KR101081894B1 - 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법 - Google Patents

연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 서로 다른 채널이 각각 할당된 복수의 안테나, 송신 신호에 각 채널의 반송 주파수를 적용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호가 펄스 형태로 해당 안테나를 통해 연속적으로 관측 영역에 송신되도록 하는 변조부, 상기 복수의 안테나를 통해 수신된 상기 관측 영역의 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 신호 합성부, 상기 신호 합성부로부터의 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 해상도를 계산하는 해상도 계산부로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따르면 영상의 연속성 및 광역 특성과 긴 탐지거리를 유지함과 동시에 방위 방향 및 거리 방향의 해상도를 동시에 향상시킬 수 있다.

Description

연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법{Synthetic aperture radar system for continuous wide swath high resolution imaging and method thereof}
본 발명은 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속적이며 겹침이 없는 주파수 대역(또는 채널)을 가지는 복수 개의 안테나를 이용하여 반송 주파수에 LFM(linear frequency modulation)변조를 가한 신호를 펄스 형태로 비행체 진행방향에 따라 연속적인 안테나 빔으로 관측 영역에 동시에 조사[照射]하여 각 채널로 수신되는 동일 관측 영역의 도플러 신호의 조합을 통해 광대역 도플러 신호를 생성하여 높은 방위방향 해상도를 구현하고, 각 채널별로 수신된 펄스 중에서 동일 순서에서 수신된 펄스를 모아 광대역 첩에 대한 수신 신호를 구현하여 거리 해상도를 높이는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
이동하는 플랫폼에 안테나와 레이더 시스템을 장착하여 큰 길이의 합성 개구면 구현을 통한 영상 해상도를 획기적으로 향상시킨 SAR(synthetic aperture radar) 시스템이 최초로 개발된 이래로 SAR 영상의 해상도를 높이기 위한 시도는 끊임없이 이어져 왔다.
상대적으로 오래전에 개발되어 많은 체계에 응용된 기술로는 안테나의 전기적, 기계적인 조향을 통하여 특정 관심영역으로부터 많은 도플러 정보를 획득하는 방법이 있는데, 이 방법의 경우 고해상도의 영상은 얻을 수 있으나 상대적으로 작은 관심영역의 영상만을 얻을 수 있으며, 안테나가 특정 지역을 조향하고 있는 동안 항공기가 지나가는 영역의 영상에 대한 데이터는 얻을 수 없기 때문에 영상의 연속성을 보장할 수 없다. 또한 해당 모드의 운용을 통하여 얻게 되는 해상도 향상 효과는 방위각 방향의 해상도뿐이며, 거리 방향의 해상도 향상은 아무런 향상을 얻을 수 없게 된다.
일반적인 레이더의 거리 해상도는 송신펄스의 폭에 의해 좌우되고 방위 해상도는 안테나의 빔 폭에 의해 결정된다.
기존 레이더의 거리 해상도를 높이기 위한 방법으로 펄스에 linear frequency modulation(LFM, chirp 변조)을 가하여 펄스를 송신하고 수신시에는 수신펄스를 주파수별 신호 지연시간을 달리하는 정합필터에 통과시켜 최종신호의 거리 해상도를 높이는 펄스 압축 기법이 제안되어 있다.
높은 방위 해상도의 지형 영상을 얻기 위해서는 안테나의 빔폭을 작게 하여야 하므로 충분히 큰 안테나가 필요하지만 비행기에 장착되는 탑재체의 크기가 제한되므로 물리적으로 큰 안테나를 이용하여 고해상도 영상을 얻기는 곤란하다.
이런 문제를 해결하기 위하여 안테나를 탑재한 레이더를 비행체에 실어 이동시키고 신호처리 기법을 이용하여 수신된 신호를 이론적으로 합성하여 마치 커다란 안테나를 사용한 것처럼 방위방향의 고해상도 영상을 얻는 방법이 1951년 Carl Wiley가 처음으로 제안한 합성개구면 레이더(SAR)방식이다.
SAR의 방위방향 해상도(
Figure 112010023120407-pat00001
)는 수학식 1로 주어지며, 탑재체가 이동하면서 지상관측 영역에서 발생하는 도플러 주파수의 대역폭이 커지면 커질수록 방위해상도 특성의 향상을 얻을 수 있으므로, 표적으로부터 수신되는 신호의 도플러 대역폭을 늘리기 위한 연구가 수행되어 왔다.
Figure 112010023120407-pat00002
여기서, 상기
Figure 112010023120407-pat00003
는 거리방향 해상도, V는 비행체의 속도, BD는 도플러 대역폭을 말한다.
SAR의 가장 기본적인 모드는 도 1에 도시된 표준 영상 모드로써 비행체에 안테나를 부착하여 안테나의 빔 조향 없이 하나의 안테나를 이용하여 표적으로부터 수신되는 도플러 신호만을 이용하여 방위 방향 해상도의 향상을 이루는 모드이다.
도 2는 SAR의 고해상도 모드를 나타낸 도면으로, 고해상도 모드는 비행체를 이동시키면서 안테나 빔을 기계적 또는 전자적으로 조향하여 특정 지역에 빔을 집중 조사하여 해당 지역에서 많은 도플러 정보를 획득하여 표준영상 모드에서보다 높은 방위 해상도 영상을 구현하는 모드이다.
이에 덧붙여, 광역의 영상을 고해상도로 얻기 위한 많은 시도가 있어 왔다.
그러나 넓은 영상 swath를 거리 모호성 없이 얻기 위해서는 낮은 PRF(pulse repetition frequency) 특성이 요구되고 높은 방위 방향 해상도를 도플러 모호성 없이 얻기 위해서는 도플러 대역폭보다 큰 PRF 특성이 요구되며, 단일 PRF와 단일 송수신 안테나를 사용하는 기존 SAR 시스템에서 해상도와 swath width의 선택은 수학식 2에서 정의되는 PRF 범위에서만 가능한 서로 trade-off 관계에 있는 요구조건으로 간주되어 왔었다.
Figure 112010023120407-pat00004
여기서, 상기 v는 비행체 속도,
Figure 112010023120407-pat00005
는 방위 방향 해상도, c는 광속, wsw 는 swath width(range),
Figure 112010023120407-pat00006
는 입사각을 말한다.
즉, 영상 swath width를 어느 시점 이상으로 올리게 되면 비행체 속도를 낮추지 않는 한 원하는 방위방향 해상도를 얻을 수 없게 되고, 높은 방위방향 해상도를 얻기 위해서는 영상의 swath width를 포기하여야만 하는 상호 모순적인 요구조건으로 간주 되었으며, 실제로 초기 SAR 시스템이 이러한 제약조건에서 벗어나지 못하였었다.
이러한 모순적인 PRF조건을 해결하기 위해 1992년 A. Currie는 single phase center(SPC) 방법과 displaced phase center(DPC) 방법을 제안하였다.
상기 SPC 모드에 대해 도 3을 참조하면, SPC 방법은 넓은 송신 안테나 빔과 복수개의 공간적으로 연속적인 수신 안테나 빔을 사용하는 방법으로, 각 개별 수신 안테나로 수신되는 도플러 신호를 조합하여 최종 광역 도플러 신호를 만들어 내므로 각 수신 안테나로 수신되는 도플러 대역폭까지 PRF를 줄임으로써 광역 영상에서 요구되는 낮은 PRF를 얻는 방법이다.
DPC 모드는 송수신 안테나의 빔폭을 동일하게 한 뒤 표적에서 반사된 신호를 동시에 수신하여, 타 안테나와의 전파 간섭을 줄인다.
상기 DPC 모드에 대해 도 4를 참조하면, 다른 대역폭을 갖는 안테나를 사용하는 SPC 모드와는 달리 동일 대역폭 안테나로 신호를 수신한 뒤 각 안테나의 수신 신호를 적절히 배치하여 마치 높은 PRF를 사용한 것과 같은 효과를 구현하는 방법이다.
DPC 모드는 SPC 모드에서 존재하는 안테나 간섭 문제는 해결하였지만, 각 채널이 독립적으로 운용되는 SPC 모드와는 달리 각 안테나로 수신되는 신호의 interleaving을 통해 PRF 제한조건을 해결하므로 정확한 신호 타이밍과 복잡한 위상 보상 과정이 필연적으로 요구된다는 단점을 가진다.
이러한 DPC 모드에서 수신 안테나를 적층하여 안테나의 이득을 보상한 도 5와 같은 HRWS(high resolution wide swath) 방법이 제안되었다.
상기 HRWS 모드에서 추가적인 거리 해상도 향상기법으로 일정한 대역폭을 가지는 chirp 신호를 복수개의 주파수를 갖는 carrier에 실어 동수의 채널 및 안테나를 사용하여 송신한 뒤 수신 단에서는 각 신호의 대역폭을 조합하여 실질적으로 높은 대역폭의 chirp 신호를 구현하는 도 6과 같은 chirp stitching 방법도 제안되어 있다.
그러나 도 6에 제시된 방법은 기존의 HWRS 모드에서 거리방향 해상도의 향상만 추가로 구현할 뿐 방위방향 해상도는 각 개별 안테나 길이의 1/2로 한정되는 단점이 있다.
또한, 표준 영상 모드 방식은 연속적인 지형 영상을 얻을 수 있다는 장점은 있지만, 상대적으로 해상도가 낮으며 단일 채널로 운용될 경우 안테나의 빔폭 내에서 수신되는 펄스들의 도플러 정보만 얻을 수 있다는 단점이 있으며, 넓은 안테나 빔폭을 얻기 위하여 작은 길이의 안테나를 사용할 경우 탐지거리의 감소가 필수적으로 수반되는 문제점을 가지고 있다.
이러한 현상은 광역, 고해상 영상을 얻기 위한 방법인 SPC 모드에서도 동일하게 발견되는데, SPC 모드의 경우에는 넓은 빔폭의 송신 빔이 요구되므로 안테나의 크기가 작아지게 되고 그로 인해 안테나의 이득이 줄게 되어 시스템의 탐지거리가 줄어드는 문제점이 있다.
낮은 안테나 이득을 보완하기 위해 HWRS 모드에서는 복수개의 수신 안테나를 수직방향으로 적층하여 안테나 이득을 높이지만 이 경우 수신안테나의 크기와 무게가 증가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 방위방향 해상도에 있어서 고해상도 모드 방식은 해당지역에서 많은 도플러 정보를 획득하여 표준영상 모드보다 높은 방위 방향 해상도 영상을 얻을 수 있지만, 안테나를 관측 영역에 집중적으로 조향하여야 하는 추가적인 요구조건이 발생하게 되고 그로 인한 좁은 정찰범위와 영상의 비연속성 문제를 가지고 있다.
또한, 영상의 연속성을 유지시키는 표준영상 모드의 경우에는 최대 방위 해상도가 안테나의 길이의 1/2 로 한정되게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 영상의 연속성 및 광역 특성과 긴 탐지거리를 유지함과 동시에 방위 방향 및 거리 방향의 해상도를 동시에 향상시킬 수 있는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 복수 개의 안테나 빔을 적절히 배치 및 도플러 대역폭을 stitching하여 최대 도플러 대역폭을 얻도록 하고, 영상의 연속성을 유지함과 동시에 최대 해상도를 안테나 길이의 1/2보다 더 좋게 만드는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수개 안테나 및 복수개 채널의 사용 주파수 대역을 달리하여 안테나 간 상호 전파 간섭에서 기인한 신호 간섭 문제를 억제할 수 있는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수의 안테나에 의한 주파수 대역간의 첩(chirp) 신호를 조합하여 광역 첩(chirp) 신호를 구현하며 거리해상도를 향상시킬 수 있는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 서로 다른 채널이 각각 할당된 복수의 안테나, 송신 신호에 각 채널의 반송 주파수를 적용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호가 펄스 형태로 해당 안테나를 통해 연속적으로 관측 영역에 송신되도록 하는 변조부, 상기 복수의 안테나를 통해 수신된 상기 관측 영역의 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 신호 합성부, 상기 신호 합성부로부터의 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 해상도를 계산하는 해상도 계산부를 포함하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템이 제공된다.
상기 각 안테나는 상기 변조부로부터의 송신 펄스를 할당된 채널을 통해 연속적으로 방사하는 송신부, 상기 송신 펄스가 관측 영역에서 반사되어 되돌아오는 신호를 해당 채널을 통해 수신하는 수신부가 각각 구비되어 있다.
또한, 상기 복수의 안테나는 운용 주파수 대역이 다르고, 각 대역폭 사이에는 갭(gap)이 없다.
또한, 상기 복수의 안테나는 평면의 배열 안테나로 구성하고, 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나 사이에 위치한 힌지를 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정한다.
또한, 상기 복수의 안테나는 위상 어레이 형태의 안테나로 구성하고, 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나의 위상을 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정한다.
또한, 상기 복수의 안테나는 서로 다른 시간 및 서로 다른 각도로 해당 선형 주파수 변조된 신호를 상기 관측 영역에 송신한다.
상기 신호 합성부는 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 상기 관측 영역의 도플러 신호를 조합하여 광대역 도플러 신호를 생성한다.
또한, 상기 신호 합성부는 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 신호중에서 각 안테나별로 순서가 동일한 신호를 합성하여 광대역 첩(chirp) 신호를 생성한다.
상기 복수의 안테나를 통해 수신된 신호는 상기 관측 영역에 대해 서로 다른 관측 각도로 시간 간격을 두고 수신된 신호를 말한다.
상기 해상도 계산부는, 상기 신호 합성부에서 생성된 광대역 도플러 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 방위 방향 해상도를 구하는 방위 방향 해상도 계산 모듈, 상기 신호 합성부에서 생성된 광대역 첩 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 거리 방향 해상도를 구하는 거리방향 해상도 계산 모듈을 포함한다.
상기 방위각 방향 계산 모듈은
Figure 112010023120407-pat00007
를 이용하여 도플러 신호의 대역폭을 구하되,
상기 BD 도플러 대역폭, V는 비행체의 속도,
Figure 112010023120407-pat00008
는 방위 방향 안테나 빔폭,
Figure 112010023120407-pat00009
는 파장을 말한다.
상기 거리 해상도 계산 모듈은
Figure 112010023120407-pat00010
를 이용하여 거리 방향 해상도를 구하되, 상기
Figure 112010023120407-pat00011
는 거리방향 해상도, c는 광속, Btotal은 첩 전체 대역폭,
Figure 112010023120407-pat00012
는 입사각을 말한다.
상기 복수의 안테나는 하나의 이동체 또는 복수의 이동체에 장착되어, 상기 이동체의 진행방향으로 넓은 영역에 연속적이며 동시에 각 선형 주파수 변조된 신호를 조사한다.
또한, 본 발명에 따르면, (a)복수의 안테나에 할당된 서로 다른 반송 주파수를 이용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호를 해당 안테나를 통해 관측 영역에 연속적으로 조사하는 단계, (b)상기 복수의 안테나로부터 시간 간격을 두고 수신된 상기 관측 영역의 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 단계, (c)상기 생성된 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 방위 방향 해상도 및 거리 방향 해상도를 구하는 단계를 포함하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 방법이 제공된다.
상기 (a)단계에서, 상기 복수의 안테나는 서로 다른 시간 및 서로 다른 각도로 해당 선형 주파수 변조된 신호를 상기 관측 영역에 조사한다.
상기 (b)단계는, 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 동일 관측 영역의 도플러 신호를 조합하여 광대역 도플러 신호를 생성하고, 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 신호중에서 각 안테나별로 순서가 동일한 신호를 합성하여 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 영상의 연속성 및 광역 특성과 긴 탐지거리를 유지함과 동시에 방위 방향 및 거리 방향의 해상도를 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 각 안테나 빔을 적절히 배치하고 도플러 대역폭을 stitching하여 최대 도플러 대역폭을 얻을 수 있고, 영상의 연속성을 유지함과 동시에 최대 해상도를 안테나 길이의 1/2보다 더 좋게 만들 수 있다.
또한, 복수개 안테나 및 복수개 채널의 사용 주파수 대역을 달리하므로 안테나 간 상호 전파 간섭에서 기인한 신호 간섭 문제를 억제할 수 있다.
또한, 복수의 안테나에 의한 주파수 대역간의 chirp 신호를 조합하여 광역 chirp 신호를 구현할 수 있어서, 거리해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 빔을 넓은 영역에 조사함과 동시에 비행체는 연속적으로 이동하고 있으므로 관측 영역으로부터 수신되는 도플러 신호의 대역폭은 안테나의 개수만큼 향상되고 영상의 연속성도 얻을 수 있다.
또한, 복수개의 채널 및 안테나를 사용함으로써 PRF(pulse repetition frequency)를 각 채널의 도플러 대역폭까지 낮출 수 있으므로, 낮은 PRF가 요구되는 광역 영상을 해상도의 저하 없이 구현 가능하다.
도 1은 종래 SAR의 표준영상 모드를 나타낸 도면.
도 2는 종래 SAR의 고해상도 모드를 나타낸 도면.
도 3은 종래 SAR의 SPC 모드를 나타낸 도면.
도 4는 종래 SAR의 DPC 모드를 나타낸 도면.
도 5는 종래 SAR의 HRWS 모드를 나타낸 도면.
도 6은 종래 HRWS 모드에서 추가 거리해상도 향상기법을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이터 시스템을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 관측 거리에 따른 안테나의 기계적 운용을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 관측 거리에 따른 안테나의 전자적 운용을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이터 시스템의 운용을 나타낸 도면.
도 11은 도 10에 따른 광대역 도플러 신호를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 각 안테나로부터 송신되는 송신펄스의 주파수와 각 채널로 송수신 되는 chirp 신호의 대역폭을 나타낸 도면.
도 13은 도 12에 따라 최종적으로 합성된 펄스의 chirp 대역폭을 나타낸 도면.
도 14는 본 발명에 따른 각 안테나로부터 수신된 펄스를 조합하여 광대역의 chirp 대역폭을 갖는 수신 펄스로 합성하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 15는 본 발명에 따른 복수개의 비행체에 각각의 단일 안테나를 장착한 시스템 운용도를 나타낸 도면.
도 16은 본 발명에 따른 단일 비행체로 단일 영역을 조사하여 방위방향 해상도 증가 없이 거리방향 해상도만을 향상시키는 시스템 운용도를 나타낸 도면.
도 17은 본 발명에 따른 단일 비행체로 단일 영역 조사 시 도플러 대역폭의 불연속성과 합성된 광대역 chirp 신호를 나타낸 도면.
도 18은 본 발명에 따른 복수 비행체로 단일 영역을 조사하여 방위방향 해상도 및 거리방향 해상도를 향상시키는 시스템 운용도를 나타낸 도면.
도 19는 본 발명에 따른 복수 비행체로 단일 영역 조사 시 도플러 대역폭의 연속성과 합성된 광대역 chirp 신호를 나타낸 도면.
본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템을 나타낸 도면, 도 8은 본 발명에 따른 관측 거리에 따른 안테나의 기계적 운용을 나타낸 도면, 도 9는 본 발명에 따른 관측 거리에 따른 안테나의 전자적 운용을 나타낸 도면, 도 10은 본 발명에 따른 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템의 운용을 나타낸 도면, 도 11은 도 10에 따른 광대역 도플러 신호를 나타낸 도면, 도 12는 본 발명에 따른 각 안테나로부터 송신되는 송신펄스의 주파수와 각 채널로 송수신 되는 chirp 신호의 대역폭을 나타낸 도면, 도 13은 도 12에 따라 최종적으로 합성된 펄스의 chirp 대역폭을 나타낸 도면, 도 14는 본 발명에 따른 각 안테나로부터 수신된 펄스를 조합하여 광대역의 chirp 대역폭을 갖는 수신 펄스로 합성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템(700)은 서로 다른 채널이 각각 할당된 복수의 안테나(710a, 710b, 710c,이하 710이라 칭함), 송신 신호에 각 채널의 반송 주파수를 적용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하는 변조부(720), 상기 복수의 안테나(710)를 통해 수신된 관측 영역에 대한 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 신호 합성부(730), 상기 신호 합성부(730)로부터의 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 상기 관측 영역에 해당하는 영상의 해상도를 구하는 해상도 계산부(740)를 포함한다.
상기 각 안테나(710)는 상기 변조부(720)로부터의 송신 펄스를 기 할당된 채널을 통해 연속적으로 방사하는 송신부(702), 각 채널을 통해 상기 송신 펄스가 관측 대상에서 반사되어 되돌아오는 신호를 수신하는 수신부(704)를 포함한다. 여기에서는 안테나 1(710a)을 예로 하여 설명하였으나, 안테나2(710b), 안테나3(710c)도 상기 안테나1(710a)과 같은 구성을 가진다.
상기 각 안테나(710)는 하나 또는 복수 개의 비행체에 장착되며, 반송 주파수에 LFM 변조를 가한 신호를 펄스 형태로 비행체 진행방향으로 넓은 영역에 연속적이며 동시에 조사[照射]하고, 각 안테나(710)로부터 동일 관측 영역에 대한 신호를 시간 간격을 두고 수신하게 된다. 여기에서는 비행체로 하여 설명하였지만, 비행체는 이동체로서 차량 등을 모두 포함할 수 있다.
여기에서는 안테나1, 2, 3(710a, 710b, 710c)의 3개의 안테나를 예시로 하여 설명하였으나, 그 수는 제한이 없다.
또한, 각 안테나(710)에는 서로 다른 채널(또는 대역폭)이 할당되며, 운용 주파수 대역폭은 각 대역폭 사이에 갭(gap)이 없이 순차적으로 향상되는 대역폭으로 설계된다.
또한, 상기 복수의 안테나(710)는 평면의 배열 안테나 또는 위상 어레이 형태의 안테나로 구성한다. 먼저, 상기 복수의 안테나(710)를 평면의 배열 안테나로 구성한 경우, 도 8과 같이 관측 거리에 따라 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나 사이에 위치한 힌지를 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정한다.
즉, 복수 개의 안테나 빔을 탐지거리와 관계가 없으며 공간적으로 빈 공간이 없도록 구현하기 위해 평면의 배열 안테나를 동수의 sub-aperture로 나누어 각 부분을 김발 및 힌지(hinge)를 이용하여 기계적으로 조형한다.
즉, 관측거리에 따라 안테나 사이에 위치한 힌지의 각을 조절하면, 동일 안테나라도 근거리 안테나(a), 중거리 안테나(b), 원거리 안테나(c)처럼 이용할 수 있다. 또한, 힌지의 각을 조절하면, 안테나 빔의 폭이 넓어진다. 그러므로, 거리 방향 해상도뿐만 아니라 방위 방향 해상도가 좋아지는 효과가 있다.
다음으로, 복수의 안테나(710)를 위상 어레이 형태의 안테나로 구성한 경우, 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나의 위상을 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정한다.
즉, 도 9와 같이 각 sub-aperture를 위상 어레이 형식의 안테나로 구성하고, 어레이를 구성하는 element들의 위상을 조절하여 안테나 빔의 방향을 전자적으로 조향한다. 그러면, 동일 안테나라도 근거리 안테나, 중거리 안테나, 원거리 안테나처럼 운용할 수 있다.
상기와 같이 각 안테나(710)에서 신호가 송수신되는 3dB 빔폭(주빔의 빔폭)이 관측 영역을 최대한 넓게 동시에 조사할 수 있도록 각 안테나(710)의 빔폭 내 최소한의 overlap을 갖도록 빔을 조향하여 동시에 관측되는 관측 영역을 최대한 넓힌다.
따라서, 상기 복수의 안테나(710)는 서로 다른 시간 및 서로 다른 각도로 상기 선형 주파수 변조된 신호를 동일 관측 영역에 조사 또는 상기 관측 영역으로부터 신호를 수신하게 된다. 예를 들면, 안테나1(710a), 안테나2(710b), 안테나3(710c)는 그 위치가 서로 다르므로, 시간 간격을 두고 동일 관측영역을 조사하게 되며, 서로 다른 시간에 상기 관측 영역으로부터 신호를 수신하게 된다.
상기 변조부(720)는 송신 신호에 각 채널의 반송 주파수를 적용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호를 펄스 형태로 해당 안테나(710)를 통해 송신되도록 한다.
즉, 상기 변조부(720)는 상기 송신 신호를 안테나1(710a)에 할당된 반송 주파수와 선형 주파수 변조하여 안테나 1(710a)을 통해 송신되도록 하고, 안테나2(710b)에 할당된 반송 주파수와 선형 주파수 변조하여 안테나 2(710b)를 통해 송신되도록 하고, 안테나3(710c)에 할당된 반송 주파수와 선형 주파수 변조하여 안테나3(710c)를 통해 송신되도록 한다.
상기 신호 합성부(730)는 상기 복수의 안테나(710)를 통해 각각 수신된 동일 관측 영역의 도플러 신호를 조합하여 광대역 도플러 신호를 생성하고, 상기 수신된 신호중에서 순서가 동일한 신호를 합성하여 광대역 첩(chirp) 신호를 생성한다.
상기 해상도 계산부(740)는 상기 신호 합성부(730)에서 생성된 광대역 도플러 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 방위 방향 해상도를 구하는 방위 방향 해상도 계산 모듈(742), 상기 신호 합성부(730)에서 생성된 광대역 첩 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 거리 방향 해상도를 구하는 거리방향 해상도 계산 모듈(744)을 포함한다.
상기 방위 방향 해상도는 관측 영역에 대한 도플러 신호의 대역폭과 반비례하는데, 비행체에서 수집되는 도플러 대역폭은 수학식 3을 이용하여 구한다.
Figure 112010023120407-pat00013
여기서, 상기 BD 도플러 대역폭, V는 비행체의 속도,
Figure 112010023120407-pat00014
는 방위 방향 안테나 빔폭,
Figure 112010023120407-pat00015
는 파장을 말한다.
즉, 광대역의 도플러 대역폭을 얻기 위해서는 최대한의 방위 방향 안테나 빔폭을 얻는 것이 필수적인데, 이를 위해 도 10과 같이 각 채널별 안테나 빔을 방위각 방향으로 광범위한 면적에 동시에 조사하여 안테나 빔 조사지역에 해당하는 관측 영역에 대한 도플러 신호의 대역폭을 최대한 넓힌다.
이러한 복수 개의 안테나(710)를 이용한 도플러 대역폭 향상 방법은 종래 기술인 작은 길이의 안테나를 이용하여 넓은 방위 방향 빔폭을 구현하는 방법에서 필연적으로 존재하였던 안테나 이득 감소로 인한 탐지거리 감소의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 장점을 가지며, 그 도플러 대역폭도 안테나의 개수만큼 향상시킬 수 있다.
도 10과 같이 안테나 빔이 조사된 경우, 상기 신호 합성부(730)는 복수의 안테나를 통해 수신된 도플러 신호를 합성하여 도 11과 같은 광대역 도플러 신호를 생성한다. 즉, 안테나 3, 안테나 2, 안테나 1 순으로 관측 영역 a를 조사하게 되므로, 안테나 3, 안테나 2, 안테나 1의 순으로 각 안테나로부터 도플러 신호를 수신하게 된다. 이때 각 안테나의 주파수 대역은 서로 다르다.
물론, 각 채널별로 중심 주파수가 다르므로 각 채널별 도플러 신호에 불연속성이 발생하게 되어 추후 채널별 수신 신호를 조합하면서 이를 보상하여야 하는 신호처리 절차가 추가되어야 하는 단점이 발생하긴 하지만, 기존의 표준영상 모드 방식을 이용하여 고해상도 모드가 가지는 높은 방위 해상도와 영상의 연속성을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존 SPC 모드에서 설명된 바와 같이, 본 발명에서도 PRF를 각 채널로 수신되는 도플러 대역폭까지 줄일 수 있으므로 광대역에서 요구되는 낮은 PRF를 얻을 수 있다. 따라서 뛰어난 방위 해상도 특성을 유지한 채 광역 영상을 얻을 수 있다.
상기 거리 방향 해상도 계산 모듈(744)은 수학식 4를 이용하여 거리 방향 해상도를 구한다.
Figure 112010023120407-pat00016
여기서, 상기
Figure 112010023120407-pat00017
는 거리방향 해상도, c는 광속, Btotal은 첩 전체 대역폭,
Figure 112010023120407-pat00018
는 입사각을 말한다.
즉, 상기 거리 방향 해상도는 펄스에 실리게 되는 chirp 신호의 대역폭에 의해 결정되는데, 안테나에 할당된 채널 각각에 주파수 상에서 중첩이 없는 sub-band 신호를 송수신하여 광대역의 신호로 구현되는 chirp stitching의 원리를 도입하면 실질적으로 높은 거리방향 해상도를 구현할 수 있다.
각 안테나로부터 송신되는 송신 펄스의 주파수와 각 채널로 송수신되는 첩 신호의 대역폭은 도 12와 같다.
도 12을 참조하면, 각 안테나에 할당된 채널에서는 겹침이 없고 순차적으로 증가하는 대역폭을 가지며, 각 대역폭의 중심주파수를 반송(carrier) 주파수로 사용하여 복수개의 채널에서 동시에 연속적으로 펄스들이 송수신된다.
즉, 각 안테나의 중심 주파수는 fc1, fc2, fc3로 구성되고 그때의 주파수 대역폭은 B1, B2, B3를 갖게 된다. 안테나 1에 의한 송신 펄스를 예로 들면, fc1-B1/2 의 주파수부터 fc1+B1/2까지의 주파수 성분을 갖게 되는데 시간에 따른 기울기가 선형으로 증가한다. 이러한 신호를 보통 linear chirp signal이라고 부르며 신호복원 시 좋은 해상도를 갖게 한다.
현재 높은 거리 방향 해상도를 얻기 위해 관측 영역에 공간상 최소한의 겹침으로 각 채널의 안테나를 조향하고 있으므로 각 채널별로 연속으로 펄스가 방사된다고 하여도 임의의 관측 영역을 맞게 되는 펄스는 각 안테나에서 순차적으로 송신된 펄스가 된다.
자세히 살펴보면, 관측 영역을 가장 먼저 만나게 되는 안테나 1에서는 (a)와 같이 fc1의 반송 주파수와 B1의 대역폭을 가진 LFM 펄스들을 안테나의 3dB 빔폭 구간 동안 송신한다.
그 뒤에 바로 동일 관측 영역을 만나는 안테나 2에서는 (b)와 같이 fc2의 carrier 주파수와 B2의 대역폭을 가진 LFM 펄수들을 송신하고, 마지막으로 안테나 3에서는 (c)와 같이 fc3의 carrier 주파수와 B3의 대역폭을 가진 LFM 펄스들을 순차적으로 송신한다.
그러면, 관측 영역 측면에서는 각 안테나로부터 별개의 LFM 신호들을 수신하여 최종적으로는 시간적으로 도 13과 같이
Figure 112010023120407-pat00019
의 대역폭을 갖는 LFM 펄스 신호가 수신된 것 같은 효과를 얻게 된다.
펄스의 수신 시 각각의 안테나는 독립된 수신부를 보유하고 있으므로, 각 수신부는 도 14의 (a)와 같이 각각의 펄스가 관측영역에 맞고 돌아온 신호를 수신한다. 그러면, 상기 신호 합성부는 안테나 1,2,3의 각 수신부가 수신한 펄스들을 stitching 하여 도 14의 (b)와 같이 최종 펄스 Pfn을 만든다.
즉, 각 안테나가 동일한 관측영역에 시간 간격을 두고 송신 펄스를 조사하면, 각 안테나는 도 14의 (a)와 같이 시간 간격을 두고 펄스를 수신하게 된다. 그러면, 상기 신호 합성부는 상기 수신된 신호중에서 순서가 동일한 신호를 합성하여 (b)와 같은 광대역 첩(chirp) 신호를 생성한다.
따라서 최종적으로 첩 대역폭을 Btotal로 향상시킬 수 있고 이로 인하여 수학식 4에 의해 거리 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 15 내지 도 18은 비행체에 안테나를 장착한 시스템 운용도의 예시를 나타낸 도면이다.
도 15는 복수개의 비행체에 단일 안테나를 각각 장착한 시스템 운용도를 나타낸다. 이는 한 비행체의 최대 수용가능 중량이 복수 개 안테나의 중량보다 작아서 복수 개의 안테나를 하나의 비행체에 장착할 수 없을 경우에 유용한 방법으로, 하나의 각 안테나가 하나의 비행체에 장착되었을 때와 동일한 기울기로 표적을 조사하여 광대역 도플러 신호를 동일하게 구현할 수 있다.
도 16은 단일 비행체에서 복수 개의 빔을 단일 영역을 조사하여 방위방향 해상도 증가 없이 거리방향 해상도만을 향상시키는 시스템 운용도를 나타낸다. 이때 방위방향 해상도를 증가시킬 수 없는 이유는 도 17과 같이 도플러 신호가 불연속적이어서 겹침 현상이 발생하기 때문이다.
도 18은 복수 개의 비행체로 단일 영역을 조사하여 방위방향 해상도 및 거리방향 해상도를 향상시키는 시스템 운용도를 나타낸다. 각 비행체에 탑재된 각 안테나는 동일한 관측 영역에 안테나 빔을 조사하게 된다.
그러면, 도 19의 a와 같이 연속적인 도플러 신호를 수신하게 되고, 상기 수신된 도플러 신호를 합성하면 b와 같은 광대역 도플러 신호가 된다.
상기와 같이 복수개의 비행체를 사용하여 단일 영역을 조사하면, 방위방향의 해상도와 거리방향의 해상도를 동시에 개선할 수 있다.
상기와 같이 단일 영역에 빔을 조사하는 경우 관측 영역의 영상이 모든 안테나에서 동일 시간에 관측되므로 영상 내 이동물체에 대한 영향이 최소화 된다는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
710 : 안테나 702 : 송신부
704 : 수신부 720 : 변조부
730 : 신호 합성부 740 : 해상도 계산부
742 : 방위 방향 해상도 계산 모듈
744 : 거리 방향 해상도 계산 모듈

Claims (16)

  1. 서로 다른 채널이 각각 할당된 복수의 안테나;
    송신 신호에 각 채널의 반송 주파수를 적용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호가 펄스 형태로 해당 안테나를 통해 연속적으로 관측 영역에 송신되도록 하는 변조부;
    상기 복수의 안테나를 통해 수신된 상기 관측 영역의 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 신호 합성부;및
    상기 신호 합성부로부터의 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 해상도를 계산하는 해상도 계산부;
    를 포함하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 안테나는 상기 변조부로부터의 송신 펄스를 할당된 채널을 통해 연속적으로 방사하는 송신부, 상기 송신 펄스가 관측 영역에서 반사되어 되돌아오는 신호를 해당 채널을 통해 수신하는 수신부가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 운용 주파수 대역이 다르고, 각 대역폭 사이에는 갭(gap)이 없는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 평면의 배열 안테나로 구성하고, 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나 사이에 위치한 힌지를 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 위상 어레이 형태의 안테나로 구성하고, 관측 각도가 서로 다르도록 각 안테나의 위상을 조절하여 안테나 빔의 방향을 조정하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 서로 다른 시간 및 서로 다른 각도로 해당 선형 주파수 변조된 신호를 상기 관측 영역에 송신하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호 합성부는 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 상기 관측 영역의 도플러 신호를 조합하여 광대역 도플러 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호 합성부는 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 신호중에서 각 안테나별로 순서가 동일한 신호를 합성하여 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수의 안테나를 통해 수신된 신호는 상기 관측 영역에 대해 서로 다른 관측 각도로 시간 간격을 두고 수신된 신호인 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 해상도 계산부는, 상기 신호 합성부에서 생성된 광대역 도플러 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 방위 방향 해상도를 구하는 방위 방향 해상도 계산 모듈;
    상기 신호 합성부에서 생성된 광대역 첩 신호의 대역폭을 이용하여 영상의 거리 방향 해상도를 구하는 거리방향 해상도 계산 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방위각 방향 계산 모듈은
    Figure 112010023120407-pat00020
    를 이용하여 도플러 신호의 대역폭을 구하되,
    상기 BD 도플러 대역폭, V는 비행체의 속도,
    Figure 112010023120407-pat00021
    는 방위 방향 안테나 빔폭,
    Figure 112010023120407-pat00022
    는 파장인 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 거리 해상도 계산 모듈은
    Figure 112010023120407-pat00023
    를 이용하여 거리 방향 해상도를 구하되,
    상기
    Figure 112010023120407-pat00024
    는 거리방향 해상도, c는 광속, Btotal은 첩 전체 대역폭,
    Figure 112010023120407-pat00025
    는 입사각인 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 하나 또는 복수의 이동체에 장착되어, 상기 이동체의 진행방향에 따라 시간 간격을 두고 연속적으로 각 선형 주파수 변조된 신호를 상기 관측 영역에 각각 조사하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 합성 개구면 레이더 시스템.
  14. (a)복수의 안테나에 각각 할당된 서로 다른 반송 주파수를 이용하여 선형 주파수 변조를 각각 수행하고, 각 선형 주파수 변조된 신호를 해당 안테나를 통해 관측 영역에 연속적으로 조사하는 단계;
    (b)상기 복수의 안테나로부터 시간 간격을 두고 수신된 상기 관측 영역의 신호를 이용하여 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 단계;및
    (c)상기 생성된 광대역 도플러 신호 및 광대역 첩 신호를 이용하여 방위 방향 해상도 및 거리 방향 해상도를 구하는 단계;
    를 포함하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 상기 복수의 안테나는 서로 다른 시간 및 서로 다른 각도로 해당 선형 주파수 변조된 신호를 상기 관측 영역에 조사하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 동일 관측 영역의 도플러 신호를 조합하여 광대역 도플러 신호를 생성하고, 상기 복수의 안테나를 통해 각각 수신된 신호중에서 각 안테나별로 순서가 동일한 신호를 합성하여 광대역 첩(chirp) 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 연속형 광역 고해상도 영상 구현을 위한 방법.
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