KR102258202B1 - 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치 - Google Patents

항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치 Download PDF

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Abstract

항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치는 가상해수면 생성부, 전파응답특성함수 설정부, 크기성분함수 설정부, 및 가상 원시데이터 생성부를 포함한다. 상기 가상해수면 생성부는 수직한계, 가로한계, 및 세로한계를 인가받아 임의의 굴곡진 금속면 영상을 생성하여 가상해수면으로 설정하고, 상기 가상해수면을 다수의 화소들로 구분하여 각 화소별 미소표면으로 샘플링한다. 상기 전파응답특성함수 설정부는 상기 가상해수면 생성부에 의해 생성된 상기 각 화소별 미소표면에 대하여 유전율, 표면 거칠기, 상기 송신파의 입사각이 반영된 후방산란특성을 전파응답특성함수로 설정한다. 상기 크기성분함수 설정부는 상기 전파응답특성함수를 이용하여 크기성분함수를 생성한다. 상기 가상 원시데이터 생성부는 상기 크기성분함수 설정부에 의해 설정된 상기 각 화소별 크기성분함수를 상기 각 화소별 거리에 대응되는 수신신호에 곱하여 상기 가상 원시데이터를 생성한다.

Description

항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치{APPARATUS FOR GENERATING PSEUDO-SEA SURFACE MODEL FOR IMAGE DECODING APPARATUS BASED ON AIRBORN}
본 발명은 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 영상복원장치에 적합한 가상 해수면모델을 생성하여 항공기기반 SAR 영상복원장치가 해수면을 탐사하는 정확도를 향상시키는 장치에 관한 것이다.
지구환경조사는 방대한 지역의 지질, 해양, 생태 등을 조사하는 분야로서, 현장조사, 실내실험, 원격탐사 등을 포함한다.
현장조사는 지표탐사, 보링, 물리탐사 등 직접현장을 방문하여 육안 또는 각종 조사장비를 이용한 조사를 포함한다. 현장조사는 그 정확도가 높기 때문에 현재까지도 정밀측정이 필요한 경우에 널리 사용된다. 실내실험은 현장에서 직접 측정하기 어려운 화학적, 물리적 특성 등을 실험실 내의 정밀계측장비를 이용하여 측정한다. 현장조사와 실내실험은 그 정확도가 높은 장점이 있으나, 시간적·공간적 제약으로 인하여 넓은 지역, 원격지, 격오지, 해양 등에 적용하기 쉽지 않다.
최근에는 원격탐사기술의 발달로 인하여 항공기를 이용한 원격탐사가 널리 이용되고 있다. 특히, 조수, 파도, 해양오염과 같은 해수면 환경을 모니터링에 있어서 원격탐사가 매우 유용하다.
일반적인 원격탐사장비는 인공위성이나 항공기에 탑재된 레이더를 이용한다. 인공위성의 경우 넓은 지역을 원거리에서 측정하는 것이 가능하지만, 많은 비용이 소요되고 측정지점과의 거리가 멀기 때문에 정밀한 데이터를 얻는 것이 어렵다.
항공기의 경우 인공위성과 비교할 때 비교적 저렴한 가격에 근거리 측정이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 항공기를 운행하는 동안 대기상태, 기상, 엔진, 등의 원인에 의해 지속적인 요동과 진동이 발생한다. 항공기의 요동과 진동은 데이터의 품질을 저하시키지만 공중을 운행하는 항공기의 특성상 이를 완전히 제거하는 것이 불가능하다.
특히 해수의 경우 전파에 대한 응답특성이 낮아서 함성개구레이더(SAR)를 이용한 탐사에서 검은 색으로 표시되는 문제점이 발생한다. 해수면 검사가 가능한 함성개구레이더 시스템을 개발하더라도 개발된 시스템을 검증하는데 어려움이 있다.
종래에는 합성개구레이더 시스템을 개발한 후에 실제 항공기에 탑재하여 탐사를 진행하여 개발된 합성개구레이더 시스템의 해수면 정확도를 검사할 수 밖에 없다. 종래의 검사방법은 함성개구레이더 시스템을 실제로 구현하여 항공기 운항을 통해 실제 해수면의 데이터를 수집해야 하기 때문에, 검사에 많은 시간과 비용이 소요된다.
대한민국등록특허 제10-1678450 (2016. 11. 23.) 대한민국공개특허 제10-2016-0002685 (2016. 1. 8.) 대한민국공개특허 제10-2015-0133201 (2015. 11. 27.)
본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 영상복원장치에 적합한 가상 해수면모델을 생성하여 항공기기반 SAR 영상복원장치가 해수면을 탐사하는 정확도를 향상시키는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치에 있어서, 상기 항공기기반 영상복원장치는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배하는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 해수면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 해수면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 믹서와, 상기 믹서와 연결되며 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 해수면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 거리를 나타내는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부와, 상기 원시데이터 또는 가상 원시데이터를 인가받아 역투영하여 각 화소별 함수값을 생성하는 역투영부와, 상기 역투영부에 연결되어 상기 역투영부에 의해 계산된 상기 각 화소별 함수값을 화소별로 표시하여 영상을 복원하는 영상복원부를 포함한다. 상기 가상 해수면모델 생성장치는 가상해수면 생성부, 전파응답특성함수 설정부, 크기성분함수 설정부, 및 가상 원시데이터 생성부를 포함한다. 상기 가상해수면 생성부는 수직한계(Hrms), 가로한계(clx), 및 세로한계(cly)를 인가받아 임의의 굴곡진 금속면 영상을 생성하여 가상해수면으로 설정하고, 상기 가상해수면을 다수의 화소들(M×N)로 구분하여 각 화소별(i,j) 미소표면으로 샘플링한다. 상기 전파응답특성함수 설정부는 상기 가상해수면 생성부에 의해 생성된 상기 각 화소별(i,j) 미소표면에 대하여 유전율, 표면 거칠기, 상기 송신파의 입사각이 반영된 후방산란특성을 전파응답특성함수(σPO ij(u))로 설정한다(1<i≤M; 1<j≤N). 상기 크기성분함수 설정부는 상기 전파응답특성함수(σPO ij(u))를 하기의 [식 1]에 인가하여 크기성분함수(AOP ij(u))를 생성한다([식 1]에서, C는 보정상수, σPO ij(u)는 상기 안테나부재의 위치(u)에 따른 i,j번째 화소의 전파응답특성함수, Rij(u)는 상기 안테나부재와 상기 i,j번째 화소 사이의 거리, φij(u)는 상기 안테나부재를 기준으로 상기 i,j번째 화소를 나타내는 수평성분 각도, HPBWφ는 반전력빔폭의 수평성분, θij(u)는 상기 안테나부재를 기준으로 상기 i,j번째 화소를 나타내는 수직성분 각도, HPBWθ는 상기 반전력빔폭의 수직성분을 각각 나타낸다). 상기 가상 원시데이터 생성부는 상기 크기성분함수 설정부에 의해 설정된 상기 각 화소별(i,j) 크기성분함수(APO ij(u))를 상기 각 화소별(i,j) 거리에 대응되는 수신신호에 곱하여 상기 가상 원시데이터를 생성한다.
[식 1]
Figure 112020021413737-pat00001
일 실시예에서, [식 1]에서 크기성분함수((Aij(u))는 상기 안테나부재의 위치(u)와 i,j번째 화소의 상대위치에 따른 상기 송신파의 입사각 변화에 의존할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항공기기반 영상복원장치는 상기 가상 해수면모델 생성장치와 탈착가능하도록 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가상 해수면모델 생성장치는 상기 영상복원부 및 상기 가상해수면 생성부에 연결되어 상기 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상과 상기 가상해수면 생성부에 의해 생성된 상기 가상해수면 영상을 비교하는 검사부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가상해수면 생성부는 입력신호 대역폭의 2배이고, 가로한계(clx) 및 세로한계(cly)의 1배 내지 1/10배가 되도록 화소들(M×N)을 구분하여 미소표면으로 샘플링할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 실제 항공기를 운행할 필요 없이 개발된 항공기기반 영상복원장치의 해수면 탐사에 대한 적합성을 검사할 수 있다. 따라서 실제 항공기기반 영상복원장치를 항공기에 탑재할 필요가 없어서 검사시간 및 비용이 감소한다.
또한 다양한 해수면상태를 가정하여 검사하는 것이 가능하여, 항공기기반 영상복원장치를 실제 항공기에 탑재하여 검사하면서 발생하는 검사범위 제약을 극복할 수 있다.
또한 다양한 해상도의 가상해수면 원시데이터를 생성하는 것이 가능하여, 개발된 항공기기반 영상복원장치의 성능에 맞는 검사가 가능하다.
더욱이 응답특성이 낮은 해수면에 대해서도 원활한 사전검사가 가능하다.
또한 안테나부재의 회전(rotation), 틀어짐(squint) 등 다양한 오류를 사전에 설정하는 것이 가능하여, 오류보정을 통해 항공기기반 영상복원장치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 가상해수면 원시데이터를 생성하기 위한 크기성분함수가 단순히 안테나부재의 위치와 각 화소의 상대위치에 따른 전파의 입사각 변화에만 의존하는 것이 아니라, 각 화소별 상대적 전파 입사각, 유전율, 각 화소별 미소금속면의 크기에 따라 변화하기 때문에 해수면모델의 정확도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치 및 가상 해수면모델 생성장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용하여 굴곡진 표면의 신호생성을 위한 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용하여 본 발명의 비교실시예에 따른 삼각수동전파반사기 전파응답특성을 적용한 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성에 따른 레이더 단면적 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성에 따른 SAR 복원영상을 나타내는 이미지니다.
도 6은 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성의 거리방향(range)에 따른 임펄스 응답 함수(Impulse Response Function; IRF)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성의 방위방향(azimuth)에 따른 임펄스 응답 함수(Impulse Response Function; IRF)를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이다.
도 9는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치가 p-번째 안테나위치에 있을 때, y-번째 배경 점 표적을 나타내는 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다.
도 10은 도 8의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 11은 도 10의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 12 내지 도 15는 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면들을 나타내는 이미지들이다.
도 16은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이다.
도 17은 도 16의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 18은 도 17의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 19은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이다.
도 20은 도 19의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 21은 도 20의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 22은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이다.
도 23은 도 22의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 24은 도 23의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
하기의 실시예들에서 '극좌표계'라 함은 원통좌표계, 극좌표계를 모두 포함하는 것으로 위치를 나타내면서 하나 이상의 각도성분이 포함되는 좌표계를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치 및 가상 해수면모델 생성장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 항공기기반 영상복원장치(200)는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터생성부(210), 역투영부(220), 및 영상복원부(230)를 포함한다.
파형발생기(150)는 송신파(2)와 동일한 파형의 신호를 발생시킨다. 파형발생기(150)는 삼각파, 톱니파, 등의 다양한 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 톱니파는 시간에 따라 주파수가 일정하게 증가하다가 소정의 주기마다 주파수가 초기화되었다가 다시 일정하게 증가하는 파형을 의미한다. 톱니파는 거리에 따른 도플러 주파수를 직접 측정할 수 있어서, 거리에 따른 속도정보를 제공할 수 있다.
분배기(160)는 파형발생기(150), 안테나부재(110, 120)의 송신안테나(110), 및 믹서(Mixer, 205)에 연결된다. 분배기(160)는 파형발생기(150)로부터 발생된 신호를 인가받아 송신안테나(110) 및 믹서(205)에 분배한다.
안테나부재(110, 120)는 분배기(160)로부터 인가받은 신호를 송신파(2)를 송신하고, 해수면으로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다. 본 실시예에서, 안테나부재(110, 120)는 송신파(2)를 송신하는 송신안테나(110) 및 수신파(4)를 수신하는 수신안테나(120)를 포함한다.
믹서(205)는 분배기(160)를 통해서 전달받은 신호와 수신안테나(120)로부터 인가받은 수신파(4)를 혼합하여 원시데이터생성부(210)로 전달한다.
도 2는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용하여 굴곡진 표면의 신호생성을 위한 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호로부터 수신안테나(120)와 해수면의 각 화소별 거리를 측정하여 각 화소별 거리를 나타내는 원시데이터를 생성한다. 원시데이터는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터일 수 있다.
원시데이터는 실제 영상의 데이터와 차이를 가질 수 밖에 없다. 원시데이터와 실제 영상의 데이터에 차이가 생기는 원인은 항공기가 운행중에 기상상태, 비행경로, 엔진진동, 등에 따라 요동이 생겨서, 항공기에 설치된 안테나부재(110, 120)를 통해 송신된 송신파(2) 및 수신된 수신파(4)에 오차가 발생하기 때문이다.
FMCW-SAR 형태의 원시데이터를 생성하기 위하여, 먼저 하기의 [식 1] 내지 [식 4]를 이용한 계산을 수행한다. [식 1] 내지 [식 4]에서, i, j는 2차원 영상으로 얻어지는 복원영상의 각 화소의 위치를 직각좌표계로 나타내고, t는 샘플링시간, f0는 중심주파수, Kr은 변조율, u는 안테나부재(110, 120)의 위치, τ는 목표물 지연시간, IF는 중간주파수(Intermediate Frequency), c는 광속을 각각 나타낸다.
본 실시예에서, 복원영상은 직각좌표계 상의 2차원 영상이므로 2개의 변수(i, j)로 나타내고, 안테나위치는 항공기의 이동에 따른 3차원 형태이므로 3개의 변수(ux, uy, uz)로 나타낸다.
[식 1] 내지 [식 4]를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 분배된 기준 송신 신호 및 수신파(4)를 인가받아 직접 주파수 하향변환(frequency down conversion)하여, 두 신호의 차에 해당하는 비트 주파수(beat frequency) 성분을 수신하고 샘플링하여 원시데이터를 생성한다.
[식 1]
Figure 112020021413737-pat00002
[식 1]에서, St(t)는 송신신호로 비트주파수 생성과 레이더 신호처리 과정 중 정합필터(matched filter)로 활용될 기준 신호가 된다.
[식 2]
Figure 112020021413737-pat00003
[식 2]에서, Sr(t)는 [식 1]에서 목표물 지연시간(τ)을 적용한 수신신호를 나타낸다.
[식 3]
Figure 112020021413737-pat00004
[식 3]에서, SIF,r(t,u)는 중간주파수(IF)로 하향변환된 수신신호이며 SAR 수신신호로서 원시데이터를 나타낸다. 중간주파수(IF)는 송·수신신호를 주파수하향변환시켜 얻어진다.
[식 3]에서, Aij는 i, j번째 화소의 크기성분을 나타낸다.
[식 4]
Figure 112020021413737-pat00005
[식 4]에서, τ(u)는 복원영상 내의 2차원 평면상의 직각좌표계에서 i, j 번째 화소의 지연시간특성을 나타낸다.
[식 5]
Figure 112020021413737-pat00006
[식 3] 및 [식 5]를 참조하면, 본 발명의 실시예에서, Aij는 목표물인 해수면의 전파응답특성을 반영한 크기성분함수(Aij(u) 또는 APO ij(u))로 대체된다. 일반적으로, 해수면은 SAR 레이더 전파에 대한 응답특성이 낮아서, 복원영상에서 검은색으로 표시된다. 본 발명의 실시예에 따른 크기성분함수(Aij(u) 또는 APO ij(u))는 실제 해수면의 거동을 모사하여, 실제 해수면과 응답특성이 유사한 가상해수면 생성에 사용될 수 있다. 크기성분함수(Aij(u))는 [도 4] 내지 [도 24] 및 [식 6] 내지 [식 15]를 참조하여 후술한다.
원시데이터는 수신안테나(120)의 수신신호(SIF,r(t,u))에 대응되며, 항공기의 요동, 항적, 레이더 빔의 종류 등에 따라 뭉개진 형상으로 나타난다.
역투영부(220)는 원시데이터생성부(210) 또는 가상 원시데이터 생성부(340)에 연결되어, 원시데이터 또는 가상 원시데이터를 인가받아 각 화소별 함수값을 연산한다. 역투영부(220)가 원시데이터생성부(210)로부터 원시데이터를 인가받는 경우, [식 6]의 연산을 수행하여 각 화소별로 연산한 값을 합산한다.
[식 6]
Figure 112020021413737-pat00007
[식 6]에서, (x,y)는 복원영상의 좌표, M은 원시데이터를 거리방향으로 분할한 갯수, N은 복원될 영상을 거리방향으로 분할한 갯수, p는 항공기의 이동에 따라 수신안테나의 위치에 해당하는 번호, uMp는 p번째 수신안테나의 위치, Wp는 윈도우함수, SIF,r(ω, uMp)은 수신안테나의 수신신호, S* M(tdN(uMp))는 정합필터, tdN(uMp)는 N번째 분할 복원영상 영역 내에서 목표물과의 지연시간, t는 샘플링시간, n은 복원될 영상을 방위방향으로 분할한 갯수를 각각 나타낸다.
역투영부(220)는 원시데이터생성부(210) 또는 가상 원시데이터 생성부(340)에 연결되어, 원시데이터 또는 가상 원시데이터를 인가받아 각 화소별 함수값(f(x,y), fBG(x,y))을 연산한다. 역투영부(220)가 가상 해수면모델 생성장치(300)의 가상 원시데이터 생성부(340)로부터 가상 원시데이터를 인가받는 경우, 후술될 [식 18]의 연산을 수행하여 각 화소별로 연산한 값을 합산한다.
영상복원부(230)는 역투영부(220)에 연결되어, 역투영부(220)에 의해 계산된 각 화소별 함수값(f(x,y), fBG(x,y))을 화소별로 표시하여 영상을 복원한다.
가상 해수면모델 생성장치(300)는 항공기기반 영상복원장치(200)에 탈착가능하도록 연결되어, 가상해수면 데이터 및 가상 원시데이터를 항공기기반 영상복원장치(200)로 인가한다.
도 1을 다시 참조하면, 가상 해수면모델 생성장치(300)는 가상해수면 생성부(310), 전파응답특성함수 설정부(320), 크기성분함수 설정부(330), 가상 원시데이터 생성부(340), 및 검사부(350)를 포함한다.
가상해수면 생성부(310)는 가상 해수면의 바람과 파고와 관련된 함수들인 수직한계(Hrms), 가로한계(clx), 및 세로한계(cly)를 인가받아 임의의 굴곡진 금속면 영상을 생성한다.
전파응답특성함수 설정부(320)는 수직한계(Hrms), 가로한계(clx), 및 세로한계(cly)에 대응되는 전파응답특성함수 σij(u)를 설정한다.
크기성분함수 설정부(330)는 전파응답특성함수 σij(u)를 하기의 [식 7]에 대입하여 크기성분함수 Aij(u)를 설정한다.
가상 원시데이터 생성부(340)는 크기성분함수 설정부(330)에 의해 설정된 크기성분함수 Aij(u)를 [식 6]에 대입하여 가상 원시데이터를 생성한다. 가상 원시데이터 생성부(340)에 의해 생성된 가상 원시데이터는 항공기기반 영상복원부(200)의 역투영부(220)에 인가된다.
[식 7]
Figure 112020021413737-pat00008
[식 7]에서, C는 보정상수, σij(u)는 안테나부재(110, 120)의 위치(u)에 따른 i,j번째 화소의 전파응답특성함수, Rij(u)는 안테나부재(110, 120)와 i,j번째 화소 사이의 거리, φij(u)는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 i,j번째 화소를 나타내는 수평성분 각도(도 3의 φ), HPBWφ는 반전력빔폭의 수평성분, θij(u)는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 i,j번째 화소를 나타내는 수직성분 각도(도 3의 θ), HPBWθ는 반전력빔폭의 수직성분을 각각 나타낸다.
[식 7]에서 크기성분함수(Aij(u))는 안테나부재(110, 120)의 위치(u)와 i,j번째 화소의 상대위치에 따른 전파(2, 4)의 입사각 변화에 의존하는 특성을 가지고 있다.
비교실시예 - 삼각수동전파반사기
본 발명의 실시예에 따라 크기성분함수(Aij(u))를 구하기에 앞서서, 비교실시예로서 삼각수동전파반사기를 이용하여 전파응답특성함수 및 크기성분함수를 구한다.
도 3은 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용하여 본 발명의 비교실시예에 따른 삼각수동전파반사기 전파응답특성을 적용한 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 목표물을 삼각수동전파반사기(trihedral corner reflector)로 가정한 상태에서 크기성분함수(Aij(u))를 정의한다. 상각수동반사기는 특정 각도에서만 SAR 신호를 반사하기 때문에 단순화된 응답특성을 갖는 점 표적 신호모델을 얻을 수 있다.
도 3에서, up는 안테나부재(110, 120)의 위치, (xij, yij, zij)는 i,j번째 삼각수동전파반사기의 위치, H0는 안테나부재(110, 120)의 수직방향 높이, Rij(u)는 안테나부재(110, 120)와 삼각수동전파반사기 사이의 거리, Rg,ij(u)는 안테나부재(110, 120)와 삼각수동전파반사기 사이의 거리를 해수면 상으로 투영한 거리, R0는 항공기가 이동하는 위치를 연결한 직선과 삼각수동전파반사기 사이의 최단거리, φ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수평성분 각도, θ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수직성분 각도를 각 나타낸다.
[식 8] 내지 [식 11]을 참조하여, 삼각수동전파반사기를 이용하는 점 표적 신호모델에 적용되는 전파응답특성함수(σij(u))를 구한다.
[식 8]
Figure 112020021413737-pat00009
[식 9]
Figure 112020021413737-pat00010
[식 10]
Figure 112020021413737-pat00011
[식 11]
Figure 112020021413737-pat00012
[식 8] 내지 [식 11]에서, u는 안테나부재(도 1의 110, 120)의 위치, σij(u)는 전파응답특성함수, θ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수직성분 각도, φ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수평성분 각도, H0는 안테나부재(110, 120)의 수직방향 높이, l은 삼각수동전파반사기의 한 변의 길이, zij는 i,j번째 화소의 높이, Rij(u)는 안테나부재(110, 120)와 삼각수동전파반사기 사이의 거리, u는 안테나부재(110, 120)의 위치, yij는 i,j번째 화소의 세로방향 위치, Rg,ij(u)는 안테나부재(110, 120)와 삼각수동전파반사기 사이의 거리를 해수면 상으로 투영한 거리를 각각 나타낸다.
비교실시예에서, 삼각수동전파반사기의 전파응답특성을 반영한 점 표적 신호생성과 SAR 영상복원 특성을 분석하였다. 삼각수동전파반사기는 일반적으로 SAR 시스템 성능분석과 검보정 등을 위한 목적으로 활용된다.
비교실시예에서 사용된 항공기기반 영상복원장치(200)의 주파수대역은 X-band로서 BW는 500MHz, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s로서 tsweep=1ms, 거리방향 샘플링 숫자는 1,252개로 fs는 약 1.2 MHz, 방위방향 샘플링 숫자는 2,001개, 합성개구면길이(L)은 10 내지 300m, 비행고도는 200m, 안테나빔폭(반전력빔폭)은 φ=10°, θ=50°, 안테나 입사각(θinc)는 45°이었다.
비행고도(H0)가 200m, 합성개구면길이(L)가 10m인 합성개구면 중심에 각 변의 길이(LTCR)가 0.3m인 삼각수동전파반사기를 배치시켜서, 상대입사각 변화에 따른 전파응답특성(σ)이 반영된 SAR 레이더용 가상 원시데이터를 생성하였다.
도 4는 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성에 따른 레이더 단면적 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4에서, 삼각수동전파반사기의 한 변의 길이(LTCR)은 1m, 가로축θ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수직성분 각도(degree), 세로축φ는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 삼각수동전파반사기를 나타내는 수평성분 각도(degree), 높이σ는 전파응답특성을 데시벨(dB)로 각각 나타낸다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 삼각수동전파반사기의 위치를 기준으로, 수직성분 각도(θ)가 0°일 때 전파응답특성(σ)이 가장 높은 값을 가지며, 각도가 변화할 수록 전파응답특성(σ)이 낮아진다.
삼각수동전파반사기의 위치를 기준으로, 수평성분각도(φ)가 45°일 때 전파응답특성(σ)이 가장 높은 값을 가지며, 각도가 낮아질 수록 전파응답특성(σ)이 낮아진다.
삼각수동전파반사기는 특정 각도에 대해서만 SAR 신호를 반사하는 점 표적 신호모델을 나타내기 때문에, 수직성분각도와 수평성분각도(θ,φ)가 특정 각도(0°,45°)일 경우에 가장 높은 전파응답특성(σ)을 나타냈다.
삼각수동전파반사기의 이론적 레이더 단면적은 20.36dB이며, 상대입사각 변화(φ≤±1°,θ≒45°)에 의한 전파응답특성(σ)을 반영했다.
도 5는 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성에 따른 SAR 복원영상을 나타내는 이미지이다. 도 5에서, 가로축은 가상의 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상의 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다. 도 5에서, 우측의 막대형상은 전파응답특성(dB)을 색으로 표시한 것이다.
.도 1, 도 3 내지 도 7을 참조하면, 삼각수동전파반사기에 대응되는 가상 원시데이터를 거리방향 및 방위방향에 따른 전파응답특성으로 도시하면, 삼각수동전파반사기가 배치되는 위치에 집중되는 전파응답특성이 관측되었다.
도 6은 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성의 거리방향(range)에 따른 임펄스 응답 함수(Impulse Response Function; IRF)를 나타내는 그래프이고, 도 7은 도 3에 도시된 삼각수동전파반사기 전파응답특성의 방위방향(azimuth)에 따른 임펄스 응답 함수(Impulse Response Function; IRF)를 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 3 내지 도 7을 참조하면, 삼각수동전파반사기 전파응답특성을 도시하였을 때, 거리방향의 경우(△r) 0.425m, 방위방향의 경우(△φ) 0.430m을 각각 나타내었다. 이론상, 삼각수동전파반사기의 전파응답특성은 거리방향(△r) 0.42m, 방위방향의 경우(△φ) 0.42m이므로, 삼각수동전파반사기 전파응답특성을 [식 7] 내지 [식 11]에 의해 구한 값은 이론상 삼각수동전파반사기의 전파응답특성과 매우 유사하였다.
삼각수동전파반사기는 특정 각도에서만 반사파(4)가 집중되는 특성을 가져서 항공기기반 영상복원장치의 전반적인 검사에 적합한 특성이 있으나, 해수면과 같이 다양한 곡면이 포함된 모델에는 적합하지 않은 문제점이 있다.
실시예 - 가상해수면의 전파응답특성
도 8은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이다. 예를 들어, 도 8은 유효높이가 3m, 가로축(x) 상관길이가 10m, 세로축(y) 상관길이가 30m, 샘플링갯수가 101×101인 굴곡진 금속면 이미지를 나타낸다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 가상해수면 생성부(310)는 임의의 굴곡진 금속면 이미지를 생성하여 가상해수면으로 정의한다.
본 발명의 실시예에서, 가상해수면 생성부(310)는 기입력된 유효높이(수직한계, Hrms), 가로축(x) 상관길이(가로한계, clx), 세로축(y) 상관길이(세로한계, cly), 및 샘플링갯수(M×N)를 이용하여 임의의 굴곡진 금속면 이미지를 생성하여 가상해수면이미지로 설정한다. 가상해수면 생성부(310)가 가상해수면을 생성하는 방식은 [식 12] 및 [식 13]를 참조하여 설명한다.
[식 12]은 임의의 굴곡진 가상해수면 생성을 위해, 가우스 상관함수(Gaussian Correlation Function) 기반의 임의의 3차원 표면생성기법을 사용한다.
[식 12]
Figure 112020021413737-pat00013
[식 12]에서, L은 각 화소별 미소 금속면의 크기, N은 가상해수면의 샘플개수, (X,Y)는 가상해수면의 좌표정보, hsurf는 가상해수면의 표면거칠기의 유효높이(RMS height), clx는 가로축(x) 상관길이(correlation length, 가로한계), cly는 세로축(y) 상관길이(correlation length, 세로한계),
Figure 112020021413737-pat00014
,
Figure 112020021413737-pat00015
는 푸리에 변환된(Fourier Transformation) 함수를 각각 나타낸다.
도 9는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치가 p-번째 안테나위치에 있을 때, y-번째 배경 점 표적을 나타내는 SAR 기하구조를 나타내는 개념도이다. 도 9에서 up는 안테나부재(도 1의 110, 120)의 위치, H0는 안테나부재(도 1의 110, 120)의 높이, (xij,yij,zij)는 (i,j)번째 화소에 대응되는 점 표적의 좌표, L은 점 표적의 한변의 길이,
Figure 112020021413737-pat00016
는 (i,j)번째 화소에 대응되는 점 표적으로부터 안테나부재(도 1의 110, 120) 방향의 거리방향벡터,
Figure 112020021413737-pat00017
는 (i,j)번째 화소에 대응되는 점 표적에 수직하는 수직방향벡터, Rg,ij(u)는 안테나부재(도 1의 110, 120)와 (i,j)번째 화소 사이의 해수면 상 거리, θlja는 두 벡터
Figure 112020021413737-pat00018
와
Figure 112020021413737-pat00019
사이의 각도를 각각 나타낸다.
도 9를 참조하면, 가상해수면 생성부(310)는 임의의 굴곡진 가상해수면 이미지를 각각의 i,j번째 화소의 미소 금속면 이미지로 분할한다.
[식 12], [식 13], 및 도 9를 참조하여, 생성된 배경 표적의 3차원 좌표정보를 이용하여 (i,j)번째 미소 표면의 상대입사각(θlia)은 수직방향벡터(
Figure 112020021413737-pat00020
)와 거리방향벡터(
Figure 112020021413737-pat00021
)로부터 [식 13]과 같이 계산된다.
[식 13]
Figure 112020021413737-pat00022
가상해수면 생성부(310)는 각각의 분할된 i,j번째 화소의 미소 표면에 입사되는 전파의 상대 입사각 변화를 전파응답특성에 반영하여 전파특성함수 σij(u)를 설정한다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 가상해수면 생성부(310)는 임의의 굴곡진 가상해수면을 생성하고, 생성된 가상해수면의 (i,j)위치 상에서 소정의 크기(L)로 샘플링한 표면의 전파응답특성을 점 표적으로 설정한다. 두 벡터
Figure 112020021413737-pat00023
와
Figure 112020021413737-pat00024
사이의 각도(θlja)는 샘플링된 미소 표면의 좌표정보(xij,yij,zij)를 이용해 안테나부재(도 1의 110, 120)가 소정의 위치(up)에 있을 때, 안테나부재(도 1의 110, 120)로부터 샘플링된 미소 표면(xij,yij,zij)으로 입사되는 전파(도 1의 2)의 상대 입사각(θija)을 나타낸다.
전파응답특성함수 설정부(320)는 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 임의의 굴곡진 가상해수면과 각 화소별(i,j) 샘플링된 미소 표면에 대응되는 후방산란특성을 전파응답특성으로 설정한다.
구체적으로, 전파응답특성함수 설정부(320)는 각 화소별(i,j) 샘플링된 미소 표면의 유전율, 주파수 응답특성 등과 같은 전기적 특성과 표면 거칠기, 전파 입사각 등의 물리적 특성을 반영한 후방산란특성(σij(u))을 전파응답특성함수로 설정한다.
본 실시예에서, 가상해수면은 임의의 굴곡진 가상금속면에 해당하므로, 전파응답특성함수(σPO)는 [식 14]과 같이 나타난다.
[식 14]
Figure 112020021413737-pat00025
[식 14]에서, σPO는 전파응답특성함수, θlia는 각 화소별(i,j) 상대적 전파 입사각, k는 전파상수, L은 각 화소별 미소금속면의 크기(도 9)를 각각 나타낸다.
크기성분함수 설정부(330)는 전파응답특성함수 설정부(320)에 의해 미소금속면에 대응되도록 설정된 각 화소별 전파응답특성함수(σPO ij)를 [식 7]에 적용하여 각 화소별(i,j) 크기성분함수(Aij(u))를 설정한다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 [식 7]의 전파응답특성(σij)이 [식 14]의 전파응답특성함수(σPO ij)로 변환되어, 크기성분함수(APO ij(u))는 하기의 [식 15]와 같이 나타낸다.
[식 15]
Figure 112020021413737-pat00026
[식 15]에서, C는 보정상수, σPO ij(u)는 안테나부재(110, 120)의 위치(u)에 따른 i,j번째 화소의 전파응답특성함수, Rij(u)는 안테나부재(110, 120)와 i,j번째 화소 사이의 거리, φij(u)는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 i,j번째 화소를 나타내는 수평성분 각도(도 3의 φ), HPBWφ는 반전력빔폭의 수평성분, θij(u)는 안테나부재(110, 120)를 기준으로 i,j번째 화소를 나타내는 수직성분 각도(도 3의 θ), HPBWθ는 반전력빔폭의 수직성분을 각각 나타낸다.
[식 15]에서 크기성분함수(APO_ij(u))는 안테나부재(110, 120)의 위치(u)와 i,j번째 화소의 상대위치에 따른 전파(2, 4)의 입사각 변화(φ,θ)에 의존할 뿐만 아니라, 각 화소별(i,j) 상대적 전파 입사각(θlia), 전파상수(k), 각 화소별 미소금속면의 크기(L, 도 9)에 따라 변화한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 크기성분함수(APO_ij(u))가 단순히 안테나부재(110, 120)의 위치(u)와 i,j번째 화소의 상대위치에 따른 전파(2, 4)의 입사각 변화(φ,θ)에만 의존하는 것이 아니라, 각 화소별(i,j) 상대적 전파 입사각(θlia), 전파상수(k), 각 화소별 미소금속면의 크기(L, 도 9)에 따라 변화하기 때문에 해수면모델의 정확도가 향상된다.
가상 원시데이터 생성부(340)는 크기성분함수 설정부(330)에 의해 설정된 크기성분함수(APO ij(u))를 [식 16]에 적용하여 각 화소별로 조합하여 각 화소별(i,j) 가상 원시데이터를 생성한다.
[식 16]
Figure 112020021413737-pat00027
[식 16]에서, SPO ij(t,u)는 각 화소별(i,j) 가상 원시데이터를 시간(t)과 안테나부재(도 1의 110, 120)의 위치(u)에 따른 함수로 나타낸 것이며, APO ij(u)는 크기성분함수 설정부(330)에 의해 설정된 크기성분함수, τij는 각 화소별(i,j) 지연시간특성,Kr은 변조율, t는 샘플링시간, f0는 중심주파수를 각각 나타낸다.
가상 원시데이터 생성부(340)는 [식 16]에 의해 구해진 각 화소별 가상 원시데이터(SPO ij(t,u))를 각각의 분할된 화소들에 대하여 조합하여 가상해수면 전체에 대한 가상 원시데이터(SBG(t,u))를 생성한다.
[식 17]
Figure 112020021413737-pat00028
[식 17]에서, M, N은 가상해수면을 가로방향과 세로방향으로 분할한 갯수를 나타낸다.
도 1을 다시 참조하면, 가상 원시데이터 생성부(340)에 의해 생성된 가상 원시데이터는 항공기기반 영상복원장치(200)의 역투영부(220)로 인가된다.
역투영부(220)는 가상 원시데이터 생성부(340)로부터 인가받은 가상 원시데이터를 역투영한다. 예를 들어, 역투영부(220)는 가상 원시데이터(SBG(t,u))를 이용하여 [식 18]에 따른 계산을 수행할 수 있다.
[식 18]
Figure 112020021413737-pat00029
영상복원부(230)는 역투영부(220)에 의해 역투영된 이미지를 가상해수면 영상으로 복원한다.
영상복원부(230)에 의해 복원된 가상해수면 영상은 가상 해수면모델 생성장치(300)의 검사부(350)로 인가된다.
검사부(350)는 영상복원부(230)에 의해 복원된 가상해수면 영상과 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 가상해수면 영상을 비교한다.
검사부(350)에 의해 두가지 가상해수면 영상을 비교하면, 항공기기반 영상복원장치(200)의 정확도를 검사할 수 있다.
실험예 1
실험예 1에서 사용된 항공기기반 영상복원장치(200)의 주파수대역은 X-band로서 BW는 500MHz, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s로서 tsweep=1ms, 거리방향 샘플링 숫자는 1,252개로 fs는 약 1.2 MHz, 방위방향 샘플링 숫자는 2,001개, 합성개구면길이(L)은 10 내지 300m, 비행고도는 200m, 안테나빔폭(반전력빔폭)은 φ=10°, θ=50°, 안테나 입사각(θinc)는 45°이었다.
본 실험예 1에서, 가상해수면 생성부(310)에 의해 유효높이(수직한계, Hrms)는 3m, x-방향 상관길이(가로한계, clx) 10m, y-방향 상관길이(세로한계, cly) 30m인 가상해수면 이미지를 생성하였다. 생성된 가상해수면 이미지는 도 8에 도시되었다.
이어서, 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 가상해수면 이미지를 101×101points(M×N)로 분할하였다.
이후에, [식 12] 내지 [식 14]를 이용하여 전파응답특성함수 설정부(320)에 의해 각 화소별(i,j) 전파응답특성함수(σPO ij)를 설정하였다.
계속해서, [식 15]를 이용하여 크기성분함수 설정부(330)에 의해 각 화소별(i,j) 크기성분함수(APO ij(u))를 설정하였다.
이어서, [식 16] 및 [식 17]을 이용하여 가상 원시데이터 생성부(340)에 의해 가상 원시데이터(SBG(t,u))를 생성하였다.
도 10은 도 8의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이다. 도 10에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다. 도 10에서, 우측의 막대형상은 전파응답특성(dB)을 색으로 표시한 것이다.
이후에, [식 7]을 이용하여 항공기기반 영상복원장치(200)의 역투영부(220)에 의해 가상 원시데이터(SBG(t,u))의 역투영작업을 수행하였다. 본 실험예 1에서는 range-doppler 알고리즘을 적용하여 역투영작업을 수행하였다.
계속해서, 항공기기반 영상복원장치(200)의 영상복원부(230)에 의해 가상해수면 영상을 복원하였다.
도 11은 도 10의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다. 도 11에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다.
마지막으로 검사부(350)를 이용하여 도 11의 복원된 가상해수면 영상과 도 8의 생성된 가상해수면 영상을 비교하였다.
도 11의 복원된 가상해수면 영상과 도 8의 생성된 가상해수면 영상을 비교하면, 자연스러운 해수면 영상을 모사(simulation)할 수 있음을 확인하였다.
실험예 2
실험예 1과의 비교를 위하여, 다른 조건은 동일하게 하되 각 화소별 크기를 변화시켜서 실험을 수행하였다. 실험예 2에서, 200×200m2의 배경영역을 21×21 ponts(M×N)로 분할하였다.
도 12는 실험예 2에 의해 생성된 가상 해수면을 나타내는 이미지이며, 도 13은 실험예 2에 의해 복원된 가상 해수면을 나타내는 이미지이다. 도 12 및 도 13에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 가상해수면 이미지와 가상 원시데이터 생성부(340)에 의해 생성된 가상 원시데이터를 이용하여 복원된 가상해수면 이미지가 서로 동일하지 않았다.
실험예 3
실험예 2와의 비교를 위하여, 다른 조건은 동일하게 하되 각 화소별 크기를 변화시켜서 실험을 수행하였다. 실험예 3에서, 200×200m2의 배경영역을 201×201 ponts(M×N)로 분할하였다.
도 14는 실험예 3에 의해 생성된 가상 해수면을 나타내는 이미지이며, 도 15은 실험예 3에 의해 복원된 가상 해수면을 나타내는 이미지이다. 도 14 및 도 15에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 가상해수면 이미지와 가상 원시데이터 생성부(340)에 의해 생성된 가상 원시데이터를 이용하여 복원된 가상해수면 이미지가 서로 동일했다.
각 화소별 크기가 작아지면 보다 정교한 가상 원시데이터의 생성이 가능하지만, 계산시간이 증가하는 문제점이 발생한다.
실험예 1 내지 3에 의하면, 샘플간격(M×N)은 입력신호 대역폭의 2배, 상관길이(clx, cly)의 1배 내지 1/10배에서 두 이미지가 유사했다. 따라서, 200×200m2의 배경영역을 갖는 경우, 101×101 points(M×N)가 적절한 크기의 샘플링이었다.
실험예 4
실험예 1와의 비교를 위하여, 다른 조건은 동일하게 하되 유효높이(수직한계), x-방향 상관길이(가로한계), y-방향 상관길이(세로한계)를 변화시켜서 실험을 수행하였다. 실험예 4에서, 유효높이(수직한계, Hrms)는 0.5m, x-방향 상관길이(가로한계, clx) 10m, y-방향 상관길이(세로한계, cly) 50m인 가상해수면 이미지를 생성하였다.
도 16은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이고, 도 17은 도 16의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이며, 도 18은 도 17의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다. 도 17 및 도 18에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다. 도 17에서, 우측의 막대형상은 전파응답특성(dB)을 색으로 표시한 것이다.
도 1, 도 16 내지 도 18을 참조하면, 유효높이가 0.5m인 경우, x-방향 상관길이가 10m, y-방향 상관길이가 50m이더라도 가상해수면 생성부(310)에 의해 생성된 가상 해수면 이미지와 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상의 이미지가 유사하였다.
실험예 5
실험예 4와의 비교를 위하여, 다른 조건은 동일하게 하되 유효높이(수직한계), x-방향 상관길이(가로한계), y-방향 상관길이(세로한계)를 변화시켜서 실험을 수행하였다. 실험예 5에서, 유효높이(수직한계, Hrms)는 1m, x-방향 상관길이(가로한계, clx) 5m, y-방향 상관길이(세로한계, cly) 30m인 가상해수면 이미지를 생성하였다.
도 19은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이고, 도 20은 도 19의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이며, 도 21은 도 20의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다. 도 20 및 도 21에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다. 도 20에서, 우측의 막대형상은 전파응답특성(dB)을 색으로 표시한 것이다.
도 1, 도 19 내지 도 21을 참조하면, 유효높이가 1m, x-방향 상관길이가 5m, y-방향 상관길이가 30m인 경우, 실험예 4와 비교하여 목표물 중심 거리보다 가까운 쪽에서 반사되는 수신신호(4)의 크기는 가상해수면 입사각 특성과 거리감쇄 특성 등이 반영된 큰 신호가 나타났다.
실험예 6
실험예 4와의 비교를 위하여, 다른 조건은 동일하게 하되 유효높이(수직한계), x-방향 상관길이(가로한계), y-방향 상관길이(세로한계)를 변화시켜서 실험을 수행하였다. 실험예 6에서, 유효높이(수직한계, Hrms)는 3m, x-방향 상관길이(가로한계, clx) 7m, y-방향 상관길이(세로한계, cly) 30m인 가상해수면 이미지를 생성하였다.
도 22은 도 1에 도시된 가상 해수면모델 생성장치에 의해 생성된 가상해수면을 나타내는 이미지이고, 도 23은 도 22의 가상해수면을 이용하여 생성된 가상 원시데이터를 나타내는 이미지이며, 도 24은 도 23의 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상을 나타내는 이미지이다. 도 23 및 도 24에서, 가로축은 가상 SAR 레이더의 거리방향을 나타내며, 세로축은 가상 SAR 레이더의 방위방향을 나타낸다. 도 23에서, 우측의 막대형상은 전파응답특성(dB)을 색으로 표시한 것이다.
도 1, 도 22 내지 도 24를 참조하면, 유효높이가 3m, x-방향 상관길이가 7m, y-방향 상관길이가 30m인 경우, 실험예 4 및 5와 비교하여 가상 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상의 이미지는 좌측에서 입사되는 송신파(2)의 방향을 고려할 때 우측에서 굴곡진 음영이 나타나는 것을 확인하였다.
실험예 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치(200)는 상대적으로 매끈한 표면(평균 -13.9dB)을 갖는 가상해수면 이미지에서 거친 표면(평균 -8.8dB)을 갖는 가상해수면 이미지로 갈수록 사입사(oblique incidence)되는 전파의 후방산란이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 실제 항공기를 운행할 필요 없이 개발된 항공기기반 영상복원장치의 해수면 탐사에 대한 적합성을 검사할 수 있다. 따라서 실제 항공기기반 영상복원장치를 항공기에 탑재할 필요가 없어서 검사시간 및 비용이 감소한다.
또한 다양한 해수면상태를 가정하여 검사하는 것이 가능하여, 항공기기반 영상복원장치를 실제 항공기에 탑재하여 검사하면서 발생하는 검사범위 제약을 극복할 수 있다.
또한 다양한 해상도의 가상해수면 원시데이터를 생성하는 것이 가능하여, 개발된 항공기기반 영상복원장치의 성능에 맞는 검사가 가능하다.
더욱이 응답특성이 낮은 해수면에 대해서도 원활한 사전검사가 가능하다.
또한 안테나부재의 회전(rotation), 틀어짐(squint) 등 다양한 오류를 사전에 설정하는 것이 가능하여, 오류보정을 통해 항공기기반 영상복원장치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 가상해수면 원시데이터를 생성하기 위한 크기성분함수가 단순히 안테나부재의 위치와 각 화소의 상대위치에 따른 전파의 입사각 변화에만 의존하는 것이 아니라, 각 화소별 상대적 전파 입사각, 유전율, 각 화소별 미소금속면의 크기에 따라 변화하기 때문에 해수면모델의 정확도가 향상된다.
본 발명은 항공뷰, 지형도 작성, 해양탐사, 원격탐사, 인공위성탐사, 항공기탐사, 부유실험장치를 이용한 탐사, 조류탐사, 기상탐사, 군사용, 의료용 등의 용도로 사용되는 레이더, 자기공명영상장치(Magnetic Resonance Image Device; MRI), 자율주행자동차에 탑재되는 영상인식장치 등에 적용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
200 : 항공기기반 영상복원장치
110, 120 : 안테나부재 150 : 파형발생기
160 : 분배기 205 : 믹서
210 : 원시데이터생성부 220 : 역투영부
230 : 영상복원부 300 : 가상 해수면모델 생성장치
310 : 가상해수면 생성부 320 : 전파응답특성함수 설정부
330 : 크기성분함수 설정부 340 : 가상 원시데이터 생성부
350 : 검사부
크기성분함수(Aij(u))
σij(u) 전파응답특성함수

Claims (5)

  1. 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치에 있어서, 상기 항공기기반 영상복원장치는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배하는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 해수면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 해수면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 믹서와, 상기 믹서와 연결되며 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 해수면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 거리를 나타내는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부와, 상기 원시데이터 또는 가상 원시데이터를 인가받아 역투영하여 각 화소별 함수값을 생성하는 역투영부와, 상기 역투영부에 연결되어 상기 역투영부에 의해 계산된 상기 각 화소별 함수값을 화소별로 표시하여 영상을 복원하는 영상복원부를 포함하고, 상기 가상 해수면모델 생성장치는:
    수직한계(Hrms), 가로한계(clx), 및 세로한계(cly)를 인가받아 임의의 굴곡진 금속면 영상을 생성하여 가상해수면으로 설정하고, 상기 가상해수면을 다수의 화소들(M×N)로 구분하여 각 화소별(i,j) 미소표면으로 샘플링하는 가상해수면 생성부;
    상기 가상해수면 생성부에 의해 생성된 상기 각 화소별(i,j) 미소표면에 대하여 유전율, 표면 거칠기, 상기 송신파의 입사각이 반영된 후방산란특성을 전파응답특성함수(σPO ij(u))로 설정하는 전파응답특성함수 설정부(1<i≤M; 1<j≤N);
    상기 전파응답특성함수(σPO ij(u))를 하기의 [식 1]에 인가하여 크기성분함수(AOP ij(u))를 생성하는 크기성분함수 설정부; 및
    [식 1]
    Figure 112020021413737-pat00030

    ([식 1]에서, C는 보정상수, σPO ij(u)는 상기 안테나부재의 위치(u)에 따른 i,j번째 화소의 전파응답특성함수, Rij(u)는 상기 안테나부재와 상기 i,j번째 화소 사이의 거리, φij(u)는 상기 안테나부재를 기준으로 상기 i,j번째 화소를 나타내는 수평성분 각도, HPBWφ는 반전력빔폭의 수평성분, θij(u)는 상기 안테나부재를 기준으로 상기 i,j번째 화소를 나타내는 수직성분 각도, HPBWθ는 상기 반전력빔폭의 수직성분을 각각 나타낸다)
    상기 크기성분함수 설정부에 의해 설정된 상기 각 화소별(i,j) 크기성분함수(APO ij(u))를 상기 각 화소별(i,j) 거리에 대응되는 수신신호에 곱하여 상기 가상 원시데이터를 생성하는 가상 원시데이터 생성부를 포함하는 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치.
  2. 제1항에 있어서, [식 1]에서 크기성분함수((Aij(u))는 상기 안테나부재의 위치(u)와 i,j번째 화소의 상대위치에 따른 상기 송신파의 입사각 변화에 의존하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치용 가상 해수면모델 생성장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 항공기기반 영상복원장치는 상기 가상 해수면모델 생성장치와 탈착가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 가상 해수면모델 생성장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가상 해수면모델 생성장치는 상기 영상복원부 및 상기 가상해수면 생성부에 연결되어 상기 원시데이터를 이용하여 생성된 복원영상과 상기 가상해수면 생성부에 의해 생성된 상기 가상해수면 영상을 비교하는 검사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 해수면모델 생성장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가상해수면 생성부는 입력신호 대역폭의 2배이고, 가로한계(clx) 및 세로한계(cly)의 1배 내지 1/10배가 되도록 화소들(M×N)을 구분하여 미소표면으로 샘플링하는 것을 특징으로 하는 가상 해수면모델 생성장치.
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