KR102418200B1 - 레이더, 특히, 합성 개구 레이더의 수신 데이터의 감소 - Google Patents

레이더, 특히, 합성 개구 레이더의 수신 데이터의 감소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다음의 단계를 갖는 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법과 관련된다: 처프형 송신 신호로부터 발산되는 레이더 에코 신호(S10)를 수신하는 단계, 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도를 특정하는 단계(S12), 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 단계(S14), 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대한 서브-대역 윈도를 결정하는 단계(S16), 레이더 에코 신호의 수신 시간의 함수로서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화시키는 단계(S18), 및 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성화된 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트에 의해 레이더 에코 신호를 샘플링하는 단계.

Description

레이더, 특히, 합성 개구 레이더의 수신 데이터의 감소{REDUCTION OF RECEIVE DATA OF A RADAR, IN PARTICULAR, A SYNTHETIC APERTURE RADAR}
본 발명은 독립 청구항에 따르는 레이더(radar), 특히, 합성 개구 레이더(synthetic aperture radar)(SAR)의 수신 데이터의 감소를 위한 방법과 관련되며, 레이더, 특히, 합성 개구 레이더(SAR)의 데이터를 위한 수신기와 관련된다.
비행 레이더 플랫폼에서, 수신된 레이더 데이터의 감소는 한편으로는 임무 요건, 다른 한편으로는 제한된 다운링크 용량 때문에 야기되는 필수 사항이다. 또한 데이터 감소는 그 밖의 다른 적용예, 가령, 저장 비용을 감소시키는 데 바람직할 수 있다.
비행 플랫폼의 예시로는, 이동 안테나에 의해 물체, 가령, 지구 표면을 주사하는 SAR 레이더가 있다. 주사를 위해 SAR은 송신 펄스를 송신하고, 주사되는 물체(타깃)에 의해 반사되는 송신 펄스인 레이더 에코 신호를 수신한다. 안테나에 의해 조명되고 주사되는 각각의 영역에 대해, SAR 프로세서가, 에코 신호(타깃 에코)의 데이터를 각각 프로세싱함으로써, 주사되는 영역의 이미지를 계산한다. SAR이, 예를 들어 지구 표면을 측정 및 이미징하도록 사용된다. 일반적으로 SAR에 의해 송신되는 송신 펄스가 처프 펄스(chirp pulse)이며, 특히, 선형 주파수 변조된 펄스이다. 위성뿐 아니라, 지구 표면 또는 위성 표면 위 충분한 높이에서 비행하는 다른 항공기 또는 다른 비행 물체가 SAR에 대한 비행 플랫폼으로서 사용될 수 있다.
도 1은 비행 SAR 플랫폼을 위한 (레이더) 에코 신호 또는 수신 데이터의 데이터 감소를 위한 관련 양태를 도시한다. 이미지 생성을 원하는 영역(16)(도 1에서 타원형 영역 내에 놓이는 장방형 영역)이 SAR 시스템(12)의 송신 펄스(10)에 의해 조명되는 영역(14)(도 1의 타원형 영역) 내부에 형성된다. 따라서, 가장 가까운 타깃(18) 또는 가장 먼 타깃(20)이 존재하며, 이들 중 가장 먼 타깃은 장면의 지오메트리에 따라 여러 번 나타날 수 있지만, 이는 중요하지 않다. 가장 가까운 타깃 및 가장 먼 타깃으로부터의 에코 신호(22 또는 24)가 SAR 시스템(12)의 수신기에서 획득되는데, 가령, 신호는 SAR 시스템(12)의 송신기에서 생성되었었다. 여기서 가능한 도플러 편이(Doppler shift)가 무시될 수 있다. 중간에 삽입된 타깃으로부터 발산되는 모든 에코가 있다. 원하는 영역 밖이지만 조명되는 영역 안에 놓이며, 가장 가까운 타깃의 앞에 또는 가장 먼 타깃 뒤에 놓인 타깃이 수신 신호에서 처프(chirp)를 표시한다.
도 2는 수신 레이더 에코 신호의 주파수 스펙트럼의 시간-주파수 다이어그램에서 수신 신호로의 타깃의 할당을 도시한다. 레이더 신호로서 사용되는 처프 신호의 스펙트럼에 의해 대역폭이 결정된다. 레이더 에코 신호의 수신 윈도는 원하는 영역(16)의 함수이다. 다시 말하면, 레이더 에코 신호는 수신 윈도 내에서 원하는 영역(16)으로부터 수신된다. 레이더 에코 신호를 평가하기 위해, 어둡게 가려진 신호 부분만 요구된다. 어두운 색 신호 부분을 횡방향으로 그리는 2개의 밝은 줄무늬가 원하는 영역(16) 외부에 있는 타깃의 타깃 에코를 포함하고, 이들 영역으로부터의 신호 에너지가 SAR 프로덕트로 들어가지 않는다. 도 2의 밝은 빗금 친 (삼각형) 영역은 수신 잡음만 포함하며 타깃 에코로부터 어떠한 신호 에너지도 포함하지 않는다.
따라서 지금까지는 데이터의 감소를 위한 디지털 방법이 우주 임무에서 매우 제한적인 범위로만 사용되었다. 왜냐하면 디지털 데이터 감소를 위해 요구되는 데이터 레이트(data rate)를 위한 내방사선 전자 부품이 현재까지 이용 가능하지 않기 때문이다.
본질적으로 데이터 감소를 위한 자연스러운 방법은 사용되는 대역폭으로의 레이더 에코의 샘플링 레이트(sampling rate) 및 대응하는 안티-앨리어싱 필터(anti-aliasing filter)의 적응이다. 이 방법은, 예를 들어, 위성 TerraSAR-X, TanDEM-X 및 PAZ에 적용된다. 이 경우, 세 가지 서로 다른 샘플링 레이트가 이용 가능하다:
Figure 112015110562162-pat00001
100 MHz의 신호 대역폭의 경우 110 MHz,
Figure 112015110562162-pat00002
150 MHz의 신호 대역폭의 경우 165 MHz, 및
Figure 112015110562162-pat00003
300 MHz의 신호 대역폭의 경우 330 MHz.
업스트림에 배치된 아날로그 안티-앨리어싱 필터는 수신기 잡음의 스펙트럼 제한을 보장한다.
장기간 사용되어 온 또 다른 데이터 감소 방법은 저역 통과 필터에 의해 원하는 신호를 추출할 수 있게 하는 시간-주파수 평면의 변환에 대응하는 디램핑(deramping)이다. 불행히도 도 3에 도시된 바와 같이 디램핑은 매우 특수한 경우에만 유용하다. 시간-주파수 다이어그램 또는 스펙트로그램(spectrogram)에서, 백색 영역은 시간-주파수 영역에서 SAR 에코의 기준 데이터를 나타내며, 회색 사각형은 기록될 데이터를 나타낸다. 스워스 폭(swath width)에 대한 처프-펄스 길이의 비가 큰 경우(다이어그램 상단 좌측), 디램핑이 데이터 볼륨을 상당히 감소시킬 수 있다(다이어그램 하단 좌측). 넓은 스워스의 경우(우측), 어떠한 이점도 없다.
앞서 기재된 두 방법 모두 제한적인 범위로만 수신 신호의 특성을 이용한다. 복수의 서로 다른 SAR 모드를 갖는 기구는 데이터를 감소하기 위해 상당히 더 유연한 방법을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 레이더, 가령, SAR의 데이터의 개선된 감소를 가능하게 하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항에서 제공된 것에 의해 이뤄진다. 본 발명의 추가 실시예가 종속 청구항에 의해 제공된다.
본 발명의 기본적인 아이디어는, 처프형 송신 신호인 발산되는 레이더 신호의 수신된 레이더 에코 신호에 대해, 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로, 특히, SAR의 스워스를 기초로, 시간 수신 윈도를 특정하고, 수신된 레이더 에코 신호를 스펙트럼 서브-대역들로 분할하며, 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대해, 이전에 특정된 시간 수신 윈도 내에 놓인 서브-대역 윈도를 결정하는 것이다. 이를 위해, 수신된 레이더 에코 신호의 전체 관심 정보 내용이 서브-대역 윈도에 포함된다. 상기 서브-대역 윈도는 레이더 에코 신호의 수신 시간의 함수로서 시간 수신 윈도 내에서 활성화된다. 그 후 수신된 레이더 에코 신호를 샘플링하기 위한 샘플링 레이트는 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성화된 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절된다. 다시 말하면, 앞서 기재된 본 발명에 따르는 절차가 가변 샘플링 레이트를 구현하고, 이 결과로서, 레이더의 데이터가 감소될 수 있다. 이를 위해, 처프형 송신 신호가 즉, 시간 종속적 송신 주파수를 갖는 하나 또는 복수의 주파수 영역을 만드는 송신 신호로서 이해되어야 한다. 이 경우, 일반적인 예로는 선형 및 비선형, 특히, 지수형 처프 또는 처프 신호가 있다. 더 일반적으로, 하나 또는 복수의 주파수 범위에 걸친 결정적 특징을 갖는 스펙트로그램을 갖는 송신 신호가 본 발명의 목적에 적합할 수 있다. 본 발명에 대해, 예를 들어, 스펙트로그램을 갖는 신호가 선형 곡선을 갖지 않으며, 클라우드(cloud)형 곡선이 또한 적합할 것이다. 이 경우, 송신 신호의 단기 스펙트럼이 송신 펄스의 과정 동안 결정론적으로 편이시켜, 수신된 레이더 에코 신호의 전체 관심 정보 내용이 서브-대역 윈도에 포함되도록 적절한 방식으로, 처프형 송신 신호로부터 발산되는 수신 신호에 따라 서브-대역 윈도를 특정하는 것이 가능하고 이 경우, 서브-대역 윈도의 적어도 하나의 부분이 전체 레이더 에코 신호보다 짧을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 다음의 단계들을 갖는 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법과 관련된다: 처프형 송신 신호로부터 발산되는 레이더 에코 신호를 수신하는 단계, 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도를 특정하는 단계, 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 단계, 레이더 에코 신호의 수신 시간의 함수로서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화하는 단계, 및 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성화된 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트에 의해 레이더 에코 신호를 샘플링하는 단계.
구체적으로, 각각의 서브-대역 윈도가 각각의 서브-대역 윈도 내 레이더 에코 신호가 레이더에 의해 검출될 영역에 대한 정보를 포함하는 레이더 에코 신호의 시간 수신 영역을 마스킹하도록 레이더 에코 신호의 시간 수신 영역을 마스킹하도록 각각의 서브-대역 윈도를 활성화하기 위한 스위치-온 및 스위치-오프 순간이 선택된다.
스펙트럼 서브-대역은 대략적으로 동일한 크기의 스펙트럼 범위를 갖도록 선택될 수 있다.
덧붙여, 기준 샘플링 레이트 FS/M은 레이더 에코 신호의 스펙트럼 및 스펙트럼 서브-대역의 개수 M의 함수로서 특정될 수 있고, 샘플링 레이트가 기준 샘플링 레이트의 함수로서 조절될 수 있다.
수신된 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 것은, 각각의 스펙트럼 서브-대역이 적어도 하나의 인접한 스펙트럼 서브-대역에 직접 접하도록 수행될 수 있다.
구체적으로, 레이더 에코 신호의 샘플링 값이, 서브-대역 윈도를 활성화하기 위한 스위치-온 및 스위치-오프 순간과 함께, 감소된 수신 데이터로서 출력된다.
감소된 수신 데이터는 블록 적응성 양자화에 의해 더 감소될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예가 본 발명에 따르는 앞서 기재된 방법에 의해 감소되는 레이더의 수신 데이터를 처리하기 위한 방법이며, 여기서 수신 데이터에 의해 나타나는 신호가 신호를 스펙트럼 서브-대역으로 분할하고 스펙트럼 서브-대역의 개수에 따라 샘플링 레이트를 감소시키기 구성된 필터 뱅크에 의해 디지털식으로 필터링된다.
특히, 수정된 DFT 필터 뱅크가 필터 뱅크로서 사용된다.
본 발명의 추가 실시예는, 컴퓨터에서 수행될 때, 본 발명에 따르고 앞서 기재된 모든 방법 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램과 관련된다.
덧붙여, 본 발명의 하나의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드가 저장되는 본 발명에 따르는 데이터 운반체와 관련된다.
본 발명의 추가 실시예는 처프형 송신 신호로부터 발산되는 레이더 에코 신호를 위한 수신기를 갖는 레이더의 수신 데이터를 감소하기 위한 장치와 관련되며, 상기 수신기는 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도가 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 특정되도록 하는 방식으로 구성되며, 상기 장치는 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하고, 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대해 서브-대역 윈도를 결정하며, 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화하고, 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성화되는 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트에 의해 레이더 에코 신호를 샘플링하기 위한 데이터 감소 수단을 포함한다.
데이터를 감소하기 위한 수단은 본 발명에 따르는 방법을 수행하도록 특히 구성될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예는 본 발명에 따르는 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치에 의해 감소된 레이더의 수신 데이터를 처리하기 위한 장치와 관련되며, 상기 장치는 수신 데이터에 의해 나타나는 신호를 디지털식으로 필터링하기 위한 필터 뱅크를 가지며, 상기 필터 뱅크는 신호를 스펙트럼 서브-대역들로 분할하고 스펙트럼 서브-대역의 개수에 따라 샘플링 레이트를 감소시키도록 구성된다.
구체적으로, 상기 필터 뱅크는 수정된 DFT 필터 뱅크이다.
본 발명의 추가 이점 및 적용 가능성이 도면에 도시된 예시적 실시예와 함께 이하의 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
상세한 설명, 특허청구범위, 요약서 및 도면이 첨부된 도면 부호의 목록의 용어 및 할당된 도면 부호를 이용한다.
도 1은 비행 SAR에 의해 생성되는 SAR 이미지 기록의 지오메트리를 도시한다.
도 2는 SAR 시스템의 레이더 수신 신호로 타깃의 할당을 갖는 시간-주파수 다이어그램 또는 스펙트로그램을 도시한다.
도 3은 디램핑 전과 후의 SAR에 의해 수신되는 레이더 에코의 기준 데이터의 스펙트로그램을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따라, 레이더 에코의 순간 대역폭에 샘플링 레이트를 적응시킴으로써 야기된 필터링에 의한 데이터 볼륨의 감소 전 및 후의, SAR 시스템에 의해 수신되는 레이더 에코의 기준 데이터의 스펙트로그램을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 SAR 시스템의 수신 데이터를 감소시키기 위한 방법의 예시적 실시예의 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따르는, 레이더 에코 또는 레이더 수신 신호의 스펙트로그램, 및 수신 신호의 스펙트럼 서브-대역으로의 분할 및 서브-대역의 시간 윈도잉을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따르는 데이터 감소 레이더 수신 신호를 프로세싱하기 위해 사용되는 MDFT 필터 뱅크의 앨리어싱을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따르는 데이터 감소가 없을 때 및 있을 때의 원본 SAR 데이터를 갖는 레이더 펄스의 스펙트로그램을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따르는 레이더의 수신 데이터를 감소하기 위한 방법의 예시적 실시예를 포함하는 SAR 시스템의 블록도를 도시한다.
다음의 기재에서, 동일한 기능, 기능적으로 동일하게 연결된 요소들에게 동일한 도면 부호가 제공될 수 있다. 이하에서 예시로서 절댓값이 제공되지만 본 발명이 이에 제한되지는 않는다.
다음에서 기재된 방법은 포인트 타깃을 검출하는 것에 국한되지 않으며, 이들은 본 명세서에 단지 신호 특성을 설명하기 위해서만 나열된다. 다음의 기재에서, 레이더 신호, (레이더) 에코 (신호), (레이더) 수신 신호, 타깃 에코 및 수신 신호라는 용어가 수신된 레이더 신호를 지칭한다.
본 발명에 따르면, 레이더 에코의 순간적인 대역폭에 대해, 수신된 레이더 에코 신호의 샘플링 레이트를 적응시킴으로써 수신된 레이더 신호의 누적 데이터 볼륨의 최적화를 가능하게 한다. 기록된 데이터 볼륨(도 4의 좌측의 회색 사각형)은, 가능한 한, 기준 데이터(도 4의 좌측의 백색 영역)로 한정될 것이다. 구체적으로, 도 4의 우측에서 도시되는 바와 같이, 밝은 회색 영역을 필터링 제거함으로써 누적 데이터 볼륨이 상당히 감소될 수 있다.
본 발명에 따라 SAR 시스템의 수신 데이터를 감소하기 위한 방법이 개별 방법 단계들을 보여주는 도 5의 흐름도를 기초로 기재된다. 이 방법은, 예를 들어, 사전 프로세싱(preprocessing)을 위해, 특히, 데이터 감소를 위해, SAR 위성의 기판 상에 제공될 수 있는 컴퓨터의 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램에서 알고리즘의 형태를 가질 수 있다. 또한 방법은 차후 기재될 방법 단계들을 구현하는 레이더 에코 신호를 위한 수신기 및 데이터를 감소시키기 위한 수단을 갖는 장치에 의해 구현될 수 있다. 이 경우, 수신기의 일부분 및 데이터를 감소하기 위한 수단이 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어로 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 그러나 특정 용도 구성요소(application specific component)가 또한 기능들 중 적어도 일부를 구현하도록 사용될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법에 의한 데이터의 감소는 이미지를 생성하기 위해 SAR 위성과 SAR 프로세서, 즉, SAR 데이터를 프로세싱하기 위한 장치 간의 대역폭을 효과적으로 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 덧붙여, 방법의 다음 기재는 도 6에 도시된 레이더 에코의 스펙트로그램을 지칭한다.
첫째, 단계(S10)에서, 레이더 에코 신호가 수신되고, 도 1에서 도면 부호(22 및 24)를 참조할 수 있다. 수신된 레이더 에코 신호는 처프-형 송신 신호, 특히, 처프 신호인 발산된 레이더 신호의 대역폭에 대응하는 주파수 대역폭을 갖는 신호이다. 이러한 레이더 에코 신호의 통상적인 스펙트로그램의 예시가 도 6의 상단 다이어그램으로 도시된다. 다이어그램에 의해 도시되는 스펙트로그램이 시간-주파수 평면에서 수신 신호를 나타낸다.
도 1에 도시된 상황을 기초로 도입부에서 기재된 바와 같이, 레이더는 하나의 특정 영역만 검출하기 때문에, 단계(S12)에서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도(temporal receive window)가 검출될 영역 내 가장 가까운 타깃 및 가장 먼 타깃의 에코에 의해 결정되는 검출될 영역을 기초로 특정된다: 도 2를 또한 참조할 수 있다.
단계(S14)에서, 적절한 필터에 의해, 수신된 신호 또는 레이더 에코가 스펙트럼 서브-대역들로 분할된다. 분할은, 스펙트럼 서브-대역들이 대략 크기가 동일한 스펙트럼 범위를 갖도록, 즉, 이들이 대략적으로 크기가 동일한 주파수 폭을 갖는 영역을 갖도록 수행될 수 있다. 덧붙여, 분할은, 각각의 스펙트럼 서브-대역이 적어도 하나씩의 스펙트럼 서브-대역에 직접 접하도록 수행될 수 있으며, 접하는 것은 또한 인접한 서브-대역들의 부분 겹침 또는 인접한 서브-대역들 간 작은 주파수 갭도 포함한다. 이러한 분할은 레이더 에코 신호의 주파수 스펙트럼을 서브-대역들로 연속으로 분할하는 것을 가능하게 한다. 그 밖의 다른 분할이 또한 가능할 수 있는데, 가령, 인접한 서브-대역들 간 특정 거리를 갖는 것이 있으며, 이로써 필터의 슬로프(slope)가 더 낮아질 수 있다. 레이더 에코 신호의 스펙트럼의 분할은 상호연결되어야 하는 것이 아니라 복수의 구성요소에 의해 구성될 수 있다. 도 6에서, 레이더 에코 신호의 주파수 스펙트럼 Fs의 M=6 서브-대역으로의 분할이 수행된다. 본 발명에 따르는 방법은, 원칙적으로, 스펙트럼 갭을 갖는 신호를 다루는 데 적합하다. 특히, 상기 스펙트럼 갭이 서브-대역 경계와 일치하는 경우, 서브-대역들은 서로 직접 인접할 필요는 없으며, 신호의 스펙트럼 갭에 대응하는 갭이 개별 서브-대역들 간에 존재할 수 있다. 이 경우 서브-대역이 입력 신호 또는 수신 신호의 스펙트럼을 마스킹하는 것이 수신된 신호의 차후 재구성을 위해 중요하다.
단계(S16)에서, 대응하는 서브-대역에서 레이더 에코의 전체 정보 콘텐츠가 각각의 서브-대역 윈도에 포함되도록 수신 윈도 내에서 서브-대역 윈도가 결정된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 서브-대역의 개별 서브-대역 윈도들은 서로 간에 시간상 편이된다. 서브-대역 윈도 밖의 서브-대역 신호의 섹션(도 6의 어둡게 가려진 부분)이 폐기될 수 있다.
단계(S18)에서, 서브-대역 윈도가 레이더 에코 신호의 수신 시점의 함수로서 수신 윈도 내에 활성화된다. 도 6은 6개의 서브-대역 윈도가 서로 다른 시점에서 활성화되고 다시 비활성화되는 것을 도시한다. 이 경우, 각각의 서브-대역 윈도의 활성화 순간은 레이더에 의해 검출될 영역 및 각각의 서브-대역에서 이 영역으로부터 반사되는 에코의 수신 순간에 따라 달라진다. 도 6에서, 각각의 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간은, 수신 윈도의 시작 시점 T0에서부터 시작하여 동일한 시간 간격 dT의 배수만큼 시간상 편이된다(이하에서, 레이더 에코의 전체 정보 콘텐츠를 검출하기 위한 5개의 서브-대역 윈도만 나열된다):
제1 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간 t=T0 + 0*dT,
제2 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간 t=T0 + 1*dT,
제3 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간 t=T0 + 2*dT,
제4 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간 t=T0 + 3*dT,
제5 서브-대역 윈도의 스위치-온 순간 t=T0 + 4*dT.
도 6에서, 각각의 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간이, 수신 윈도의 시작 시점 T0 및 섹션 변경을 위한 시간 간격 dTw에서 시작하여 동일한 시간 간격 dT의 배수만큼 시간상 편이된다(이하에서, 레이더 에코의 전체 정보 내용을 검출하기 위한 5개의 서브-대역 윈도만 나열된다):
제1 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간 t=T0+4*dT+dTw+0*dT;
제2 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간 t=T0+4*dT+dTw+1*dT;
제3 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간 t=T0+4*dT+dTw+2*dT;
제4 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간 t=T0+4*dT+dTw+3*dT;
제5 서브-대역 윈도의 스위치-오프 순간 t=T0+4*dT+dTw+4*dT.
도 6에 도시된 서브-대역의 시간 윈도가 단지 예시에 불과하며, 동일한 시간 간격 dT가 또한 가변적일 수 있다.
단계(S20)에서, 레이더 에코 신호가 샘플링된다. 이 경우, 샘플링 레이트가 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 순간 신호 폭에 근사한다. 샘플링 레이트는, 레이더 에코 신호의 스펙트럼 및 스펙트럼 서브-대역의 개수의 함수로서 특정될 수 있는 기준 샘플링 레이트(baseline sampling rate)의 함수로서 조절될 수 있다. 도 6에서, 예를 들어, M=6개의 스펙트럼 서브-대역 및 레이더 에코 신호의 대역폭 FS에 대한 기준 샘플링 레이트 FS/M이 특정되고 샘플링 레이트는 활성 서브-대역 윈도의 함수로서 FS/6, 2*FS/6, 3*FS/6, 4*FS/6 또는 5*FS/6의 값으로 조절된다. 따라서 샘플링 레이트는 시간에 따라 계단 형태로 변한다. 구체적으로, 서브-대역을 선택함으로써 샘플링 레이트가 내재적으로 도출되며 샘플링 레이트는 활성 서브-대역의 서브-대역 샘플링 레이트들의 합이다.
스위치-온 및 스위치-오프 순간과 관련하여, 샘플링 레이트는 레이더 에코 신호의 감소된 수신 데이터로서 출력되어 서브-대역 윈도를 활성화시킬 수 있다(단계(S22)). 이러한 방식으로 감소된 데이터는 추후 전송되거나 저장될 수 있다.
덧붙여, 서브-대역 신호 또는 서브-대역 윈도의 스위치-온 및 스위치-오프 순간을 적절하게 결정함으로써, 비선형 주파수 변조 처프 신호가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 신호 스펙트럼이 상호 연결될 필요가 없으며 복수의 구성요소로부터 조합될 수 있다.
기술 서적 "Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing", Curlander John C. 및 McDonough Robert N., New York, John Wiley & Sons, Inc., 1991에 기재된 바와 같이, 서브-대역 신호의 블록 적응적 양자화(block adaptive quantization)에 의해 데이터 볼륨의 추가 감소가 가능하다.
레이더 신호를 추가로 프로세싱하기 위해, 서브-대역 신호가 하나의 개별 신호로 적절하게 재구성될 필요가 있다. 수신 신호의 서브-대역들로의 분해 및 출력 신호로의 재구성이 필터 뱅크에 의해 수행된다. 이 경우, 신호는 예를 들어 동일한 폭의 M=16개의 서브-대역으로 분할되고 서브-대역의 샘플링 레이트가 M(임계 데시메이션(critical decimation))에 의해 감소된다.
일반적으로, 데시메이션 동안 기준 신호의 수용할 수 없는 변동을 초래하는 앨리어스 신호(alias signal)가 형성된다. 이러한 이유로, 이른바 수정된 DFT(Discrete Fourier Transformation) 필터 뱅크(또한 과학 논문 "Modified DFT filter banks with perfect reconstruction", Karp T. and Fliege N.J., IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 1999. - Bd. 46. - S. 1404-1414.)가 사용될 수 있으며, 이는 이의 구조 덕분에, 앨리어스 신호의 일부분을 제거할 수 있다. 나머지 앨리어스 신호는 필터 감쇠(filter attenuation)에 의해 충분히 억제되거나 두 가지 효과를 갖는 거울 신호이다:
1. 이들 신호는 외부 서브-대역의 스펙트럼의 최외부 가장자리에서만 나타난다.
2. 이들 신호의 주파수 변조의 부호가 명목 레이더 신호에 비해 반전된다.
이하에서, 첫 번째 포인트는 MDFT 필터 뱅크의 앨리어싱을 나타내는 도 7을 참조하여 간단히 도시되고, 레이더 신호의 스펙트럼이 어두운 회색으로 도시된다. 이를 위해, 서브-대역 1...4(임의의 넘버링)이 사용된다. 에너지가 서브-대역 4보다 높고 서브-대역 1보다 낮은 스펙트럼 범위에서 서브-대역 4 또는 1로 전달된다. 이 경우, 수신기 잡음 또는 그 밖의 다른 바람직하지 않은 신호가 발생할 수 있다. 이 필터 뱅크의 필터 특성 및 특수 구조 때문에, 이 신호 전송은 이들 서브-대역의 가장자리에서만 나타난다. 기준 신호의 대역폭이 도 7에 도시된 것과 같은 경우, 어떠한 스펙트럼 겹침도 발생하지 않는다. 기준 신호의 대역폭이 더 큰 경우, 다음 번, 연결된 서브-대역이 또한 송신되어야 한다. 신호와 잡음의 출력 밀도에 추가로, 정확한 순간이 또한 필터 가장자리의 기울기, 정지대역 감쇠 및 희망 신호대잡음 비의 함수이다.
두 번째 포인트는 도 6의 계단 영역에서 중요성을 획득한다. 여기서, 원하는 영역 밖의 타깃 에코로부터 기인하는 신호 에너지가 (도 1과 비교해서) 비-전송된 서브-대역의 스펙트럼 범위 내에 존재한다. 그러나 이들이 거울 신호이기 때문에, 주파수 변조의 부호가 명목 레이더 신호로 반전된다. 레이더 신호의 다음 프로세싱에서, 이 거울 신호는 임의의 상관 이득을 획득하지 않고 최종 레이더 제품에서, 가령, 잡음으로서, 나타난다. 필터 기울기 및 정지대역 감쇠를 고려하여, 원하는 신호대잡음 비가 획득되도록 서브-대역 신호를 스위칭하기 위한 적절한 시점이 결정될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법에 의해 감소된 수신 데이터를 프로세싱하기 위한 방법은 가령 이미지 프로세싱을 위한 SAR 프로세서로서 사용되는 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램으로의 알고리즘의 형태로 구현될 수 있다. 또한 상기 방법은 수신 데이터에 의해 나타내는 신호에 의해 디지털 필터링하기 위한 필터 뱅크, 특히, 앞서 기재된 바와 같이, 스펙트럼 서브-대역의 개수에 따라 신호를 스펙트럼 서브-대역으로 분할하고 샘플링 레이트를 감소하도록 구성된 수정된 DFT 필터 뱅크를 갖는 장치에 의해 구현될 수 있다. 이 경우, 필터 뱅크의 부분은 적어도 부분적으로 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 그러나 특정 용도 구성요소가 기능, 가령, FPGA(field programmable gate array)의 적어도 일부를 구현하기 위해 사용될 수 있다.
도 8에서, 데이터 감소가 없을 때 및 있을 때의 수신 레이더 에코 신호의 스펙트로그램, 즉, 데이터 감소가 없을 때(상부) 및 데이터 감소가 있을 때(하부)의 TerraSAR 기록으로부터의 본래의 SAT 데이터를 갖는 레이더 에코 신호(펄스)의 스펙트로그램이 예시로서 도시된다. 여기서 주파수는 ±π로 스케일링되고 시간은 임의로 스케일링된다. 선택된 예시에서, 데이터 감소의 크기는 43%이다.
도 9는 본 발명에 따르는 데이터 감소 장치가 사용되는 SAR 시스템을 도시한다. 데이터 감소 장치는 수신된 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 스펙트럼 분석 장치(50), 및 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대해 서브-대역 윈도를 결정하고, 레이더 에코 신호의 수신 신호의 함수로서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화하고, 각각의 샘플링 순간에서 활성화된 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 샘플링 레이트에 의해 레이더 에코 신호를 샘플링하는 서브-대역 선택 장치(52)를 가진다. 이러한 방식으로 생성된 레이더 에코 신호의 수신 데이터가 송신 경로(54), 특히, 무선 송신 경로를 통해, SAR 프로세서에 의해 구현되며, 앞서 기재된 바와 같이, 레이더 에코 신호의 감소된 수신 데이터로부터 본래의 레이더 에코 신호를 재구성하는 SAR 합성 장치(56)로 전송된다.
10 처프 신호
12 SAR 시스템
14 SAR 시스템(12)에 의해 조명되는 영역
16 SAR 시스템(12)에 의한 이미지를 생성하기 위한 희망 영역
18 영역(16)에서 SAR 시스템(12)에 가장 가까운 타깃
20 영역(16)에서 SAR 시스템(12)으로부터 가장 먼 타깃
22 타깃(18)의 레이더 에코 신호
24 타깃(20)의 레이더 에코 신호
50 스펙트럼 분석 장치
52 서브-대역 선택 장치
54 감소된 SAR 데이터를 위한 송신 경로
56 SAR 합성 장치

Claims (15)

  1. 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법으로서, 상기 방법은
    - 처프형 송신 신호(chirp-like transmit signal)로부터 발산되는 레이더 에코 신호를 수신하는 단계(S10),
    - 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도를 특정하는 단계(S12),
    - 수신된 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 단계(S14),
    - 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대해 서브-대역 윈도를 결정하는 단계(S16),
    - 레이더 에코 신호의 수신 시간의 함수로서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화하는 단계(S18), 및
    - 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성인 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트를 이용해 레이더 에코 신호를 샘플링하는 단계(S20)
    를 포함하는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 서브-대역 윈도가 각각의 서브-대역 윈도에서의 레이더 에코 신호가 레이더에 의해 검출될 영역에 대한 정보를 포함하는 시간 수신 영역을 마스킹하도록 각각의 서브-대역 윈도를 활성화하기 위한 스위치-온 및 스위치-오프 순간이 선택되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    스펙트럼 서브-대역은 거의 동일한 크기를 갖는 스펙트럼 범위를 갖도록 선택되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    기준 샘플링 레이트 FS/M가 레이더 에코 신호의 스펙트럼 및 스펙트럼 서브-대역의 개수 M의 함수로서 특정되고 샘플링 레이트가 기준 샘플링 레이트의 함수로서 조절되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수신된 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 것은, 각각의 스펙트럼 서브-대역이 적어도 하나의 인접한 스펙트럼 서브-대역에 직접 접하도록, 수행될 수 있는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    레이더 에코 신호의 샘플링 값이, 서브-대역 윈도를 활성화하기 위한 스위치-온 및 스위치-오프 순간에 따라, 감소된 수신 데이터로서 출력되는(S22), 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    감소된 수신 데이터가 블록 적응성 양자화(block adaptive quantization)에 의해 추가로 감소되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 따르는 방법에 의해 감소된 레이더의 수신 데이터를 처리하기 위한 방법으로서, 수신 데이터에 의해 나타난 신호가 신호를 스펙트럼 서브-대역들로 분할하고 스펙트럼 서브-대역의 개수에 따라 샘플링 레이트(sampling rate)를 감소하도록 구성된 필터 뱅크(filter bank)에 의해 디지털식으로 필터링되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    수정 DFT 필터 뱅크가 필터 뱅크로서 사용되는, 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법.
  10. 컴퓨터 판독형 저장 매체에 저장되며, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 제1항 또는 제2항에 따르는 방법의 모든 방법 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램.
  11. 컴퓨터에 의해 실행 가능한 청구항 제10항에 따르는 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드가 저장되는 컴퓨터 판독형 저장 매체.
  12. 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치로서, 상기 장치는
    - 처프형 송신 신호로부터 발산되는 레이더 에코 신호를 위한 수신기 - 상기 수신기는 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도가 특정되도록, 구성됨 - , 및
    - 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하고, 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대한 서브-대역 윈도를 결정하며, 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화시키고, 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성화된 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트에 의해 레이더 에코 신호를 샘플링하기 위한 데이터 감소 수단(50, 52)
    을 포함하는, 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    데이터 감소 수단은 레이더의 수신 데이터의 감소를 위한 방법을 수행하도록 구성되며, 상기 방법은
    - 처프형 송신 신호(chirp-like transmit signal)로부터 발산되는 레이더 에코 신호를 수신하는 단계(S10),
    - 레이더에 의해 검출될 영역을 기초로 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도를 특정하는 단계(S12),
    - 수신된 레이더 에코 신호를 복수의 스펙트럼 서브-대역으로 분할하는 단계(S14),
    - 각각의 스펙트럼 서브-대역에 대해 서브-대역 윈도를 결정하는 단계(S16),
    - 레이더 에코 신호의 수신 시간의 함수로서 레이더 에코 신호의 시간 수신 윈도 내 서브-대역 윈도를 활성화하는 단계(S18), 및
    - 각각의 샘플링 인스턴스에서 활성인 서브-대역 윈도의 개수의 함수로서 조절되는 샘플링 레이트를 이용해 레이더 에코 신호를 샘플링하는 단계(S20)
    를 포함하고,
    각각의 서브-대역 윈도가 각각의 서브-대역 윈도에서의 레이더 에코 신호가 레이더에 의해 검출될 영역에 대한 정보를 포함하는 시간 수신 영역을 마스킹하도록 각각의 서브-대역 윈도를 활성화하기 위한 스위치-온 및 스위치-오프 순간이 선택되는, 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치.
  14. 청구항 제12항에 따르는 장치에 의해 감소된 레이더의 수신 데이터를 처리하기 위한 장치로서, 상기 장치는 수신 데이터에 의해 나타나는 신호를 디지털식으로 필터링하기 위한 필터 뱅크를 포함하며, 상기 필터 뱅크는 신호를 스펙트럼 서브-대역들로 분할하고 스펙트럼 서브-대역의 개수에 따라 상기 샘플링 레이트를 감소시키도록 구성되는, 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 필터 뱅크는 수정된 DFT 필터 뱅크인, 레이더의 수신 데이터를 감소시키기 위한 장치.

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