KR101389516B1 - 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법 - Google Patents

바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법 Download PDF

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KR101389516B1 KR1020130072937A KR20130072937A KR101389516B1 KR 101389516 B1 KR101389516 B1 KR 101389516B1 KR 1020130072937 A KR1020130072937 A KR 1020130072937A KR 20130072937 A KR20130072937 A KR 20130072937A KR 101389516 B1 KR101389516 B1 KR 101389516B1
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정명득
양훈기
윤재혁
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 방법에 관한 것으로서, 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출하는 코히어런트 신호처리부; 상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터를 측정하여 상기 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출하는 플랫폼 정보 입력부; 상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 이미지 신호처리부; 및 상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 맵핑시켜 이미지를 출력하는 이미지 출력부를 포함한다.

Description

바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법{Apparatus and Method for imaging in bistatic radar}
본 발명은 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 바이스태틱 레이더 환경에서 송신 레이더는 정지 상태에서 특정 영역을 향해 신호를 송신하고, 수신 레이더 플랫폼만 이동하면서 데이터를 수집하여 해당 표적 지형을 이미징할 수 있는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법에 관한 것이다.
본 발명의 종래 기술은 영상 레이더라고 할 수 있다. 영상 레이더는 레인지-도플러 기반의 신호처리 기법을 통해 특정 영역내의 산란점들에 대한 레인지 정보와 도플러 정보를 추출하여 해당 영역을 이미징하는 장치이다.
모노스태틱 SAR(synthetic aperture radar)는 송수신 레이더 플랫폼이 이동하면서 신호를 송수신하고 합성 개구법을 통해 해상도 성능을 향상시킨 영상 레이더이다. 모노스태틱 SAR를 이용하면 기상상태에 관계없이 영상을 확보할 수 있으므로 군사용도로는 정찰, 감시, 영상획득을 목적으로 사용되어 왔다.
그러나, 이 경우 모노스태틱 SAR 레이더 플랫폼이 신호를 송출하므로 노출의 위협이 존재하고, back scattering RCS가 작은 경우 성능이 저하되는 문제가 있다.
반면, 바이스태틱 레이더는 송수신 레이더 플랫폼이 물리적으로 이격되어 있는 시스템으로서 스텔스 전투기와 같은 low observable 표적들에 대한 탐지 가능성이 높다는 탐지 관점의 장점이 있다.
또한, 수신 레이더는 빔을 송신하지 않고 수신만 하는 passive 레이더이므로 정찰, 감시, 영상획득 관점에서 노출 및 재밍의 위협이 적다는 장점을 갖는다.
이와 같이, 노출의 위협이 적은 바이스태틱 레이더는 위성을 송신레이더로 사용하고 무인기 등을 위협지역에 근접시키는 등의 방식으로 응용될 수 있는데, 이를 위해서 바이스태틱 레이더에는 무인기 등을 통해 수신한 신호를 이용하여 신속 정확하게 해당 위협지역의 이미징 정보를 획득할 수 있는 기술이 반드시 구축되어 있어야 한다.
그러나, 현재 바이스태틱 레이더를 이용한 이미징 기법으로는 송신 레이더 플랫폼과 수신 레이더 플랫폼이 평행 상태로 이동하는 경우 등 특정한 궤도를 유지하는 제한된 환경에서 이미징이 가능한 기술이 발표된 정도이며 이러한 특수한 조건에서의 이미징 기법도 매우 복잡한 신호처리 과정이 요구되어 문제된다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명은 정지 상태의 송신 레이더에서 송출한 신호를 이동하는 수신 레이더 플랫폼에서 수신하여 해당 표적 지형의 이미징을 신속 정확하게 수행할 수 있는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 이미징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 목적을 달성하기 위해, 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출하는 코히어런트 신호처리부; 상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터를 측정하여 상기 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출하는 플랫폼 정보 입력부; 상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 이미지 신호처리부; 및 상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 맵핑시켜 이미지를 출력하는 이미지 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 상기 코히어런트 신호처리부는 상기 제2 신호를 정합필터에 통과시켜 펄스압축하여 페스트타임(fast-time) 도메인에서 소정의 피크를 갖는 레인지 프로파일을 추출하고, 상기 피크의 위치에 대응되는 지연시간을 연산하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 지연시간은 상기 제1 신호 송출 후부터 상기 제2 신호 수신까지 소요되는 시간이고, 상기 지연시간의 연산은 상기 송신 레이더에서 상기 표적 지형까지의 제1 거리 및 상기 표적 지형에서 상기 수신 레이더 플랫폼까지의 제2 거리의 합을 빛의 속도로 나누어 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 이미지 신호처리부는 다음 수학식,
Figure 112013056650842-pat00001
을 이용하여 도입 각도(θR)를 산출하고 상기 도입 각도를 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하고, 상기 수학식에서
Figure 112013056650842-pat00002
는 상기 도플러 주파수,
Figure 112013056650842-pat00003
은 상기 이동속력,
Figure 112013056650842-pat00004
은 상기 이동방향,
Figure 112013056650842-pat00005
는 케리어 주파수의 파장인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 코히어런트 신호처리부는 상기 송신 레이더에서 일정한 펄스 반복 주기(Pulse Repeatation Interval : PRI)로 송신한 펄스열을 수신하여 도출한 상기 레인지 프로파일을 상기 펄스 반복 주기로 샘플링한 후 동일한 레인지 빈에 포함되는 데이터를 푸리에 변환하여 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 송신 레이더는 정지 상태에서 제1 신호를 송출하고, 상기 수신 레이더 플랫폼은 소정의 방향과 속력으로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 제1 신호는 선형 주파수변조 신호(Linear Frequency Modulation : LFM)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 위에서 제기된 목적을 달성하기 위해, 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결하는 단계; 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출하는 단계; 상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출하는 단계; 및 상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 단계를 포함하고, 상기 지연시간은 상기 제1 신호 송출 후부터 상기 제2 신호 수신까지 소요되는 시간인 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 방법을 제공한다.
이때, 본 발명은 상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 일대일로 맵핑시켜 이미지를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 단계는 다음 수학식,
Figure 112013056650842-pat00006
을 이용하여 도입 각도(θR)를 산출하고 상기 도입 각도를 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하고, 상기 수학식에서
Figure 112013056650842-pat00007
는 상기 상기 도플러 주파수,
Figure 112013056650842-pat00008
은 상기 이동속력,
Figure 112013056650842-pat00009
은 상기 이동방향,
Figure 112013056650842-pat00010
는 케리어 주파수의 파장인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 단계는 송신 레이더에서 일정한 펄스 반복 주기(Pulse Repeatation Interval : PRI)로 송신한 펄스열을 수신하여 도출한 상기 레인지 프로파일을 상기 펄스 반복 주기로 샘플링한 후 동일한 레인지 빈에 포함되는 데이터를 푸리에 변환하여 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 정지 상태의 송신 레이더에서 송신한 신호를 이동 중인 수신 레이더 플렛폼이 수신하여 표적 지형의 이미징을 신속, 정확하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더 시스템의 지오메트리(geometry) 및 매개변수를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 송수신 레이더 플랫폼의 속도벡터에 따른 지상 정지 산란점들에 대한 아이소도플러 콘투어(isodoppler contour) 및 아이소레인지 콘투어(isorange contour)를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에서 하나의 펄스에 대한 레인지 프로파일 및 산란점의 레인지 정보에 대응되는 바이스태틱 아이소레인지 콘투어를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 펄스열이 송수신되었을 때 각 레인지 프로파일을 수직으로 쌓은 그래프와 코히어런트 프로세싱의 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에서 코히어런트 프로세싱 결과로부터 산란점들에 대한 도입 각도를 산출하고 도입 각도와 아이소레인지 콘투어를 이용하여 산란점의 좌표를 추정하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 바이스태틱 레이더 환경에서의 이미징 기법에 관한 것이다. 하기에서는 송수신부간의 시간, 주파수, 위상 동기는 이루어진다고 가정한다. 송신 신호는 종류에 따라 이미지 해상도를 달리 할 수 있으나 본 명세서에서는 선형 주파수 변조(LFM: linear frequency modulation) 신호를 송수신하는 레이더 시스템을 실시예로 들어 설명한다. 다만, 이러한 설명이 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더 시스템의 지오메트리(geometry) 및 매개변수를 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 송신 레이더(Tx)는 정지 상태이고 수신 레이더 플랫폼(Rx)은 정북방향을 기준하여
Figure 112013056650842-pat00011
방향으로
Figure 112013056650842-pat00012
의 속력으로 이동한다. 수신 레이더 입장에서 보면 지상 표적 지형내의 각 산란점(point scatterer)은 서로 다른 레인지 및 도플러 정보를 제공한다.
도 2는 본 발명의 송수신 레이더 플랫폼의 속도벡터에 따른 지상 정지 산란점들에 대한 아이소도플러 콘투어(isodoppler contour) 및 아이소레인지 콘투어(isorange contour)를 도시한 도면이다.
도 2에서는 동일한 레인지 및 동일한 도플러 값을 제공하는 표적 지형의 산란점을 연결하여 아이소레인지 콘투어와 아이소도플러 콘투어를 함께 도시하였다. 기하학 이론에 의해
Figure 112013056650842-pat00013
값이 일정한 아이소레인지 콘투어들은 타원을 형성한다. 송신 레이더가 고정되어 있고 수신 레이더 플랫폼이 이동하는 경우 도플러 주파수
Figure 112013056650842-pat00014
는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112013056650842-pat00015
여기서
Figure 112013056650842-pat00016
는 케리어 주파수의 파장이고 다른 매개변수는 도 1에서 언급된 내용과 동일하다.
위 수학식 1을 적용해 보면 아이소도플러 콘투어들은 수신 레이더 지점으로부터 직선으로 방사되는 형태를 갖는다. 아이소레인지 콘투어와 아이소도플러 콘투어가 이루는 격자들은 표적 지형이 이미징 되었을 때 resolution cell에 해당한다. 그러므로 격자가 촘촘히 형성되는 영역을 이미징 함으로서 보다 높은 해상도 성능을 얻을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치를 나타내는 블록도이다. 이하, 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치(100)는 코히어런트 신호처리부(110), 플랫폼 정보입력부(120), 이미지 신호처리부(130), 및 이미지 출력부(140)를 포함한다.
코히어런트 신호처리부(110)는 표적 지형으로부터 산란된 신호들을 수신하여 정합필터를 통과시켜 펄스압축 후 산란점들에 대한 레인지 정보를 추정하고, 각 레인지 프로파일상의 동일한 레인지 빈 데이터들을 코히어런트 프로세싱하여 산란점들에 대한 도플러 주파수 및 반사계수 값을 추정한다.
일 실시예에 있어서, 코히어런트 신호처리부(110)는 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출한다.
이때, 상기 송신 레이더는 정지 상태에서 제1 신호를 송출하고, 상기 수신 레이더 플랫폼은 소정의 방향과 속력으로 이동한다.
일 실시예에 있어서, 코히어런트 신호처리부(110)는 상기 제2 신호를 정합필터에 통과시켜 펄스압축하여 페스트타임(fast-time) 도메인에서 소정의 피크를 갖는 레인지 프로파일을 추출하고, 상기 피크의 위치에 대응되는 지연시간을 연산하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결할 수 있다. 이때, 상기 지연시간은 상기 제1 신호 송출 후부터 상기 제2 신호 수신까지 소요되는 시간이고, 상기 지연시간의 연산은 상기 송신 레이더에서 상기 표적 지형까지의 제1 거리 및 상기 표적 지형에서 상기 수신 레이더 플랫폼까지의 제2 거리의 합을 빛의 속도로 나누어 산출할 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 코히어런트 신호처리부(110)는 상기 송신 레이더에서 일정한 펄스 반복 주기(Pulse Repeatation Interval : PRI)로 송신한 펄스열을 수신하여 도출한 상기 레인지 프로파일을 상기 펄스 반복 주기로 샘플링한 후 동일한 레인지 빈에 포함되는 데이터를 푸리에 변환하여 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출할 수 있다.
플랫폼 정보입력부(120)는 상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터를 측정하여 상기 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출한다.
또한, 플랫폼 정보입력부(120)는 수신 레이더 플랫폼의 속도벡터를 추정하여 플랫폼의 이동속력 및 이동방향 정보를 이미지 신호처리부(130)로 전송한다.
이미지 신호처리부(130)는 상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출한다.
일 실시예에 있어서, 이미지 신호처리부(130)는 다음 수학식,
Figure 112013056650842-pat00017
을 이용하여 도입 각도(θR)를 산출하고 상기 도입 각도를 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출할 수 있다. 상기 수학식에서
Figure 112013056650842-pat00018
는 상기 상기 도플러 주파수,
Figure 112013056650842-pat00019
은 상기 이동속력,
Figure 112013056650842-pat00020
은 상기 이동방향,
Figure 112013056650842-pat00021
는 케리어 주파수의 파장이다.
이미지 신호처리부(130)는 코히어런트 신호처리부(110)와 플랫폼 정보입력부(120)로부터 입력받은 정보들을 이용하여 모든 산란점들의 좌표를 추정하고 이에 대응되는 반사계수를 데이터화 한다. 다음 수학식 2는 이미지 출력부로 출력되는 데이터 형태의 예시이다.
Figure 112013056650842-pat00022
수학식 2에서 산란점의 총 개수는
Figure 112013056650842-pat00023
이고
Figure 112013056650842-pat00024
,
Figure 112013056650842-pat00025
,
Figure 112013056650842-pat00026
는 각각
Figure 112013056650842-pat00027
번째 산란점의
Figure 112013056650842-pat00028
좌표,
Figure 112013056650842-pat00029
좌표, 반사계수를 나타낸다.
이미지 출력부(140)는 이미지 신호처리부(130)로부터 산란점들의 좌표 및 반사계수 정보를 포함하는 데이터를 입력받아 좌표계에 맵핑시킨 후 이를 출력한다.
상기 일 실시예를 통하여 바이스태틱 레이더의 이미징 장치는 일정 영역을 이미징 하는 것이 가능해진다.
이하 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 방법은 우선, 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결한다(S1100).
이를 구체적으로 설명하기 위해 도 5를 참조한다.
도 5는 본 발명에서 하나의 펄스에 대한 레인지 프로파일 및 산란점의 레인지 정보에 대응되는 바이스태틱 아이소레인지 콘투어를 도시한 도면이다.
도 5와 같은 피크를 도출하기 위해서 먼저, 수신신호인 제2 신호의 처리를 통해 표적 지형 산란점들에 대한 레인지 정보를 획득한다. 송신 레이더가 이미징 영역, 즉 표적 지형을 향하여 선형 주파수변조 신호를 송신하면 표적 지형으로 부터 산란된 신호는 송신부-표적-수신부 거리에 대응되는 지연시간 이후에 수신 레이더에 도달하게 된다.
일 실시예에 있어서 수신 레이더에 수신된 제2 신호는 정합필터를 통과함으로써 펄스압축이 되어 fast-time 도메인에서 날카로운 피크들로 구성된다. 피크의 위치는 상기의 지연시간에 대응되며 지연시간
Figure 112013056650842-pat00030
는 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112013056650842-pat00031
여기서
Figure 112013056650842-pat00032
는 빛의 속도이다. 수학식 3로부터 동일한
Figure 112013056650842-pat00033
값을 갖는 피크들은
Figure 112013056650842-pat00034
이 일정한 아이소레인지 상에 존재하는 산란점들로부터 산란된 성분들이다.
다음, 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출한다(S1200).
이를 구체적으로 설명하면, 먼저, 각 아이소레인지 내의 산란점들을 분리시키기 위해서 도플러 정보를 획득한다. 즉 수신신호의 코히어런트 프로세싱을 통해 표적 지형의 산란점이 일으키는 도플러 주파수와 도플러 주파수값에 해당하는 산란점들의 반사계수를 획득한다.
본 발명은 바이스태틱 레이더 환경이지만, 일 실시예에 있어서 코히어런트 프로세싱 과정은 모노스태틱 환경의 도플러 프로세싱 과정과 동일할 수 있다. 송신 레이더가 일정한 PRI(pulse repetation interval) 간격으로 펄스열을 송신하면 수신 레이더에서는 각 펄스에 대응되는 레인지 프로파일들이 얻어진다.
이를 구체적으로 설명하기 위해 도 6을 참조한다. 도 6은 본 발명에서 펄스열이 송수신되었을 때 각 레인지 프로파일을 수직으로 쌓은 그래프와 코히어런트 프로세싱의 결과를 도시한 도면이다.
도 6에서 알 수 있듯이, 각 레인지 프로파일을 수직방향으로 쌓아 올린 그래프를 고려하면, 그래프의
Figure 112013056650842-pat00035
축은 레인지 게이트(range gate)로 샘플링된 fast-time 도메인이고
Figure 112013056650842-pat00036
축은 샘플 간격이 PRI인 slow-time 도메인라고 할 수 있다. 수신 레이더 플랫폼이 이동하고 있으므로 각 레인지 프로파일의 산란점 성분들은 도플러 정보를 포함하고 있다. 그러므로 slow-time 방향의 동일한 레인지 빈(range bin)의 데이터들을 푸리에 변환, 즉 도플러 프로세싱을 하면 해당 레인지 빈에 존재하는 모든 산란점들에 대한 도플러 정보와 이에 대응되는 반사계수를 획득할 수 있다.
다음, 상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터를 측정하여 상기 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출한다(S1300).
다음, 상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출한다(S1400).
이를 구체적으로 설명하기 위해 도 7을 참조한다. 도 7은 본 발명에서 코히어런트 프로세싱 결과로부터 산란점들에 대한 도입 각도를 산출하고 도입 각도와 아이소레인지 콘투어를 이용하여 산란점의 좌표를 추정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7과 같은 결과를 얻기 위해 상기 수학식 1을 이용하여 도입 각도(θR)를 산출하고 상기 도입 각도를 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출한다.
상기 수학식 1에서
Figure 112013056650842-pat00037
는 수신신호 처리를 통해 얻어지는 값이고
Figure 112013056650842-pat00038
는 송신신호의 파장이며
Figure 112013056650842-pat00039
및
Figure 112013056650842-pat00040
은 수신 레이더 플랫폼의 속도벡터에 대한 정보이므로
Figure 112013056650842-pat00041
을 제외한 모든 매개변수는 알고 있는 값이다.
수학식 1을 이용하여
Figure 112013056650842-pat00042
을 계산하면 cosine 함수의 특성으로 인해 2개의 값이 얻어진다. 그러나 본 발명에 따른 바이스태틱 레이더의 이미징 장치는 이미징 영역을 결정 한 후 해당 지형의 이미지를 얻기 위해 수신 레이더 플랫폼의 이동경로를 결정한다. 따라서 이미징 영역을 벗어나는
Figure 112013056650842-pat00043
을 제거함으로써 유일한
Figure 112013056650842-pat00044
를 얻을 수 있다.
다음, 상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 맵핑시켜 이미지를 생성한다(S1500).
즉, 상술한 과정을 통해 획득된 정보들을 이용하여 이미징 결과를 얻는다. 상기의 과정들로부터 표적 지형내의 모든 산란점에 대한 레인지 정보, 도플러 정보, 반사계수 정보가 획득됨을 확인하였다. 또한 수학식 1을 통해 동일한 아이소레인지 상에서 도플러 주파수로 구분되는 산란점들에 대응되는
Figure 112013056650842-pat00045
정보를 획득할 수 있음을 확인하였다. 동일한 아이소레인지 상에 존재하는 산란점들은 위치에 따라 서로 다른 도플러 정보를 갖는다. 그러므로 상기 도플러 정보로부터 획득된
Figure 112013056650842-pat00046
정보는 해당 아이소레인지 상에 존재하는 각 산란점의 위치에 1:1로 맵핑된다. 즉,
Figure 112013056650842-pat00047
정보를 통해 각 산란점의 좌표를 획득하게 된다. 획득된 모든 산란점의 좌표와 이에 대응하는 반사계수를 좌표계에 맵핑함으로써 이미징 결과가 얻어진다.
이하, 상술한 바와 같은 바이스태틱 레이더의 이미징 방법을 표적 지형내에 산란점이 3개인 경우에 대한 실시예를 설명한다.
표적 지형으로부터 산란되어 수신된 신호는 표적 지형내의 모든 산란점들에 대한 정보를 포함하고 있다. 표적 지형을 향해 펄스열이 송신되면 3개의 산란점들로부터 산란된 신호가 수신 레이더로 수신된다.
도 2에서 각 산란점들은 서로 상이한 레인지 값과 도플러 값을 갖고 있음을 알 수 있다. 그러므로 수신된 신호가 상기의 첫 번째 신호처리 과정을 거치게 되면 도 5와 같이 레인지 프로파일 상에서 3개의 산란점에 대한 피크가 검출된다. 이로부터 각 산란점에 대한 레인지 정보가 획득되고 이에 대응하는 아이소레인지 콘투어가 얻어진다.
다음, 도 6에서와 같이 얻어진 레인지 프로파일들로부터 상기의 두 번째 신호처리 과정을 통해 각 아이소레인지 상에 존재하는 산란점들에 대한 도플러 주파수와 이에 대응되는 반사계수 들이 획득된다.
상기의 과정에서 각 산란점들에 대응되는 도플러 주파수로부터
Figure 112013056650842-pat00048
이 추출되고, 이에 대응되는 아이소레인지 상에서
Figure 112013056650842-pat00049
정보가 1:1로 맵핑됨으로써 산란점들의 좌표가 획득된다. 모든 산란점들의 반사계수는 이미 획득되었으므로 각 산란점들의 좌표와 반사계수 값을 좌표계에 맵핑시킴으로써 이미징 결과가 얻어진다. 도 7은 이와 같은 과정을 보여준다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 기시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 바이스태틱 레이더의 이미징 장치
110: 코히어런트 신호처리부
120: 플랫폼 정보입력부
130: 이미지 신호처리부
140: 이미지 출력부

Claims (10)

  1. 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응하는 반사계수를 추출하는 코히어런트 신호처리부;
    상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터를 측정하여 상기 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출하는 플랫폼 정보 입력부;
    상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 이미지 신호처리부; 및
    상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 맵핑시켜 이미지를 출력하는 이미지 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코히어런트 신호처리부는
    상기 제2 신호를 정합필터에 통과시켜 펄스압축하여 페스트타임(fast-time) 도메인에서 소정의 피크를 갖는 레인지 프로파일을 추출하고, 상기 피크의 위치에 대응되는 지연시간을 연산하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결하는 것을 특징으로 하고,
    상기 지연시간은 상기 제1 신호 송출 후부터 상기 제2 신호 수신까지 소요되는 시간이고,
    상기 지연시간의 연산은 상기 송신 레이더에서 상기 표적 지형까지의 제1 거리 및 상기 표적 지형에서 상기 수신 레이더 플랫폼까지의 제2 거리의 합을 빛의 속도로 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 신호처리부는
    다음 수학식,
    Figure 112013056650842-pat00050
    을 이용하여 도입 각도(Arrival of angle; θR)를 산출하고 상기 도입 각도를 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하고,
    상기 수학식에서
    Figure 112013056650842-pat00051
    는 상기 도플러 주파수,
    Figure 112013056650842-pat00052
    은 상기 이동속력,
    Figure 112013056650842-pat00053
    은 상기 이동방향,
    Figure 112013056650842-pat00054
    는 케리어 주파수의 파장인 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코히어런트 신호처리부는
    상기 송신 레이더에서 일정한 펄스 반복 주기(Pulse Repeatation Interval : PRI)로 송신한 펄스열을 수신하여 도출한 상기 레인지 프로파일을 상기 펄스 반복 주기로 샘플링한 후 동일한 레인지 빈에 포함되는 데이터를 푸리에 변환하여 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신 레이더는 정지 상태에서 제1 신호를 송출하고, 상기 수신 레이더 플랫폼은 소정의 방향과 속력으로 이동하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호는 선형 주파수변조 신호(Linear Frequency Modulation : LFM)인 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 장치.
  7. 바이스태틱 레이더의 송신 레이더에서 송출된 제1 신호가 표적 지형에 도달한 후 반향된 신호인 제2 신호를 수신 레이더 플렛폼에서 수신하여 상기 표적 지형 내의 산란점들에 대한 레인지 정보를 추출하고, 상기 레인지 정보를 이용하여 동일한 지연시간을 갖는 산란점들을 동일한 레인지 컨투어로 연결하는 단계;
    상기 레인지 정보를 이용하여 산출한 레인지 프로파일 중 동일한 레인지 빈에 포함된 데이터를 코히어런트 프로세싱하여 상기 산란점들에 대한 도플러 주파수, 및 상기 도플러 주파수에 대응되는 반사계수를 추출하는 단계;
    상기 송신 레이더와 이격된 상기 수신 레이더 플랫폼의 속도백터로부터 상기 수신 레이더 플랫폼의 이동속력 및 이동방향을 추출하는 단계; 및
    상기 도플러 주파수, 반사계수, 이동속력, 및 이동방향을 이용하여 상기 산란점들의 좌표를 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 지연시간은 상기 제1 신호 송출 후부터 상기 제2 신호 수신까지 소요되는 시간인 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산란점들의 좌표 및 반사계수를 포함하는 데이터를 좌표계에 일대일로 맵핑시켜 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 산란점들의 좌표를 추출하는 단계는
    다음 수학식,
    Figure 112013056650842-pat00055
    을 이용하여 도입 각도(θR)를 산출하고 상기 도입 각도도입 각도기 산란점들의 좌표를 추출하고,
    상기 수학식에서
    Figure 112013056650842-pat00056
    는 상기 상기 도플러 주파수,
    Figure 112013056650842-pat00057
    은 상기 이동속력,
    Figure 112013056650842-pat00058
    은 상기 이동방향,
    Figure 112013056650842-pat00059
    는 케리어 주파수의 파장인 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 단계는
    송신 레이더에서 일정한 펄스 반복 주기(Pulse Repeatation Interval : PRI)로 송신한 펄스열을 수신하여 도출한 상기 레인지 프로파일을 상기 펄스 반복 주기로 샘플링한 후 동일한 레인지 빈에 포함되는 데이터를 푸리에 변환하여 상기 도플러 주파수 및 반사계수를 추출하는 것을 특징으로 하는 바이스태틱 레이더의 이미징 방법.
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