of the created objects;

b-3) 상기 모든 개체의 정보를 이용하여 상기 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계;b-3) synthesizing an antenna radiation pattern with the antenna mask template using the information of all the entities;

b-4) 상기 각 개체들에 대하여 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안테나 지향도가 목표 함수를 만족하는지를 판별하는 단계; 및b-4) determining whether a mask pattern, a beam pattern, and an antenna directivity satisfy a target function for each of the objects; And

b-5) 상기 목표 함수를 만족하는 개체에 대하여 적응도에 대한 평가를 수행함으로써 안테나 복사 패턴 합성을 마무리하는 단계를 포함한다.b-5) finishing the antenna radiation pattern synthesis by performing an evaluation of the adaptability for the object satisfying the target function.

여기서, 바람직하게는 상기 단계 b-3)에서의 안테나 복사 패턴을 합성함에 있어서, 합성의 속도와 정확도를 향상시키기 위하여 영상 레이더 변수를 기본으로 적응형 가중치를 설정하여 반영한다. Here, in synthesizing the antenna radiation pattern in the step b-3), in order to improve the speed and accuracy of the synthesis, adaptive weights are set and reflected based on the image radar parameters.

또한, 상기 단계 b-4)의 판별에서, 각 개체들에 대한 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안테나 지향도가 목표 함수를 만족하지 못하면, Further, in the determination of step b-4), if the mask pattern, beam pattern and antenna directivity for each of the objects do not satisfy the target function,

b-6) 개체들 상호 간에 목표 함수를 비교하는 단계; b-6) comparing the objective function to each other;

b-7) 비교 결과를 바탕으로 인접한 개체들 간에 가장 우수한 개체의 정보를 국부적으로 선정하는 동시에 전체 개체들 중 가장 우수한 개체의 정보를 전역적으로 선정하는 단계; 및 b-7) locally selecting the information of the best individual among the adjacent individuals based on the comparison result and simultaneously selecting the information of the best individual among all the individuals; And

b-8) 선정된 개체 정보를 바탕으로 개체들의 위치와 속도를 재설정하여 상기 안테나 복사 패턴 합성에 반영하는 단계를 더 포함한다. b-8) further comprising resetting the position and speed of the objects based on the selected object information and reflecting them in the antenna radiation pattern synthesis.

이와 같은 본 발명에 의하면, 위상 배열 안테나에서 각 안테나의 진폭과 위상에 대한 개구면 분포를 반복적 최적화 방식과 PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 최적값을 찾아내어 시스템 성능에 알맞는 마스크 템플릿과 안테나 복사패턴을 합성함으로써 위상 배열 고해상도 영상 레이더의 성능을 최적화할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, a mask template suitable for system performance is found by finding an optimal value of an aperture distribution for amplitude and phase of each antenna in a phased array antenna using an iterative optimization method and a particle swarm optimization (PSO) method. Synthesizing the antenna radiation pattern has the advantage of optimizing the performance of the phased array high resolution image radar.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

여기서, 본 발명의 실시예에 대하여 본격적으로 설명하기에 앞서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명의 방법이 적용되는 고해상도 영상 레이더 시스템의 구성에 대하여 살펴보기로 한다.Before describing the embodiment of the present invention in earnest, the configuration of the high resolution image radar system to which the method of the present invention is applied will be described in order to help the understanding of the present invention.

도 1은 본 발명의 방법이 적용되는 위상 배열 안테나로 구성된 고해상도 영상 레이더 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 1 is a view showing the configuration of a high resolution image radar system composed of a phased array antenna to which the method of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 고해상도 영상 레이더 시스템은 안테나 복사소자(110), 안테나 개구면에서의 진폭과 위상값을 설정하는 송수신 모듈(120), 주파수에 따른 안 테나 빔 패턴의 지향 각도의 변화를 최소화시키기 위한 위상 안정도를 제공하는 시간 지연 소자로서의 TTD(True time delay)(130)와, 주파수 상향/하향 변환, 레이더에서 요구되는 주파수의 생성 및 레이더의 전반적인 운용과 타이밍을 제어하는 송수신 제어모듈(140)로 구성된다. Referring to FIG. 1, a high-resolution imaging radar system minimizes a change in an orientation angle of an antenna beam pattern according to frequency, an antenna radiation element 110, a transmission / reception module 120 for setting amplitude and phase values at an antenna aperture, and a frequency. True time delay (TTD) 130 as a time delay element for providing phase stability for transmitting and receiving, and a transmission / reception control module 140 for controlling frequency up / down conversion, generation of a frequency required by the radar, and overall operation and timing of the radar. It consists of

고해상도 영상 레이더(SAR)의 성능을 만족시킬 수 있는 안테나 패턴을 합성하기 위해서는 상기 도 1에서 설명된 송수신 모듈(120)에 의해 최적의 진폭과 위상값을 찾아내야 한다. 그러기 위해서는 먼저 위상 배열 레이더의 기하학적 구성과 시스템 파라미터에 알맞는 안테나 마스크 템플릿을 설계하여야 한다. In order to synthesize an antenna pattern capable of satisfying the performance of a high resolution image radar (SAR), an optimal amplitude and phase value must be found by the transmission / reception module 120 described with reference to FIG. 1. To do this, we first need to design an antenna mask template that matches the geometry and system parameters of the phased array radar.

그러면, 이상과 같은 사전 지식을 바탕으로 본 발명의 실시예에 대하여 설명해 보기로 한다.Then, embodiments of the present invention will be described based on the prior knowledge as described above.

도 2는 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법의 전체적인 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating the overall execution of the method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 따라, 먼저 2차원 배열 구조의 다수의 안테나 복사소자(110)를 갖는 레이더의 기하학적 구성과 레이더 시스템의 파라미터(parameter)에 적합한 안테나 마스크 템플릿(mask template)을 반복적 최적화 기법을 이용하여 설계한다(단계 S210). Referring to FIG. 2, according to the method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention, first, a geometric configuration of a radar having a plurality of antenna radiation elements 110 having a two-dimensional array structure and a parameter of a radar system Is designed using an iterative optimization technique (step S210).

여기서, 반복적 최적화 기법이란 최적 해를 찾아내기 위하여 초기값으로부터 근사해(asymptotic solution)를 선정한 뒤, 이 값을 대입하여 계산하고 목표치에 해가 도달하였는지 평가하여 만약 목표치에 도달하지 않았으면 반복적으로 근사해 를 변화시키면서 가장 최적의 해를 찾아가는 기법을 말한다. 반복적으로 근사해를 찾아가는 방식에 따라 다양한 기법이 존재하지만 본 실시예에서는 진화 알고리즘의 특성인 변이(mutation) 특성을 적용하여 최적해를 찾아가는 기법을 적용하였다. Here, iterative optimization technique selects an approximated solution from the initial value to find the optimal solution, calculates by substituting this value and evaluates whether the solution has reached the target value. The technique of finding the most optimal solution while changing. Various techniques exist depending on the method of repeatedly searching for an approximate solution, but in this embodiment, a technique for searching for an optimal solution is applied by applying a mutation characteristic, which is a characteristic of an evolutionary algorithm.

이후, PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 위상 배열 안테나의 진폭과 위상의 최적의 분포를 찾아내어 상기 설계된 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성한다(단계 S220).Subsequently, an antenna radiation pattern is synthesized to the designed antenna mask template by finding an optimal distribution of amplitude and phase of the phased array antenna using a particle swarm optimization (PSO) technique (step S220).

여기서, 상기 단계 S210의 반복적 최적화 기법을 이용한 안테나 마스크 템플릿 설계 과정에 대하여 도 3을 참조하여 더 상세히 설명해 보기로 한다. Here, the antenna mask template design process using the iterative optimization technique of step S210 will be described in more detail with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 있어서, 반복적 최적화 기법을 이용한 안테나 마스크 템플릿 설계 과정을 보여주는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a process of designing an antenna mask template using an iterative optimization technique in a method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention.

도 3을 참조하면, 먼저 SAR(Synthetic Aperture Radar:고해상도 영상 레이더) 기하 변수를 이용하여 균일 분포 안테나 패턴을 생성한다(단계 S301).Referring to FIG. 3, first, a uniformly distributed antenna pattern is generated by using a SAR (Synthetic Aperture Radar) geometry variable (step S301).

그리고, SAR 기하 변수와 SAR 입력 변수를 이용하여 거리 방향의 부엽 패턴으로부터 주엽으로 동시에 수신되는 거리 모호 영역을 계산한다(단계 S302).Then, using the SAR geometric variable and the SAR input variable, a distance ambiguity region simultaneously received from the side lobe pattern in the distance direction to the main lobe is calculated (step S302).

그런 후, 상기 단계 S301에서 생성된 균일 분포 안테나 패턴에 상기 단계 S302에서 계산된 거리 모호 영역과, SAR 입력 변수, 레이더 시스템으로부터 설정된 주엽 변수 및 부엽 변수를 적용함으로써 최종 안테나 마스크 템플릿을 결정한다(단계 S303). Then, the final antenna mask template is determined by applying the distance ambiguity region calculated in step S302, the SAR input variable, the main lobe variable and the sublobe variable to the uniformly distributed antenna pattern generated in step S301 (step S301). S303).

그런 다음, 상기 결정된 안테나 마스크 템플릿을 이용하여 RAR(Range Ambiguity Ratio)과 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero)를 계산한다(단계 S304).Then, the range ambiguity ratio (RAR) and noise equivalent sigma zero (NESZ) are calculated using the determined antenna mask template (step S304).

이후, 안테나 주엽과 부엽에 대한 마스크 템플릿을 최종적으로 설정하기 위하여, 상기 계산된 NESZ와 주엽 변수인 스워스 폭(swath width)을 기준으로 안테나 주엽에 대한 템플릿을 결정하고, 상기 계산된 RAR 값을 만족할 수 있도록 반복적 최적화 기법을 이용하여 상기 계산된 거리 모호 영역에서의 템플릿 폭을 결정함으로써 안테나 부엽에 대한 템플릿을 결정한다(단계 S305). 여기서, 안테나 주엽과 부엽에 대한 마스크 템플릿을 설정하기 위해서는 위에서 계산된 NESZ 와 영상에 대한 스워스(swath)를 기준으로 안테나 주엽에 대한 템플릿을 결정한다. 또한 안테나 부엽에 대해서는 RAR 값을 만족시킬 수 있도록 거리 모호 영역을 계산하고 모호 영역에서의 템플릿 폭을 결정하여야 한다. RAR 값은 모호 영역에서 반사되는 신호값들의 총합을 나타내므로 반복적 최적화 기법을 이용하여야만 최적의 템플릿을 결정할 수 있게 된다. Then, in order to finally set the mask template for the antenna main lobe and the sublobe, the template for the antenna main lobe is determined based on the calculated NESZ and the swath width, which is the main lobe variable, and the calculated RAR value is determined. The template for the antenna side lobe is determined by determining the template width in the calculated distance ambiguity region using an iterative optimization technique so as to be satisfied (step S305). Here, in order to set the mask template for the antenna main and side lobe, the template for the antenna main lobe is determined based on the NESZ calculated above and the swath of the image. In addition, for the antenna side lobe, the distance ambiguity area should be calculated and the template width in the ambiguity area should be determined to satisfy the RAR value. Since the RAR value represents the sum of the signal values reflected in the ambiguity region, the optimal template can be determined only by using an iterative optimization technique.

이상에서와 같이 반복적 최적화 기법을 이용함으로써 주엽의 목표함수인 NESZ와 부엽의 목표 함수인 RAR을 최적화시킬 수 있다. 즉, 주엽과 부엽을 동시에 조절함으로써 목표함수들을 최적화시킬 수 있게 된다. As described above, by using the iterative optimization technique, the target function of the main leaf NESZ and the target function of the side lobe RAR can be optimized. In other words, it is possible to optimize the target functions by simultaneously controlling the main and side lobes.

한편, 상기 단계 S301에서의 SAR 기하 변수는 고도, 입사각, 스워스 폭 (swath width)을 포함할 수 있다. Meanwhile, the SAR geometric variables in step S301 may include altitude, angle of incidence, and swath width.

또한, 상기 단계 S302에서의 SAR 입력 변수는 PRF(pulse repetition frequency), 출력 전력, 펄스 폭(pulse width)을 포함할 수 있다.In addition, the SAR input variable in step S302 may include a pulse repetition frequency (PRF), an output power, a pulse width.

도 4는 반복적 최적화 기법을 이용하여 합성된 특정 모드의 SAR 안테나 마스 크 템플릿을 보여주는 도면이다.4 is a diagram illustrating a SAR antenna mask template of a specific mode synthesized using an iterative optimization technique.

도 4에 도시된 바와 같이, 최초 안테나 마스크(initial antenna mask) 템플릿과 반복적 최적화 기법을 수행한 후의 최적화된 안테나 마스크(optimized antenna mask) 템플릿 간에는 차이가 있음을 알 수 있으며, 반복적 최적화 기법의 수행을 통해 최적의 템플릿을 결정할 수 있게 됨을 알 수 있다. As shown in FIG. 4, it can be seen that there is a difference between the initial antenna mask template and the optimized antenna mask template after performing the iterative optimization technique. This shows that the optimal template can be determined.

다음으로, 상기 단계 S220의 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 과정에 대하여 도 5를 참조하여 더 상세히 설명해 보기로 한다. Next, a process of synthesizing the antenna radiation pattern to the antenna mask template of step S220 will be described in more detail with reference to FIG. 5.

도 5는 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 있어서, 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 과정을 보여주는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a process of synthesizing an antenna radiation pattern to an antenna mask template in the method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention.

도 5를 참조하면, 먼저 안테나 개구면에 균일하게 분포하는 송수신 모듈의 진폭과 위상의 최적의 분포 계수를 찾기 위하여 소정 개수의 개체(particle; 송수신 모듈의 진폭과 위상의 분포 계수를 갖는 한 개의 조합)를 생성한다(단계 S501). 즉, 초기 개체의 개수를 알맞게 선택한다. Referring to FIG. 5, first, a combination having a predetermined number of particles (coefficients of amplitude and phase of a transmit / receive module) in order to find an optimal distribution coefficient of amplitude and phase of a transmit / receive module uniformly distributed on an antenna aperture. ) Is generated (step S501). That is, the number of initial objects is properly selected.

여기서, 안테나 마스크 템플릿 속으로 안테나 복사패턴을 합성하기 위해서는 안테나 개구면에 균일하게 분포하고 있는 송수신 모듈의 진폭과 위상의 최적의 분포 계수를 찾아야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 PSO 기법을 이용한다. PSO 기법은 일종의 진화 알고리즘으로서 개체(여기서 개체라함은 송수신 모듈의 진폭과 위상의 분포 계수를 가지는 한개의 조합을 의미하며 여러 개의 개체를 생성하여 그중에서 가장 우수한 개체를 얻어냄)들 정보 중 가장 우수한 개체의 정보가 다음 시뮬 레이션에서 선택되어 송수신 모듈의 진폭과 위상의 최적의 분포를 찾아내는 기법이다.Here, in order to synthesize the antenna radiation pattern into the antenna mask template, it is necessary to find the optimal distribution coefficient of the amplitude and phase of the transmission / reception module uniformly distributed on the antenna aperture. To this end, the present invention uses the PSO technique. The PSO technique is a kind of evolutionary algorithm, which is the best of the information of the objects (where the object refers to a combination having the amplitude and phase distribution coefficients of the transmitting and receiving module and generates several objects to obtain the best one among them). The information of the object is selected in the next simulation to find the optimal distribution of amplitude and phase of the transmit / receive module.

이상에 의해 소정 개수의 개체가 생성되면, 그 생성된 개체들의 위치 및 속도를 초기화한다(단계 S502). 여기서, 각 개체는 랜덤하게 초기 위치와 속도값을 가지고 진화하게 되며, 초기에 설정된 위치와 속도는 각 개체의 진폭과 위상 분포값을 나타낸다. 각 개체에 설정된 위치와 속도에 대한 방정식을 매 시뮬레이션에서 업데이트함으로써 진화하게 된다. 여기서 개체의 위치는 진폭과 위상 분포로 이루어진 값을 나타내며 속도는 진폭과 위상이 다음번 시뮬레이션에서 업데이트되는 값을 나타낸다.When a predetermined number of objects are generated by the above, the position and speed of the created objects are initialized (step S502). Here, each individual evolves at random with initial position and velocity values, and the initial position and velocity represent the amplitude and phase distribution of each individual entity. It evolves by updating the equations for each position set in each object in each simulation. Here, the position of the object represents a value consisting of amplitude and phase distribution, and the velocity represents a value in which the amplitude and phase are updated in the next simulation.

이후, 상기 모든 개체의 정보를 이용하여 상기 안테나 마스크 템플릿(도 3의 단계 S303에서 결정된 안테나 마스크 템플릿)에 안테나 복사 패턴을 합성한다(단계 S503).Thereafter, an antenna radiation pattern is synthesized to the antenna mask template (antenna mask template determined in step S303 of FIG. 3) by using the information of all the objects (step S503).

그런 다음, 상기 각 개체들에 대하여 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안테나 지향도가 목표 함수를 만족하는지를 판별한다(단계 S504).Then, it is determined whether the mask pattern, the beam pattern and the antenna directivity satisfy the target function for each of the objects (step S504).

상기 판별에서 목표 함수를 만족하면, 목표 함수를 만족하는 개체에 대하여 적응도에 대한 평가를 수행함으로써 안테나 복사 패턴 합성을 마무리한다(단계 S505).If the determination satisfies the target function, the antenna radiation pattern synthesis is completed by evaluating the adaptability of the object satisfying the target function (step S505).

여기서, 바람직하게는 상기 단계 S503의 안테나 복사 패턴의 합성에 있어서, 합성의 속도와 정확도를 향상시키기 위하여 영상 레이더 변수를 기본으로 적응형 가중치를 설정하여 반영한다(단계 S503-1). Here, in the synthesis of the antenna radiation pattern of step S503, in order to improve the speed and accuracy of the synthesis, adaptive weights are set and reflected based on the image radar parameters (step S503-1).

또한, 상기 단계 S504의 판별에서, 각 개체들에 대한 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안테나 지향도가 목표 함수를 만족하지 못하면, 개체들 상호 간에 목표 함수를 비교하는 단계(S506)와, 그 비교 결과를 바탕으로 인접한 개체들 간에 가장 우수한 개체의 정보를 국부적으로 선정하는 동시에 전체 개체들 중 가장 우수한 개체의 정보를 전역적으로 선정하는 단계(S507) 및 선정된 개체 정보를 바탕으로 개체들의 위치와 속도를 재설정하여 상기 안테나 복사 패턴 합성에 반영하는 단계(S508)를 더 포함한다.Further, in the determination of the step S504, if the mask pattern, the beam pattern and the antenna directivity for each of the objects do not satisfy the target function, comparing the target function between the objects (S506) and the comparison result. Locally select the information of the best object among the adjacent objects on the basis of the step of globally selecting the information of the best object among all the objects (S507) and the position and speed of the objects based on the selected object information Resetting to reflect the antenna radiation pattern composition (S508) further.

여기서, 상기 인접한 개체들간에 가장 우수한 개체의 정보를 국부적으로 공유하게 되며, 전체 개체들 중 전역적으로 가장 우수한 개체의 정보를 다음번 시뮬레이션에서 업데이트할 속도를 결정하는데 사용함으로써 개체들의 위치와 속도를 재설정하게 된다. 이와 같은 과정이 반복적으로 수행되어 최종적으로 목표함수를 만족할 때 까지 지속적으로 수행됨으로써 최종 개체의 정보가 원하는 안테나 진폭과 위상 분포를 나타내게 된다.Here, the information of the best object is shared locally between the adjacent objects, and the position and speed of the objects are reset by using the information of the best object globally among all the objects to determine the speed to be updated in the next simulation. Done. This process is performed repeatedly and continuously until the target function is finally satisfied, so that the information of the final object shows the desired antenna amplitude and phase distribution.

도 6은 이상과 같은 본 발명의 방법을 이용하여 합성된 특정 모드의 SAR 안테나 복사패턴의 진폭 및 위상 분포 특성을 보여주는 도면이다.6 is a view showing the amplitude and phase distribution characteristics of the SAR antenna radiation pattern of a specific mode synthesized using the method of the present invention as described above.

도 6에 도시된 바와 같이, 테일러 분포 특성 곡선(601)과 반복적 최적화 기법을 적용한 최적화 분포 특성 곡선(602) 간에는 확연한 차이가 있음을 알 수 있으며, 이러한 특성 곡선을 통해서도 알 수 있는 바와 같이 본 발명에서는 반복적 최적화 기법을 적용함으로써 송수신 모듈(120)(도 1 참조)에서 안테나 복사패턴의 최적의 진폭과 위상 분포값을 찾아낼 수 있게 된다. As shown in FIG. 6, it can be seen that there is a significant difference between the Taylor distribution characteristic curve 601 and the optimization distribution characteristic curve 602 to which the iterative optimization technique is applied. As can be seen through the characteristic curve, the present invention In the present invention, by applying an iterative optimization technique, it is possible to find an optimal amplitude and phase distribution value of an antenna radiation pattern in the transmission / reception module 120 (see FIG. 1).

도 7a는 PSO(Particle Swarm Optimization)와 가중치 함수를 이용하여 안테나 마스크 템플릿 속에 안테나 패턴이 합성되지 않은 경우를 보여주는 도면이고, 도 7b는 안테나 마스크 템플릿 속에 안테나 패턴이 효율적으로 합성된 경우를 보여주는 도면이다.FIG. 7A illustrates a case in which an antenna pattern is not synthesized in an antenna mask template by using particle swarm optimization (PSO) and a weight function, and FIG. 7B illustrates a case in which an antenna pattern is efficiently synthesized in an antenna mask template. .

도 8a는 도 7b에서 합성된 안테나 패턴을 사용하여 최종적으로 분석된 RAR (Range Ambiguity Ratio) 특성을 보여주는 도면이고, 도 8b는 도 7b에서 합성된 안테나 패턴을 사용하여 최종적으로 분석된 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero) 특성을 보여주는 도면이다. 이들을 통해 영상 레이더 시스템의 요구 조건을 현저히 개선시키고 있음을 알 수 있다. FIG. 8A is a diagram illustrating a range ambiguity ratio (RAR) characteristic finally analyzed using the antenna pattern synthesized in FIG. 7B, and FIG. 8B is a noise equivalent obtained finally analyzed using the antenna pattern synthesized in FIG. 7B. Sigma Zero) shows the characteristics. These results indicate that the requirements of the image radar system are significantly improved.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법은 위상 배열 안테나에서 각 안테나의 진폭과 위상에 대한 개구면 분포를 반복적 최적화 방식과 PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 최적값을 찾아내어 시스템 성능에 알맞는 마스크 템플릿과 안테나 복사패턴을 합성함으로써 위상 배열 고해상도 영상 레이더의 성능을 최적화할 수 있다.As described above, the method for synthesizing the antenna radiation pattern of the high resolution image radar according to the present invention uses an iterative optimization method and a particle swarm optimization (PSO) technique to determine the distribution of apertures for the amplitude and phase of each antenna in the phased array antenna. By finding the optimal value and synthesizing the mask template and antenna radiation pattern suitable for the system performance, the performance of the phased array high resolution image radar can be optimized.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the same should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 방법이 적용되는 위상 배열 안테나로 구성된 고해상도 영상 레이더 시스템의 구성을 보여주는 도면.1 is a view showing the configuration of a high resolution image radar system composed of a phased array antenna to which the method of the present invention is applied.

도 2는 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법의 전체적인 실행 과정을 보여주는 흐름도.Figure 2 is a flow chart showing the overall execution of the method of synthesizing the antenna radiation pattern of the high resolution image radar according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 있어서, 반복적 최적화 기법을 이용한 안테나 마스크 템플릿 설계 과정을 보여주는 흐름도.3 is a flowchart illustrating a process of designing an antenna mask template using an iterative optimization technique in a method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention;

도 4는 반복적 최적화 기법을 이용하여 합성된 특정 모드의 SAR 안테나 마스크 템플릿을 보여주는 도면.4 shows a SAR antenna mask template of a particular mode synthesized using an iterative optimization technique.

도 5는 본 발명에 따른 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법에 있어서, 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 과정을 보여주는 흐름도.5 is a flowchart illustrating a process of synthesizing an antenna radiation pattern to an antenna mask template in the method of synthesizing an antenna radiation pattern of a high resolution image radar according to the present invention;

도 6은 본 발명의 방법을 이용하여 합성된 특정 모드의 SAR 안테나 복사패턴의 진폭 및 위상 분포 특성을 보여주는 도면.6 shows the amplitude and phase distribution characteristics of a SAR antenna radiation pattern of a particular mode synthesized using the method of the present invention.

도 7a는 PSO(Particle Swarm Optimization)와 가중치 함수를 이용하여 안테나 마스크 템플릿 속에 안테나 패턴이 합성되지 않은 경우를 보여주는 도면. FIG. 7A illustrates a case in which an antenna pattern is not synthesized in an antenna mask template by using particle swarm optimization (PSO) and a weight function. FIG.

도 7b는 PSO와 가중치 함수를 이용하여 안테나 마스크 템플릿 속에 안테나 패턴이 효율적으로 합성된 경우를 보여주는 도면.FIG. 7B illustrates a case in which an antenna pattern is efficiently synthesized in an antenna mask template using a PSO and a weight function. FIG.

도 8a는 도 7b에서 합성된 안테나 패턴을 사용하여 최종적으로 분석된 RAR (Range Ambiguity Ratio) 특성을 보여주는 도면. FIG. 8A is a diagram showing a range ambiguity ratio (RAR) characteristic finally analyzed using the antenna pattern synthesized in FIG. 7B. FIG.

도 8b는 도 7b에서 합성된 안테나 패턴을 사용하여 최종적으로 분석된 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero) 특성을 보여주는 도면.FIG. 8B is a diagram showing Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) characteristics finally analyzed using the antenna pattern synthesized in FIG. 7B.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110...안테나 복사소자 120...송/수신 모듈110 Antenna copy element 120 Transmit / receive module

130...시간지연소자(TTD) 140...송수신 제어모듈130 ... Time Delay Element (TTD) 140 ... Transmission / Reception Control Module

Claims (7)

a) 2차원 배열 구조의 다수의 안테나 복사소자를 갖는 레이더에서 SAR 기하 변수를 이용하여 생성된 균일 분포 안테나 패턴에, SAR 기하 변수와 SAR 입력 변수를 이용하여 계산된 거리 모호 영역과, SAR 입력 변수, 레이더 시스템으로부터 설정된 주엽 변수 및 부엽 변수를 적용하여 결정되는 안테나 마스크 템플릿(mask template)을 반복적 최적화 기법을 이용하여 설계하는 단계; 및a) in a uniformly distributed antenna pattern generated using SAR geometric variables in a radar with multiple antenna radiators of a two-dimensional array structure, a distance ambiguity region calculated using SAR geometric variables and SAR input variables, and SAR input variables; Designing an antenna mask template determined by applying a main lobe variable and a sublobe variable set from a radar system using an iterative optimization technique; And b) PSO(Particle Swarm Optimization) 기법을 이용하여 위상 배열 안테나의 진폭과 위상의 최적의 분포를 찾아내어, 상기 설계된 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.b) finding an optimal distribution of the amplitude and phase of the phased array antenna using a Particle Swarm Optimization (PSO) technique, and synthesizing an antenna radiation pattern with the designed antenna mask template. Of antenna radiation patterns 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 a)(안테나 마스크 템플릿의 설계 단계)는,Step a) (design stage of the antenna mask template), a-1) SAR(Synthetic Aperture Radar:고해상도 영상 레이더) 기하 변수를 이용하여 균일 분포 안테나 패턴을 생성하는 단계;a-1) generating a uniformly distributed antenna pattern using a Synthetic Aperture Radar (SAR) geometry variable; a-2) SAR 기하 변수와 SAR 입력 변수를 이용하여 거리 방향의 부엽 패턴으로부터 주엽으로 동시에 수신되는 거리 모호 영역을 계산하는 단계;a-2) calculating a distance ambiguity area simultaneously received from the side lobe pattern in the distance direction to the main lobe using the SAR geometric variable and the SAR input variable; a-3) 상기 단계 a-1)에서 생성된 균일 분포 안테나 패턴에 상기 단계 a-2)에서 계산된 거리 모호 영역과, SAR 입력 변수, 레이더 시스템으로부터 설정된 주엽 변수 및 부엽변수를 적용함으로써 최종 안테나 마스크 템플릿을 결정하는 단계; a-3) The final antenna by applying the distance ambiguity region calculated in the step a-2), the SAR input variable, the main lobe variable and the sublobe variable set from the radar system to the uniformly distributed antenna pattern generated in the step a-1). Determining a mask template; a-4) 상기 결정된 안테나 마스크 템플릿을 이용하여 RAR(Range Ambiguity Ratio)과 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero)를 계산하는 단계; 및a-4) calculating a range ambiguity ratio (RAR) and a noise equivalent sigma zero (NESZ) using the determined antenna mask template; And a-5) 안테나 주엽과 부엽에 대한 마스크 템플릿을 최종적으로 설정하기 위하여, 상기 계산된 NESZ와 주엽 변수인 스워스 폭(swath width)을 기준으로 안테나 주엽에 대한 템플릿을 결정하고, 상기 계산된 RAR 값을 만족할 수 있도록 반복적 최적화 기법을 이용하여 상기 계산된 거리 모호 영역에서의 템플릿 폭을 결정함으로써 안테나 부엽에 대한 템플릿을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.a-5) In order to finally set the mask template for the antenna main and side lobe, the template for the antenna main lobe is determined based on the calculated NESZ and swath width, which is the main lobe variable, and the calculated RAR And determining a template for an antenna sublobe by determining a template width in the calculated distance ambiguity region using an iterative optimization technique so as to satisfy a value. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 단계 a-1)에서의 SAR 기하 변수는 고도, 입사각, 스워스 폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.The SAR geometrical variable in step a-1) includes an altitude, an angle of incidence, and a swath width. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 단계 a-2)에서의 SAR 입력 변수는 PRF(pulse repetition frequency), 출력 전력, 펄스 폭(pulse width)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.The SAR input variable in step a-2) includes a pulse repetition frequency (PRF), an output power, and a pulse width. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 b)(안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계)는,Step b) (compositing the antenna radiation pattern to the antenna mask template), b-1) 안테나 개구면에 균일하게 분포하는 송수신 모듈의 진폭과 위상의 최적의 분포 계수를 찾기 위하여 소정 개수의 개체(particle; 송수신 모듈의 진폭과 위상의 분포 계수를 갖는 한 개의 조합)를 생성하는 단계; b-1) Generate a certain number of particles (a combination of distribution coefficients of amplitude and phase of the transceiver module) to find an optimal distribution coefficient of amplitude and phase of the transceiver module uniformly distributed on the antenna aperture. Doing; b-2) 상기 생성된 개체들의 위치 및 속도를 초기화하는 단계;b-2) initializing the position and velocity of the created objects; b-3) 상기 모든 개체의 정보를 이용하여 상기 안테나 마스크 템플릿에 안테나 복사 패턴을 합성하는 단계;b-3) synthesizing an antenna radiation pattern with the antenna mask template using the information of all the entities; b-4) 상기 각 개체들에 대하여 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안테나 지향도가 목표 함수를 만족하는지를 판별하는 단계; 및b-4) determining whether a mask pattern, a beam pattern, and an antenna directivity satisfy a target function for each of the objects; And b-5) 상기 목표 함수를 만족하는 개체에 대하여 적응도에 대한 평가를 수행함으로써 안테나 복사 패턴 합성을 마무리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.b-5) finalizing antenna radiation pattern synthesis by performing an adaptation evaluation on the object satisfying the target function. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 단계 b-3)에서의 안테나 복사 패턴을 합성함에 있어서, 합성의 속도와 정확도를 향상시키기 위하여 영상 레이더 변수를 기본으로 적응형 가중치를 설정하여 반영하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.In synthesizing the antenna radiation pattern in step b-3), in order to improve the speed and accuracy of the synthesis, the antenna radiation pattern of the high resolution image radar is set and reflected based on an adaptive weight based on the image radar parameters. Synthesis method. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 단계 b-4)의 판별에서, 각 개체들에 대한 마스크 패턴, 빔 패턴 및 안 테나 지향도가 목표 함수를 만족하지 못하면, In the determination of step b-4), if the mask pattern, beam pattern and antenna directivity for each of the objects do not satisfy the target function, b-6) 개체들 상호 간에 목표 함수를 비교하는 단계; b-6) comparing the objective function to each other; b-7) 비교 결과를 바탕으로 인접한 개체들 간에 가장 우수한 개체의 정보를 국부적으로 선정하는 동시에 전체 개체들 중 가장 우수한 개체의 정보를 전역적으로 선정하는 단계; 및 b-7) locally selecting the information of the best individual among the adjacent individuals based on the comparison result and simultaneously selecting the information of the best individual among all the individuals; And b-8) 선정된 개체 정보를 바탕으로 개체들의 위치와 속도를 재설정하여 상기 안테나 복사 패턴 합성에 반영하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고해상도 영상 레이더의 안테나 복사패턴 합성방법.b-8) resetting the position and speed of the objects based on the selected object information to reflect the antenna radiation pattern synthesis.
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