KR102289433B1 - 지향각 sar 기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법 - Google Patents

지향각 sar 기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법 Download PDF

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Abstract

지향각 SAR 기반 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터 생성부, 제1 푸리에 변환부, 원시데이터 전처리부, 제2 푸리에 변환부, 궤적 특성함수 생성부, 푸리에 역변환부, 데이터 역회전부, 및 영상복원부를 포함한다. 상기 원시데이터 전처리부는 상기 제1 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터를 생성한다. 상기 궤적 특성함수 생성부는 상기 제2 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성한다. 상기 데이터 역회전부는 상기 푸리에 역변환부에 연결되며, 상기 제4 보정 데이터를 상기 지향각만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터를 생성한다. 상기 영상복원부는 상기 복원영상 데이터를 각 화소별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 영상을 복원한다.

Description

지향각 SAR 기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법{IMAGE DECODING APPARATUS BASED ON SQUINT SAR AND METHOD OF DECODING IMAGE USING THE SAME}
본 발명은 지향각 SAR 기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기에 의해 측정된 Squint-SAR(Squint - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 최적화된 RCM(Range Cell Migration) 궤적 특성함수 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법에 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, 화산폭발, 지진, 태풍 등의 재난상황이나 빙하, 조수, 파도, 해양오염과 같은 환경모니터링에 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.
이러한 문제점들 중에서 특히 레이더의 조사방향이 비틀어져서 발생하는 지향각 SAR(Squint-SAR) 데이터의 경우, 항공기를 통하여 얻은 데이터가 3차원 형태를 갖는 점으로 인하여 방위방향과 거리방향이 동시에 비틀어져서, 복원된 데이터가 비틀어지는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 다양한 변수에 대한 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 반복하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 원시데이터에 포함되는 지향각(Squint) 성분은 다양한 변수에 대한 푸리에 변환을 반복해도 완전히 제거되지 않는 문제점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1785684 (2017. 9. 29.) 대한민국등록특허 제10-1009967 (2011. 1. 14.) 대한민국등록특허 제10-2090318 (2020. 3. 11.) 대한민국등록특허 제10-1190731 (2012. 10. 16.)
본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 Squint-SAR(Squint - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 최적화된 RCM(Range Cell Migration) 궤적 특성함수 영상복원장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 Squint-SAR(Squint - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 최적화된 RCM(Range Cell Migration) 궤적 특성함수 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터 생성부, 제1 푸리에 변환부, 원시데이터 전처리부, 제2 푸리에 변환부, 궤적 특성함수 생성부, 푸리에 역변환부, 데이터 역회전부, 및 영상복원부를 포함한다. 상기 파형발생기는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성한다. 상기 분배기는 상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배한다. 상기 안테나부재는 상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하되, 항공기 이동방향에 수직한 방향을 기준으로 지향각만큼 기울어진다. 상기 믹서는 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합한다. 상기 원시데이터 생성부는 상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 목표물 중심과의 거리를 측정하여 상기 목표물 중심의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다. 상기 제1 푸리에 변환부는 상기 원시데이터생성부에 연결되며, 상기 원시데이터에 시간에 대한 1차 푸리에 변환을 수행한다. 상기 원시데이터 전처리부는 상기 제1 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터를 생성한다. 상기 제2 푸리에 변환부는 상기 원시데이터 전처리부에 연결되며, 상기 제1 보정 원시데이터에 상기 지향각만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수에 대한 푸리에 변환을 수행하여 제2 보정 원시데이터를 생성한다. 상기 궤적 특성함수 생성부는 상기 제2 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성한다. 상기 푸리에 역변환부는 상기 제3 보정 원시데이터에 정합필터를 곱하는 생성된 혼합데이터를 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수로 푸리에 역변환하여 지표면 상의 좌표에 따른 제4 보정 데이터를 생성한다. 상기 데이터 역회전부는 상기 푸리에 역변환부에 연결되며, 상기 제4 보정 데이터를 상기 지향각만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터를 생성한다. 상기 영상복원부는 상기 복원영상 데이터를 각 화소별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 영상을 복원한다.
일 실시예에서, 상기 궤적 특성함수 생성부는 [식 1]에 따라 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하며,
[식 1]
Figure 112020055271174-pat00001
[식 2]에 따라 상기 회전으로 인하여 발생하는 상기 거리차를 추가로 보상할 수 있다.
[식 2]
Figure 112020055271174-pat00002
([도 1] 및 [식 2]에서, (xc, yc)는 목표물 중심의 좌표를 나타내고, ku'은 내푸리에 변환된 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수를 나타내며, u'는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 위치를 나타내며, A(ku') 및 A(u')는 각각 [식 3] 및 [식 4]를 나타내고, R'(u')는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00003
') 상의 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수를 나타내며, R'(ku')는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 보정 궤적 특성함수를 나타낸다)
[식 3]
Figure 112020055271174-pat00004
[식 4]
Figure 112020055271174-pat00005
일 실시예에서, 상기 원시데이터 전처리부는 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터에 베이스밴드 변환 필터를 곱하는 혼합기능을 수행하여 혼합 데이터를 생성하는 데이터 혼합부; 및 상기 제1 혼합 데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 회전 리샘플링부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스밴드 변환 필터는 상기 1차 푸리에 변환한 데이터와 정합필터의 관계를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 보정 원시데이터는 상기 지향각만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역내의 데이터로서, 주파수 및 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수의 함수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서, 상기 영상복원장치는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 항공기 이동방향에 수직한 방향을 기준으로 지향각만큼 기울어지고 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 연결되는 원시데이터생성부와, 상기 원시데이터생성부에 연결되는 제1 푸리에 변환부와, 상기 제1 푸리에 변환부에 연결되는 원시데이터 전처리부와, 상기 원시데이터 전처리부에 연결되는 제2 푸리에 변환부와, 상기 제2 푸리에 변환부에 연결되는 궤적 특성함수 생성부와, 상기 궤적 특성함수 생성부에 연결되는 푸리에 역변환부와, 상기 푸리에 역변환부에 연결되는 데이터 역회전부와, 상기 데이터 역회전부에 연결되는 영상복원부를 포함한다. 상기 영상복원방법에 있어서, 상기 송신안테나를 이용하여, 상기 송신파를 상기 지표면 상으로 송신하고, 상기 지표면으로부터 반사된 수신파를 상기 수신안테나를 통하여 수신하는 단계; 상기 믹서를 이용하여, 상기 분배기로부터 분배받은 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 단계; 상기 원시데이터 생성부를 이용하여, 상기 혼합된 신호로부터 상기 지표면 상의 목표물 중심과의 거리를 측정하여 상기 목표물 중심의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성하는 단계; 상기 제1 푸리에 변환부를 이용하여, 상기 원시데이터에 시간에 대한 1차 푸리에 변환을 수행하는 단계; 상기 원시데이터 전처리부를 이용하여, 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계; 상기 제2 푸리에 변환부를 이용하여, 상기 제1 보정 원시데이터에 상기 지향각만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수에 대한 푸리에 변환을 수행하여 제2 보정 원시데이터를 생성하는 단계; 상기 궤적 특성함수 생성부를 이용하여, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성하는 단계; 상기 푸리에 역변환부를 이용하여, 상기 제3 보정 원시데이터에 정합필터를 곱하는 생성된 혼합데이터를 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수로 푸리에 역변환하여 지표면 상의 좌표에 따른 제4 보정 데이터를 생성하는 단계; 상기 데이터 역회전부를 이용하여, 상기 제4 보정 데이터를 상기 지향각만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 영상복원부를 이용하여, 상기 복원영상 데이터를 각 화소별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 영상을 복원하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계는 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터에 베이스밴드 변환 필터를 곱하여 혼합데이터를 생성하는 단계; 및 상기 혼합 데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성하는 단계는 [식 1]에 따라 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하며,
[식 1]
Figure 112020055271174-pat00006
[식 2]에 따라 상기 회전으로 인하여 발생하는 상기 거리차를 추가로 보상할 수 있다.
[식 2]
Figure 112020055271174-pat00007
([도 1] 및 [식 2]에서, (xc, yc)는 목표물 중심의 좌표를 나타내고, ku'은 내푸리에 변환된 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수를 나타내며, u'는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 위치를 나타내며, A(ku') 및 A(u')는 각각 [식 3] 및 [식 4]를 나타내고, R'(u')는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00008
') 상의 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수를 나타내며, R'(ku')는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 보정 궤적 특성함수를 나타낸다)
[식 3]
Figure 112020055271174-pat00009
[식 4]
Figure 112020055271174-pat00010
상기와 같은 본 발명에 따르면, 지향각 SAR 기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 지향각오류가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정이 가능하다. 또한, 1번의 운항에서 얻어진 원시데이터를 이용하여 지향각오류가 제거된 영상을 복원할 수 있기 때문에, 시간과 비용이 감소된다.
또한, 회전 리샘플링부(227)가 시간(t)에 의해 푸리에 변환된 원시데이터(s(t,u))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서, 지향각(Φ sq)이 1차 보정된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성하여 지향각에 의한 오류를 1차적으로 보정한다.
또한, 제2 푸리에변환부(229) 및 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 생성함으로써, 일반적인 거리-도플러 영역 내에서의 푸리에 변환에 비해 지향각에 의한 오류가 2차적으로 보정되어 복원될 영상의 정확도가 향상된다.
또한, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(φ sq)만큼 회전된 거리차(도 10의 △R')를 3차적으로 보정한다.
또한, 데이터 역회전부(237)가 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 지향각에 의한 영향이 제거된 최종 복원영상을 위한 복원영상 데이터(fc(x,y))를 생성한다.
따라서, 4차례에 거쳐서 지향각(Φ sq )에 의한 영향을 보정함으로써 복원영상의 정확도가 향상된다. 또한 원시데이터 자체를 보정하기 때문에, 다양한 영상복원기법에 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터에 지향각오류(Squint Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교실시예에 따른 원시데이터 변환부 및 영상복원부를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 비교실시예에 따른 RCM 궤적의 변환과정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 비교실시예에 따른 지향각 SAR(Squint SAR) 좌표 변환과정을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 지향각보정부 및 영상복원부를 나타내는 블록도이다.
도 7는 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 RCM 궤적을 변환하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각 SAR(Squint SAR) 좌표가 변화되기 전의 상태를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각오류가 보정된 RCM 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각 SAR 좌표가 변화된 상태를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시된 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12, 도 13, 및 도 15 내지 도 18은 본 발명의 실험예 1에 따른 데이터를 나타내는 이미지들이다.
도 14은 본 발명의 비교실험예에 따른 보정데이터를 나타내는 이미지이다.
도 19은 도 3에 도시된 비교실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지이다.
도 20는 도 19에 도시된 복원영상의 거리방향 해상도를 나타내는 그래프이ㄷ다.
도 21은 도 19에 도시된 복원영상의 방위방향 해상도를 나타내는 그래프이다.
도 22은 도 1 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지이다.
도 23는 도 22에 도시된 복원영상의 거리방향 해상도를 나타내는 그래프이ㄷ다.
도 24은 도 22에 도시된 복원영상의 방위방향 해상도를 나타내는 그래프이다.
도 25 내지 도 28은 각각 지향각이 0°, 15°, 30°, 45°인 경우, 도 1 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지들이다.
도 29은 본 발명의 실험예들에 따라 다양한 지향각에 따른 해상도를 나타내는 그래프이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 지향각 SAR 기반 영상복원장치는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터생성부(210), 지향각보정부(220), 및 영상복원부(240)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)로 송신하고, 지표면으로부터 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 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터에 지향각오류(Squint Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 2에서, k^는 전파진행방향, u축은 항공기의 진행방향, xsl은 경사거리방향을 나타내는 것으로 항공기 진행방향에서 목표물 중심(f(xc,yc))으로 향하는 방향으로 항공기의 진행방향(u)에 수직한 방향을 나타낸다. y축, x축, z축은 각각 지표면을 기준으로 하는 직교좌표계에서 항공기의 진행방향(y축), 항공기의 진행방향에 수직하고 지표면에 평행한 방향(x축), 지상으로부터 항공기로부터 향하는 수직방향(z축)을 나타낸다. f(xc,yc)은 지표면 상에서 레이더의 전자파를 반사하는 물체가 존재하는 목표물 중심을 나타내고, uc(x,y,z)는 안테나부재(110, 120)가 탑재된 항공기의 실제좌표는이며, u0(x,y,z)는 지향각오류가 없는 경우에 항공기가 위치해야 하는 이상적인 좌표는이다. R은 항공기의 실제위치(uc(x,y,z))와 목표물 중심(f(xc,yc)) 사이의 거리를 나타내고, R0는 지향각오류가 없는 경우에 항공기의 가상위치(u0(x,y,z))와 목표물 중심(f(xc,yc)) 사이의 거리를 나타내며, Rc는 항공기의 실제좌표(uc(x,y,z))와 목표물 중심(f(xc,yc)) 사이의 거리를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 영상복원장치는 항공기에 실린 상태에서 u방향으로 이동한다. 조사 대상이 되는 목표물 중심 f(xc, yc)은 지표면상(zc=0)에 위치한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호로부터 수신안테나(120)와 지표면의 목표물 중심 f(xc, yc)과의 거리를 측정하여 목표물 중심 f(xc, yc)의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다.
예를 들어, 목표물 중심은 합성개구면 내의 각 화소들(xi,yj)에 대응되며, 원시데이터생성부(210)는 합성개구면 내의 각 화소들(xi,yj)에 대응되는 원시데이터를 생성할 수 있다.
원시데이터는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터(s(t,u))일 수 있다. 원시데이터(s(t,u))는 시간(t)과 항공기에 탑재된 안테나 부재(110, 120)의 위치(u)의 변수로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 원시데이터(s(t,u))는 샘플링 시간(t), 중심주파수(f0), 변조율(Kr), 안테나 부재(110, 120)의 위치(u), 목표물 지연시간(τ), 신호세기 성분 등에 관한 익스포넨셜 함수의 형태로 나타낸 수도 있다(대한민국 등록특허 제10-2090318호).
지향각보정부(220)는 원시데이터생성부(210)로부터 원시데이터를 전달받아 지향각으로 인한 오류를 보정한다.
비교실시예에 따른 원시데이터 변환부
도 3은 본 발명의 비교실시예에 따른 원시데이터 변환부 및 영상복원부를 나타내는 블록도이며, 도 4는 도 3에 도시된 비교실시예에 따른 RCM 궤적의 변환과정을 나타내는 그래프이고, 도 5는 도 3에 도시된 비교실시예에 따른 지향각 SAR(Squint SAR) 좌표 변환과정을 나타내는 그래프이다.
도 3에서, t는 시간을 나타내며, u는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)의 좌표를 나타내고, s(t,u)는 원시데이터 생성부(210)에 의해 생성된 원시데이터를 나타내며, f는 주파수를 나타내고, ku는 도플러 주파수를 나타내고, s(f,ku)는 푸리에 변환에 의해 거리-도플러 영역으로 투영된 원시데이터를 나타내며, SM(f,ku)은 거리-도플러 영역으로 투영된 원시데이터(s(f,ku))에 대한 정합필터(matched filter)를 나타내고, f(x,y)는 (x,y)위치에서의 각 화소별 영상신호를 나타낸다.
도 4 및 도 5에서, y축은 지표면을 기준으로 하는 직교좌표계에서 항공기의 진행방향을 나타내는 것으로 u축으로 표시되는 항공기의 진행방향과 동일하다. xsl은 항공기 진행방향에서 목표물 중심(f(xc,yc))으로 향하는 방향을 나타낸다. (xc,yc)는 목표물 중심의 좌표를 나타내는 것으로, 지향각(Φ sq )이 0°인 경우 (R0,0)이 된다.
Figure 112020055271174-pat00011
는 전파진행방향의 벡터성분을 나타내며,
Figure 112020055271174-pat00012
는 안테나부재(110, 120)가 탑재된 항공기 진행방향의 벡터성분을 나타낸다. rmin은 합성개구면에서 안테나부재(110,120)에 인접하는 최소거리를 나타내며, rmax는 합성개구면에서 안테나부재(110,120)로부터 멀리 떨어진 최대거리를 나타낸다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 지향각이 0°인 경우, 항공기의 위치(u0)와 지면거리 기준 목표물 중심(f(xc, yc))을 고려한 목표물 중심(f(xc,yc))과 안테나부재(110, 120) 사이의 거리(R(u))는 하기의 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다. [식 1]에서 R0는 항공기와 목표물 중심(f(xc,yc)) 사이의 최단거리를 나타낸다.
[식 1]
Figure 112020055271174-pat00013
[식 1]은 지향각(Φ sq )이 0°인 경우, 목표물 중심(f(xc,yc))과 안테나부재(110, 120) 사이의 거리(R)를 안테나부재(110, 120)의 위치(u)함수로 나타낸다.
지향각(Φ sq )이 0°인 경우, 원시데이터 변환부(20)에 의해 원시데이터를 거리-도플러 영역(Range-Doppler domain)으로 변환하였다가 다시 역변환하여 각 화소별 영상신호(f(x,y))를 생성한다.
구체적으로, 비교실시예에서 지향각 SAR 기반 영상복원장치는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터생성부(210), 원시데이터 변환부(20), 및 영상복원부(240)를 포함한다. 비교실시예에서, 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 및 원시데이터생성부(210)는 전술한 부재와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
원시데이터 변환부(20)는 제1 푸리에 변환부(21), 제2 푸리에 변환부(29), 궤적 특성함수(Range Cell Migration;RCM) 생성부(31), 데이터 혼합부(33), 및 푸리에 역변환부(35)를 포함한다.
제1 푸리에 변환부(21)는 원시데이터생성부(210)로부터 원시데이터(s(t,u))를 인가받아 시간(t)에 대한 1차 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 수행한다.
제2 푸리에 변환부(29)는 제1 푸리에 변환부(21)에 의해 1차 변환된 원시데이터를 인가받아 항공기 진행방향에 의한 위치(u)에 대한 2차 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 수행한다.
제1 및 제2 푸리에 변환부들(21, 29)에 의해 원시데이터(s(t,u))는 거리-도플러 영역(Range-Doppler domain) 상의 원시데이터(s(f,ku))로 변환된다.
궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(31)는 거리-도플러 영역 상의 원시데이터(s(f,ku))에서 항공기에 탑재된 안테나부재(110,120)의 이동(u)에 따른 변위를 보상한다.
데이터 혼합부(33)는 궤적 특성함수 생성부(31)에 의해 항공기 이동량에 따른 변위가 보상된 거리-도플러 영역 상의 원시데이터에 정합필터(SM(f,ku))를 곱한다.
푸리에 역변환부(35)는 데이터 혼합부(33)에 의해 혼합된 거리-도플러 영역 상의 원시데이터를 도플러 주파수(ku)로 역변환하여, 지표면 상의 좌표(x,y)에 따른 각 화소별 데이터(f(x,y))를 생성한다.
영상복원부(240)는 원시데이터 변환부(20)에 의해 생성된 각 화소별 데이터(f(x,y))를 조합하여 합성개구면 상의 영상을 복원한다.
비교실시예에 따르면, 지향각(Φ sq )이 0°인 경우에 영상을 복원하는 것이 가능하나, 지향각(Φ sq )이 0°이 아닌 경우에는 항공기를 통하여 얻은 데이터가 3차원 형태를 갖기 때문에 방위방향과 거리방향이 동시에 비틀어져서, 복원된 데이터가 왜곡되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지향각보정부
도 6은 도 1에 도시된 지향각보정부 및 영상복원부를 나타내는 블록도이며, 도 7는 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 RCM 궤적을 변환하는 과정을 나타내는 그래프이고, 도 8은 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각 SAR(Squint SAR) 좌표가 변화되기 전의 상태를 나타내는 그래프이며, 도 9는 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각오류가 보정된 RCM 궤적을 나타내는 그래프이고, 도 10은 도 6에 도시된 지향각보정부를 이용하여 지향각 SAR 좌표가 변화된 상태를 나타내는 그래프이다.
도 6에서, t는 시간을 나타내며, u는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)의 좌표를 나타내고, s(t,u)는 원시데이터 생성부(210)에 의해 생성된 원시데이터를 나타내며, f는 주파수를 나타내고, SBB(f,u)는 베이스밴드 변환(Baseband Conversion)을 나타내는 것으로 원시데이터(s(t,u))를 시간(t)에 대해 푸리에 변환한 데이터에 대해 일종의 정합필터(matched filter)의 관계를 가지고, u'는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 원시데이터 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00014
') 상의 위치를 나타내며, s(f,u')는 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00015
') 상으로 투영된 제1 보정 원시데이터를 나타내고, ku'은 푸리에 변환된 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수를 나타내며, s(f,k'u)는 푸리에 변환된 거리-도플러 영역으로 투영된 회전된 제2 보정 원시데이터를 나타내고, s'(f,k'u)는 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)에 의해 생성된 제3 보정 원시데이터를 나타내며, S'M(f,k'u)은 제3 보정 원시데이터(s'(f,k'u))에 대응되는 정합필터(matched filter)를 나타내며, f'(x,y)는 (x,y)위치에서의 각 화소별로 보정된 제4 보정 데이터를 나타내며, fc(x,y)는 데이터 역회전부(237)에 의해 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 생성되는 복원영상 데이터를 나타낸다.
도 7 내지 도 10에서, y축은 지표면을 기준으로 하는 직교좌표계에서 항공기의 진행방향을 나타내는 것으로 u축으로 표시되는 항공기의 진행방향과 동일하다. xsl은 항공기 진행방향에서 목표물 중심(f(xc,yc))으로 향하는 방향을 나타낸다. (xc,yc)는 목표물 중심의 좌표를 나타낸다.
Figure 112020055271174-pat00016
는 전파진행방향의 벡터성분을 나타내며,
Figure 112020055271174-pat00017
는 안테나부재(110, 120)가 탑재된 항공기 진행방향의 벡터성분을 나타내며,
Figure 112020055271174-pat00018
'는 항공기 진행방향의 벡터(
Figure 112020055271174-pat00019
)를 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 벡터성분을 나타낸다. u0는 지향각오류가 없는 경우에 항공기가 위치하는 이상적인 위치에서의 좌표값을 나타내며, uc는 안테나부재(110,120)가 탑재된 항공기의 실제 좌표값을 나타내며, Rc는 항공기의 실제위치(uc(x,y,z))와 목표물 중심(f(xc,yc)) 사이의 거리를 나타낸다. rmin은 합성개구면에서 안테나부재(110,120)에 인접하는 최소거리를 나타내며, rmax는 합성개구면에서 안테나부재(110,120)로부터 멀리 떨어진 최대거리를 나타낸다. xφ는 x축을 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 축을 나타내며, yφ는 y축을 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 축을 나타낸다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 지향각(Φ sq)이 0°이 아닌 경우, 합성개구면의 중심위치는 u0에서 uc로 이동한다. 전파진행방향(
Figure 112020055271174-pat00020
)을 고려하면 항공기 이동에 따른 궤적(Range Cell Migration; RCM)은 도 7의 '(2) squint, skewed'영역과 같이 비틀린 좌표로 표현된다. 비틀린 좌표에서는 전파진행방향(
Figure 112020055271174-pat00021
)과 항공기 진행방향(
Figure 112020055271174-pat00022
)이 기저벡터성분이되므로, 항공기 이동에 따른 궤적(RCM)은 전파진행방향(
Figure 112020055271174-pat00023
)을 기준으로 하는 새로운 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00024
,
Figure 112020055271174-pat00025
')로 재설정된다.
도 9는 도 7의 비틀린 좌표정보 '(2) squint, skewed'에 표현된 신호특성을 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 기준좌표계 상에 중복하여 도시한 도면이다.
지향각보정부(220)는 지향각에 따라 합성개구면 중심을 이동시키고, 합성개구면 중심의 이동에 따라 안테나부재(110,120)와 목표물 중심(xc,yc) 사이의 거리를 변화시킨다. 따라서, 안테나부재(110,120)와 목표물 중심(xc,yc) 사이의 변화된 거리 및 좌표계의 비틀림(skewness)에 의해 보정된 좌표평면에 의해 항공기 이동에 따른 궤적(RCM)이 보정된다. 지향각보정부(220)를 이용하여 항공기 이동에 따른 궤적(RCM)의 보정하는 기능은 도 9 및 도 10을 참조하여 후술한다.
도 1, 도 6, 도 9, 및 도 10을 참조하면, 지향각보정부(220)는 제1 푸리에 변환부(221), 원시데이터 전처리부(223), 제2 푸리에 변환부(229), 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231), 제2 데이터 혼합부(233), 푸리에 역변환부(235), 및 데이터 역회전부(237)를 포함한다.
제1 푸리에 변환부(221)는 원시데이터생성부(210)로부터 인가받은 원시데이터(s(t,u))에 시간(t)에 대한 1차 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 수행하여 제1 푸리에 변환 데이터(s(f,u))를 생성한다.
원시데이터 전처리부(223)는 제1 푸리에 변환부(221)에 의해 1차 푸리에 변환 데이터(s(f,u))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성한다.
구체적으로, 원시데이터 전처리부(223)는 제1 데이터 혼합부(225), 및 회전 리샘플링부(227)를 포함한다.
제1 데이터 혼합부(225)는 1차 푸리에 변환된 데이터에 베이스밴드 변환(Baseband Conversion) 필터(SBB (f,u))를 곱하여 1차 혼합기능을 수행하여 제1 혼합 데이터를 생성한다. 베이스밴드 변환 필터(SBB (f,u))는 1차 푸리에 변환한 데이터에 대해 일종의 정합필터(matched filter)의 관계를 갖는다.
회전 리샘플링부(227)는 제1 데이터 혼합부(225)에 의해 1차 혼합된 제1 혼합데이터를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성한다. 이하, 회전 리샘플링부(227)의 기능을 구체적으로 설명한다.
도 3 및 [식 1]에 의해 표현되는 지향각(Φ sq)이 0°인 경우('zero-squint')에서, 지향각(Φ sq)이 0°이 아닌 경우로 수정하면 중심거리(Rc) 변화를 고려하여 [식 2]와 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure 112020055271174-pat00026
[식 2]를 경사거리평면 상의 좌표성분(xsl,y)으로 나타내면 [식 3]과 같이 나타낼 수 있다. [식 3]은 지향각이 0°이 아닌 경우의 항공기 이동에 따른 궤적(RCM)을 나타내는 것으로, 도 9와 같이 목표물 중심(xc, yc)을 기준으로 회전된 좌표변환에 적용된다.
[식 3]
Figure 112020055271174-pat00027
도 9에 도시된 '(3) squint, rotated grid & RCM' 영역에 적용된 좌표정보(xφ, yφ)를 나타낸다. 좌표정보(xφ, yφ)는 [식 3]을 목표물 중심(xc, yc)을 기준으로 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 것을 나타내는 것으로, [식 4]와 같이 나타낼 수 있다. [식 4]는 [식 3]에서 목표물중심(xc,yc)을 기준으로 회전시킨 좌표평면(xφ, yφ)으로 정리한 것이다.
[식 4]
Figure 112020055271174-pat00028
[식 4]에서 회전변환된 좌표정보(xφ, yφ)는 도 8의 데이터를 도 10의 좌표로 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 것을 나타내는 것으로, 도 10은 후술될 SAR 영상처리를 위해 추가된 기저벡터(
Figure 112020055271174-pat00029
') 성분으로 리샘플링 과정을 포함한다. 즉, 회전된 좌표(xφ, yφ)와 리샘플링 과정을 거쳐서 데이터가 새로운 직각좌표계(
Figure 112020055271174-pat00030
,
Figure 112020055271174-pat00031
')로 투영된다.
[식 4]의 xφ성분은 [식 1]의 거리방정식을 회전좌표계로 변환한 것(R'(u))이며, 이는 [식 5]와 같이 보정 거리방정식(R'(u))으로 표시할 수 있다.
[식 5]
Figure 112020055271174-pat00032
[식 4]의 yφ성분은 지향각(Φ sq)을 고려하기 전의 좌표계 상의 항공기의 비행방향에 따른 항공기 위치(u)와 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 항공기(또는 항공기에 탑재된 안테나부재(110, 120)의) 위치(u')를 나타내며, 이는 [식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 6]은 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 항공기에 탑재된 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 나타낸다.
[식 6]
Figure 112020055271174-pat00033
[식 6]을 [식 5]에 대입하면, 지향각만큼 회전시킨 좌표계 상의 위치(u')로[식 4] 치환된 거리방정식 [식 7]이 유도된다. [식 7]은 지향각 SAR 시스템에서 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00034
') 상의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수(R'(u'))를 나타낸다.
[식 7]
Figure 112020055271174-pat00035
예를 들어, [식 7]의 지향각(Φ sq)에 0°를 입력하면, 지향각이 존재하지 않는 경우의 거리방정식 [식 1]이 됨을 확인할 수 있다.
회전 리샘플링부(227)는 [식 5] 내지 [식 7]을 이용하여 1차 혼합된 데이터를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성한다.
본 실시예에서, 신호변환과정은 FMCW-SAR 신호모델을 기반으로 분석되었으며, 송·수신 신호의 주파수하향변환(frequency down conversion)과정을 거친 비트주파수(beat frequency)로부터 거리정보를 획득하는 FMCW 레이다 시스템 특성상 거리-도플러 신호영역을 나타내기 위하여 주파수-도플러 신호영역이 적용된다.
[식 8]은 FMCW-SAR 신호모델을 기반으로 주파수(f)와 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00036
') 상의 안테나 부재(110, 120) 위치(u')를 신호영역(f,u')으로 하는 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 나타낸다.
[식 8]
Figure 112020055271174-pat00037
[식 8]에서, f는 주파수를 나타내고, u'는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00038
') 상의 안테나 부재(110, 120) 위치를 나타내며, τ'은 목표물 지연시간을 나타내며, R'(u')는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00039
') 상의 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수를 나타낸다. 궤적 특성함수는 후술될 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)에 관한 설명에서 상술한다.
제2 푸리에 변환부(229)는 [식 9] 내지 [식 12]를 이용하여 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 인가받아, 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 대한 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 수행하여 제2 보정 원시데이터(s(f,k'u))를 생성한다.
제2 푸리에 변환부(229)에 의해 변환된 데이터는 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 회전된 제2 보정 원시데이터(s(f,k'u)가 된다. 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 회전된 제2 보정 원시데이터(s(f,k'u)는 주파수(f) 및 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(k'u)의 함수로 나타낼 수 있다.
전술한 [식 7]의 궤적 특성함수(R'(u'))를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 보정 궤적 특성함수(R'(ku'))로 변환하기 위하여, [식 8] 내지 [식 10]을 이용하여 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00040
') 상의 안테나 부재(110, 120) 위치(u')를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')로 변환한다. 이론에 의해 본 발명의 권리범위를 제한하려는 것은 아니지만, [식 8] 내지 [식 10]은 POSP(Principle of Stationary Phase) 근사기법을 이용한다.
[식 9] 및 [도 10]은 주파수(f)와 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00041
') 상의 안테나 부재(110, 120) 위치(u')를 변수로 하는 신호영역(f,u') 내의 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))를 생성하기 위하여, 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 푸리에 변환(Fourier Transmation)하는 과정 및 POSP 근사기법을 각각 나타낸다. 다른 실시예에서, 다양한 수치적 분석기법(예, interpolation, curve-fitting, re-sampling 등)이 사용될 수도 있다.
[식 9]
Figure 112020055271174-pat00042
[식 10]
Figure 112020055271174-pat00043
예를 들어, [식 10]은 하기의 [식 11]의 미분식을 풀어 정리하여 얻어질 수 있다. 또한, [식 11]은 [식 7]의 궤적 특성함수(R'(u'))를 미분하여 얻어질 수 있다. 다른 방식으로, [식 10]은 [식 7]의 A(u')을 정의하는 식을 이용하여 구할 수도 있다.
[식 11]
Figure 112020055271174-pat00044
[식 11]을 [식 10]에 대입하면, 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00045
') 상의 위치(u')와 푸리에 변환된 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')의 관계를 나타내는 [식 12]를 얻을 수 있다.
[식 12]
Figure 112020055271174-pat00046
궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)는 거리-도플러 영역 상의 회전된 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 따른 변위를 보상하여 제3 보정 원시데이터를(s'(f,ku'))를 생성한다.
본 발명의 실시예에서, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)는 비교실시예의 궤적 특성함수 생성부(31)과 비교하여 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 궤적 특성함수를 생성하며, 보정값(도 10의 △R')만큼 궤적 특성함수를 보정하는 기능을 더 포함한다.
이하, 궤적 특성함수 생성부(231)를 이용하여, 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수(R'(u'), [식 7])를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내에서 도플러 주파수(ku')를 변수로 하는 궤적 특성함수(R'(ku'))로 변환하는 기능을 설명한다. 구체적으로, 궤적 특성함수 생성부(231)는 항공기 진행방향(
Figure 112020055271174-pat00047
)을 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00048
') 상의 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수(R'(u'), [식 7])를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')를 변수로 하는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 궤적 특성함수(R'(ku'))로 변환하는 기능을 설명한다.
[식 12]는 [식 7]에서 정의한 A(u')식을 포함하고 있다. [식 12]에서 이항정리를 이용하면, [식 13], [식 14]와 같이 A(u')를 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')의 함수 A(ku')로 나타낼 수 있다.
[식 13]
Figure 112020055271174-pat00049
[식 14]
Figure 112020055271174-pat00050
[식 13] 및 [식 14]를 [식 7]에 대입하면, [식 15]와 같이 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 보정 궤적 특성함수(R'(ku'))를 구할 수 있다.
[식 15]
Figure 112020055271174-pat00051
본 발명의 실시예에 따른, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)는 [식 15]에 따라 항공기에 탑재된 안테나부재(110, 120)의 이동에 따른 변위를 지향각(φ sq)만큼 회전된 상태로 보상한다.
이후, 궤적 특성함수 생성부(231)은 [식 16]을 이용하여 지향각(φ sq)만큼 회전된 거리차(도 10의 △R')를 보정하여, 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 생성한다.
[식 16]
Figure 112020055271174-pat00052
[도 15] 및 [식 16]에서, (xc, yc)는 목표물 중심의 좌표를 나타내고, ku'은 내푸리에 변환된 거리-도플러 영역 상에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수를 나타내며, u'는 항공기 진행방향에 따른 안테나부재(110, 120)를 좌표(u)를 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 위치를 나타내며, A(ku') 및 A(u')는 각각 [식 13] 및 [식 14]를 나타내고, R'(u')는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계(
Figure 112020055271174-pat00053
') 상의 안테나부재(110, 120)의 위치(u')를 변수로 하는 궤적 특성함수를 나타내며, R'(ku')는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 보정 궤적 특성함수를 나타내고, R0는 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 내에서 중심거리를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 궤적 특성함수 생성부(231)는 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))로부터 전술한 [식 15] 및 [식 16]을 이용하여 항공기 이동량에 따른 변위를 보상하여 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 생성한다.
제2 데이터 혼합부(233)는 궤적 특성함수 생성부(231)에 의해 항공기 이동량에 따른 변위가 보상된 거리-도플러 영역 상의 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))에 정합필터(SM'(f,ku'))를 곱한다.
푸리에 역변환부(235)는 제2 데이터 혼합부(233)에 의해 혼합된 거리-도플러 영역 상의 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))와 정합필터(SM'(f,ku'))가 곱하여 생성된 제2 혼합 데이터를 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')로 역변환하여, 지표면 상의 좌표(x,y)에 따른 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 생성한다.
데이터 역회전부(237)는 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터(fc(x,y))를 생성한다. 본 발명의 실시예에서, 복원영상 데이터(fc(x,y))는 합성개구면 상의 각 화소의 좌표(x,y) 대한 영상데이터일 수 있다.
영상복원부(240)는 데이터 역회전부(237)에 의해 생성된 각 화소별 복원영상 데이터(fc(x,y))를 조합하여 합성개구면 상의 영상을 복원한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법을 설명한다.
도 11은 도 1에 도시된 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1, 도 2, 및 도 11을 참조하면, 먼저 송신파(2)를 지표면 상의 목표물 중심 f(xc, yc)으로 송신한다(S100).
구체적으로 송신파(2)를 생성하기 위하여, 파형발생기(150)를 이용하여 송신파(2)와 동일한 파형의 신호를 생성한다. 파형발생기(150)로부터 발생된 송신파(2)와 동일한 파형의 신호는 분배기(160)를 이용하여 송신안테나(110)와 믹서(205)로 분배된다. 분배기(160)를 이용하여 분배된 신호 중에서 송신안테나(110)로 인가된 신호가 송신파(2)가 되어 지표면 상의 목표물 중심 f(xc, yc)으로 송신된다.
이어서, 수신안테나(120)를 이용하여 지표면의 목표물 중심 f(xc, yc)으로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다(S110).
이후에, 수신파(4)로부터 원시데이터를 생성한다(S120).
구체적으로, 믹서(205)를 이용하여 분배기(160)로부터 인가받은 분배된 신호와 수신안테나(120)로부터 수신된 수신파(4)를 혼합한다. 원시데이터생성부(210)를 이용하여 믹서(205)에 의해 혼합된 신호로부터 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 각 화소별 거리를 나타내는 원시데이터 s(t,u)를 생성한다.
계속해서, 지향각보정부(220)를 이용하여 원시데이터(s(t,u))에서 지향각으로 인한 오류를 보정한다.
도 1, 도 2, 도 4 내지 도 11을 다시 참조하여, 원시데이터(s(t,u))에서 지향각으로 인한 오류를 보정하는 단계를 설명한다.
구체적으로, 지향각으로 인한 오류를 보정하기 위하여, 먼저 제1 푸리에 변환부(221)를 이용하여 원시데이터(s(t,u))에 시간에 대한 1차 푸리에 변환을 수행하여 제1 푸리에 변환 데이터(s(f,u))를 생성한다(S130).
이어서, 원시데이터 전처리부(223)를 이용하여 제1 푸리에 변환 데이터(s(f,u))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성한다(S140).
구체적으로, 원시데이터 전처리부(223)의 제1 데이터 혼합부(225)를 이용하여 1차 푸리에 변환된 데이터에 베이스밴드 변환(Baseband Conversion) 필터(SBB (f,u))를 곱하여 1차 혼합기능을 수행하여 제1 혼합 데이터를 생성한다.
이어서 원시데이터 전처리부(223)의 회전 리샘플링부(227)를 이용하여 제1 혼합데이터를 [식 5] 내지 [식 7]에 따라 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서 [식 8]과 같은 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성한다.
이후에 제2 푸리에 변환부(229)를 이용하여 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 [식 9] 내지 [식 12]에 따라 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 대한 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 수행하여 제2 보정 원시데이터(s(f,k'u))를 생성한다(S150).
계속해서, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)를 이용하여 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))에서 [식 15] 및 [식 16]에 따라 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 따른 변위를 보상하여 제3 보정 원시데이터를(s'(f,ku'))를 생성한다(S160). 본 발명의 실시예에서, 보정값(도 10의 △R', [식 16])만큼 궤적 특성함수를 보정하는 단계를 더 포함한다.
이어서, 제2 데이터 혼합부(233)를 이용하여 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))에 정합필터(SM'(f,ku'))를 곱하여 제2 혼합 데이터를 생성한다.
이후에, 푸리에 역변환부(235)를 이용하여 제2 혼합 데이터를 지향각(Φ sq)만큼 회전된 도플러 주파수(ku')로 역변환하여, 지표면 상의 좌표(x,y)에 따른 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 생성한다(S170).
계속해서, 데이터 역회전부(237)를 이용하여 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터(fc(x,y))를 생성한다(S180).
마지막으로, 영상복원부(240)를 이용하여 데이터 역회전부(237)에 의해 생성된 각 화소별 복원영상 데이터(fc(x,y))를 조합하여 합성개구면 상의 영상을 복원한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 지향각 SAR 기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 지향각오류가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정이 가능하다. 또한, 1번의 운항에서 얻어진 원시데이터를 이용하여 지향각오류가 제거된 영상을 복원할 수 있기 때문에, 시간과 비용이 감소된다.
또한, 회전 리샘플링부(227)가 시간(t)에 의해 푸리에 변환된 원시데이터(s(t,u))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서, 지향각(Φ sq)이 1차 보정된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성하여 지향각에 의한 오류를 1차적으로 보정한다.
또한, 제2 푸리에변환부(229) 및 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 생성함으로써, 일반적인 거리-도플러 영역 내에서의 푸리에 변환에 비해 지향각에 의한 오류가 2차적으로 보정되어 복원될 영상의 정확도가 향상된다.
또한, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(φ sq)만큼 회전된 거리차(도 10의 △R')를 3차적으로 보정한다.
또한, 데이터 역회전부(237)가 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 지향각에 의한 영향이 제거된 최종 복원영상을 위한 복원영상 데이터(fc(x,y))를 생성한다.
따라서, 4차례에 거쳐서 지향각(Φ sq )에 의한 영향을 보정함으로써 복원영상의 정확도가 향상된다. 또한 원시데이터 자체를 보정하기 때문에, 다양한 영상복원기법에 적용될 수 있는 장점이 있다.
실험예 1
거리-도플러 기반(Range Doppler Algorithm; RDA) 지향각 SAR 기반 영상복원장치는 도 1 및 도 6에 도시된 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 사용하였다. [표 1]은 도 12 및 도 15에 사용된 지향각 SAR 기반 영상복원장치의 제원을 나타낸다. 지향각 SAR 기반 영상복원장치로 항공기기반 FMCW-SAR 시스템이 사용되었다.
설정항목 설정값 비고
주파수대역 X-band BW=500 MHz
변조율(Kr) 5ell Hz/s tsweep=1ms
거리방향 샘플수(Range bins) 1,252 samples fs≒1.2 MHz
방위방향 샘플수(Azimuth bins) 2,001 samples
합성개구면 길이 120m
비행고도 1km
안테나 빔폭 φ=5°, θ=50°, 반전력빔폭
안테나 입사각 θinc=45°
목표물 중심 xc=1km (지면거리 기준)
지향각 설정값 φsq=15°
본 실험예에서, 합성개구면의 크기는 120m×200m의 크기를 가졌으며, 20m 간격으로 9개 목표물을 배치하였다.도 12 내지 도 15는 본 발명의 실험예 1에 따른 보정데이터를 나타내는 이미지들이다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 제1 푸리에 변환부(221)에 의해 생성된 제1 푸리에 변환 데이터(s(f,u))를 거리-방위각 좌표계 내에 도시한 이미지이다. 도 12에서 가로축은 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 항공기 진행방향에 따른 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 12을 참조하면, 제1 푸리에 변환부(221)에 의해 목표물의 영상은 직선방향으로 변형되었으며, 지향각(Φ sq)만큼 기울어진 형상을 나타냈다. 도 12에 도시된 직선형상의 기울어진 각도를 측정하여 기설정된 지향각(Φ sq)과 동일한 15°임을 확인할 수 있었다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 회전 리샘플링부(227)에 의해 생성된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 거리-방위각 좌표계 내에 도시한 이미지이다. 도 13에서, 가로축은 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 13를 참조하면, 회전 리샘플링부(227)에 의해 지향각(Φ sq=15°)만큼 역회전되어 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))지향각으로 인한 오류가 1차로 보정되었음을 확인하였다.
도 14은 비교실시예에 따라 도 3에 도시된 제2 푸리에 변환부(29)에 의해 생성된 거리-도플러 영역(Range-Doppler domain) 상의 원시데이터(s(f,ku))를 거리-도플러 좌표계 내에 도시한 이미지이다. 도 13에서 가로축은 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 항공기 진행방향에 따른 도플러 주파수를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 14을 참조하면, 비교실시예에 따른 제2 푸리에 변환부(29)는 지향각으로 인한 오류를 그대로 둔 상태에서 제2 푸리에 변환을 실시하였기에, 거리-도플러 영역 상의 원시데이터(s(f,ku))는 지향각으로 인해 기울어진 형상을 그대로 나타내었다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 제2 푸리에 변환부(229)에 의해 생성된 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역(거리-도플러 좌표계) 내에 도시한 이미지이다. 도 15에서, 가로축은 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 지향각만큼 회전시킨 좌표계 상의 도플러 주파수를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 15를 참조하면, 제2 푸리에 변환부(229)에 의해 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 항공기 위치변수에 대한 2차 푸리에 변환을 실시하되, 항공기 이동에 따른 위치변수(u)가 아닌, 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 따른 2차 푸리에 변환을 실시하였다.
항공기 이동에 따른 위치변수(u)에 따라 2차 푸리에 변환을 실시하는 경우, 회전 리샘플링부(227)에 의해 생성된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))가 2차 푸리에 변환되는 과정에서 지향각(Φ sq)으로 인한 왜곡이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는, 항공기 이동에 따른 위치변수(u)가 아닌, 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 따른 2차 푸리에 변환을 실시하였기에 지향각(Φ sq)으로 인한 왜곡없이 2차 푸리에 변환이 가능하였다.
도 16는 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 궤적 특성함수 생성부(231)에 의해 생성된 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역(거리-도플러 좌표계) 내에 도시한 이미지이다. 도 16에서, 가로축은 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 지향각만큼 회전시킨 좌표계 상의 도플러 주파수를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 16를 참조하면, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)에 의해 제2 보정 원시데이터(s(f,ku'))에서 지향각(Φ sq)만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수(u')에 따른 변위 및 회전으로 인한 거리차(도 10 및 [식 16]의 △R')를 보상하여 제3 보정 원시데이터를(s'(f,ku'))를 생성하였다. 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))는 지향각으로 인한 효과가 없이 거리-도플러 영역 내의 선명한 이미지를 나타냈다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 제2 데이터 혼합부(233) 및 푸리에 역변환부(235)에 의해 생성된 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 거리-방위각 좌표계 내에 도시한 이미지이다. 도 17에서, 가로축은 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상의 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 17을 참조하면, 제2 데이터 혼합부(233) 및 푸리에 역변환부(235)에 의해 생성된 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상에 투영하여, 9개의 선명한 목표물 이미지가 생성되었다. 다만, 지향각(Φ sq)만큼 회전시킨 좌표계 상에 투영되었기에 목표물들이 지향각(Φ sq)만큼 회전된 상태로 표시되었다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 도 6에 도시된 데이터 역회전부(237)에 의해 생성된 복원영상 데이터(fc(x,y))를 거리-방위각 좌표계 내에 도시한 이미지이다. 도 18에서, 가로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 1, 도 6, 및 도 18을 참조하면, 데이터 역회전부에 의해 생성된 복원영상 데이터(fc(x,y))는, 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상에 20m 간격으로 배열된 9개의 목표물들을 나타내었다.
상기와 같은 실험예 1에 따르면, 지향각 SAR 기반 영상복원장치가 15°의 지향각을 가졌을 때, 120m×200m의 크기를 갖는 합성개구면 내에서 20m 간격을 갖는 9개의 목표물들의 영상을 정확하게 복원하였다.
실험예 2
도 1 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예와, 도 3에 도시된 비교실시예에 따른 복원영상들을 비교하였다. SAR 기반 영상복원장치의 제원은 [표 1]과 동일하되, 지향각은 10°로 적용하고 합성개구면의 중앙에 위치하는 1개의 목표물만을 분석하였다.
도 19은 도 3에 도시된 비교실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지이다. 도 19에서, 가로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 19을 참조하면, 지향각이 10°인 경우, 지향각으로 인한 비틀림으로 인하여 영상복원이 불가능할 정도로 복원영상이 일그러진 형상을 나타냈다.
도 20는 도 19에 도시된 복원영상의 거리방향 해상도를 나타내는 그래프이고, 도 21은 도 19에 도시된 복원영상의 방위방향 해상도를 나타내는 그래프이다. 도 20의 가로축은 거리방향의 길이를 나타내고, 세로축은 복원영상의 함수값(f)을 나타낸다. 도 21의 가로축은 방위방향의 길이를 나타내고, 세로축은 복원영상의 함수값(f)을 나타낸다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 방위방향의 해상도는 비교적 인식가능한 범위로 나타났으나, 거리방향의 해상도가 일그러져서 해상도를 논의하는 것이 의미없을 정도로 영상복원이 잘 되지 않았음을 확인하였다.
도 22은 도 1 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지이다. 도 22에서, 가로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 거리방향(range direction)의 길이를 나타내며, 세로축은 항공기 진행방향에 따른 좌표계 상의 방위방향(azimuth direction)의 길이를 나타낸다.
도 23는 도 22에 도시된 복원영상의 거리방향 해상도를 나타내는 그래프이고, 도 24은 도 22에 도시된 복원영상의 방위방향 해상도를 나타내는 그래프이다. 도 23의 가로축은 거리방향의 길이를 나타내고, 세로축은 복원영상의 함수값(f)을 나타낸다. 도 24의 가로축은 방위방향의 길이를 나타내고, 세로축은 복원영상의 함수값(f)을 나타낸다.
도 22 내지 도 24을 참조하면, 거리방향의 오차(△R)가 0.286m 이었고, 방위방향의 오차(△u)가 0.181m이었다. 방위방향의 오차(△u)는 하기의 [식 17]에 의해 구했다.
[식 17]
Figure 112020055271174-pat00054
[식 17]에서 Ku'+는 도플러 주파수의 최대값을 나타내고, Ku'-는 도플러 주파수의 최소값을 나타내며, BW(ku')는 대역폭을 나타낸다. ku'과 u'의 관계는 [식 12]로 부터 구할 수 있으며, u'과 u의 관계는 [식 6]으로부터 구할 수 있다.
지향각이 10°인 경우, 이론상 예측되는 거리방향의 오차(△R)가 0.3m 이고, 방위방향의 오차(△u)가 0.183m이므로, 본 발명의 실시예에 따른 지향각 SAR 기반 영상복원장치의 해상도는 비교실시예에 비해 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
동일한 SAR 기반 영상복원장치의 지향각을 다양하게 변경하여 해상도를 분석하였다. SAR 기반 영상복원장치의 제원은 [표 1]과 동일하되, 지향각을 1°간격으로 0°에서부터 45°까지 변경하고 합성개구면의 중앙에 위치하는 1개의 목표물만을 분석하였다.
도 25 내지 도 28은 각각 지향각이 0°, 15°, 30°, 45°인 경우, 도 1 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 의해 복원된 영상을 나타내는 이미지들이다. 도 29은 본 발명의 실시예에 따라 지향각을 다양하게 변화시킨 경우, 방위방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00055
△u0), 이론상 예측되는 방위방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00056
△usq), 실험예 3에 따른 방위방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00057
△usq), 실험예 3에 따른 거리방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00058
△Rsq)를 나타내는 이미지들이다.
도 25 내지 도 29을 참조하면, 실험예3에 따른 방위방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00059
△usq)는 이론상 예측되는 방위방향 해상도(
Figure 112020055271174-pat00060
△usq)에 비해 5% 이하의 오차만을 나타내었다. 오차가 발생한 원인은 제2 푸리에 변환부(229)에서 PSOP 근사기법을 사용하였기 때문이다. 당해 기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 당업자라면 수치해석기법을 변경할 경우, 보다 정확한 해상도를 구할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 실험예에 따르면, 지향각이 변경되더라도 복원영상에서 목표물의 정확한 위치가 특정됨을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 지향각 SAR 기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 지향각오류가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정이 가능하다. 또한, 1번의 운항에서 얻어진 원시데이터를 이용하여 지향각오류가 제거된 영상을 복원할 수 있기 때문에, 시간과 비용이 감소된다.
또한, 회전 리샘플링부(227)가 시간(t)에 의해 푸리에 변환된 원시데이터(s(t,u))를 지향각(Φ sq)만큼 회전시켜서, 지향각(Φ sq)이 1차 보정된 제1 보정 원시데이터(s(f,u'))를 생성하여 지향각에 의한 오류를 1차적으로 보정한다.
또한, 제2 푸리에변환부(229) 및 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(Φ sq)만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 제3 보정 원시데이터(s'(f,ku'))를 생성함으로써, 일반적인 거리-도플러 영역 내에서의 푸리에 변환에 비해 지향각에 의한 오류가 2차적으로 보정되어 복원될 영상의 정확도가 향상된다.
또한, 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부(231)가 지향각(φ sq)만큼 회전된 거리차(도 10의 △R')를 3차적으로 보정한다.
또한, 데이터 역회전부(237)가 제4 보정 데이터(f'(x,y))를 지향각(Φ sq )만큼 역회전시켜서 지향각에 의한 영향이 제거된 최종 복원영상을 위한 복원영상 데이터(fc(x,y))를 생성한다.
따라서, 4차례에 거쳐서 지향각(Φ sq )에 의한 영향을 보정함으로써 복원영상의 정확도가 향상된다. 또한 원시데이터 자체를 보정하기 때문에, 다양한 영상복원기법에 적용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 항공뷰, 지형도 작성, 해양탐사, 원격탐사, 인공위성탐사, 항공기탐사, 부유실험장치를 이용한 탐사, 조류탐사, 기상탐사, 군사용 등의 용도로 사용될 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.
110, 120 : 안테나부재 150 : 파형발생기
160 : 분배기 205 : 믹서
210 : 원시데이터생성부 220 : 지향각보정부
20 : 원시데이터 변환부 221, 21 : 제1 푸리에 변환부
223 : 원시데이터 전처리부 225 : 제1 데이터 혼합부
227 : 회전 리샘플링부 229, 29 : 제2 푸리에 변환부
231, 31 : 궤적 특성함수(Range Cell Migration; RCM) 생성부
233 : 제2 데이터 혼합부 33 : 데이터 혼합부
235, 35 : 제3 푸리에 변환부 237 : 데이터 역회전부
240, 40 : 영상복원부

Claims (6)

  1. 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기;
    상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배하는 분배기;
    상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하되, 항공기 이동방향에 수직한 방향을 기준으로 지향각만큼 기울어진 안테나부재;
    상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 믹서;
    상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 목표물 중심과의 거리를 측정하여 상기 목표물 중심의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부;
    상기 원시데이터생성부에 연결되며, 상기 원시데이터에 시간에 대한 1차 푸리에 변환을 수행하는 제1 푸리에 변환부;
    상기 제1 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터를 생성하는 원시데이터 전처리부;
    상기 원시데이터 전처리부에 연결되며, 상기 제1 보정 원시데이터에 상기 지향각만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수에 대한 푸리에 변환을 수행하여 제2 보정 원시데이터를 생성하는 제2 푸리에 변환부;
    상기 제2 푸리에 변환부에 연결되며, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성하는 궤적 특성함수 생성부;
    상기 제3 보정 원시데이터에 정합필터를 곱하는 생성된 혼합데이터를 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수로 푸리에 역변환하여 지표면 상의 좌표에 따른 제4 보정 데이터를 생성하는 푸리에 역변환부;
    상기 푸리에 역변환부에 연결되며, 상기 제4 보정 데이터를 상기 지향각만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터를 생성하는 데이터 역회전부; 및
    상기 복원영상 데이터를 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 영상을 복원하는 영상복원부를 포함하는 지향각 SAR 기반 영상복원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원시데이터 전처리부는
    상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터에 베이스밴드 변환 필터를 곱하는 혼합기능을 수행하여 제1 혼합 데이터를 생성하는 데이터 혼합부; 및
    상기 제1 혼합 데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 회전 리샘플링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지향각 SAR 기반 영상복원장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 베이스밴드 변환 필터는 상기 1차 푸리에 변환한 데이터와 정합필터의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 지향각 SAR 기반 영상복원장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 보정 원시데이터는 상기 지향각만큼 회전된 거리-도플러(Range-Doppler) 영역내의 데이터로서, 주파수 및 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수의 함수인 것을 특징으로 하는 지향각 SAR 기반 영상복원장치.
  5. 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 항공기 이동방향에 수직한 방향을 기준으로 지향각만큼 기울어지고 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 연결되는 원시데이터생성부와, 상기 원시데이터생성부에 연결되는 제1 푸리에 변환부와, 상기 제1 푸리에 변환부에 연결되는 원시데이터 전처리부와, 상기 원시데이터 전처리부에 연결되는 제2 푸리에 변환부와, 상기 제2 푸리에 변환부에 연결되는 궤적 특성함수 생성부와, 상기 궤적 특성함수 생성부에 연결되는 푸리에 역변환부와, 상기 푸리에 역변환부에 연결되는 데이터 역회전부와, 상기 데이터 역회전부에 연결되는 영상복원부를 포함하는 지향각 SAR 기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서,
    상기 송신안테나를 이용하여, 상기 송신파를 상기 지표면 상으로 송신하고, 상기 지표면으로부터 반사된 수신파를 상기 수신안테나를 통하여 수신하는 단계;
    상기 믹서를 이용하여, 상기 분배기로부터 분배받은 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 단계;
    상기 원시데이터 생성부를 이용하여, 상기 혼합된 신호로부터 상기 지표면 상의 목표물 중심과의 거리를 측정하여 상기 목표물 중심의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성하는 단계;
    상기 제1 푸리에 변환부를 이용하여, 상기 원시데이터에 시간에 대한 1차 푸리에 변환을 수행하는 단계;
    상기 원시데이터 전처리부를 이용하여, 상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계;
    상기 제2 푸리에 변환부를 이용하여, 상기 제1 보정 원시데이터에 상기 지향각만큼 회전된 좌표계 상의 항공기 위치변수에 대한 푸리에 변환을 수행하여 제2 보정 원시데이터를 생성하는 단계;
    상기 궤적 특성함수 생성부를 이용하여, 상기 항공기의 이동에 따른 변위를 상기 지향각만큼 회전된 상태로 보상하고, 상기 회전으로 인하여 발생하는 거리차를 추가로 보상하여 제3 보정 원시데이터를 생성하는 단계;
    상기 푸리에 역변환부를 이용하여, 상기 제3 보정 원시데이터에 정합필터를 곱하는 생성된 혼합데이터를 상기 지향각만큼 회전된 도플러 주파수로 푸리에 역변환하여 지표면 상의 좌표에 따른 제4 보정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 데이터 역회전부를 이용하여, 상기 제4 보정 데이터를 상기 지향각만큼 역회전시켜서 복원영상 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 영상복원부를 이용하여, 상기 복원영상 데이터를 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 영상을 복원하는 단계를 포함하는 영상복원방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계는
    상기 1차 푸리에 변환된 원시데이터에 베이스밴드 변환 필터를 곱하여 혼합데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 혼합 데이터를 상기 지향각만큼 회전시켜서 상기 제1 보정 원시데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상복원방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101009967B1 (ko) 2010-08-12 2011-01-20 엘아이지넥스원 주식회사 레이더 영상 생성 장치와 그 방법, 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체
KR101190731B1 (ko) 2010-06-28 2012-10-16 한국과학기술원 광역 고해상도 영상을 위한 다중 입력 다중 출력 영상 레이더 이용방법 및 이를 이용한 시스템
JP2015025669A (ja) * 2013-07-24 2015-02-05 三菱電機株式会社 レーダシステム、レーダ装置およびレーダ信号処理装置
KR101785684B1 (ko) 2016-10-04 2017-10-16 서울대학교산학협력단 내부 시간지연을 이용한 해양변위 관측시스템의 외부보정방법
KR20190084146A (ko) * 2017-12-18 2019-07-16 서울대학교산학협력단 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101190731B1 (ko) 2010-06-28 2012-10-16 한국과학기술원 광역 고해상도 영상을 위한 다중 입력 다중 출력 영상 레이더 이용방법 및 이를 이용한 시스템
KR101009967B1 (ko) 2010-08-12 2011-01-20 엘아이지넥스원 주식회사 레이더 영상 생성 장치와 그 방법, 및 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록된 기록매체
JP2015025669A (ja) * 2013-07-24 2015-02-05 三菱電機株式会社 レーダシステム、レーダ装置およびレーダ信号処理装置
KR101785684B1 (ko) 2016-10-04 2017-10-16 서울대학교산학협력단 내부 시간지연을 이용한 해양변위 관측시스템의 외부보정방법
KR20190084146A (ko) * 2017-12-18 2019-07-16 서울대학교산학협력단 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법
KR102090318B1 (ko) 2017-12-18 2020-04-28 서울대학교산학협력단 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법

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