KR102173012B1 - Apparatus, method, computer-readable storage medium and computer program for generating image of synthetic aperture radar based on compressed sensing - Google Patents

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KR102173012B1
KR102173012B1 KR1020200108046A KR20200108046A KR102173012B1 KR 102173012 B1 KR102173012 B1 KR 102173012B1 KR 1020200108046 A KR1020200108046 A KR 1020200108046A KR 20200108046 A KR20200108046 A KR 20200108046A KR 102173012 B1 KR102173012 B1 KR 102173012B1
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김종한
조준현
김동환
윤보람
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국방과학연구소
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Abstract

According to various embodiments, provided is an image generating method of a synthetic aperture radar based on compression sensing, which comprises: an operation of obtaining a reception signal for a target area of a transmission signal of a synthetic aperture radar; an operation of generating modeling information obtained by vectorizing the reception signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets; an operation of generating matrix information composed of elements based on a total variation (TV) indicating a variation of the reception signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information; and an operation of generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information.

Description

압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램{APPARATUS, METHOD, COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM AND COMPUTER PROGRAM FOR GENERATING IMAGE OF SYNTHETIC APERTURE RADAR BASED ON COMPRESSED SENSING}[APPARATUS, METHOD, COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM AND COMPUTER PROGRAM FOR GENERATING IMAGE OF SYNTHETIC APERTURE RADAR BASED ON COMPRESSED SENSING}

본 발명은 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus, a method, a computer-readable recording medium, and a computer program for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing.

합성 개구면 레이다는 안테나를 통해서 지상으로 전파를 송신하고 되돌아오는 반사파를 이용하여 지표면의 영상을 만들어 내는 레이다이다. 합성 개구면 레이다는 주로 정찰위성이나 항공기에 장착되어 정찰, 관측, 측량, 자원탐사가 필요한 넓은 지역의 고해상도 영상을 만들어낸다. 전파를 이용하는 합성 개구면 레이다는 광학 카메라와는 달리, 아주 먼 거리의 영상도 얻을 수 있으며 구름이나 날씨 조건과는 상관없이 영상을 얻을 수 있는 장점을 가진다.A synthetic aperture radar is a radar that transmits radio waves to the ground through an antenna and creates an image of the ground surface using the reflected waves that return. Synthetic aperture radar is mainly mounted on reconnaissance satellites or aircraft to produce high-resolution images of large areas that require reconnaissance, observation, surveying, and resource exploration. Unlike optical cameras, a composite aperture radar using radio waves has the advantage of being able to obtain images from very long distances and to obtain images regardless of cloud or weather conditions.

일반적인 레이더가 물체를 탐지하거나 추적하는 것과는 달리, 합성 개구면 레이더는 실제와 동일하거나 거의 유사한 형태의 영상을 얻어야 하기 때문에, 상당히 먼 거리에 있는 물체의 형태를 정확하게 구별하여야 하며, 이를 위해 상당히 높은 해상도를 필요로 한다.Unlike general radars that detect or track objects, synthetic aperture radars need to obtain images of the same or almost similar shape to the real ones, so it is necessary to accurately distinguish the shape of objects at a considerable distance. Need.

레이더가 높은 해상도를 얻기 위해서는 안테나 복사패턴의 빔폭이 좁아야 하기 때문에, 안테나의 물리적 크기가 매우 커야 하지만, 비행체에 포함되는 제한적 상황에서 안테나의 크기를 크게 하는 것은 현실적으로 불가능하다.In order for radar to obtain high resolution, since the beam width of the antenna radiation pattern must be narrow, the physical size of the antenna must be very large, but it is practically impossible to increase the size of the antenna in a limited situation included in the vehicle.

그러므로 일정한 크기의 안테나를 비행체로 특정 거리만큼 이동시킴으로써 안테나의 개구면을 크게 합성하여 물리적으로 큰 안테나와 동일한 해상도를 얻을 수 있는데, 이러한 원리로 동작하기 때문에 합성 개구 레이다라고 불린다. Therefore, by moving an antenna of a certain size by a specific distance to the aircraft, the aperture surface of the antenna can be largely synthesized to obtain the same resolution as a physically large antenna. It is called a synthetic aperture radar because it operates on this principle.

기존의 합성 개구 레이다는 나이퀴스트 이론(nyquist theorem)에 따라 지면으로부터 후방 산란하여 돌아오는 신호를 수집하고, 정합 필터(matched filtering)를 적용하여 신호 처리를 수행한다. 이러한 고전적인 신호 수집 및 복원 과정들은 엘리어싱(aliasing)을 방지하고, 최적의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)을 얻을 수 있도록 도와준다. The conventional synthetic aperture radar collects signals that are scattered back from the ground according to the nyquist theorem, and then performs signal processing by applying matched filtering. These classical signal acquisition and restoration processes help to prevent aliasing and to obtain an optimal signal to noise ratio.

그러나, 나이퀴스트 이론에 따라 수집된 데이터는 다기능 레이다 신호의 주파수 대역(ex. X-band)이 요구된다는 점을 고려하였을 때, 방대한 저장 용량이 있어야 하며 정합 필터에 따라 복원된 신호는 sinc 함수 형태의 IRF(Impulse Response Function) 특성을 가지므로 부엽(sidelobes)이 형성되고, 이러한 부엽들이 인접한 픽셀의 본래 특성에 영향을 미쳐 이미지 품질을 저하시킨다는 문제가 존재한다. However, considering that the data collected according to the Nyquist theory requires a multi-function radar signal's frequency band (ex.X-band), it must have a large storage capacity, and the signal restored according to the matching filter is a sinc function. Since it has a shape of IRF (Impulse Response Function) characteristics, sidelobes are formed, and there is a problem that these sidelobes affect the original characteristics of adjacent pixels and degrade image quality.

본 발명의 실시예는, 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는, 합성 개구면 레이다에서 탐지하고자 하는 목표물에 대해 TV(Total Variation) 기반의 최적화 문제를 구성하여 점표적(인공물) 및 면표적(배경)을 효과적으로 탐지하는 기술을 제공하고자 한다. An embodiment of the present invention may provide an apparatus, method, computer-readable recording medium, and computer program for generating an image of a composite aperture radar based on compression sensing. For example, an embodiment of the present invention is a technology for effectively detecting a point target (artificial object) and an area target (background) by configuring a TV (Total Variation)-based optimization problem for a target to be detected by a synthetic aperture radar Want to provide.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the ones mentioned above, and another problem to be solved that is not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

본 발명의 실시예에 따르면, 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법에 있어서, 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작; 상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작; 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for generating an image of a composite aperture radar based on compression sensing, the method comprising: acquiring a received signal for a target area of a transmission signal of the composite aperture radar; Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets; Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 모델링 정보를 생성하는 동작은, 하기 수학식 1을 기초로 상기 수신 신호를 샘플링한 s(t, u)를 생성하는 동작; 및 According to an embodiment of the present invention, the generating of the modeling information may include generating s(t, u) obtained by sampling the received signal based on Equation 1 below; And

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020090040717-pat00001
Figure 112020090040717-pat00001

(N은 가로방향 샘플링, M은 세로방향 샘플링, NxM은 샘플링 개수,

Figure 112020090040717-pat00002
는 (i, j) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수, rect은 rect 함수,
Figure 112020090040717-pat00003
는 첩 길이(chirp length), t는 빠른 시간(fast time), u는 느린 시간(slow time),
Figure 112020090040717-pat00004
는 느린 시간 u에서 레이더 위치와 (i, j) 번째 점표적에 대한 상대 거리
Figure 112020090040717-pat00005
에 대한 왕복시간 (round trip), p(t)는 수신신호, c는 빛의 속도)(N is horizontal sampling, M is vertical sampling, NxM is the number of samples,
Figure 112020090040717-pat00002
Is the reflection coefficient of the received signal for the (i, j)-th point target, rect is the rect function,
Figure 112020090040717-pat00003
Is the chirp length, t is the fast time, u is the slow time,
Figure 112020090040717-pat00004
Is the radar position at slow time u and the relative distance to the (i, j)th point target
Figure 112020090040717-pat00005
For round trip, p(t) is the received signal, c is the speed of light)

상기 반사 계수

Figure 112020090040717-pat00006
(
Figure 112020090040717-pat00007
)를 기준으로 상기 s(t, u)를 벡터화한 하기 수학식 2의 모델링 정보 y를 생성하는 동작을 포함할 수 있다. The reflection coefficient
Figure 112020090040717-pat00006
(
Figure 112020090040717-pat00007
An operation of generating modeling information y of Equation 2 below by vectorizing s(t, u) based on) may be included.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020090040717-pat00008
Figure 112020090040717-pat00008

(

Figure 112020090040717-pat00009
는 수신 신호,
Figure 112020090040717-pat00010
는 반사계수에 대응되는 점표적의 수신신호에 대한 행렬 정보,
Figure 112020090040717-pat00011
는 샘플링 개수, x는 반사계수)(
Figure 112020090040717-pat00009
Is the received signal,
Figure 112020090040717-pat00010
Is matrix information on the received signal of the point target corresponding to the reflection coefficient,
Figure 112020090040717-pat00011
Is the number of samples, x is the reflection coefficient)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 행렬 정보를 생성하는 동작은, 하기 수학식 3을 기초로 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 원소를 생성하는 동작; 및According to an embodiment of the present invention, the generating of the matrix information includes generating an element representing the amount of change in a received signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information based on Equation 3 below. ; And

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020090040717-pat00012
Figure 112020090040717-pat00012

(

Figure 112020090040717-pat00013
는 (m, n) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수)(
Figure 112020090040717-pat00013
Is the reflection coefficient of the received signal for the (m, n)-th point target)

하기 수학식 3을 기초로 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 원소를 행렬로 표현한 하기 수학식 4의 행렬 정보를 생성하는 동작을 포함할 수 있다. Based on Equation 3 below, an operation of generating matrix information of Equation 4 below in which an element representing a change amount of a received signal with respect to adjacent point targets constituting the modeling information is expressed as a matrix.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020090040717-pat00014
Figure 112020090040717-pat00014

(D는 행렬의 행원소가 -1, 1로 교번적으로 (G-N-M)개 만큼 반복되고, 행렬의 열원소가 -1, 1로 교번적으로 G개 만큼 반복되는 형태로 구성됨, x는 상기 수학식 2의 반사 계수)(D is composed of a form in which the row elements of the matrix are alternately repeated (GNM) by -1 and 1, and the column elements of the matrix are alternately repeated by G by -1 and 1, x is the above math Reflection coefficient in equation 2)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은, 하기 수학식 5를 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the operation of generating the compression-sensing reconstructed image may include an operation of calculating a reflection coefficient that optimizes Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020090040717-pat00015
Figure 112020090040717-pat00015

(

Figure 112020090040717-pat00016
는 정규화 항에 대한 가중치)(
Figure 112020090040717-pat00016
Is the weight for the regularization term)

압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은, 나이퀴스트 정리(Nyquist theorem)에 기초하여 상기 수신 신호를 압축 센싱 복원하는 경우, 상기 A 및 상기 y에 언더샘플링 행렬(undersampling matrix) S을 적용하여 언더샘플링하는 동작; 및 하기 수학식 6을 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the operation of generating the compression-sensing reconstructed image includes undersampling matrices (A and y) in the case of compression-sensing and reconstructing the received signal based on the Nyquist theorem. undersampling by applying an undersampling matrix) S; And an operation of calculating a reflection coefficient that optimizes Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020090040717-pat00017
Figure 112020090040717-pat00017

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 언더샘플링하는 동작에 따라 도출된 샘플링 개수 Q는 하기 수학식 7의 조건을 만족할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the number of samplings Q derived according to the undersampling operation may satisfy the condition of Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112020090040717-pat00018
Figure 112020090040717-pat00018

(

Figure 112020090040717-pat00019
는 1보다 큰 상수, k는 x에서 0이 아닌 원소의 개수)(
Figure 112020090040717-pat00019
Is a constant greater than 1, k is the number of nonzero elements in x)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은, 상기 Q가

Figure 112020090040717-pat00020
개인 경우, 하기 수학식 8를 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the operation of generating the compressed sensing reconstructed image, the Q is
Figure 112020090040717-pat00020
In the individual case, it may include an operation of calculating a reflection coefficient that optimizes Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020090040717-pat00021
Figure 112020090040717-pat00021

(

Figure 112020090040717-pat00022
는 A를 행 방향으로
Figure 112020090040717-pat00023
개 만큼 잘라 나눈 행렬,
Figure 112020090040717-pat00024
는 y를
Figure 112020090040717-pat00025
개 만큼 잘라 나눈 행렬)(
Figure 112020090040717-pat00022
A to the row direction
Figure 112020090040717-pat00023
A matrix cut by dogs,
Figure 112020090040717-pat00024
Y
Figure 112020090040717-pat00025
Matrix cut by dogs)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은, 상기 수학식 8에 따른 i번째 반사계수의 손실은 하기 수학식 9이고, 상기 i번째 반사계수를 기초로 하기 수학식 10의 재귀 함수에 따라 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하는 동작을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the operation of generating the compressed sensing reconstructed image, the loss of the i-th reflection coefficient according to Equation 8 is Equation 9 below, and the following Equation 10 is based on the i-th reflection coefficient. It may include an operation of calculating the reflection coefficient for the matrix information according to the recursive function of.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020090040717-pat00026
Figure 112020090040717-pat00026

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020090040717-pat00027
Figure 112020090040717-pat00027

(

Figure 112020090040717-pat00028
는 k 번째 재귀 함수에서의 학습률(learning rate)로서
Figure 112020090040717-pat00029
을 만족하며,
Figure 112020090040717-pat00030
는 상수, k는 재귀 횟수)(
Figure 112020090040717-pat00028
Is the learning rate in the kth recursive function
Figure 112020090040717-pat00029
Satisfying
Figure 112020090040717-pat00030
Is a constant, k is the number of recursions)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기

Figure 112020090040717-pat00031
는,하기 수학식 11의 조건을 만족할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
Figure 112020090040717-pat00031
May satisfy the condition of Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020090040717-pat00032
Figure 112020090040717-pat00032

본 발명의 실시예에 따르면, 상기

Figure 112020090040717-pat00033
는, 하기 수학식 12일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
Figure 112020090040717-pat00033
May be Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020090040717-pat00034
Figure 112020090040717-pat00034

본 발명의 실시예에 따르면, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작; 상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작; 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium storing a computer program, wherein the computer program, when executed by a processor, acquires a received signal for a target area of a transmission signal of a synthetic aperture radar. ; Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets; Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And a command for causing the processor to perform a method including generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information.

본 발명의 실시예에 따르면, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작; 상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작; 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a computer program stored in a computer-readable recording medium, wherein the computer program, when executed by a processor, acquires a received signal for a target area of a transmission signal of a composite aperture radar ; Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each dot target sampled from the target area as a plurality of dot targets; Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And a command for causing the processor to perform a method including generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information.

본 발명의 실시예에 따르면, 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치에 있어서, 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 신호 획득부; 상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 모델링부; 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 TV 적용부; 및 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 연산부를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing, comprising: a signal acquisition unit that acquires a received signal for a target area of a transmission signal of the synthetic aperture radar; A modeling unit for generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets; A TV application unit that generates matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information; And a calculating unit that calculates the reflection coefficient for the matrix information to generate a compressed sensing reconstructed image.

본 발명의 다양한 실시 예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치, 방법, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 컴퓨터 프로그램은, TV(Total Variation) 함수의 최적화 문제를 구성하여 신호를 복원함으로써, 점표적 및 면표적에 대하여 부엽이 발생하지 않은 깨끗한 이미지를 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 항공기의 요동 등 다양한 악조건에서도 강인한 성능을 제공할 수 있다. An apparatus, method, computer-readable recording medium, and computer program for generating an image of a composite aperture radar based on compression sensing according to various embodiments of the present invention, by constructing an optimization problem of a TV (Total Variation) function and restoring a signal, It is possible to obtain a clear image of the target and the area without the side lobe. Accordingly, the embodiment of the present invention can provide robust performance even in various adverse conditions such as the shaking of an aircraft.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 점표적과 레이더와 점표적에 대한 왕복 시간의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재귀 함수의 해를 연산하는 동작의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습률 함수의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 파라미터에 대한 예시도이다.
도 6은 첩 대역폭이 211.98MHz의 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다.
도 7은 첩 대역폭이 105.99MHz의 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다.
도 8은 도 7의 조건에서 주파수 샘플링 개수의 12.5%, 펄스 개수의 25%로 다운샘플링한 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법의 흐름도이다.1 is a block diagram of an apparatus for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram of a point target, a radar, and a round trip time for the point target according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram of an operation of calculating a solution of a recursive function according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram of a learning rate function according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram for parameters of a received signal according to an embodiment of the present invention.
6 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesized aperture radar using a PFA method when the chirp bandwidth is 211.98 MHz, and an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram.
FIG. 7 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesized aperture radar using a PFA method when the chirp bandwidth is 105.99 MHz, and an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram.
FIG. 8 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesis aperture radar by a PFA method when downsampling to 12.5% of the number of frequency sampling and 25% of the number of pulses under the condition of FIG. 7; An exemplary diagram of an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart of a method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention.

먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.First, the advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to embodiments to be described later in detail together with the accompanying drawings. Here, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the technical field to which the present invention pertains. Since it is provided by way of example in order to allow a person skilled in the art to clearly understand the scope of the invention, the technical scope of the invention should be defined by the claims.

아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the technical idea described throughout the specification.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치(100)의 블록도이다.1 is a block diagram of an apparatus 100 for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치(100)는 신호 획득부(110), 모델링부(130), TV 적용부(150) 및 연산부(170)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, an image generating apparatus 100 of a synthetic aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention includes a signal acquisition unit 110, a modeling unit 130, a TV application unit 150, and an operation unit. It may include 170.

신호 획득부(110)는 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득할 수 있다. The signal acquisition unit 110 may acquire a reception signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 점표적과 레이더와 점표적에 대한 왕복 시간의 예시도이다. 2 is an exemplary diagram of a point target, a radar, and a round trip time for the point target according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 신호 획득부(110)는 합성 개구면 레이다의 안테나를 통해서 지상으로 전파를 송신하고 되돌아오는 반사파인 수신 신호를 획득할 수 있다. 합성 개구면 레이다는 수신 신호를 이용하여 지표면의 영상을 만들어 내는 레이다를 포함한다. 예를 들어, 합성 개구면 레이다는 주로 정찰위성이나 항공기에 장착되어 정찰, 관측, 측량, 자원탐사가 필요한 넓은 지역의 영상을 만들어낼 수 있다. Referring to FIG. 2, the signal acquisition unit 110 may transmit a radio wave to the ground through an antenna of a composite aperture radar and acquire a received signal that is a reflected wave returned. Synthetic aperture radar includes a radar that generates an image of the ground surface using received signals. For example, synthetic aperture radars are often mounted on reconnaissance satellites or aircraft, and can produce images of large areas that require reconnaissance, observation, surveying, and resource exploration.

모델링부(130)는 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성할 수 있다. The modeling unit 130 may generate modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target obtained by sampling the target region as a plurality of point targets.

모델링부(130)는 하기 수학식 1을 기초로 수신 신호를 샘플링한 s(t, u)를 생성할 수 있다. The modeling unit 130 may generate s(t, u) obtained by sampling the received signal based on Equation 1 below.

Figure 112020090040717-pat00035
Figure 112020090040717-pat00035

(N은 가로방향 샘플링, M은 세로방향 샘플링, NxM은 샘플링 개수,

Figure 112020090040717-pat00036
는 (i, j) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수, rect은 rect 함수,
Figure 112020090040717-pat00037
는 첩 길이(chirp length), t는 빠른 시간(fast time), u는 느린 시간(slow time),
Figure 112020090040717-pat00038
는 느린 시간 u에서 레이더 위치와 (i, j) 번째 점표적에 대한 상대 거리
Figure 112020090040717-pat00039
에 대한 왕복시간 (round trip), p(t)는 수신신호, c는 빛의 속도)(N is horizontal sampling, M is vertical sampling, NxM is the number of samples,
Figure 112020090040717-pat00036
Is the reflection coefficient of the received signal for the (i, j)-th point target, rect is the rect function,
Figure 112020090040717-pat00037
Is the chirp length, t is the fast time, u is the slow time,
Figure 112020090040717-pat00038
Is the radar position at slow time u and the relative distance to the (i, j)th point target
Figure 112020090040717-pat00039
For round trip, p(t) is the received signal, c is the speed of light)

모델링부(130)는 수학식 1의 반사 계수

Figure 112020090040717-pat00040
(
Figure 112020090040717-pat00041
)를 기준으로 s(t, u)를 벡터화한 하기 수학식 2의 모델링 정보 y를 생성할 수 있다. The modeling unit 130 is a reflection coefficient of Equation 1
Figure 112020090040717-pat00040
(
Figure 112020090040717-pat00041
Modeling information y of Equation 2 below may be generated by vectorizing s(t, u) based on ).

Figure 112020090040717-pat00042
Figure 112020090040717-pat00042

(

Figure 112020090040717-pat00043
는 수신 신호,
Figure 112020090040717-pat00044
는 반사계수에 대응되는 점표적의 수신신호에 대한 행렬 정보,
Figure 112020090040717-pat00045
는 샘플링 개수, x는 반사계수)(
Figure 112020090040717-pat00043
Is the received signal,
Figure 112020090040717-pat00044
Is matrix information on the received signal of the point target corresponding to the reflection coefficient,
Figure 112020090040717-pat00045
Is the number of samples, x is the reflection coefficient)

TV 적용부(150)는 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성할 수 있다. TV는 인접 픽셀과의 변화량을 의미하는 함수이다. 수학식 2의 특정 점표적에 대한 반사계수의 TV 함수는 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.The TV application unit 150 may generate matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information. TV is a function that means the amount of change with adjacent pixels. The TV function of the reflection coefficient for a specific point target of Equation 2 may be expressed by Equation 3 below.

Figure 112020090040717-pat00046
Figure 112020090040717-pat00046

(

Figure 112020090040717-pat00047
는 (m, n) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수)(
Figure 112020090040717-pat00047
Is the reflection coefficient of the received signal for the (m, n)-th point target)

TV 함수 적용은 탐지하고자 하는 점표적(ex. 인공물)의 수신 신호의 정보는 인접한 점표적의 수신 신호의 정보와 큰 차이를 보일 것이고, 면표적(ex. 배경)의 경우는 단일 지형 내에서 점표적 간의 반사계수의 변화가 작을 것이기 때문이다. 이에 따라, 점표적에 대해서는 sparse 신호를 복원하는데 뛰어난 성능을 나타내는 L1-norm을 적용할 수 있고, 면표적에 대해서는 smoothing 효과를 기대할 수 있다. When applying the TV function, the information of the received signal of the point target (ex. artefact) to be detected will show a big difference from the information of the received signal of the adjacent point target, and in the case of the area target (ex. background), a point within a single terrain This is because the change in reflection coefficient between targets will be small. Accordingly, L1-norm, which exhibits excellent performance in restoring a sparse signal, can be applied to a point target, and a smoothing effect can be expected for an area target.

TV 적용부(150)는 수학식 3에 따라 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 원소를 행렬로 표현한 하기 수학식 4의 행렬 정보를 생성할 수 있다. The TV application unit 150 may generate matrix information of Equation 4 below, in which an element representing a change amount of a received signal with respect to an adjacent point target constituting the modeling information according to Equation 3 is expressed as a matrix.

Figure 112020090040717-pat00048
Figure 112020090040717-pat00048

(D는 행렬의 행원소가 -1, 1로 교번적으로 (G-N-M)개 만큼 반복되고, 행렬의 열원소가 -1, 1로 교번적으로 G개 만큼 반복되는 형태로 구성됨, x는 수학식 2의 반사 계수)(D is composed of a form in which the row elements of the matrix are alternately repeated (GNM) by -1 and 1, and the column elements of the matrix are alternately repeated by G by -1 and 1, x is the equation Reflection coefficient of 2)

연산부(170)는 TV 적용부(150)가 생성한 행렬 정보에 대한 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성할 수 있다. The operation unit 170 may generate a compressed sensing reconstructed image by calculating a reflection coefficient for the matrix information generated by the TV application unit 150.

연산부(170)는 하기 수학식 5를 최적화하는 반사 계수를 연산할 수 있다. The operation unit 170 may calculate a reflection coefficient that optimizes Equation 5 below.

Figure 112020090040717-pat00049
Figure 112020090040717-pat00049

(

Figure 112020090040717-pat00050
는 정규화 항에 대한 가중치)(
Figure 112020090040717-pat00050
Is the weight for the regularization term)

연산부(170)는 나이퀴스트 정리(Nyquist theorem)에 기초하여 수신 신호를 압축 센싱 복원하는 경우, 수학식 2의 A 및 y에 언더샘플링 행렬(undersampling matrix) S을 적용하여 하기 수학식 6과 같이 언더샘플링할 수 있다. 이후, 언더샘플링된

Figure 112020090040717-pat00051
및
Figure 112020090040717-pat00052
에 대해 하기 수학식 6을 최적화하는 반사 계수를 연산할 수 있다. When compressive sensing and reconstructing the received signal based on the Nyquist theorem, the operator 170 applies an undersampling matrix S to A and y in Equation 2 as shown in Equation 6 below. You can undersample. After that, the undersampled
Figure 112020090040717-pat00051
And
Figure 112020090040717-pat00052
A reflection coefficient for optimizing Equation 6 below can be calculated.

Figure 112020090040717-pat00053
Figure 112020090040717-pat00053

이때 수학식 6의 해가 무한한 개수의 해가 존재하지 않게 하도록, 연산부(170)는 언더샘플링하는 동작에 따라 도출된 샘플링 개수 Q가 하기 수학식 7의 조건을 만족하도록 제어할 수 있다. In this case, so that the solution of Equation 6 does not have an infinite number of solutions, the calculation unit 170 may control the number of samples Q derived according to the undersampling operation to satisfy the condition of Equation 7 below.

Figure 112020090040717-pat00054
Figure 112020090040717-pat00054

(

Figure 112020090040717-pat00055
는 1보다 큰 상수, k는 x에서 0이 아닌 원소의 개수)(
Figure 112020090040717-pat00055
Is a constant greater than 1, k is the number of nonzero elements in x)

본 발명의 일 실시예에서는 병렬 연산을 고려하여 수학식 5 내지 수학식 7의 분산 최적화 문제를 구성하여 해결할 수 있다. 수학식 5 내지 수학식 7의 문제를

Figure 112020090040717-pat00056
개의 문제로 나눌 수 있을 때, 하기 수학식 8과 같은 제한조건을 만족시키는 최적화 문제로 가정하여, 연산부(170)는 Q가
Figure 112020090040717-pat00057
개인 경우, 하기 수학식 8를 최적화하는 반사 계수를 연산할 수 있다. In an embodiment of the present invention, a distributed optimization problem of Equations 5 to 7 may be constructed and solved in consideration of parallel operation. The problems of Equations 5 to 7
Figure 112020090040717-pat00056
When it can be divided into four problems, assuming that it is an optimization problem that satisfies the constraints such as Equation 8 below, the operation unit 170
Figure 112020090040717-pat00057
In the individual case, a reflection coefficient for optimizing Equation 8 below may be calculated.

Figure 112020090040717-pat00058
Figure 112020090040717-pat00058

(

Figure 112020090040717-pat00059
는 A를 행 방향으로
Figure 112020090040717-pat00060
개 만큼 잘라 나눈 행렬,
Figure 112020090040717-pat00061
는 y를
Figure 112020090040717-pat00062
개 만큼 잘라 나눈 행렬)(
Figure 112020090040717-pat00059
A to the row direction
Figure 112020090040717-pat00060
A matrix cut by dogs,
Figure 112020090040717-pat00061
Y
Figure 112020090040717-pat00062
Matrix cut by dogs)

이때 수학식 8에서 특정 변수 x에 대한 손실(loss)은 기존 수학식 5 내지 수학식 7과 같은 손실 값을 가져야 하므로, i번째 문제의 손실을 하기 수학식 9와 같다고 가정할 수 있고, 연산부(170)는 i번째 반사계수를 기초로 하기 수학식 10의 재귀 함수에 따라 행렬 정보에 대한 반사 계수를 연산(ex. 도 3)할 수 있다. At this time, since the loss for a specific variable x in Equation 8 should have the same loss value as in Equations 5 to 7, it can be assumed that the loss of the i-th problem is the same as Equation 9 below. 170) may calculate a reflection coefficient for matrix information (ex. FIG. 3) according to the recursive function of Equation 10 below based on the i-th reflection coefficient.

Figure 112020090040717-pat00063
Figure 112020090040717-pat00063

Figure 112020090040717-pat00064
Figure 112020090040717-pat00064

(

Figure 112020090040717-pat00065
는 k 번째 재귀 함수에서의 학습률(learning rate)로서
Figure 112020090040717-pat00066
을 만족하며,
Figure 112020090040717-pat00067
는 상수, k는 재귀 횟수)(
Figure 112020090040717-pat00065
Is the learning rate in the kth recursive function
Figure 112020090040717-pat00066
Satisfying
Figure 112020090040717-pat00067
Is a constant, k is the number of recursions)

이때 수학식 10의

Figure 112020090040717-pat00068
는 k=0 일 때(가장 큰 learning rate 일 때), 하기 수학식 11의 부등식을 만족할 수 있고, H는 Lipschitz 상수로서 함수 f에 대하여 하기 수학식 11과 같이 정의될 수 있다. At this time, in Equation 10
Figure 112020090040717-pat00068
When k = 0 (at the largest learning rate), H may satisfy the inequality of Equation 11 below, and H may be defined as Equation 11 below for the function f as a Lipschitz constant.

Figure 112020090040717-pat00069
Figure 112020090040717-pat00069

연산부(170)는 하기 수학식 11의 조건을 만족하는

Figure 112020090040717-pat00070
를 수학식 12와 같이 설정할 수 있다. The operation unit 170 satisfies the condition of Equation 11 below.
Figure 112020090040717-pat00070
Can be set as in Equation 12.

Figure 112020090040717-pat00071
Figure 112020090040717-pat00071

수학식 12의 분모 k의 재귀 횟수는 적용 예에 따라 사용자가 설정할 수 있고, 재귀 횟수에 따른 학습률은 도 4와 같다.The number of recursions of the denominator k of Equation 12 may be set by the user according to an application example, and the learning rate according to the number of recursions is shown in FIG. 4.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 신호의 파라미터에 대한 예시도이다. 5 is an exemplary diagram for parameters of a received signal according to an embodiment of the present invention.

도 5에 따른 수신 신호를 이용하여, 스포트라이트(spotlight) 모드 합성 개구면 레이다에서 보편적으로 사용되는 PFA(Polar Format Algorithm) 기반의 압축 센싱 복원 방식과 본 발명의 실시예에 따른 TV 기반의 압축 센싱 복원 방식을 비교하였다. Using the received signal according to FIG. 5, a compression sensing restoration method based on Polar Format Algorithm (PFA) commonly used in a spotlight mode synthesis aperture radar and a TV-based compression sensing restoration according to an embodiment of the present invention The methods were compared.

도 6은 첩 대역폭이 211.98MHz의 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다. 6 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesized aperture radar using a PFA method when the chirp bandwidth is 211.98 MHz, and an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram.

도 6을 참조하면, 첩 대역폭이 211.98MHz, 지면 위에서의 거리 분해능이 1m일 때의 결과이다. 도 6(a)는 PFA로 복원한 결과이며, 중앙에서 멀어질수록 파면 곡률 에러에 의해서 디포커싱이 일어나는 것과, 부엽 형성에 의한 이미지 품질 저하를 확인할 수 있다. 반면에 도 6(b)는 본 발명의 실시예에 따른 TV 기반의 압축 센싱 복원 방식으로 복원된 영상으로 품질 저하가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, the result is obtained when the chirp bandwidth is 211.98MHz and the distance resolution above the ground is 1m. Fig. 6(a) shows the results of restoration with PFA, and it can be seen that defocusing occurs due to a wavefront curvature error as the distance from the center increases, and image quality is deteriorated due to the formation of side lobes. On the other hand, FIG. 6B is an image reconstructed by a TV-based compression sensing restoration method according to an embodiment of the present invention, and it can be seen that quality deterioration does not occur.

도 7은 첩 대역폭이 105.99MHz의 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다.FIG. 7 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesized aperture radar using a PFA method when the chirp bandwidth is 105.99 MHz, and an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram.

도 7을 참조하면, 첩 대역폭이 105.99MHz일 때의 결과이다. 도 7(a)는 PFA로 복원한 결과이며, 이미지 품질이 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 반면에 도 7(b)는 본 발명의 실시예에 따른 TV 기반의 압축 센싱 복원 방식으로 복원된 영상으로 왼쪽 표면 경계에서 보이는 약간의 에러를 제외하고는 품질 저하가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, this is a result when the chirp bandwidth is 105.99 MHz. Fig. 7(a) is a result of reconstructing with PFA, and it can be seen that the image quality is greatly degraded. On the other hand, FIG. 7(b) is an image reconstructed by a TV-based compression sensing restoration method according to an embodiment of the present invention, and it can be seen that quality deterioration does not occur except for a slight error seen at the left surface boundary.

도 8은 도 7의 조건에서 주파수 샘플링 개수의 12.5%, 펄스 개수의 25%로 다운샘플링한 경우, 스포트라이트 모드 합성 개구면 레이다의 수신 신호에 대해 PFA 방식으로 압축 센싱 복원한 영상(a)과, 본 발명의 실시예에 따른 압축 센싱 복원한 영상(b)의 예시도이다. FIG. 8 is an image (a) obtained by compression sensing and reconstructing a received signal of a spotlight mode synthesis aperture radar by a PFA method when downsampling to 12.5% of the number of frequency sampling and 25% of the number of pulses under the condition of FIG. 7; It is an exemplary diagram of an image (b) reconstructed by compression sensing according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 도 7의 수신 신호에서 주파수 샘플링 개수를 12.5%, 그리고 펄스 개수를 25%로 다운샘플링하여 복원한 결과이다. 도 8(a)는 PFA로 복원한 영상으로 이미지 품질이 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 반면에 도 8(b)는 본 발명의 실시예에 따른 TV 기반의 압축 센싱 복원 방식으로 복원된 영상으로 도 8(a)에 비해 품질 저하가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, a result of downsampling the number of frequency sampling to 12.5% and the number of pulses to 25% in the received signal of FIG. 7 is restored. Fig. 8(a) shows the image restored by PFA, and it can be seen that the image quality is greatly degraded. On the other hand, FIG. 8(b) is an image reconstructed by a TV-based compression sensing restoration method according to an embodiment of the present invention, and it can be seen that quality deterioration does not occur compared to FIG. 8(a).

본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치(100)는 프로세서(미도시), 입출력 인터페이스(미도시), 및/또는 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 프로세서는, 중앙 처리 장치(CPU; central processing unit) 등을 포함하여 다양한 데이터의 처리 및 연산을 수행 할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세서의 제어에 기초하여, 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치(100)는 의 구성 요소들, 예를 들어, 신호 획득부(110), 모델링부(130), TV 적용부(150) 및 연산부(170)가 제어될 수 있다. The image generating apparatus 100 of a synthetic aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention may further include a processor (not shown), an input/output interface (not shown), and/or a memory (not shown). . The processor may perform various data processing and operations including a central processing unit (CPU). For example, based on the control of the processor, the apparatus 100 for generating an image of a composite aperture radar based on compression sensing includes components of, for example, a signal acquisition unit 110, a modeling unit 130, and a TV. The application unit 150 and the operation unit 170 may be controlled.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 신호 획득부(110), 모델링부(130), TV 적용부(150) 및 연산부(170)는 상기 프로세서에 포함될 수 있다. 예를 들어, 신호 획득부(110), 모델링부(130), TV 적용부(150) 및 연산부(170)가 수행하는 동작은 프로세서에 의한 동작으로 이해될 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the signal acquisition unit 110, the modeling unit 130, the TV application unit 150, and the operation unit 170 may be included in the processor. For example, an operation performed by the signal acquisition unit 110, the modeling unit 130, the TV application unit 150, and the operation unit 170 may be understood as an operation by a processor.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법의 흐름도이다. 도 9에 따른 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법의 각 단계는 도 1을 통해 설명된 압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치(100)에 의해 수행될 수 있으며, 각 단계를 설명하면 다음과 같다.9 is a flowchart of a method for generating an image of a composite aperture radar based on compression sensing according to an embodiment of the present invention. Each step of the compression sensing-based synthetic aperture radar image generation method according to FIG. 9 may be performed by the compression sensing-based synthetic aperture radar image generation apparatus 100 described with reference to FIG. 1, and each step will be described. Then it looks like this:

S510 동작에서, 신호 획득부(110)는 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득할 수 있다. In operation S510, the signal acquisition unit 110 may acquire a reception signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar.

S520 동작에서, 모델링부(130)는 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성할 수 있다. In operation S520, the modeling unit 130 may generate modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target obtained by sampling the target region as a plurality of point targets.

S330 동작에서, TV 적용부(150)는 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성할 수 있다. In operation S330, the TV application unit 150 may generate matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a change amount of a received signal with respect to an adjacent point target constituting the modeling information.

S340 동작에서, 연산부(170)는 행렬 정보에 대한 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성할 수 있다. In operation S340, the operation unit 170 may generate a compressed sensing reconstructed image by calculating a reflection coefficient for the matrix information.

한편, 상술한 각 단계의 주체가 해당 단계를 실시하기 위한 상세 과정은 도 1 내지 도 9와 함께 설명하였으므로 중복된 설명은 생략한다.On the other hand, since the detailed process for the subject of each step described above to perform the step has been described with reference to FIGS. 1 to 9, duplicate descriptions will be omitted.

상술한 실시예와 같은 방식을 이용할 경우, 수 TV(Total Variation) 함수의 최적화 문제를 구성하여 신호를 복원함으로써, 점표적 및 면표적에 대하여 부엽이 발생하지 않은 깨끗한 이미지를 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 항공기의 요동 등 다양한 악조건에서도 강인한 성능을 제공할 수 있다.In the case of using the same method as in the above-described embodiment, the signal is restored by constructing a problem of optimizing the number of TVs (Total Variation) function, thereby obtaining a clean image in which side lobes are not generated for the point target and the area target. Accordingly, the embodiment of the present invention can provide robust performance even in various adverse conditions such as the shaking of an aircraft.

본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)(예: 메모리 (내장 메모리 또는 외장 메모리))에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시예들에 따른 전자 장치(예: 장치(100))를 포함할 수 있다. 상기 명령이 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.Various embodiments of the present document are software (eg, a machine-readable storage media) including instructions stored in a machine-readable storage media (eg, memory (internal memory or external memory)). : Program). The device is a device capable of calling a stored command from a storage medium and operating according to the called command, and may include an electronic device (eg, the device 100) according to the disclosed embodiments. When the command is executed by a processor, the processor may perform a function corresponding to the command directly or by using other components under the control of the processor. Instructions may include code generated or executed by a compiler or interpreter. A storage medium that can be read by a device may be provided in the form of a non-transitory storage medium. Here,'non-transient' means that the storage medium does not contain a signal and is tangible, but does not distinguish between semi-permanent or temporary storage of data in the storage medium.

일시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. According to an example, the method according to various embodiments disclosed in the present document may be provided by being included in a computer program product.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, various substitutions, modifications, and changes, etc., within the scope not departing from the essential characteristics of the present invention. It will be easy to see that this is possible. That is, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims to be described later, and all technical thoughts within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법에 있어서,
합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작;
상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작;
상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및
상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함하는,
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.In a method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing,
Obtaining a received signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar;
Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets;
Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And
Comprising the operation of calculating the reflection coefficient for the matrix information to generate a compressed sensing reconstructed image,
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제1항에 있어서,
상기 모델링 정보를 생성하는 동작은,
하기 수학식 1을 기초로 상기 수신 신호를 샘플링한 s(t, u)를 생성하는 동작; 및
[수학식 1]
Figure 112020090040717-pat00072

(N은 가로방향 샘플링, M은 세로방향 샘플링, NxM은 샘플링 개수,
Figure 112020090040717-pat00073
는 (i, j) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수, rect은 rect 함수,
Figure 112020090040717-pat00074
는 첩 길이(chirp length), t는 빠른 시간(fast time), u는 느린 시간(slow time),
Figure 112020090040717-pat00075
는 느린 시간 u에서 레이더 위치와 (i, j) 번째 점표적에 대한 상대 거리
Figure 112020090040717-pat00076
에 대한 왕복시간 (round trip), p(t)는 수신신호, c는 빛의 속도)
상기 반사 계수
Figure 112020090040717-pat00077
(
Figure 112020090040717-pat00078
)를 기준으로 상기 s(t, u)를 벡터화한 하기 수학식 2의 모델링 정보 y를 생성하는 동작을 포함하는,
[수학식 2]
Figure 112020090040717-pat00079

(
Figure 112020090040717-pat00080
는 수신 신호,
Figure 112020090040717-pat00081
는 반사계수에 대응되는 점표적의 수신신호에 대한 행렬 정보,
Figure 112020090040717-pat00082
는 샘플링 개수, x는 반사계수)
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 1,
The operation of generating the modeling information,
Generating s(t, u) by sampling the received signal based on Equation 1 below; And
[Equation 1]
Figure 112020090040717-pat00072

(N is horizontal sampling, M is vertical sampling, NxM is the number of samples,
Figure 112020090040717-pat00073
Is the reflection coefficient of the received signal for the (i, j)-th point target, rect is the rect function,
Figure 112020090040717-pat00074
Is the chirp length, t is the fast time, u is the slow time,
Figure 112020090040717-pat00075
Is the radar position at slow time u and the relative distance to the (i, j)th point target
Figure 112020090040717-pat00076
For round trip, p(t) is the received signal, c is the speed of light)
The reflection coefficient
Figure 112020090040717-pat00077
(
Figure 112020090040717-pat00078
Including an operation of generating modeling information y of Equation 2 below by vectorizing the s(t, u) based on ),
[Equation 2]
Figure 112020090040717-pat00079

(
Figure 112020090040717-pat00080
Is the received signal,
Figure 112020090040717-pat00081
Is matrix information on the received signal of the point target corresponding to the reflection coefficient,
Figure 112020090040717-pat00082
Is the number of samples, x is the reflection coefficient)
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제2항에 있어서,
상기 행렬 정보를 생성하는 동작은,
하기 수학식 3을 기초로 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 원소를 생성하는 동작; 및
[수학식 3]
Figure 112020090040717-pat00083

(
Figure 112020090040717-pat00084
는 (m, n) 번째 점표적에 대한 수신 신호의 반사계수)
하기 수학식 3을 기초로 상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 원소를 행렬로 표현한 하기 수학식 4의 행렬 정보를 생성하는 동작을 포함하는,
[수학식 4]
Figure 112020090040717-pat00085

(D는 행렬의 행원소가 -1, 1로 교번적으로 (G-N-M)개 만큼 반복되고, 행렬의 열원소가 -1, 1로 교번적으로 G개 만큼 반복되는 형태로 구성됨, x는 상기 수학식 2의 반사 계수)
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 2,
The operation of generating the matrix information,
Generating an element representing a change amount of a received signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information based on Equation 3 below; And
[Equation 3]
Figure 112020090040717-pat00083

(
Figure 112020090040717-pat00084
Is the reflection coefficient of the received signal for the (m, n)-th point target)
Including an operation of generating matrix information of Equation 4 below, in which an element representing a change amount of a received signal with respect to an adjacent point target constituting the modeling information is expressed as a matrix based on Equation 3 below,
[Equation 4]
Figure 112020090040717-pat00085

(D is composed of a form in which the row elements of the matrix are alternately repeated (GNM) by -1 and 1, and the column elements of the matrix are alternately repeated by G by -1 and 1, x is the above math Reflection coefficient in equation 2)
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제3항에 있어서,
상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은,
하기 수학식 5를 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함하는,
[수학식 5]
Figure 112020090040717-pat00086

(
Figure 112020090040717-pat00087
는 정규화 항에 대한 가중치)
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 3,
The operation of generating the compressed sensing reconstructed image includes:
Including an operation of calculating a reflection coefficient to optimize Equation 5 below,
[Equation 5]
Figure 112020090040717-pat00086

(
Figure 112020090040717-pat00087
Is the weight for the regularization term)
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제4항에 있어서,
상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은,
나이퀴스트 정리(Nyquist theorem)에 기초하여 상기 수신 신호를 압축 센싱 복원하는 경우,
상기 A 및 상기 y에 언더샘플링 행렬(undersampling matrix) S을 적용하여 언더샘플링하는 동작; 및
하기 수학식 6을 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함하는,
[수학식 6]
Figure 112020090040717-pat00088

압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 4,
The operation of generating the compressed sensing reconstructed image includes:
When compressing sensing and restoring the received signal based on the Nyquist theorem,
Undersampling by applying an undersampling matrix S to the A and y; And
Including the operation of calculating a reflection coefficient to optimize Equation 6,
[Equation 6]
Figure 112020090040717-pat00088

A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제5항에 있어서,
상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은,
상기 언더샘플링하는 동작에 따라 도출된 샘플링 개수 Q 가
Figure 112020090040717-pat00089
개인 경우, 하기 수학식 8를 최적화하는 반사 계수를 연산하는 동작을 포함하는,
[수학식 8]
Figure 112020090040717-pat00090

(
Figure 112020090040717-pat00091
는 A를 행 방향으로
Figure 112020090040717-pat00092
개 만큼 잘라 나눈 행렬,
Figure 112020090040717-pat00093
는 y를
Figure 112020090040717-pat00094
개 만큼 잘라 나눈 행렬)
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 5,
The operation of generating the compressed sensing reconstructed image includes:
The number of samplings Q derived according to the undersampling operation is
Figure 112020090040717-pat00089
In the case of individual, including the operation of calculating a reflection coefficient for optimizing Equation 8 below,
[Equation 8]
Figure 112020090040717-pat00090

(
Figure 112020090040717-pat00091
A to the row direction
Figure 112020090040717-pat00092
A matrix cut by dogs,
Figure 112020090040717-pat00093
Y
Figure 112020090040717-pat00094
Matrix cut by dogs)
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제6항에 있어서,
상기 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작은,
상기 수학식 8에 따른 i번째 반사계수의 손실은 하기 수학식 9이고, 상기 i번째 반사계수를 기초로 하기 수학식 10의 재귀 함수에 따라 상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하는 동작을 포함하는,
[수학식 9]
Figure 112020090040717-pat00095

[수학식 10]
Figure 112020090040717-pat00096

(
Figure 112020090040717-pat00097
는 k 번째 재귀 함수에서의 학습률(learning rate)로서
Figure 112020090040717-pat00098
을 만족하며,
Figure 112020090040717-pat00099
는 상수, k는 재귀 횟수)
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 6,
The operation of generating the compressed sensing reconstructed image includes:
The loss of the i-th reflection coefficient according to Equation 8 is the following Equation 9, and includes an operation of calculating the reflection coefficient for the matrix information according to the recursive function of Equation 10 below based on the i-th reflection coefficient. doing,
[Equation 9]
Figure 112020090040717-pat00095

[Equation 10]
Figure 112020090040717-pat00096

(
Figure 112020090040717-pat00097
Is the learning rate in the kth recursive function
Figure 112020090040717-pat00098
Satisfying
Figure 112020090040717-pat00099
Is a constant, k is the number of recursions)
A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 제7항에 있어서,
상기
Figure 112020090040717-pat00100
는,
하기 수학식 12인,
[수학식 12]
Figure 112020090040717-pat00101

압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 방법.The method of claim 7,
remind
Figure 112020090040717-pat00100
Is,
12 of the following equations,
[Equation 12]
Figure 112020090040717-pat00101

A method for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서,
상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작;
상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작;
상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및
상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.As a computer-readable recording medium storing a computer program,
The computer program, when executed by a processor,
Obtaining a received signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar;
Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets;
Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And
A computer-readable recording medium comprising instructions for causing the processor to perform a method including an operation of generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서,
상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 동작;
상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 동작;
상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 동작; 및
상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 동작을 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램.As a computer program stored in a computer-readable recording medium,
The computer program, when executed by a processor,
Obtaining a received signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar;
Generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets;
Generating matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to adjacent point targets of each point target constituting the modeling information; And
A computer program comprising instructions for causing the processor to perform a method including an operation of generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information. 합성 개구면 레이다의 송신 신호의 표적 영역에 대한 수신 신호를 획득하는 신호 획득부;
상기 표적 영역을 복수의 점표적으로 샘플링한 각 점표적에 대한 반사 계수를 기초로 상기 수신 신호를 벡터화한 모델링 정보를 생성하는 모델링부;
상기 모델링 정보를 구성하는 각 점표적의 인접 점표적에 대한 수신 신호의 변화량을 나타내는 TV(total variation) 기반의 원소로 구성된 행렬 정보를 생성하는 TV 적용부; 및
상기 행렬 정보에 대한 상기 반사 계수를 연산하여 압축 센싱 복원 영상을 생성하는 연산부를 포함하는,
압축 센싱 기반 합성 개구면 레이다의 영상 생성 장치.A signal acquisition unit for acquiring a reception signal for a target area of the transmission signal of the composite aperture radar;
A modeling unit for generating modeling information obtained by vectorizing the received signal based on reflection coefficients for each point target sampled from the target area as a plurality of point targets;
A TV application unit that generates matrix information composed of elements based on a TV (total variation) indicating a variation of a received signal with respect to an adjacent point target of each point target constituting the modeling information; And
Comprising a calculation unit for generating a compressed sensing reconstructed image by calculating the reflection coefficient for the matrix information,
A device for generating an image of a synthetic aperture radar based on compression sensing.
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