KR101827641B1

KR101827641B1 - 고품질 isar 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법

Info

Publication number: KR101827641B1
Application number: KR1020160095621A
Authority: KR
Inventors: 김찬홍; 강병수; 유보현; 김경태
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-08
Also published as: KR20180012590A

Abstract

본 발명의 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법은 특정 레인지 빈(range-bin)에서의 신호에 대한 위상(phase)을 추정한 후, 이에 기초하여 보간법(interpolation)을 수행함으로써 수행된다. 구체적으로, 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈(range bin)을 선택한다. 이어서, 퓨리에 변환(Fourier transform)과 2차 다항식-위상 변환(polynomial-phase transform)을 이용하여 선택된 레인지 빈에서의 위상함수를 추정함으로써, 빠른 연산시간 내 정확한 위상함수의 추정을 가능하게 한다. 이어서, 상기 추정된 다항식 위상함수에 기초하여 관측각도의 변화율을 일정하게 하는 새로운 시간변수를 계산한 후, 보간법을 이용하여 새롭게 계산된 시간변수에 대한 레이다 신호를 획득한다. 이를 통해, 관측 각도의 변화율이 일정하지 않은 ISAR 영상 형성 시나리오에서, 기능자가 실시간으로 고품질 ISAR 영상 형성을 가능하게 하는 회전운동 보상을 수행 가능하게 한다.

Description

고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법{A Method of ISAR rotational motion compensation for highly focused ISAR images}

본 발명은 역합성 개구면 레이다(Inverse Synthetic Aperture Radar: ISAR) 영상 형성 기법에 관한 것으로, 특히 표적에 대한 레이다 관측각도의 변화율이 일정하지 않음에 따른 ISAR 영상의 초점저하 현상해소로 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법에 관한 것이다.

일반적으로 ISAR 영상은 고정된 레이다가 광대역 신호를 이용하여 기동하는 표적에 대한 산란원(scatterer)의 분포를 2차원(two-dimensional: 2D)의 형태로 도시하는 레이다 영상으로써, 표적의 산란 매커니즘(mechanism) 분석 및 레이다 표적식별(non-cooperative target recognition: NCTR) 분야에서 널리 활용되고 있다.

일례로, 기동하는 비행체(이하 표적)의 ISAR 영상은 병진운동(translational motion)성분과 회전운동성분(rotational motion) 성분으로 나뉜 운동 성분중 관측각도의 변화율이 일정한 회전운동 성분으로 초점이 맞는 ISAR 영상을 형성한다.

이에 더해, ISAR 영상은 실제 기동하는 표적이 극심한 가속 혹은 감속운동, 그리고 롤-피치-요우(roll-pitch-yaw) 성분을 포함하는 심한 자가-회전운동(self-rotational motion)을 겪는 점을 고려함으로써 ISAR 영상 내 도플러(Doppler) 방향으로의 추점을 저하시키는 일정하지 않은 레이다 관측각도의 변화율을 고려하도록 회전운동보상 기법이 더 수행되고, 이를 통해 실제 기동하는 표적에 대한 고품질 ISAR 영상을 형성한다.

일례로, 상기 회전운동보상을 수행하기 위한 기법은 ISAR 영상 내 모든 산란원들에 대한 운동 파라미터를 추정하는 기법, 특정 레인지 빈(range-bin)에서의 신호에 대한 위상(phase)추정에 기초하여 보간법(interpolation)을 수행하는 기법으로 분류된다.

실제적으로, 산란원들의 운동 파라미터를 추정하는 기법은 파라미터 추정 시 많은 연산시간이 요구되기 때문에 실시간으로 ISAR 영상 생성이 요구되는 분야에서는 그 활용이 불가능한 반면, 보간법(interpolation)을 수행하는 기법은 빠른 연산시간 내 RMC를 수행함으로써 실시간 고품질 ISAR 영상 형성을 가능하게 한다.

그러므로 ISAR 영상은 보간법을 수행함으로써 심한 자가-회전운동(self-rotational motion)을 겪는 실제 기동하는 표적에 대한 실시간 고품질 ISAR 영상을 형성한다.

국내특허공개공보 10-2016-0038464(공개일자 2016년 4월 7일)

하지만, 보간법을 수행하는 기법들은 위상함수 추정 시 PSO(Particle Swarm Optimization) 그리고 AJTF(Adaptive Joint-Time Frequency)와 같은 기법들을 기반으로 비용함수를 최적화하는 과정 내에서, 비용함수 내 지역 극솟값(local minima) 혹은 지역 극댓값(local maxima)에 대한 수렴 값을 산출하기 때문에 잘못된 위상함수가 추정되게 되고, 이에 대한 결과로 초점이 저하된 ISAR 영상이 형성되는 문제가 발생한다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 다항식-위상 변환(polynomial-phase transform)을 기반으로 산란원에 대한 위상함수를 추정함으로써 레이다 관측 각도의 변화율이 일정하지 않은 표적에 대한 보간법 기반 회전운동 보상 기법을 기능자에게 제공하고, 특히 잘못된 위상함수 추정에 대한 문제없이 실시간으로 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법은 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈(range bin)을 선택하고, 비용함수의 최적화 과정 없이 단순 FFT(Fast Fourier Transform, 퓨리에 변환)를 기반으로 수행되어 빠른 연산시간 내 정확한 위상함수의 추정을 가능하게 하는 다항식-위상 변환 기법을 기반으로 선택된 레인지 빈에서의 위상함수가 추정되며, 추정된 위상함수의 정보를 이용하여 관측각도의 변화율이 일정한 새로운 시간영역에서의 1차원 보간법을 수행함으로써 기동 표적에 대한 ISAR 회전운동보상을 실시간으로 수행하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 본 발명의 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법은 (a) 비행체에 대해 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)환경에서 레이다의 레이다 수신신호를 형성한 결과로부터 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈이 선택 레인지 빈으로 설정되는 단계; (b) 상기 선택 레인지 빈에서 계산된 다항식 위상함수가 추정 다항식 위상함수로 설정되는 단계; (c) 상기 추정 다항식 위상함수에 기초하여 계산된 시간변수가 상기 비행체에 대한 관측각도의 변화율을 일정하게 하는 계산 시간변수로 설정되는 단계; (d) 1차원 보간법 적용으로 상기 레이다 수신신호가 상기 관측각도의 변화율이 일정한 보정 레이다 수신신호로 획득되는 단계; 로 수행된다.

바람직한 실시예로서, 상기 (a)단계에서, 상기 레이다 수신 신호에 대한 거리압축 및 병진운동보상이 수행된 처리 레인지 빈들을 형성한 후, 상기 처리 레인지 빈들에 대하여 ANV를 계산하여 ANV의 값이 가장 작은 처리 레인지 빈이 상기 선택 레인지 빈으로 선택된다.

바람직한 실시예로서, 상기 (b)에서, 상기 추정 다항식 위상함수는 최적화 과정 없이 FFT를 기초하여 수행되는 다항식-위상 변환 및 퓨리에 변환을 이용하여 계산된다.

바람직한 실시예로서, 상기 (c)에서, 상기 계산 시간변수는 상기 추정 다항식 위상함수와 상기 선택 레인지 빈의 회전운동성분이 서로 비례관계에 있다는 것을 이용하여, 추정 다항식 위상함수의 역함수를 계산해 구해진다.

바람직한 실시예로서, 상기 (d)에서, 상기 1차원 보간법은 상기 계산 시간변수 방향으로 적용된다.

이러한 본 발명의 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법은 위상함수 추정 시 활용되는 다항식-위상 변환 기법의 경우 비용함수의 최적화 과정 없이 FFT(Fast Fourier Transform) 를 기반으로 수행되기 때문에, 빠른 연산시간 내 정확한 위상함수의 추정을 통해 관측각도의 변화율이 일정한 레이다 수신신호를 획득 가능하게 한다.

또한, 본 발명의 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법은 기능자에게 실제 기동하는 표적에 대한 회전운동보상 기법을 실시간으로 수행 가능하게 함으로써 고품질 ISAR 영상 형성을 기반 한 다수의 응용분야에서의 활용이 용이하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 1,2차 다항식 계수 추정을 위한 순서도이며, 도 3은 본 발명에 따른 표적 회전운동보상 방법이 적용되는 ISAR 영상을 위한 기하구조로 도시된 비행기 모델의 예이고, 도 4는 도 3의 비행기 모델을 30dB의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)환경에서 레이다 수신신호를 형성한 점 산란원의 예이며, 도 5는 도 3의 비행기 모델에 대한 관측각도 변화율 선도의 예이고, 도 6은 도 3의 비행기 모델에 본 발명에 따른 표적 회전운동보상 방법이 적용되지 않아 초점 저하된 ISAR 영상의 예이며, 도 7은 도 3의 비행기 모델에 본 발명에 따른 표적 회전운동보상 방법을 적용하여 초점 저하를 해소한 고품질 ISAR 영상의 예이고, 도 8은 본 발명에 따른 회전운동보상방법에 대한 몬테-카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션 수행결과를 기존 방식과 비교한 성능비교선도이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

또한, 표적 회전운동보상을 통한 고품질 ISAR 영상 형성을 수행하는 주체는 ISAR 영상형성시스템이나 NCTR 분야에 적용되는 시스템일 수 있다. 그러므로 특별히 언급되지 않음은 각 단계가 ISAR시스템이나 NCTR시스템으로 수행됨을 의미하며, 이는 이 분야에서 통상적이다.

도 1 및 도 2는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법의 세부 단계를 나타내고, 도 3 및 도 4는 비행기 모델을 나타내며, 도 5 및 도 6은 비행기 모델에 표적 회전운동보상 방법이 적용되지 않은 ISAR 영상을 나타내고, 도 7 및 도 8은 비행기 모델에 표적 회전운동보상 방법이 적용된 고품질 ISAR 영상을 나타낸다.

도 1을 참조하면, S110은 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈(range bin)을 선택하는 단계이다. 이 단계를 위한 설정조건은 계단-주파수 파형(stepped-frequency waveform)을 송신하는 레이다 사양을 나타낸 표 1과 비행기 모델의 시나리오를 나타낸 표 2와 같다.

중심 주파수	30 GHz
주파수 대역폭	500 MHz
주파수 간격	2.5 MHz
버스트 구간	0.0321 sec

표적 초기 위치	[100 100 10] km
표적 이동 방향	[1 0 0]
CPI	6.4571 sec
표적 이동 속력	200 m/sec
표적 이동 가속력	100 m/sec²

또한 도 3은 ISAR 영상을 위한 기하구조로 도시된 비행기 모델(10)(예, 보잉 747)이고, 도 4는 상기 비행기 모델(10)을 표 1의 레이다를 사용하여 30dB의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)환경에서 레이다 수신신호를 형성한 결과로 약 83개의 점 산란원(1)을 나타낸다.

이와 같이 비행기 모델(10)의 레이다 수신신호에 대하여, 각 버스트(burst) 별 1차원 고해상도 거리측면도(high resolution range profile: HRRP)를 형성한 후, 거리정렬 및 자동초점기법을 수행하여 표적의 병진운동성분을 보상한다.

그 결과 표 2의 시나리오 상에서의 표적에 대한 관측각도 변화율을 도시한 도 5에서 보이는 바와 같이, 표적인 비행기 모델(10)의 관측각도의 변화율이 일정하지 않음으로써 도 6과 같이 도플러 방향으로 초점이 저하된 ISAR 영상이 형성된다.

그러므로 고품질 ISAR 영상 형성방법은 회전운동성분으로 인해 초점저하된 ISAR 영상을 초점이 맞는 ISAR 영상으로 변환시켜 준다.

다시 도 1을 참조하면, S110의 단계에서는 거리방향으로의 압축(range compression) 및 병진운동보상(translational motion compensation)이 수행된 상태에서 특정 레인지 빈에서 산란원이 하나 존재하는지에 대한 여부 확인을 위해 크기-정규화 분산(amplitude normalized variance: ANV)을 아용한다.

구체적으로, 특정 n 번째 레인지 빈에 대한 ANV는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에 있어서,

는 n 번째 레인지 빈에 대한 신호, 그리고

는 변수 t에 대한 평균 연산자이다.

상기 수학식 1에 있어서,

의 값이 작을수록 해당 레인지 빈에서 산란원이 하나만 존재할 확률이 높기 때문에, 모든 레인지 빈에 대한 ANV를 계산한 후, ANV의 값이 가장 작은 레인지 빈 n ₁ 을 선택한다.

그 결과 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈(range bin)이 상기 n ₁ 으로 선택된다.

이어, 선택된 레인지 빈 n ₁ 에 대한 다항식 위상함수를 다음의 수학식 2와 같이 정의한다.

[수학식 2]

상기 수학식 2에 있어서,

는 관측각도의 변화율이 일정하지 않은 표적의 회전운동성분,

은 n ₁ 번째 레인지 빈에서의 다항식 위상함수,

과

은 각각 다항식 위상함수의 위상에 대한 1차 그리고 2차 다항식 계수를 정의한다.

과

은 각각 n ₁ 번째 레인지 빈 내 산란원에 대한 반사계수와 수직거리(cross-range) 방향으로의 위치정보를 정의한다.

S120은 선택된 레인지 빈 n ₁ 에서의 다항식 위상함수를 추정하는 단계이다. 이 단계에서는 2차 다항식-위상 변환 기법 및 퓨리에 변환(Fourier transform)에 기초하여 상기 수학식 2 내

과

을 추정함으로써, 선택된 레인지 빈에서의 다항식 위상함수

를 추정한다.

도 2를 참조하면, 2차 다항식-위상 변환기법과 퓨리에 변환을 이용하여 다항식 위상함수의 위상에 대한 1,2차 다항식 계수의 추정과정이 S210 내지 S240의 단계로 구분됨을 알 수 있다. 이와 같이 2차 다항식-위상 변환기법과 퓨리에 변환을 이용하여,

과

이 추정된다.

S210은 선택된 레인지 빈 n ₁ 에서의 신호에 대한 2차 다항식-위상 변환을 적용하는 단계이고, 이를 위해 다음의 수학식 3을 적용한다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에 있어서,

는 2차 다항식-위상 변환 연산자,

는 t에 대한 퓨리에 변환 연산자, t ₀ 는 시간지연 상수,

이다.

상기 수학식 3에 있어서,

가 최대가 되는 값을 찾음으로써, 다항식 위상함수의 2차 다항식 계수

을 추정할 수 있다.

S220은 상기 추정된

을 이용하여 다항식 위상 함수의 2차 항이 제거된

를 획득하는 단계이고, 이를 위해 다음의 수학식 4를 적용한다.

[수학식 4]

S230은 상기 수학식 4의 결과인

에 퓨리에 변환을 적용함으로써 다항식 위상 함수의 1차 다항식 계수를 추정하는 단계이고, 이를 위해 다음의 수학식 5를 적용한다.

[수학식 5]

상기 수학식 5에 있어서,

가 최대가 되는 값을 찾음으로써, 다항식 위상 함수의 1차 다항식 계수

을 추정할 수 있다.

S240은 상기 추정된

과

을 이용하여 선택된 레인지 빈 n ₁ 에 대한 다항식 위상함수의 위상을 복원하는 단계이고, 이를 위해 다음의 수학식 6을 적용한다.

[수학식 6]

그 결과 관측각도의 변화율을 일정하게 하는 새로운 시간변수

를 계산할 수 있는 다항식 위상함수

가 획득된다.

다시 도 1을 참조하면, S130은 추정된 다항식 위상함수

를 이용하여 관측각도의 변화율을 일정하게 하는 새로운 시간변수

를 계산하는 단계이다. 이 단계에서는 다항식 위상함수

와

는 서로 비례관계에 있는 다음의 수학식 7을 적용한다.

[수학식 7]

상기 수학식 7에 기초하여,

의 변화율을 일정하게 하는 시간변수

를 계산함으로써

의 변화율을 일정하게 할 수 있다.

이어, 추정된

의 역함수를 구함으로써

를 만족하는 새로운 시간변수

이 다음의 수학식 8와 같이 표현된다.

[수학식 8]

S140은 관측각도의 변화율이 일정한 데이터를 획득하도록 계산된

의 방향으로의 1차원 보간법을 수행하는 단계이다.

그 과정의 결과로, ISAR 영상의 초점을 저하시키는 회전운동성분을 제거함으로써 초점이 맞는 고품질 ISAR 영상이 생성된다.

한편 도 7 및 도 8은 본 발명의 표적 회전운동보상 방법이 적용된 결과를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 표적 회전운동보상 방법의 결과로 관측각도의 변화율이 일정한 레이다 수신신호를 획득할 수 있어 초점이 맞는 ISAR 영상이 형성됨을 확인할 수 있다. 여기서, 회전운동보상을 수행하는데 소요된 시간은 0.0855 sec으로 빠른 연산시간 내 회전운동보상이 수행됨을 확인할 수 있다.

도 8을 참조하면, SNR을 0 dB에서 30 dB까지 5 dB 간격으로 변화시켜 가면서 각각 SNR 별로 100번의 몬테-카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션 수행결과를 알 수 있다.

A는 SNR의 변화에서 본 발명의 회전운동보상방법(proposed method)이고, B는 AJTF를 사용하여 다항식 위상함수를 추정하는 기존의 AJTF 기반 회전운동보상방법(AJTF based method)이며, C는 PSO를 사용하여 다항식 위상함수를 추정하는 기존의 보간법 기반 회전운동보상방법(PSO based method)이다.

이들 A,B,C 로 알 수 있는 바와 같이, A로 표기된 본 발명의 회전운동보상방법(proposed method)이 모든 SNR에 대하여 기존의 B와 C 보다 초점이 잘 맞는 ISAR 영상을 형성하게 한다는 것을 알 수 있다.

1 : 점 산란원 비행기 모델
10 : 기하구조 비행기 모델

Claims

(a) 비행체에 대해 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)환경에서 레이다의 레이다 수신신호를 형성한 결과로부터 산란원이 하나 존재하는 레인지 빈이 선택 레인지 빈으로 설정되는 단계;
(b) 상기 선택 레인지 빈에서 계산된 다항식 위상함수가 추정 다항식 위상함수로 설정되는 단계;
(c) 상기 추정 다항식 위상함수에 기초하여 계산된 시간변수가 상기 비행체에 대한 관측각도의 변화율을 일정하게 하는 계산 시간변수로 설정되는 단계;
(d) 1차원 보간법 적용으로 상기 레이다 수신신호가 상기 관측각도의 변화율이 일정한 보정 레이다 수신신호로 획득되는 단계;를 포함하고,
상기 (b)에서, 상기 추정 다항식 위상함수는 최적화 과정 없이 FFT(Fast Fourier Transform)를 기초하여 수행되는 다항식-위상 변환 및 퓨리에 변환을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (a)단계에서, 상기 레이다 수신 신호에 대한 거리압축 및 병진운동보상이 수행된 처리 레인지 빈들을 형성한 후, 상기 선택 레인지 빈이 선택되는 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 선택 레인지 빈은 상기 처리 레인지 빈들에 대하여 ANV(amplitude normalized variance)를 계산한 후, 상기 ANV의 값이 가장 작은 처리 레인지 빈인 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 (c)에서, 상기 계산 시간변수는 추정 다항식 위상함수의 역함수로 계산되는 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 역함수는 상기 추정 다항식 위상함수와 상기 선택 레인지 빈의 회전운동성분이 서로 비례관계에 있다는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (d)에서, 상기 1차원 보간법은 상기 계산 시간변수 방향으로 적용되는 것을 특징으로 하는 고품질 ISAR 영상 형성을 위한 표적 회전운동보상 방법.