KR101925490B1

KR101925490B1 - 위성 항법 시스템 기반의 바이스태틱 합성 개구 레이더 탐지 방법

Info

Publication number: KR101925490B1
Application number: KR1020180090033A
Authority: KR
Inventors: 서정현
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2018-12-05

Abstract

본 발명에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR의 탐지 방법은, 상기 GNSS 위성으로부터 직접 송신된 제1 신호와 지상, 비행체 또는 선박에 장착되어 상기 제1 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호인 제2 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 제1 신호를 자기 상관 함수를 이용하여 자기 상관을 수행하는 단계, 상기 자기 상관된 신호의 주파수 변환된 신호를 윈도우 처리하는 단계, 상기 제2 신호의 주파수 변환된 신호와 상기 제1 신호의 주파수 변환된 신호를 마스킹하는 단계, 상기 마스킹된 마스킹 신호와 상기 윈도우 처리된 자기 상관 신호를 곱하여 동기를 맞추는 단계, 상기 동기가 맞춰진 주파수 영역의 신호를 시간 영역으로 변환하는 단계, 상기 시간 영역으로 변환된 신호로 SAR 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

위성 항법 시스템 기반의 바이스태틱 합성 개구 레이더 탐지 방법 {BISTATIC SYNTHETIC APERTURE RADAR DETECTION METHOD BASED ON GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM}

본 발명은 바이스태틱 합성 개구 레이더 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지구 위성 항법 시스템 위성의 송신 신호와 상기 송신 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호를 수신하여 표적을 이미지로 형상화하고 추적할 수 있는 바이스태틱 합성 개구 레이더 탐지 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유도 비행체용 탐색기는 유도 비행체의 이용 목적에 따라 지상의 표적을 추적하도록 구성될 수 있다. 현재 대부분의 유도 비행체용 탐색기는 유도 비행 이동 방향에서 기설정된 각도 범위 이내로 초고주파 신호를 방사 및 수신하여 표적을 탐지하도록 구성되어 있으나, 빔 폭이 넓기 때문에 각도 해상도가 좋지 않다는 한계가 있다.

특히 연안 부근의 해상에 존재하는 함선과 같은 표적을 요격하기 위한 유도 비행체의 탐색기는 빔 폭 내에서 동일한 거리에 육지가 존재하는 경우, 육지에서 반사되는 지면 클러터의 영향으로 표적을 정확히 탐지하지 못하는 등의 문제가 있다. 그에 비해 적외선 또는 가시광 이미지를 획득하여 분석하는 이미지 탐색기는 비나 눈, 구름 및 안개 등과 같은 대기의 영향을 크게 받아 표적을 탐지하지 못하는 경우가 빈번하게 발생한다.

또한 기존에 고주파수 신호를 방사하고, 표적에 반사되어 수신되는 신호를 분석하여 표적을 탐지하는 전자파 탐색기는 대기의 영향을 받지 않고 표적의 위치를 판별할 수 있으나, 단순히 표적의 존재 여부와 거리 및 이동 속도 등을 분석할 수 있을 뿐, 표적의 정확한 형상 등을 획득할 수 없다는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar)(SAR)가 개발되었다. SAR은 일반적으로 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고, 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다. SAR은 극초단파 영역의 초고주파를 활용하기 때문에 아지랑이, 가랑비, 눈, 구름, 연기 등의 기후 환경에 영향을 받지 않고, 육상 지형이나 바다를 관측할 수 있으며, 스스로 관측에 사용 하는 에너지원을 전파하는 능동시스템이기 때문에 밤과 낮에 상관없이 이미지를 얻을 수 있다.

SAR은 이동하지 않는 지표에 대한 이미지를 획득하기 위한 기법으로, 도플러 주파수의 상대적 변화 특성이 잘 확인되도록, 지표의 변화가 가장 크게 감지되는 방향인 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하도록 구성된다. 그러나 비행체의 진행 방향에서 수직 방향으로 빔을 조향하여 이미지를 획득하면, 표적이 감지되는 시점에서 비행체의 위치가 이미 표적을 지나친 상태이므로, 표적을 추적해야 하는 유도 비행체 등에는 적용하기 어렵다. 이에 빔을 비행체의 진행 방향으로 조향하게 되면, 비행체의 진행 방향과 빔 사이의 각도가 줄어드는 만큼 각도 해상도가 저하되는 문제가 있다.

이렇듯 기존의 레이더(Radar) 및 SAR 시스템은 송신기가 고출력 신호를 송신하고, 수신기가 표적에 의해 반사된 신호를 수신하는 방법으로 표적의 위치를 파악하였다. 하지만 레이더 신호는 상대방에게 쉽게 노출되기 때문에 이를 역 이용하여 잘못된 반사신호를 송신하여 오차를 유발하는 재밍(Jamming)장치도 등장하였다. 또한, 고출력 신호의 송신을 위하여 시스템이 커지고 비용이 매우 높다는 문제점이 있다.

따라서, 기존의 SAR 시스템 대비 소형 드론에 장착 가능하고, 자신의 위치를 노출시키지 않고, 은밀하게 표적이나 주변 지형을 이미지화할 수 있는 SAR 시스템이 개발될 필요가 있다.

도 1은 일반적인 SAR 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서 비행체(100)에 탑재된 SAR 시스템은 비행체(100)가 진행방향(120) 상으로 비행하면서 지표면이나 표적(150)으로 단거리 이동 안테나(Short moving antenna)를 이용하여 일정한 시간 간격을 두고 레이더 신호를 방사하고, 그 표적(150)에 반사된 반사 신호들 수신하여 수신 신호들 간의 도플러 천이를 이용하여 실제 안테나의 빔 폭이 제공하는 것보다 높은 방위방향의 해상도를 얻을 수 있다. 이러한 SAR 시스템을 포함하는 레이더 시스템은 모노스태틱(monostatic) SAR 레이더 시스템 또는 바이스태틱(Bistatic) SAR 레이더 시스템으로 구현될 수 있다. 모노스태틱 SAR 레이더 시스템은 송신기(transmitter)와 수신기(receiver)가 동일한 위치에 있는 시스템이며, 바이스태틱 SAR 레이더 시스템은 송신기와 수신기가 매우 큰 거리로 떨어진 서로 다른 위치에 있는 시스템이다. 바이스태틱 SAR 레이더 시스템은 모노스태틱 SAR 시스템보다 더 많은 정보를 제공할 수 있지만, 송신기와 수신기가 물리적으로 매우 떨어져 있는 관계로 동기를 맞추는 것이 매우 어렵다.

상술한 바와 같이 송신기와 수신기간의 물리적 거리의 이격으로 인하여 시각 동기화가 어려움에도 불구하고 현재 고출력 신호를 송신하고 반사된 신호를 수신하는 바이스태틱(Bistatic) SAR 시스템이 가장 보편적으로 사용되고 있으며, 최근에는 상용 라디오 및 DMB와 같은 FM 기지국 신호를 기준신호로 사용하고 반사파를 이용하는 PCL(Passive Coherent Location) 기술이 연구되고 있다. 이러한 PCL 기술은 위치의 노출 없이 대상 표적을 이미지화 또는 방향탐지 할 수 있다.

이러한 기존 방식의 바이스태틱 SAR 시스템과 관련된 선행특허로는 대한민국등록특허 제10-1733035호가 있으나 본 발명과는 표적을 추적하기 위해 사용하는 신호원이 상이하다.

그러나, 이러한 표적 추출 방법에서 성능에 가장 크게 영향을 주는 부분은 대상을 이미지화 하기 위한 픽셀의 고해상도와 주변과 특정대상을 정확하게 구분할 수 있는 능력이다.

종래에는 기준(Reference) 신호가 지상에서 송신되고 지상의 수신기에서 반사된 신호를 수신하기 때문에 특정 대상과 주변 환경을 구분하는 기능이 매우 어려웠다. 그렇기 때문에 실제 바이스태틱 SAR 시스템을 구현할 시 신뢰성 있는 통계 정보를 획득할 수 없으며, 이미지화 된 영상에서 표적에 대한 추적의 신뢰성도 저하되었다.

또한, 픽셀의 해상도를 높이기 위해서는 기준신호의 대역폭이 매우 넓어야 하지만 지상의 FM/DMB신호는 수백 KHz에 불과해서 수십미터 크기의 물체만 인식할 수 있었다. 이러한 문제점으로 인해서 PCL보다는 고출력을 사용하는 바이스태틱 레이더(Bistatic Radar)를 지금까지 사용하고 있는 것이 현실이다.

본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 GNSS 위성에서 직접 송신되는 기준 신호와 상기 기준 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호를 이용하여 SAR 이미지를 획득하여 정밀하게 표적을 추적할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지구 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System)(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar)(SAR)의 탐지 방법은, 상기 GNSS 위성으로부터 직접 송신된 제1 신호와 지상, 비행체 또는 선박에 장착되어 상기 제1 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호인 제2 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 제1 신호를 자기 상관 함수를 이용하여 자기 상관을 수행하는 단계, 상기 자기 상관된 신호의 주파수 변환된 신호를 윈도우 처리하는 단계, 상기 제2 신호의 주파수 변환된 신호와 상기 제1 신호의 주파수 변환된 신호를 마스킹하는 단계, 상기 마스킹된 마스킹 신호와 상기 윈도우 처리된 자기 상관 신호를 곱하여 동기를 맞추는 단계, 상기 동기가 맞춰진 주파수 영역의 신호를 시간 영역으로 변환하는 단계 및 상기 시간 영역으로 변환된 신호로 SAR 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 기존의 전자 지원(Electronic Support)의 장비 없이 전자 지원 기능을 제공할 수 있으며, 주변 표적의 움직임을 모니터링하고, 표적의 움직임에 따른 방향 탐지도 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 기존의 SAR, PCL(Passive Coherent Location) 레이더를 대체할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, GNSS기반의 항법 신호를 사용하기 때문에 별도의 기준 신호가 필요 없어 수신기의 위치가 노출되지 않아 은밀하게 표적 감시를 수행할 수 있다.

또한, GNSS 신호에서 광대역인 50MHz 이상의 위성신호를 이용하여 최대 해상도 3x3m 의 SAR 이미지 픽셀을 식별할 수 있다.

또한, 지구 궤도로부터 수신되는 신호를 사용하기 때문에 지상의 모든 지형과 대상목표물을 이미지화 할 수 있으며 이기종간의 시각동기가 매우 쉽다.

도 1은 일반적인 SAR 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 바이스태틱 SAR 시스템과 기존의 바이스태틱 SAR 시스템간의 동작 원리의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 수신기의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템의 수신기 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 SAR 영상에서 표적을 추출하는 것을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템과 DMB 신호를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템의 SAR 해상도를 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주변 지형에 대하여 SAR 이미지를 형성한 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 운용예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 FFT에서 표적의 이동에 따라서 발생하는 도플러 천이 정보를 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 적용 가능 예들을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록"등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

이해되어야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 바이스태틱 SAR 시스템과 기존의 바이스태틱 SAR 시스템간의 동작 원리의 차이를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에서 참조번호 200은 종래의 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을, 참조번호 210은 종래의 PCL 방식의 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을, 참조번호 220은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을 나타낸다.

먼저, 종래 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을 살펴보면, 200a단계에서 수신기와 물리적으로 떨어진 송신기가 고출력의 직접 신호(기준 신호)를 송신하면, 200b단계에서 상기 수신기는 상기 기준 신호가 표적으로부터 반사된 반사 신호를 수신한다. 그리고, 200c단계에서 상기 수신기는 상기 기준 신호와 상기 반사 신호로부터 스캐닝된 영역의 이미지를 추출하고, 200d단계에서 상기 이미지로부터 표적을 추출한다.

반면, 종래의 PCL 방식의 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을 살펴보면, 210a단계에서 수신기는 FM(Frequency Modulation) 또는 DMB(Digital Mobile Broadcasting) 등과 같은 지상 방송국으로부터 직접 송신되는 신호(기준 신호)를 수신하고, 210b단계에서 상기 기준 신호가 표적으로부터 반사된 반사 신호를 수신한다. 210c단계에서 수신기는 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 이용하여 스캐닝된 영역의 이미지를 추출하고, 210d단계에서 상기 이미지로부터 표적을 추출한다.

마지막으로, 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 동작 방식을 살펴보면, 220a에서 수신기는 지구 밖의 GNSS 위성으로부터 직접 송신되는 신호(기준 신호)를 수신하고, 220b단계에서 상기 기준 신호가 표적으로부터 반사된 반사 신호를 수신한다. 220c단계에서 수신기는 상기 기준 신호와 상기 반사 신호를 이용하여 스캐닝된 영역의 이미지를 추출하고, 220d단계에서 상기 이미지로부터 표적을 추출한다.

참조번호 220은 참조번호 200과 210에서 설명한 방식과는 달리, GNSS 위성이 갖는 고유의 코드(PRN 코드) 특성을 갖는 GNSS 위성 신호를 바이스태틱 SAR 시스템의 기준 신호로 사용함으로써 상술한 다른 시스템 대비 저출력의 신호를 사용할 수 있다.

추가적으로, 도 2에서 참조번호 200a는 종래의 레이더(Radar) 시스템에서 사용하는 방법으로 특정 표적으로 고출력의 신호를 송신한 후 상기 특정 표적에서 반사되는 신호의 도플러 차이와 신호 세기를 이용하여 표적을 추적하고 이미지를 형성한다. 하지만 본 발명의 실시 예에서는 상기 참조번호 200a의 과정이 필요 없다. 왜냐하면, 본 발명의 실시 예에서는 바이스태틱 SAR 시스템에서의 송신기가 수신기로 송신하는 기준 신호로서, 지구 밖에 위치하고 있는 GNSS위성이 송신하는 신호를 이용하기 때문이다.

이러한 방식은 참조번호 210에서 바이스태틱 SAR 레이더 시스템이 FM 또는 DMB 지방 방송국의 신호를 기준 신호로 수신하는 것과 유사한 개념으로 볼 수 있으나, FM 또는 DMB 방송국이 송신하는 신호는 그 신호의 특성 상 최대 수십 MHz의 대역폭을 갖는 GNSS 위성의 신호에 비해 협대역의 대역폭을 가짐에 따라 수십 미터(m)의 이미지 해상도를 얻을 수 밖에 없다. 그러나, 본 발명의 실시 예에서는 FM/DMB 신호에 비해 광대역인 GNSS 신호를 이용함에 따라 수 미터(m)의 이미지 해상도를 얻을 수 있어 수십배 이상 정밀한 이미지 해상도를 처리할 수 있다.

또한 기존의 바이스태틱 SAR 시스템은 기준 신호에 대한 시각 동기를 위해서 별도의 장치를 필요로 하였으나, 본 발명의 실시 예에서는 GNSS에서 전송되는 UTC(Coordinated Universal Time) 정보를 이용하여 시각 동기를 수행하므로 별도의 시각 동기를 위한 장치가 필요하지 않다. 그리하여 참조번호 220과 같은 본 발명의 실시 예에 따라 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템을 이용하게 되면, 지상 및 항공, 해상에 위치한 바이스태틱 SAR 시스템의 플랫폼에 탑재된 어떤 수신기와도 쉽게 시각 동기를 수행하고 동일한 기준 신호를 시용하여 이미지 처리가 가능하다.

아래의 <표 1>은 도 2에서의 참조번호 210, 220, 230에서 설명한 각 SAR 시스템에 대한 비교표이다.

구 분	기존 Bistatic SAR	PCL 시스템	GNSS 기반의 Bistatic SAR
유지 비용	매우 높음	최소	최소
시스템 크기	거대	작음	작음
운용 성능	고 해상도	저 해상도	중 해상도
작전 반경	시스템 설치 지역	기준신호 인근 (FM 방송기지국)	제한 없음/감도범위 (항법신호 수신지역)
은폐 여부	불가	가능	가능
동기화 시스템	시각동기 시스템 필수	시각동기 시스템 필수	항법신호 사용

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 수신기(300)의 블록 구성도이다. 본 발명에 따른 수신기(300)는 비행체 또는 선박 등의 바이스태틱 SAR 시스템의 플랫폼(Platform)에 장착되어 상기 제1 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호인 제2 신호를 수신할 수 있다.

먼저, 도 3에서 본 발명의 실시 예에 따른 수신기(300)는 송신기인 GNSS 위성으로부터 송신된 제1신호(306)와 제2 신호(301)를 각각 수신하는데, 제1 신호(306)는 지구 밖 궤도 상에 위치한 송신기인 GNSS 위성으로부터 송신되는 직접 신호(Direct Signal)이며, 제2 신호(301)는 상기 제1 신호(306)가 표적에 의해 반사된 반사 신호(reflection signal)을 의미한다.

본 명세서에서는 송신기(Transmitter)인 GNSS 위성으로부터 수신기(receiver)로 송신되는 직접 신호는 바이스태틱 SAR 시스템에서 사용되는 기준 신호(Reference signal)과 동일한 의미로 사용될 것이다.

수신기(300)의 RF 수신부(307)는 지구 밖 궤도 상의 GNSS 위성으로부터 안테나(ANT)를 통해 제1신호(306)를 수신하고, 복조부(308)는 상기 RF 수신부(307)가 수신한 신호를 기저대역(Baseband)으로 복조하여 자기 상관부(310)와 제2 고속 푸리에 변환부(Fast Fourier Transform)(FFT)(309)로 출력한다.

그러면 자기 상관부(310)는 상기 복조된 제1 신호를 자기 상관 함수(Auto correlation function)를 이용하여 자기 상관을 수행하고, 제3 고속 푸리에 변환부(FFT)(311)는 상기 자기 상관된 신호를 주파수 영역(Frequency domain)으로 변환하고, 윈도우 처리부(Window processing unit)(312)는 상기 제3 고속 푸리에 변환부(FFT)(311)에서 주파수 변환된 신호를 윈도우 처리하고, 윈도우 처리된 신호(313)를 제2곱셈기(315)로 전달한다.

구체적으로, 자기 상관부(310)는 상기 수신된 제1 신호(306)의 PRN(Pseudo Random Noise) 코드와 미리 저장된 PRN 코드들 중 상기 GNSS 위성의 PRN 코드를 이용하여 자기 상관을 수행한다.

그리고, 동기 검출부(330)는 상기 주파수 영역으로 변환된 자기 상관된 신호를 이용하여 상기 제1 신호(306)의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하여 상기 제1 신호(306)의 시각 동기(Time Synchronization)을 검출한다.

반면, 상기 제2 신호(301)는 RF 수신부(302)에 의해 수신된 후, 복조부(303)에서 기저대역(Baseband)으로 복조하여 제1 고속 푸리에 변환부(FFT)(304)로 출력하고, 제1 고속 푸리에 변환부(FFT)(304)는 상기 복조된 신호를 주파수 영역으로 변환하여 제1 곱셈기(305)로 출력한다.

제1 곱셈기(305)는 상기 제1 FFT(304)와 상기 제1 FFT(309)에서 각각 주파수 영역으로 변환된 신호를 마스킹(Masking)하고, 그 마스킹된 신호(314)를 제2 곱셈기(315)로 전달한다.

상기 제2 곱셈기(315)는 상기 마스킹된 신호(314)와 상기 윈도우 처리된 자기 상관 신호(313)를 곱하여 동기를 맞추고, 동기가 맞춰진 신호(316)를 역고속 푸리에 변환부(Inverse Fast Fourier Transform)(IFFT)(317)로 출력한다.

상기 IFFT(317)에서 다시 시간 영역으로 변환된 신호는 SAR 이미지 생성부(318)로 입력되고, 상기 SAR 이미지 생성부(318)는 상기 IFFT(317)에서 시간 영역으로 변환된 신호를 이용하여 SAR 이미지(350)를 생성한다. 일반적으로, 상기 SAR 이미지 생성부(318)는 상기 표적에서 반사되는 신호의 도플러 차이와 신호 세기를 이용하여 상기 표적에 대한 이미지를 생성하는데, 이는 일반적인 SAR 이미지 처리 과정을 사용하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 SAR 이미지 생성부(318)에서 SAR 이미지(350)가 생성되면, 표적 식별부(319)는 상기 생성된 SAR 이미지로부터 이미지 특성이 변환하는 영역을 표적으로 식별하는 표적 식별 정보를 생성하고, 표적 거리 측정부(320)는 상기 생성된 SAR 이미지(350)의 도플러 천이(Doppler shift) 특성을 이용하여 표적의 거리를 측정한다.

구체적으로, 표적 식별부(319)는 입력 신호를 이용하여 지향방향의 영역을 추출하는 기능을 수행한다. 여기서, 추출된 영역 데이터는 의미 있는 정보를 포함하고 있는 부분이다. 예를 들어, 건물, 나무, 대상 표적 등이며, 주변 환경보다 신호를 반사시키는 성질이 더 큰 모든 물체들이 해당된다. 그러나, 대지와 같은 주변 환경은 전파를 산란시키거나 감쇠하여 반사하기 때문에 반사율이 약한 물체에 해당한다. 또한, 표적 식별부(319)는 표적 식별 기능도 수행하는데, 미리 정해진 알고리즘을 이용해서 고정 또는 움직임이 없는 이미지를 제외하고 이미지 특성이 변하는 영역에 대해서는 추정된 위치를 기초로 표적 식별을 수행한다.

그리고, 통신 링크부(320)는 상기 수신기(300)가 장착된 다른 지상국(ground receiver), 비행체 또는 선박에 장착된 통신 링크부와 통신 링크를 형성하여, 다른 수신기에서 획득된 표적에 대한 시각 동기화(Time Synchronization)를 수행한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 표적 거리 측정부(320)는 수신기(300) 자체에서 수신한 제1 신호(306)와 제2 신호(301)를 이용한 표적의 거리를 측정하는 방식 외에도 다른 장치들에 설치된 수신기의 통신 링크부를 통해 수신된 상기 표적의 식별 정보를 이용하여 상기 표적의 위치를 산출할 수도 있다. 다른 장치들은 지상 및 항공, 해상에 설치될 수 있으며 각각의 반사파 지향방향에 따라서 영역 식별과 표적 식별이 다르게 나타난다.

이동 속도가 빠른 물체의 경우, 정확도가 다르게 나타날 수 있지만, 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 SAR 시스템 플랫폼이 적용된 모든 장치들은 동일한 항법 신호를 이용하여 시각 동기를 수행하기 때문에 문제되지 않는다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 수신기(300)는 2채널 이상을 갖는 광대역 SDR(Software Defined Radio) 기반의 GNSS 수신기일 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템의 수신기(300) 동작 흐름도이다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 SDR 기반의 GNSS 기반의 수신기는 다양한 GNSS 시스템들 즉, 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 중국의 BeiDou, 유럽의 Galileo 시스템 등의 위성 신호를 수신하여 동일 시스템의 위성 신호를 본딩(Bonding)하여 신호를 처리할 수 있다.

아래의 <표 2>는 현재의 GNSS 시스템 및 DMB 신호의 대역폭 별로 식별 가능한 SAR 이미지 해상도를 비교한 표이다.

본 발명의 실시 예에서는 종래와는 달리 수십 MHz 이상의 광대역 신호를 사용하기 때문에 상관 관계와 주파수 분포 측면에서 이미지 해상도를 고해상도로 구별할 수 있다. 현재 상용화 이전이기는 하지만 유럽의 GNSS 시스템인 Galileo 시스템의 경우 가장 광대역의 대역폭을 사용하고 있으며, 위성 트랙킹(tracking)은 가능한 현실이다. 위성 트래킹이 가능하다고 하는 것은 PRN 코드 및 항법 메시지 수신이 가능하다는 의미이다.

GNSS대역	대역폭	식별 해상도	비고
지상파 DMB	6MHz	< 27m	LOS확보불가
GPS C/A-code	1MHz	< 150m	Not used
GLONASS P-Code	5MHz	< 30m
Galileo E5a/E5b	10MHz	< 15m
Galileo full E5	50MHz	< 3m

상기 <표 2>에서와 같이 현재 존재하는 GNSS 시스템들 중 가장 광대역인 유럽의 Galileo 시스템을 사용할 경우 그 해상도가 3m 이하로 가능하게 된다.

먼저, 401단계에서 수신기(300)는 제2 신호(301)가 수신되는지를 검사하고, 수신되었다면, 403단계에서 수신된 신호를 복조하고, 405단계에서 상기 복조된 신호를 FFT를 통해 주파수 영역으로 변환한다.

또한, 수신기(300)는 409단계에서 제1신호(306)가 수신되는지를 검사하고, 수신되었다면, 411단계에서 수신된 신호를 복조한 후 413단계에서 상기 복조된 신호를 FFT를 통해 주파수 영역으로 변환하고, 415단계에서 자기 상관(Auto correlation)을 수행한다.

그리고, 수신기(300)는 상기 415단계에서 자기 상관 처리 후, 417단계에서 제1 신호의 동기를 검출하고, 419단계에서 FFT를 통해 주파수 영역으로 변환한 후, 421단계에서 윈도우 처리를 수행한다.

한편, 407단계에서 수신기(300)는 상기 405단계에서 FFT된 제2신호와 상기 413단계에서 FFT된 제1신호를 마스킹한 후, 423단계에서 상기 421단계에서 윈도우 처리된 신호와 상기 407단계에서 마스킹된 신호에 대해 시각 동기화를 수행하고, 425단계에서 IFFT를 수행하여 시간 영역의 신호로 변환한 후 SAR 이미지를 생성한다.

그리고, 427단계에서 수신기(300)는 상기 425단계에서 생성된 SAR 이미지로부터 표적을 식별하고, 429단계에서 다른 지상국, 비행체, 선박 등에 장착된 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 SAR 시스템의 수신기와 통신 링크를 연결하여 시각 동기를 수행하고, 431단계에서 상기 표적에 대하여 각 수신기가 수신한 제1 신호를 이용하여 측정한 표적 거리를 획득하여 계산할 수도 있다. 이때 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 SAR 시스템의 수신기들은 통신 링크부(321)를 통해 서로 통신이 연결되면, 동일한 표적에 대한 표적 식별 정보와 상기 GNSS로부터 수신된 제1신호를 이용하여 계산된 표적 거리를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다. 왜냐하면, 서로 다른 운반체에 탑재된 수신기들은 지상, 항공 및 해상 등에 설치되므로 각각 제1 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호인 제2 신호의 지향 방향에 따라 스캐닝 대상 지역과 표적 식별이 다르게 나타날 수 있기 때문이다.

하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 수신기(300)는 상기 통신 링크부(321)를 통한 다른 수신기들과의 통신 링크 없이도 GNSS 위성으로부터 직접 수신한 제1신호와 반사 신호인 제2 신호만을 이용하여 표적을 식별하고, 표적과의 거리를 계산할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 SAR 영상에서 표적을 추출하는 것을 보여주는 것으로, 도 5를 참조하면 본 발명의 실시 예에 따라 생성된 SAR 이미지에서 식별된 표적(510)을 보여준다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템과 DMB 신호를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템의 SAR 해상도를 비교하기 위한 도면이다.

도 6에서 보는 바와 같이 동일 표적에 대하여 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템에서의 SAR 이미지(b)의 해상도가 DMB 신호를 사용하는 바이스태틱 SAR 시스템의 SAR 해상도(a)보다 높음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 주변 지형에 대하여 SAR 이미지를 형성한 예를 보여주는 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 운용예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 8에서 GNSS 위성의 송신기(805)는 지상의 제1 표적(830)과 공중의 제2표적(840)으로 제1 내지 제 4 직접 신호들(801 내지 804)를 기준 신호로 송신하고, 본 발명의 실시 예에 따른 지상의 바이스태틱 SAR 시스템 플랫폼의 수신기(810)는 제3 직접 신호(803)와 제4 직접 신호(804)가 제1 표적(830)으로부터 반사된 제3 반사 신호(reflection)(811)과, 제2 직접 신호(802)가 제2 표적(840)으로부터 반사된 제2 반사 신호(812)를 수신하여 상술한 방법에 따라 SAR 이미지를 생성하고 표적을 식별한다.

반면, 공중에 위치한 본 발명의 실시 예에 따른 바이스태틱 SAR 시스템의 플랫폼의 수신기(820)는 제1 직접 신호(801)와 제2 직접 신호(802)가 제2 표적(830)으로부터 반사된 제1 반사 신호(reflection)(813)을 수신하여 상술한 방법에 따라 SAR 이미지를 생성하고 표적을 식별한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따라 공중에 위치한 바이스태틱 SAR 시스템의 플랫폼의 수신기(820)와 지상에 위치한 바이스태틱 SAR 시스템의 플랫폼의 수신기(810)은 통신 링크(850)를 통해 서로 다른 수신기로부터 수신된 상기 표적(840)의 식별 정보를 이용하여 상기 표적(840)의 위치를 산출할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템은 전 세계 어디서나 동기화된 GNSS 신호를 이용하여 공중, 지상, 해상 등에 위치한 플랫폼에 탑재되더라도 서로 통신 링크를 통해 시각 동기화가 이루어질 수 있고, 이를 통합 사이트로 운용하는 것도 가능하다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 FFT에서 표적의 이동에 따라서 발생하는 도플러 천이 정보를 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 표적(910, 920)의 이동에 따라 도플러 효과로 동일 주파수에서 다른 위상을 판별할 수 있고, 도플러 주파수만큼 변했을 때의 위상 변화도 구할 수 있음을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템의 적용 가능 예들을 설명하기 위한 도면이다.

상술한 본 발명의 실시 에에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템은 참조번호 1010, 1020과 같이 현재 가장 큰 이슈화가 되고 있는 자율주행차의 LiDAR 장비처럼 센싱된 주변 환경을 이미지화하여 형상하고 모니터링할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 실시 에에 따른 GNSS 기반의 바이스태틱 SAR 시스템은 송신기가 없어 소형화가 가능하므로, 드론과 같은 소형 무인 비행체에도 탑재가 가능함에 따라 참조번호 1030과 같이 소형 드론용 감시를 위한 소형 레이더로서도 사용 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

GNSS 위성 및 수신기를 포함하는 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System)(GNSS)을 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar)(SAR)의 탐지 방법에 있어서,
상기 GNSS 위성으로부터 직접 송신된 제1 신호 및 상기 제1 신호가 표적에 의해 반사된 반사 신호인 제2 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 제1 신호를 자기 상관 함수를 이용하여 자기 상관을 수행하는 단계;
상기 자기 상관된 신호의 주파수 변환된 신호를 윈도우 처리하는 단계;
상기 제2 신호의 주파수 변환된 신호와 상기 제1 신호의 주파수 변환된 신호를 마스킹하는 단계;
상기 마스킹된 마스킹 신호와 상기 윈도우 처리된 자기 상관 신호를 곱하여 동기를 맞추는 단계;
상기 동기가 맞춰진 주파수 영역의 신호를 시간 영역으로 변환하는 단계; 및
상기 시간 영역으로 변환된 신호로 SAR 이미지를 생성하는 단계를 포함하되,
상기 자기 상관을 수행하는 단계는, 상기 수신된 제1 신호의 PRN 코드와 미리 저장된 PRN 코드들 중 상기 GNSS 위성의 PRN 코드를 이용하여 자기 상관을 수행함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 신호는 상기 GNSS 위성을 식별하기 위한 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 포함함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 생성된 SAR 이미지로부터 이미지 특성이 변환하는 영역을 상기 표적으로 식별하는 표적 식별 정보를 생성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 SAR 이미지를 생성하는 단계는,
상기 표적에서 반사되는 신호의 도플러 차이와 신호 세기를 이용하여 상기 표적에 대한 이미지를 생성함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신하는 단계는,
상기 생성된 SAR 이미지의 도플러 천이(Doppler shift) 특성을 이용하여 표적의 거리를 측정하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신하는 단계는,
상기 자기 상관된 신호를 이용하여 상기 제1 신호의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density)를 계산하여 상기 제1 신호의 시각 동기(Time Synchronization)을 검출하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제5항에 있어서,
상기 수신하는 단계는,
GNSS 기반의 SAR 시스템의 플랫폼에 장착된 다른 수신기와 시각 동기화(Time Synchronization)를 위한 통신 링크를 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 표적의 거리를 측정하는 단계는 상기 통신 링크를 형성하는 단계를 통해 상기 다른 수신기로부터 수신된 상기 표적의 식별 정보를 이용하여 상기 표적의 위치를 산출함을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신기는,
2채널 이상을 갖는 광대역 SDR(Software Defined Radio) 기반의 GNSS 수신기임을 특징으로 하는 위성 항법 시스템(GNSS)를 사용하는 바이스태틱(Bistatic) 합성 개구 레이더(SAR)의 탐지 방법.
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