KR101738811B1 - 살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법 - Google Patents

살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법 Download PDF

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김경태
강민석
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법은 이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는 단계, 상기 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(range profile)들을 생성하는 단계, 상기 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시켜 주는 거리 정렬(range alignment)을 수행하는 단계, 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산하는 단계, 상기 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산하는 단계, 그리고 상기 연산된 위상 오차와 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 영상의 크기가 크거나 신호대잡음비가 낮은 경우에도 무질서도, 콘트라스트 및 전역 품질 지수 등에서 뛰어난 고품질의 역합성 개구면 레이더 영상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 영상을 생성하기 위한 연산 속도 역시 크게 향상된다.

Description

살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법{APPARATUS OF GENERATING INVERSE SYNTHETIC APERTURE RADAR IMAGE USING TSALLIS ENTROPY AND AUTOFOCUSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 살리스 엔트로피 최소화를 통해 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 보정함으로써 초점이 맞춰진 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하기 위한 살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법에 관한 것이다.
레이더 신호는 먼 거리에 있는 물체의 고유한 물리적 특성과 그 위치를 파악하기 위하여 널리 이용되고 있다. 이러한 레이더 신호를 이용한 레이더 시스템으로써 항공기나 위성에 레이더를 탑재하여 레이더 영상을 얻는 SAR 시스템(Synthetic Aperture Radar System)과 고정된 레이더를 사용하여 움직이는 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 ISAR 시스템(Inverse Synthetic Aperture Radar System)이 있다.
이중 ISAR 시스템은 표적에 맞아 반사되어 돌아오는 레이더 송출 신호를 분석하여 2차원의 ISAR 영상을 획득하게 되는데, 움직이는 표적에 대한 반사 신호를 이용하게 되므로 선명한 ISAR 영상을 획득하기 위해서는 자동 초점(Autofocus) 과정이 필수적으로 요구된다.
선명한 ISAR 영상을 획득하기 위한 자동초점 기법은 크게 모수적 방법과 비모수적 방법으로 구분될 수 있다. 여기서 모수적 방법은 위상 오차를 고차 다항식 함수로 모델링하여 초점을 맞추게 되는데, 실제 낮은 신호대잡음비에서 일부 신호가 소실되는 등으로 인해 초점이 정확히 맞춰진 영상을 획득하기 어렵다.
반면, 섀넌 엔트로피나 르나이 엔트로피를 이용한 비모수적 기법의 경우에는 모수적 방법에 비해 잡음에 강한 장점이 있으나, 신호대잡음비나 수신 데이터의 크기에 따라 상당히 많은 연산 시간이 소모되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2014-0008219호(2014.07.03공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 살리스 엔트로피 최소화를 통해 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 보정함으로써 초점이 맞춰진 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하기 위한 살리스 엔트로피를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치 및 그것을 이용한 자동 초점 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치를 이용한 자동 초점 방법은 이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는 단계, 상기 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(range profile)들을 생성하는 단계, 상기 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시켜 주는 거리 정렬(range alignment)을 수행하는 단계, 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산하는 단계, 상기 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산하는 단계, 그리고 상기 연산된 위상 오차와 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 살리스 엔트로피를 연산하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 살리스 엔트로피(T[|I(k,n)|2])를 연산할 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00001
Figure 112016019079041-pat00002
여기서, I(k,n)은 상기 거리 정렬된 거리 프로파일로부터 생성되는 역합성 개구면 레이더 영상을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미하고, q는 살리스 엔트로피의 질서값을 의미하고, n은 거리-빈의 인덱스 번호를 의미하고, M은 슬로우 타임의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미하고, N은 거리-빈(bin)의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미한다.
상기 위상 오차를 연산하는 단계는, 상기 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차를 추정하는 단계, 상기 추정된 위상 오차의 현재 값과 이전 값의 차이값을 연산하는 단계, 그리고 상기 차이값이 기 설정된 임계값보다 작거나 같은 경우 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 위상 오차를 추정하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 위상 오차를 추정할 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00003
여기서,
Figure 112016019079041-pat00004
은 추정된 위상 오차를 의미하고, m은 각속도와 푸리에 관계를 갖는 변수로서 슬로우 타임(slow-time)을 의미하고, h(m,n)은 거리 프로파일을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미한다.
상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출할 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00005
여기서,
Figure 112016019079041-pat00006
는 현재 추정된 위상 오차를 의미하고,
Figure 112016019079041-pat00007
은 이전 추정된 위상 오차를 의미하고, μ는 임계값을 의미한다.
상기 살리스 엔트로피의 질서 값이 1.6일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치는 이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는 입력부, 상기 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(range profile)들을 생성하는 프로파일 생성부, 상기 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시켜 주는 거리 정렬(range alignment)을 수행하는 거리 정렬부, 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산하고, 상기 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산하는 연산부, 그리고 상기 연산된 위상 오차와 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 영상의 크기가 크거나 신호대잡음비가 낮은 경우에도 무질서도, 콘트라스트 및 전역 품질 지수 등에서 뛰어난 고품질의 역합성 개구면 레이더 영상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 영상을 생성하기 위한 연산 속도 역시 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 자동 초점 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 S250단계의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 살리스 엔트로피의 질서값을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명(MTEPA)과 종래 기술들(MSEPA, MREA)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)의 구성에 대하여 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치의 구성도이다.
도 1에서 나타난 바와 같이, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 입력부(110), 프로파일 생성부(120), 거리 정렬부(130), 연산부(140) 및 영상 생성부(150)를 포함한다.
먼저, 입력부(110)는 이동 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는다.
구체적으로, 역합성 개구면 레이더 영상 시스템의 송신단은 이동 표적을 향해 레이더 신호를 송출하는데, 이때, 송출된 레이더 신호가 이동 표적에 의해 반사되어 돌아오는 현상이 발생한다. 입력부(110)는 이렇게 반사되어 돌아오는 레이더 신호를 입력받는다.
다음으로, 프로파일 생성부(120)는 입력받은 레이더 반사 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(cross-range profile)들을 생성한다. 프로파일 생성부(120)는 펄스 압축을 통해 거리 프로파일을 생성할 수 있으며, 펄스 압축 과정에서는 푸리에 변환 및 역 푸리에 변환 등의 과정이 포함될 수 있다.
그러면, 거리 정렬부(130)는 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시키는 거리 정렬(range alignment)을 수행한다. 표적의 이동으로 인해 하나의 거리-빈에 대응하는 산란점이 다른 거리-빈으로 이동하는 현상이 발생하게 되는데, 이로 인해 영상이 왜곡될 수 있다. 그러므로 거리 정렬부(130)는 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시키는 거리 정렬을 통해 영상 왜곡의 원인을 제거한다.
다음으로, 연산부(140)는 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산한다.
그리고, 연산부(140)는 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산한다.
구체적으로 연산부(140)는 거리 정렬된 프로파일들의 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차를 추정한다. 그리고 연산부(140)는 추정된 위상 오차의 현재값과 이전값의 차이값을 연산한다. 그러면, 연산부(140)는 연산된 차이값이 기 설정된 임계값보다 작거나 같은 경우 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출한다.
한편, 연산부(140)는 살리스 엔트로피의 질서 값을 1.6으로 설정하여 위상 오차를 검출할 수 있다.
다음으로, 영상 생성부(150)는 연산된 위상 오차와 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상, 즉 초점이 맞춰진 역합성 개구면 레이더 영상을 생성한다.
다음으로, 도 2 내지 도 4를 통해 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)를 이용한 역합성 개구면 레이더 영상 자동 초점 방법에 대하여 살펴보도록 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 역합성 개구면 레이더 영상 자동 초점 방법에 대한 순서도이다.
우선, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는다(S210). 이때, 이동 표적에 의해 반사되어 돌아온 레이더 신호, 즉 반사 레이더 신호는 아래의 수학식 1에서와 같이 시간-주파수 영역(time-frequency domain)에서 표현될 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00008
Figure 112016019079041-pat00009
여기서, A는 산란체의 반사율을 의미하고,
Figure 112016019079041-pat00010
는 위상 신호를 의미하고, f0는 캐리어 주파수를 의미하고, B는 신호 대역폭을 의미하고, Tobs는 연접 처리 간격(CPI), 즉 레이더 관측 시간을 의미하고, rect(
Figure 112016019079041-pat00011
)는 구형 함수를 의미하고, x0 및 y0는 x 및 y 좌표에서 표적의 최초 위치를 의미한다.
위상 각도가 0에 근사되는 경우, 수학식 1에서의 위상 신호(
Figure 112016019079041-pat00012
)는 아래의 수학식 2와 같이 근사된다.
Figure 112016019079041-pat00013
여기서, w는 표적의 회전 속도를 의미하고, c는 진공에서 빛의 속도를 의미하고, R(t)는 표적과 레이더 사이의 거리를 의미한다.
그리고, 표적과 레이더 사이의 거리는 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112016019079041-pat00014
여기서, r0는 표적과 레이더 사이의 최초 거리를 의미하고, v0는 표적의 최초 속도를 의미하고, a0는 표적의 최초 가속도를 의미한다.
그리고, 시간 t가 0일 때, 표적과 레이더 사이의 거리는 아래의 수학식 4와 같은 관계가 도출된다.
Figure 112016019079041-pat00015
다음으로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(cross-range profile)들을 생성한다(S220).
구체적으로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 입력받은 반사 레이더 신호를 역 푸리에 변환(IFT) 함으로써 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일들을 생성할 수 있다.
이때, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 아래의 수학식 5를 통해 거리 프로파일들을 생성할 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00016
Figure 112016019079041-pat00017
여기서, τ는 패스트 타임(fast-time)에 대한 변수, 즉 주파수와 푸리에 관계를 갖는 변수를 의미한다. 그리고
Figure 112016019079041-pat00018
는 τ 도메인에서의 컨벌루션 연산자를 의미하고,
Figure 112016019079041-pat00019
는 디렉(Dirac) 델타 함수를 의미하고, IFT는 역 푸리에 변환을 의미한다.
다음으로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시키는 거리 정렬(range alignment)을 수행한다(S230).
여기서, 거리 정렬이란, 이동된 산란점을 원래의 거리-빈 안으로 이동시키는 과정을 말한다. 예를 들어, 고정된 표적의 경우 하나의 거리-빈 내에는 하나의 산란점이 위치하게 되지만, 이동하는 표적의 경우에는 하나의 거리-빈에 대응하는 산란점이 다른 거리-빈으로 이동하는 현상이 발생하게 된다. 이 경우 각 산란점을 원래의 거리-빈에 위치하도록 거리 보정을 해야 생성되는 영상의 왜곡을 최소화 할 수 있다.
그러면, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산한다(S240).
살리스 엔트로피란, 물리계의 열 통계적 특성을 설명하기 위한 기법 중 하나로서, 이산 확률 변수 X에 대한 살리스 엔트로피(T(X))를 아래의 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112016019079041-pat00020
Figure 112016019079041-pat00021
여기서, pi는 이벤트(xi, i={1,2,…,N})의 확률을 의미하고, q는 살리스 엔트로피의 질서값을 의미한다.
그러면, S240 단계에서 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)가 거리 정렬된 각각의 거리 프로파일에 대한 살리스 엔트로피를 연산하는 과정에 대하여 살펴본다.
우선, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 S230단계에서 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여 역합성 개구면 레이더 영상을 생성할 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면, 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112016019079041-pat00022
여기서, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미하고, h(m,n)은 거리 정렬된 거리 프로파일들을 의미하고, m은 각속도와 푸리에 관계를 갖는 변수로서 슬로우 타임(slow-time)을 의미하고, n은 거리-빈의 인덱스 번호를 의미하고,
Figure 112016019079041-pat00023
은 위상 오차를 의미하고, M은 슬로우 타임의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미한다.
그러므로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 아래의 수학식 8을 이용하여 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(T[|I(k,n)|2])를 연산한다.
Figure 112016019079041-pat00024
Figure 112016019079041-pat00025
여기서, I(k,n)은 거리 정렬된 거리 프로파일로부터 생성되는 역합성 개구면 레이더 영상을 의미하고, q는 살리스 엔트로피의 질서값을 의미하고, N은 거리-빈(bin)의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미한다.
S240단계에서 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산한 다음, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 거리 프로파일들의 위상 오차를 연산한다(S250).
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 S250단계의 순서도이며, 도 3을 통해 S250단계에 대해 살펴본다.
도 3에 나타난 바와 같이, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차를 추정한다(S252). 구체적으로 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 S240에서 연산된 거리 프로파일들의 살리스 엔트로피 함수에 대한 도함수를 이용하여 살리스 엔트로피가 최소화되는 지점에서의 위상 오차를 추정한다.
먼저, 수학식 9는 수학식 8의 살리스 엔트로피 함수를 미분한 결과를 나타낸다.
Figure 112016019079041-pat00026
그리고, 수학식 10은 살리스 엔트로피 함수를 미분한 결과인 수학식 9를 위상 오차
Figure 112016019079041-pat00027
에 대한 편미분한 결과를 나타낸다.
Figure 112016019079041-pat00028
이때, |I(k,n)|2는 |I(k,n)|2=I(k,n)I*(k,n)와 같이 표현할 수 있으므로, 상기의 수학식 10은 아래의 수학식 11과 같다.
Figure 112016019079041-pat00029
그리고, 정렬된 거리 프로파일들을
Figure 112016019079041-pat00030
에 대하여 편미분한 결과는 아래의 수학식 12와 같다.
Figure 112016019079041-pat00031
상기에 따라, 살리스 엔트로피 함수를 미분한 결과인 수학식 9를 위상 오차
Figure 112016019079041-pat00032
에 대한 편미분한 결과는 아래의 수학식 13과 같이 표현된다.
Figure 112016019079041-pat00033
Figure 112016019079041-pat00034
그리고, 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차
Figure 112016019079041-pat00035
은 위상 오차
Figure 112016019079041-pat00036
에 대한 편미분한 결과가 0이 되는 지점으로서, 아래의 수학식 14와 같다.
Figure 112016019079041-pat00037
결과적으로, 수학식 9 내지 14의 과정으로부터 아래의 수학식 15의 관계가 도출된다.
Figure 112016019079041-pat00038
그러므로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 아래의 수학식 16를 이용하여 위상 오차를 추정한다.
Figure 112016019079041-pat00039
여기서,
Figure 112016019079041-pat00040
은 추정된 위상 오차를 의미하고, m은 슬로우 타임의 인덱스 번호를 의미하고, h(m,n)은 거리 프로파일을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미한다.
다음으로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 추정된 위상 오차의 현재 값과 이전 값의 차이값을 연산한다(S254). 즉, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 이전 입력 신호를 통해 연산된 추정 위상 오차와 현재 입력 신호를 통해 연산된 추정 위상 오차의 차이값을 연산한다.
다음으로, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 차이값이 기 설정된 임계값보다 작거나 같은 경우 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출한다(S256).
역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 아래의 수학식 17을 이용하여 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출한다.
Figure 112016019079041-pat00041
여기서,
Figure 112016019079041-pat00042
는 현재 추정된 위상 오차를 의미하고,
Figure 112016019079041-pat00043
은 이전 추정된 위상 오차를 의미하고, μ는 임계값을 의미한다.
예를 들어, 임계값이 10이고, 4번째 신호와 5번째 신호에서 차이값이 9.8이 연산된 경우, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 5번째 신호에서 추정된 위상 오차를 위상 오차로 검출한다. 그러면, 이후 5번째 신호와 6번째 신호의 차이값 연산과정은 생략된다.
만약, 4번째 신호와 5번째 신호에서의 차이값이 10.2인 경우, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 S210 내지 S254 단계를 통해 5번째 신호 및 6번째 신호의 차이값을 연산하고, 이를 임계값과 비교하게 된다.
한편, 임계값은 역합성 개구면 레이더 영상 시스템의 환경을 고려하여 통상의 기술자에 의해 설계변경이 가능하다.
S250단계에서 위상 오차를 검출한 다음, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 연산된 위상 오차와 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성한다(S260).
구체적으로 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 S230단계에서 거리 정렬이 수행된 거리 프로파일들에 S250단계에서 검출된 위상 오차를 보상함으로써 거리 정렬 및 위상 보정이 된 거리 프로파일들을 생성한다.
그리고, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 거리 정렬 및 위상 보정이 된 거리 프로파일들을 이용하여 초점이 맞춰진 역합성 개구면 레이더 영상을 획득한다.
구체적으로 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 아래의 수학식 18을 통해 초점이 맞춰진 역합성 개구면 레이더 영상을 생성한다.
Figure 112016019079041-pat00044
Figure 112016019079041-pat00045
여기서,
Figure 112016019079041-pat00046
는 (τ,v) 도메인에 대한 이차원 컨벌루션 연산자를 의미한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치(100)는 살리스 엔트로피의 질서값(q)을 1.6으로 설정할 수 있다. 여기서, 살리스 엔트로피의 질서(order) 값 q는 살리스 q 파라미터나 광대 매개 변수라고도 한다. 질서값(q)은 임의의 실수로서, 시스템의 비확장성 정도를 나타내며, 질서값에 따라 살리스 엔트로피의 특성이 크게 달라진다. 본 발명에서 살리스 엔트로피의 질서값은 자동 초점의 연산 시간 개선 및 영상 품질 정밀도에 연관된다.
본 발명의 실시예에서는 질서값(q)을 획득하기 위하여, S250단계에서의 임계값을 0.01로 설정하여 시뮬레이션하였다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 살리스 엔트로피의 질서값을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 반복 횟수와 살리스 엔트로피의 질서값 사이의 관계를 나타낸 그래프로서, 질서값 q가 1.4보다 큰 경우 반복 횟수에 큰 차이가 없음을 보여준다.
도 4의 (b)는 전역 품질 지표(Universal Quality Undex, UQI)와 살리스 엔트로피의 질서값 사이의 관계를 나타낸 그래프로서, 질서값 q가 1.6인 경우에 전역 품질 지표가 최대값에 도달하고 있음을 보여준다.
반복 횟수가 낮을수록 연산의 복잡성이 낮아지고, 전역 품질 지표가 높을수록 역합성 개구면 레이더 영상의 초점이 정확해 지므로, 양자의 고려할 때, 질서값은 1.6에서 가장 좋은 효율을 보여준다.
본 발명에서 살리스 엔트로피의 질서값은 통상의 기술자에 의해 그 값이 변경될 수 있다.
이하에서는 도 5를 통해 본 발명과 종래 기술의 성능을 비교하여 본다. 도 5는 본 발명(MTEPA)과 종래 기술들(MSEPA, MREA)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. MSEPA(minimum Shannon entropy phase adjustment)는 섀넌 엔트로피를 이용한 자동 초점 기법이고, MREA(minimum Renyi entropy based algorithm)는 르나이 엔트로피를 이용한 자동 초점 기법이다.
도 5의 (a)는 신호대잡음비(SNR)에 따른 무질서도(entropy)를 나타낸 그래프로서, 신호대잡음비가 낮은 경우에는 비슷한 성능을 보이는 반면, 신호대잡음비가 높은 경우 본 발명이 종래 발명들에 비해 좋은 성능을 보여준다.
도 5의 (b)는 신호대잡음비에 따른 콘트라스트(contrast)를 나타낸 그래프로서, 이 역시, 신호대잡음비가 낮은 경우에는 비슷한 성능을 보이는 반면, 신호대잡음비가 높은 경우 본 발명이 종래 발명들에 비해 좋은 성능을 보여준다.
도 5의 (c)는 신호대잡음비에 따른 전역 품질 지표(UQI)를 나타낸 그래프로서, 신호대잡음비가 높은 경우 본 발명이 종래 발명들에 비해 좋은 성능을 보여준다.
도 5의 (d)는 신호대 잡음비에 따른 연산 시간을 나타낸 그래프로서 모든 신호대잡음비 영역에서 종래의 발명들에 비해 뛰어난 연산 성능을 보여준다.
아래의 표 1은 영상의 크기와 엔트로피, 콘트라스트, 전역 품질 지표 및 연산 시간과의 관계를 나타낸다.
Figure 112016019079041-pat00047
표 1에서는 영상의 크기를 128*128, 256*256, 512*512 및 1024*1024로 하여 본 발명과 종래 기술들의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
표 1에서 나타난 바와 같이, 작은 크기의 영상에서부터 큰 크기의 영상까지 엔트로피, 콘트라스트, 전역 품질 지표 및 연산 시간 등 모든 면에서, 본 발명이 종래 기술들에 비해 뛰어난 성능을 보여준다.
본 발명의 실시예에 따르면, 영상의 크기가 크거나 신호대잡음비가 낮은 경우에도 무질서도, 콘트라스트 및 전역 품질 지수 등에서 뛰어난 고품질의 역합성 개구면 레이더 영상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 영상을 생성하기 위한 연산 속도 역시 크게 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치
110 : 입력부 120 : 프로파일 생성부
130 : 거리 정렬부 140 : 연산부
150 : 영상 생성부

Claims (12)

  1. 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치를 이용한 자동 초점 방법에 있어서,
    이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는 단계,
    상기 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(range profile)들을 생성하는 단계,
    상기 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시켜 주는 거리 정렬(range alignment)을 수행하는 단계,
    상기 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산하는 단계,
    상기 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산하는 단계, 그리고
    상기 연산된 위상 오차와 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 위상 오차를 연산하는 단계는,
    상기 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차를 추정하는 단계,
    상기 추정된 위상 오차의 현재 값과 이전 값의 차이값을 연산하는 단계, 그리고
    상기 차이값이 기 설정된 임계값보다 작거나 같은 경우 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 단계를 포함하는 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 살리스 엔트로피를 연산하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 살리스 엔트로피(T[|I(k,n)|2])를 연산하는 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법:
    Figure 112016019079041-pat00048

    Figure 112016019079041-pat00049

    여기서, I(k,n)은 상기 거리 정렬된 거리 프로파일로부터 생성되는 역합성 개구면 레이더 영상을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미하고, q는 살리스 엔트로피의 질서값을 의미하고, n은 거리-빈의 인덱스 번호를 의미하고, M은 슬로우 타임의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미하고, N은 거리-빈(bin)의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미한다.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 위상 오차를 추정하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 위상 오차를 추정하는 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법:
    Figure 112017038346297-pat00050

    여기서,
    Figure 112017038346297-pat00051
    은 추정된 위상 오차를 의미하고, m은 각속도와 푸리에 관계를 갖는 변수로서 슬로우 타임(slow-time)을 의미하고, h(m,n)은 거리 프로파일을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미한다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법:
    Figure 112016019079041-pat00052

    여기서,
    Figure 112016019079041-pat00053
    는 현재 추정된 위상 오차를 의미하고,
    Figure 112016019079041-pat00054
    은 이전 추정된 위상 오차를 의미하고, μ는 임계값을 의미한다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 살리스 엔트로피의 질서값(q)이 1.6인 역합성 개구면 레이더 영상의 자동 초점 방법.
  7. 이동하는 표적으로부터 반사된 레이더 신호를 입력받는 입력부,
    상기 반사된 레이더 신호를 이용하여 1차원 레이더 영상인 거리 프로파일(range profile)들을 생성하는 프로파일 생성부,
    상기 생성된 거리 프로파일들의 중심을 일치시켜 주는 거리 정렬(range alignment)을 수행하는 거리 정렬부,
    상기 거리 정렬된 거리 프로파일들에 대한 살리스 엔트로피(Tsallis Entropy)를 연산하고, 상기 연산된 살리스 엔트로피가 최소가 되는 횡단 거리 프로파일들의 잔존하는 위상 오차를 연산하는 연산부, 그리고
    상기 연산된 위상 오차와 상기 거리 정렬된 거리 프로파일들을 이용하여, 위상 오차가 제거된 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함하며,
    상기 연산부는,
    상기 살리스 엔트로피가 최소가 되는 위상 오차를 추정하고, 상기 추정된 위상 오차의 현재 값과 이전 값의 차이값을 연산하며, 상기 차이값이 기 설정된 임계값보다 작거나 같은 경우 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 살리스 엔트로피(T[|I(k,n)|2])를 연산하는 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치:
    Figure 112016019079041-pat00055

    Figure 112016019079041-pat00056

    여기서, I(k,n)은 상기 거리 정렬된 거리 프로파일로부터 생성되는 역합성 개구면 레이더 영상을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미하고, q는 살리스 엔트로피의 질서값을 의미하고, n은 거리-빈의 인덱스 번호를 의미하고, M은 슬로우 타임의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미하고, N은 거리-빈(bin)의 인덱스 번호의 전체 개수를 의미한다.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연산부는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 위상 오차를 추정하는 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치:
    Figure 112017038346297-pat00057

    여기서,
    Figure 112017038346297-pat00058
    은 추정된 위상 오차를 의미하고, m은 각속도와 푸리에 관계를 갖는 변수로서 슬로우 타임(slow-time)을 의미하고, h(m,n)은 거리 프로파일을 의미하고, k는 도플러 주파수의 인덱스 번호를 의미한다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 단계는,
    아래의 수학식을 이용하여 상기 추정된 위상 오차의 현재 값을 위상 오차로 검출하는 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치:
    Figure 112016019079041-pat00059

    여기서,
    Figure 112016019079041-pat00060
    는 현재 추정된 위상 오차를 의미하고,
    Figure 112016019079041-pat00061
    은 이전 추정된 위상 오차를 의미하고, μ는 임계값을 의미한다.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 살리스 엔트로피의 질서 값(q)이 1.6인 역합성 개구면 레이더 영상 생성 장치.
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