KR102494079B1 - 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치 및 이를 이용하는 영상복원방법 - Google Patents
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Abstract
비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터 생성부, 국부좌표계 생성부, 기준경로 보정부, 비틀림 지향각 보정부, 국부좌표계 보정부, 역투영부 및 영상복원부를 포함한다. 상기 국부좌표계 생성부는 상기 원시데이터생성부에 연결되며, 상기 안테나부재의 지향각이 없는 상태를 가정하여 상기 안테나부재의 위치를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로로 하며 합성개구면 상에서 상기 원시기준경로에 수직하는 방향을 원시빔주사방향으로 하는 직교좌표계인 국부좌표계를 생성한다. 상기 국부좌표계 보정부는 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 비틀림 지향각 보정부에 연결되며, 상기 비틀림 지향각 보정부에 의해 산출된 상기 비틀림 지향각을 이용하여 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정한다.
Description
본 발명은 합성 개구면 레이더의 비틀림 왜곡을 보정하는 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기에 의해 측정된 합성개구면 레이더(Synthetic Aperture Radar; SAR) 데이터의 비틀림 왜곡(Skewed Error)를 보정하는 영상복원장치 및 이를 이용하는 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 진동으로 인한 오류, 레이더의 조사방향이 비틀어져서 발생하는 지향각오류(Squint Error) 등이 발생될 수 있다.
위 다양한 오류들, 예를 들어 지향각오류, 등에 대한 보정기술로 대한민국 등록특허 제10-2121474호("비선형 비행 궤적에서 스퀸트 스포트라이트 모드를 위한 SAR 신호 처리기와 항공기 탑재 합성구경 레이더 및 방법"), 대한민국등록특허 제10-2151362호("극좌표변환을 이용한 한공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법"), 대한민국 등록특허 제10-2156489호("항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법"), 대한민국 등록특허 제10-2156490호("항공기기반 분할영상복원장치 및 이를 이용한 분할영상복원방법") 등과 같은 기술이 개발되었다.
그러나 지향각에 의한 오류와 항공기의 비선형거동에 의한 왜곡이 동시에 발생하는 복합오류(이하, '비틀림 왜곡'이라고 함)가 발생하는 경우, 이를 보정하는 것이 매우 어려우며 일부 보정이 가능하더라도 역투영을 반복하거나 데이터를 분할하는 과정에서 계산시간이 길어지거나 오류가 증가하는 등의 문제점이 발생한다. 또한 비틀림 왜곡의 정도가 심한 경우에는 원시데이터의 사용이 불가능하여 항공기를 이용한 탐사를 다시 수행하는 경우가 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 합성개구면 레이더(Synthetic Aperture Radar; SAR) 데이터의 비틀림 왜곡(Skewed Error)를 보정하는 영상복원장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터 생성부, 국부좌표계 생성부, 기준경로 보정부, 비틀림 지향각 보정부, 국부좌표계 보정부, 역투영부 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 포함하고 항공기에 탑재된다. 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 각 좌표별 거리를 측정하여 상기 각 좌표별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성한다. 상기 국부좌표계 생성부는 상기 원시데이터생성부에 연결되며, 상기 안테나부재의 지향각이 없는 상태를 가정하여 상기 안테나부재의 위치를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로로 하며 합성개구면 상에서 상기 원시기준경로에 수직하는 방향을 원시빔주사방향으로 하는 직교좌표계인 국부좌표계를 생성한다. 상기 기준경로 보정부는 상기 원시데이터 생성부에 연결되며, 상기 항공기의 비선형 실제경로를 평균하여 직선형상의 보정된 기준경로를 설정한다. 상기 비틀림 지향각 보정부는 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 기준경로 보정부에 연결되며, 상기 원시기준경로와 상기 보정된 기준경로 사이의 각도를 좌표변환 회전각도로 결정하고 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)인 수신신호 회전각도와 합산하여 상기 항공기의 비선형 거동과 상기 안테나부재의 스퀸트 각도를 지향각 형태인 비틀림 지향각으로 산출한다. 상기 국부좌표계 보정부는 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 비틀림 지향각 보정부에 연결되며, 상기 비틀림 지향각 보정부에 의해 산출된 상기 비틀림 지향각을 이용하여 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정한다. 상기 역투영부는 상기 원시데이터 생성부 및 상기 국부좌표계 보정부에 연결되며, 상기 원시데이터를 상기 보정된 국부좌표게 상에 역투영하여 상기 보정된 국부좌표계 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수를 설정한다. 상기 영상복원부는 상기 역투영부에 연결되며, 각 좌표에 대응되는 상기 영상복원을 위한함수를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.
일 실시예에서, 상기 원시데이터 생성부는 상기 항공기의 비선형경로를 하기의 [식 1]과 같이 근사할 수 있다(α는 항공기의 비선형경로 오차의 크기(amplitude)를 나타내고, β는 sin함수로 근사한 항공기의 비선형경로 오차의 주기(period)를 나타내며, γ는 항공기의 비선형경로 오차의 중심점 이동(offset)을 나타낸다).
[식 1]
일 실시예에서, 상기 원시데이터 생성부는 상기 수신파를 하기의 [식 2]와 같이 산정할 수 있다(t는 시간을 나타내고, u는 항공기 위치를 나타내며, α(u)는 항공기 위치(u)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u)는 항공기 위치(u)별 목표물 지연시간을 나타낸다.).
[식 2]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 생성부는 상기 국부좌표계 상의 목표물 지연시간을 하기의 [식 3]과 같이 산정할 수 있다((x,y,z)는 국부좌표계 상에서 목표물의 좌표를 나타내고, (ux,uy,uz)는 원시기준경로(
)를 비행하는 항공기의 좌표를 나타낸다).
[식 3]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 보정부는 거리-도플러(Range-Doppler)영역 내에서 상기 국부좌표계의 각 좌표를 상기 비틀림 지향각 만큼 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 생성부는 합성개구면의 중간위치를 기준으로 하는 하나의 국부좌표계만을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 생성부는 상기 항공기의 이동경로 상의 복수개의 점들을 기준점으로 하는 복수개의 국부좌표계들을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비틀림 지향각 보정부는 [식 4]와 같이 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 성분인 수신신호 회전각도(φsq,0)와 항공기의 실제 비선형경로를 평균하여 구해진 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 합산하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출할 수 있다.
[식 4]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 보정부는 [식 5]와 같이 상기 수신파에 보정성분 위상함수를 곱한 값을 푸리에변환한 후에 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정하여 도플러중심을 이동시킬 수 있다(ω는 수신파의 주파수를 나타내고, u는 안테나부재의 위치를 나타내며, 
는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 도플러주파수를 나타내고, 
는 송신파의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수를 나타내고, 
는 수신파를 나타내며, 
는 보정성분 위상함수를 나타내며, 
는 도플러중심이 이동된 신호를 나타낸다).
[식 5]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 보정부는 상기 송신파의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수(
)를 [식 6]과 같이 비틀림 지향각(φsq)의 함수로 나타낼 수 있으며, 비틀림 지향각(φsq)은 전술한 [식 4]에 의해 구할 수 있다.
[식 6]
일 실시예에서, 상기 역투영부는 [식 7]을 통하여 상기 보정된 국부좌표계(x',y') 상의 각 좌표에 대응되는 복원영상을 위한 함수(f(x',y'))를 구할 수 있다((x',y')는 보정된 국부좌표계 상의 x-y 평면 상의 좌표를 나타내고, u'p는 p번째 좌표에 대응되는 항공기의 위치를 나타내며, t는 시간을 나타내고, s(t,u'p)는 보정된 국부좌표계 상의 수신파를 나타내며, α(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 목표물 지연시간을 나타내며, τ~(u'p)는 GPS 정보로부터 추정된 지연시간을 나타내며, M(u'p)는 정합필터를 나타낸다. 정합필터(M(u'p))는 [식 8]과 같이 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 나타낸다. 정합필터(M(u'p))를 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 구성하는 이유는, 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')는 함성개구면의 위도경도 좌표계와 다르기 때문에 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')에 따른 지연시간을 반영하여 합성개구면 내의 복원영상으로 투영하기 위해서이다).
[식 8]
본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림 영상 복원을 위한 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서, 비틀림 영상 복원을 위한 영상복원장치는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하고 항공기에 탑재되는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 연결되는 원시데이터 생성부와, 상기 원시데이터생성부에 연결되는 국부좌표계 생성부와, 상기 원시데이터 생성부에 연결되는 기준경로 보정부와, 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 기준경로 보정부에 연결되는 비틀림 지향각 보정부와, 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 비틀림 지향각 보정부에 연결되는 국부좌표계 보정부와, 상기 원시데이터 생성부 및 상기 국부좌표계 보정부에 연결되는 역투영부와, 상기 역투영부에 연결되는 영상복원부를 포함한다. 상기 영상복원방법에 있어서, 먼저 상기 송신안테나를 이용하여, 상기 송신파를 상기 지표면 상으로 송신하고, 상기 지표면으로부터 반사된 수신파를 상기 수신안테나를 통하여 수신한다. 이어서 상기 믹서를 이용하여, 상기 분배기로부터 분배받은 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합한다. 이후에 상기 원시데이터 생성부를 이용하여, 상기 혼합된 신호로부터 상기 지표면 상의 목표물과의 거리를 측정하여 상기 목표물의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다. 계속해서 상기 국부좌표계 생성부를 이용하여, 상기 안테나부재의 지향각이 없는 상태를 가정하여 상기 안테나부재의 위치를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로로 하며 합성개구면 상에서 상기 원시기준경로에 수직하는 방향을 원시빔주사방향으로 하는 직교좌표계인 국부좌표계를 생성한다. 이어서 상기 기준경로 보정부를 이용하여, 상기 항공기의 비선형 실제경로를 평균하여 직선형상의 보정된 기준경로를 설정한다. 이후에 상기 비틀림 지향각 보정부를 이용하여, 상기 원시기준경로와 상기 보정된 기준경로 사이의 각도를 좌표변환 회전각도로 결정하고 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)인 수신신호 회전각도와 합산하여 상기 항공기의 비선형 거동과 상기 안테나부재의 스퀸트 각도를 지향각 형태인 비틀림 지향각으로 산출한다. 계속해서 상기 국부좌표계 보정부를 이용하여, 상기 비틀림 지향각 보정부에 의해 산출된 상기 비틀림 지향각을 이용하여 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정한다. 이어서 상기 역투영부를 이용하여, 상기 원시데이터를 상기 보정된 국부좌표게 상에 역투영하여 상기 보정된 국부좌표계 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수를 설정한다. 이후에 상기 영상복원부를 이용하여, 각 좌표에 대응되는 상기 영상복원을 위한함수를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.
일 실시예에서, 상기 원시데이터를 생성하는 단계는, 상기 안테나부재와 상기 합성개구면 내의 각 좌표별 거리를 측정하여 상기 각 좌표별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 원시데이터 생성부를 이용하여 상기 항공기의 비선형경로를 하기의 [식 1]과 같이 근사하는 단계를 더 포함할 수 있다(α는 항공기의 비선형경로 오차의 크기(amplitude)를 나타내고, β는 sin함수로 근사한 항공기의 비선형경로 오차의 주기(period)를 나타내며, γ는 항공기의 비선형경로 오차의 중심점 이동(offset)을 나타낸다).
[식 1]
일 실시예에서, 상기 원시데이터 생성부를 이용하여 상기 수신안테나를 통하여 수신된 수신파를 하기의 [식 2]와 같이 산정하는 단계를 더 포함할 수 있다(t는 시간을 나타내고, u는 항공기 위치를 나타내며, α(u)는 항공기 위치(u)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u)는 항공기 위치(u)별 목표물 지연시간을 나타낸다.).
[식 2]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계 생성부를 이용하여 상기 국부좌표계 상의 목표물 지연시간을 하기의 [식 3]과 같이 산정하는 단계를 더 포함할 수 있다((x,y,z)는 국부좌표계 상에서 목표물의 좌표를 나타내고, (ux,uy,uz)는 원시기준경로(
)를 비행하는 항공기의 좌표를 나타낸다).
[식 3]
일 실시예에서, 상기 비틀림 지향각을 산정하는 단계는 [식 4]와 같이 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 성분인 수신신호 회전각도(φsq,0)와 항공기의 실제 비선형경로를 평균하여 구해진 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 합산하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출할 수 있다.
[식 4]
일 실시예에서, 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 단계는 거리-도플러(Range-Doppler)영역 내에서 상기 국부좌표계의 각 좌표를 상기 비틀림 지향각 만큼 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 단계는 [식 5]와 같이 상기 수신파에 보정성분 위상함수를 곱한 값을 푸리에변환한 후에 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정하여 도플러중심을 이동시킬 수 있다(ω는 수신파의 주파수를 나타내고, u는 안테나부재의 위치를 나타내며, 
는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 도플러주파수를 나타내고, 
는 송신파의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수를 나타내고, 
는 수신파를 나타내며, 
는 보정성분 위상함수를 나타내며, 
는 도플러중심이 이동된 신호를 나타낸다).
[식 5]
일 실시예에서, 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 단계는 상기 송신파의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수(
)를 [식 6]과 같이 비틀림 지향각(φsq)의 함수로 산정할 수 있으며, 비틀림 지향각(φsq)은 전술한 [식 4]에 의해 구할 수 있다.
[식 6]
일 실시예에서, 상기 역투영하는 단계는 [식 7]을 통하여 상기 보정된 국부좌표계(x',y') 상의 각 좌표에 대응되는 복원영상을 위한 함수(f(x',y'))를 구할 수 있다((x',y')는 보정된 국부좌표계 상의 x-y 평면 상의 좌표를 나타내고, u'p는 p번째 좌표에 대응되는 항공기의 위치를 나타내며, t는 시간을 나타내고, s(t,u'p)는 보정된 국부좌표계 상의 수신파를 나타내며, α(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 목표물 지연시간을 나타내며, τ~(u'p)는 GPS 정보로부터 추정된 지연시간을 나타내며, M(u'p)는 정합필터를 나타낸다. 정합필터(M(u'p))는 [식 8]과 같이 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 나타낸다. 정합필터(M(u'p))를 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 구성하는 이유는, 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')는 함성개구면의 위도경도 좌표계와 다르기 때문에 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')에 따른 지연시간을 반영하여 합성개구면 내의 복원영상으로 투영하기 위해서이다).
[식 8]
상기와 같은 본 발명에 따르면, 항공기기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 발생하는 지향각오류와 항공기의 이동경로가 비선형적이어서 발생하는 오류가 복합적으로 작용하는 비틀림 왜곡에 의한 오류(Skewed Error)가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정된 역투영이미지를 얻을 수 있다.
또한 비틀림 왜곡에 의한 오류가 크더라도 보정을 통한 영상의 복원이 가능하므로, 항공기를 여러번 운행할 필요가 없기 때문에 시간과 비용이 감소된다.
또한 원시데이터를 국부좌표계로 투영하는 과정에서 항공기의 비선형경로에 의한 비틀림왜곡을 1차적으로 보정하고, 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 각 국부좌표계를 2차 보정한 후에 역투영을 이용하여 영상을 복원한다. 따라서 복원영상의 정확도가 향상된다.
또한 원시데이터의 역투영과정에 대한 반복적인 보정과정 없이, 입력자료에 대한 국부좌표계 설정 및 비틀림 지향각(φsq)을 고려한 영상좌표 수정만으로 항공기의 비선형 거동 및 지향각에 의한 비틀림 왜곡을 용이하게 보정하였다.
또한 항공기가 비선형경로를 따라서 이동하며 항공기에 탑재된 안테나부재(110,120)에 지향각이 존재하더라도, 상기 복합적인 요인에 의한 비틀림왜곡을 모두 지향각의 형태로 고려하여 보정된 영상을 복원할 수 있다. 또한 국부좌표계 수준에서 2단계의 보정이 완료된 후에 역투영(back-projection)을 실시하므로 계산량이 감소하여 시간이 절약된다.
따라서, 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 구조 및 이를 이용한 영상복원방법이 단순해지고 수행시간 및 비용이 감소한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 합성 개구면 레이더(Synthetic Aperture Radar ; SAR) 데이터에 비틀림 왜곡에 의한 오류(Skewed Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 국부좌표계 생성부를 이용하여 원시기준경로(
) 및 원시빔주사방향(
)을 기저벡터로 하는 국부좌표계를 설정하는 방법을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시된 국부좌표계(x,y)를 국부좌표계 보정부에 의해 2차 보정한 좌표정보(x',y')를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 도 6에 도시된 국부좌표계를 2차 보정하는 과정을 나타내는 그래프들이다.
도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 좌표계들의 변환과정에서 지향각 보정부를 이용하여 좌표변환 회전각도를 산출하는 기능을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 비교실험예 1에 따라 원시기준경로를 따라서 이동하며 지향각이 없는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 14는 도 13에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 15는 도 14에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 14에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 비교실험예 2에 따라 비선형경로를 따라서 이동하며 지향각이 존재하는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 18은 도 17에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 19는 도 18에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 20은 도 18에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 21은 실험예 1에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다.
도 22는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 원시데이터 생성부에 의해 생성된 원시데이터를 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 23은 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 생성부에 의해 생성된 좌표계로 재설정한 후에 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 24는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 보정부에 의해 보정된 국부좌표계로 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 25는 실험예 2에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다.
도 26은 도 25에 의해 얻어진 수신파의 원시데이터를 그대로 역투영한 이미지이다.
도 27은 도 25에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용하여 역투영한 이미지이다.
도 28은 도 26의 화살표부분을 확대한 이미지이다.
도 29는 도 26의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 30은 도 26의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 31은 도 27의 화살표부분을 확대한 이미지이다.
도 32는 도 27의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 33은 도 27의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 합성 개구면 레이더(Synthetic Aperture Radar ; SAR) 데이터에 비틀림 왜곡에 의한 오류(Skewed Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 국부좌표계 생성부를 이용하여 원시기준경로(
도 6은 도 5에 도시된 국부좌표계(x,y)를 국부좌표계 보정부에 의해 2차 보정한 좌표정보(x',y')를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 도 6에 도시된 국부좌표계를 2차 보정하는 과정을 나타내는 그래프들이다.
도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 좌표계들의 변환과정에서 지향각 보정부를 이용하여 좌표변환 회전각도를 산출하는 기능을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 비교실험예 1에 따라 원시기준경로를 따라서 이동하며 지향각이 없는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 14는 도 13에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 15는 도 14에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 14에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 비교실험예 2에 따라 비선형경로를 따라서 이동하며 지향각이 존재하는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이다.
도 18은 도 17에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이다.
도 19는 도 18에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 20은 도 18에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 21은 실험예 1에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다.
도 22는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 원시데이터 생성부에 의해 생성된 원시데이터를 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 23은 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 생성부에 의해 생성된 좌표계로 재설정한 후에 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 24는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 보정부에 의해 보정된 국부좌표계로 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다.
도 25는 실험예 2에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다.
도 26은 도 25에 의해 얻어진 수신파의 원시데이터를 그대로 역투영한 이미지이다.
도 27은 도 25에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용하여 역투영한 이미지이다.
도 28은 도 26의 화살표부분을 확대한 이미지이다.
도 29는 도 26의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 30은 도 26의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 31은 도 27의 화살표부분을 확대한 이미지이다.
도 32는 도 27의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다.
도 33은 도 27의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 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 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터 생성부(210), 국부좌표계 생성부(220), 기준경로 보정부(230), 비틀림 지향각 보정부(240), 국부좌표계 보정부(250), 역투영부(260), 및 영상복원부(270)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 합성 개구면 레이더(Synthetic Aperture Radar ; SAR) 데이터에 비틀림 왜곡에 의한 오류(Skewed Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 2에서, 
는 항공기의 진행방향을 나타내며, z^는 항공기의 고도방향으로 지표면에 수직한 방향을 나타내고, 
는 지향각이 없는 경우 송신파(도 1의 2)의 전송방향으로 지표면에 수평한 방향을 나타낸다. H0는 항공기의 고도를 나타내고, θi는 송신파(도 1의 2)의 입사각을 나타내며, φuc는 송신파(도 1의 2)의 빔주사각도를 나타내고, (ux,uy,uz)는 
-
-z^ 좌표계 상에서의 항공기 좌표를 나타내고, (x,y)는 지표면(z=0) 상에 배치되는 목표물의 좌표를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서, 항공기의 비선형경로는 항공기의 진행방향(
)의 sin함수로 근사하였으며, xy 평면상의 변위만을 갖도록 근사하였다. xy 평면상의 변위만을 고려한 이유는 항공기의 고도(H0)에 비해 합성개구면의 xy 평면상의 크기가 더 크기 때문에, z^ 방향의 변위에 의한 영향이 
축 또는 
축 방향의 변위에 의한 영향보다 적다. 또한 실제 항공기 운항에서 xy 평면상의 변화에 비해 항공기의 고도가 급격히 변화하는 경우는 많지 않기 때문이다. 예를 들어, xy 평면 상의 항공기 변위는 하기의 [식 1]로 근사한다.
[식 1]
[식 1]에서, α는 항공기의 비선형경로 오차의 크기(amplitude)를 나타내고, β는 sin함수로 근사한 항공기의 비선형경로 오차의 주기(period)를 나타내며, γ는 항공기의 비선형경로 오차의 중심점 이동(offset)을 나타낸다.
당해 기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 자라면, [식 1] 대신에 다양한 비선형 거동 방정식 또는 데이터 셋트가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 후술될 기준경로 보정부(230)는 항공기 이동경로의 전부 또는 일부에 해당하는 소정의 범위를 평균하여 경로를 보정하기 때문에, 본 발명의 범위는 [식 1]의 거동에 제한되지 않는다.
예를 들어, 항공기의 고도(H0)는 500m이며, 송신파(도 1의 2)의 입사각(θi)는 45ㅀ일 수 있다.
본 실시예에서, 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 원시데이터를 국부좌표계로 투영하는 과정에서 1차 보정하고, 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 각 국부좌표계를 2차 보정한 후에 역투영을 이용하여 영상을 복원한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호로부터 수신안테나(120)와 지표면 상에 배치된 목표물(x,y)과의 거리를 측정하여 목표물(x,y)의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다.
예를 들어, 목표물은 합성개구면 내의 각 좌표들(xi,yj)에 대응되며, 원시데이터생성부(210)는 합성개구면 내의 각 좌표들(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), 안테나 부재(110, 120)의 위치(u), 등에 관한 익스포넨셜 함수의 형태로 나타낸 수도 있다(대한민국 등록특허 제10-2090318호).
[식 2]는 수신안테나(120)를 통하여 수신된 수신신호(도 1의 4)를 나타낸다.
[식 2]
[식 2]에서, t는 시간을 나타내고, u는 항공기 위치를 나타내며, α(u)는 항공기 위치(u)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u)는 항공기 위치(u)별 목표물 지연시간을 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 국부좌표계 생성부를 이용하여 원시기준경로(
) 및 원시빔주사방향(
)을 기저벡터로 하는 국부좌표계를 설정하는 방법을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 실제 이동에 따른 GPS(Global Positioning System)정보를 위도경도 좌표계(Universal Transverse Mercator Coordinate System; UTM) 상에 나타낸 그래프이다. 도 4는 도 1에 도시된 국부좌표계 생성부에 의해 도 3의 UTM 좌표평면 상에 원시기준경로(
)와 원시빔주사방향(
)을 기저벡터(basis vector)로 하는 국부좌표계를 설정하는 방법을 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에서 가로축은 GPS 좌표계에서 경도를 나타내고 세로축은 GPS 좌표계에서 위도를 나타낸다.
도 1, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 원시기준경로(
)는 기설정된 항공기 이동경로로서 항공기의 비선형 거동에 의한 오류가 존재하지 않는 이상적인 경로를 나타내며, 원시빔주사방향(
)은 이상적인 경로상에서 지향각에 의한 오류가 존재하지 않는 송신파(2)의 방향을 나타낸다. 국부좌표계의 기준점은 실제 항공기의 위치(u)에 대응된다.
도 5는 도 4에 도시된 국부좌표계 상의 각 좌표(x,y)에 투영된 영상복원을 위한 함수(f(x,y))를 나타낸다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 국부좌표계 생성부(220)는 원시데이터 생성부(210)에 연결되며, 안테나부재(110,120)의 지향각이 없는 상태를 가정하여 항공기의 위치를 기준점(u)으로 하는 국부좌표계를 생성한다. 구체적으로, 상기 국부좌표계 생성부(220)는 항공기의 위치를 기준점(u)으로 하고, 지향각이 없는 경우(zero-squint) 송신파(2)의 송신방향인 원시빔주사방향(
)을 기저벡터로 하며, 기저벡터(
)에 수직하며 기준점(u)을 지나는 원시기준경로(
)로 하는 합성개구면 상에서 직교좌표계 형태를 갖는 국부좌표계(x,y)를 생성한다. 본 실시예에서, 국부좌표계 생성부(220)는 항공기의 이상적인 운행경로를 원시기준경로(
)로 설정하고, 지표면 상에서 원시기준경로(
)에 수직한 방향을 원시빔주사방향(
)으로 설정한다. 각 국부좌표계(x,y)는 영상복원을 위한 함수(f(x,y))에 대응된다.
원시데이터를 국부좌표계(x,y)로 투영하는 과정에서 항공기의 비선형거동에 의한 오류가 1차 보정된다. 국부좌표계(x,y)로 투영된 원시데이터를 역투영하여 영상을 복원할 수도 있으나, 본 발명에서는 후술될 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 각 국부좌표계를 2차 보정한 데이터를 역투영하여 영상을 복원한다.
국부좌표계 상의 목표물 지연시간(τ(u))은 [식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 3]
[식 3]에서, (x,y,z)는 국부좌표계 상에서 목표물의 좌표를 나타내고, (ux,uy,uz)는 원시기준경로(
)를 비행하는 항공기의 좌표를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 국부좌표계(x,y)를 국부좌표계 보정부에 의해 2차 보정한 좌표정보(x',y')를 나타내는 그래프이다. 국부좌표계 생성부(220)의 1차 보정에 의해 생성된 국부좌표계를 기준경로 보정부(230), 비틀림 지향각 보정부(240), 및 국부좌표계 보정부(250)에 의해 2차 보정되는 과정은 도 7 내지 도 10을 이용하여 상세히 설명한다.
도 7 내지 도 10은 도 6에 도시된 국부좌표계를 2차 보정하는 과정을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기가 원시기준경로(
)를 따라서 운행되는 경우를 가정하는 국부좌표계를 나타내는 그래프이다. 도 7은 도 5와 동일한 좌표정보(x,y)를 나타낸다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 항공기가 원시기준경로(
)(직선적인 이상적인 비행경로)를 따라서 이동하면 수신파(도 1의 4)의 수신에 의해 생성되는 좌표계는 직교좌표계 형상을 갖는다. 본 실시예에서, 국부좌표계는 국부좌표계 생성부(220)에 의해 생성된다. 국부좌표계 생성부(220)는 항공기의 실제 위치(u)를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로(
)로 하고 원시기준경로(
)에 수직하며 이상적인 송신파(2)의 방향을 원시빔주사방향(
)으로 하는 국부좌표계를 생성한다.
도 8은 도 1에 도시된 항공기가 비선형 실제경로(
)를 따라서 운행하는 경우에 대응되는 비선형 국부좌표계를 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 항공기가 비선형의 실제경로를 따라서 이동하면 수신파(4)의 수신에 의해 생성되는 좌표계는 항공기의 비선형경로를 따라서 일그러진 비선형 국부좌표계를 나타낸다. 비선형 국부좌표계에서 안테나부재(110, 120)와 목표물 사이에는 일정한 상대거리(x)가 유지된다.
도 9는 기준경로 보정부를 이용하여 도 8의 좌표계의 비선형 실제경로(
)로부터 보정된 기준경로(
)를 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 기준경로 보정부(230)는 원시데이터 생성부(210)에 연결되며, 도 8의 비선형 국부좌표계로부터 보정된 기준경로(
)를 설정한다. 본 실시예에서, 기준경로 보정부(230)는 비선형 실제경로(
)를 평균하여 보정된 기준경로(
)로 설정한다. 구체적으로, 보정된 기준경로(
)는 비선형 실제경로(
)의 평균적 방향을 참조해 재설정될 수 있으며, 보정된 기준경로(
)를 따라 수신된 신호특성은 실제 수신신호의 비틀림 정도를 평균하여 설정된다(평균적 비틀림(skewness) 왜곡 특성).
도 10은 비틀림 지향각 보정부 및 국부좌표계 보정부를 이용하여 도 9로부터 보정된 좌표계를 나타내는 그래프이며, 도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 좌표계들의 변환과정에서 지향각 보정부를 이용하여 좌표변환 회전각도를 산출하는 기능을 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 비틀림 지향각 보정부(240)는 국부좌표계 생성부(220) 및 기준경로 보정부(230)에 연결되며, 항공기의 실제 비선형경로에 의한 효과와 안테나부재(110,120) 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)를 지향각 형태로 합산하여 비틀림 지향각(φsq)으로 산출한다. 본 실시예에서, 비틀림 지향각 보정부(240)는 [식 4]와 같이 안테나부재(110,120) 자체의 스퀸트 성분인 수신신호 회전각도(φsq,0)와 항공기의 실제 비선형경로를 평균하여 구해진 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 합산하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출한다.
[식 4]
[식 4]에서, 비틀림 지향각(φsq), 수신신호 회전각도(φsq,0), 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 각각 나타낸다.
수신신호 회전각도(φsq,0)는 수신파(4) 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)로서 항공기에 탑재된 수신안테나(120)가 기울어져서 원시빔주사방향(
)과 수신파(4) 사이에 형성되는 지향각인 스퀸트 각도(Squint angle)이다. 스퀸트 각도(Squint angle)는 안테나 부재(110,120)가 원시빔주사방향(
)으로부터 기울어진 정도를 나타낸다. 예를 들어, 수신신호 회전각도(φsq,0)는 수신신호 자체의 스퀸트 성분으로 FMCW-SAR 신호특성에서 기인된 연속이동효과(continuous motion effect)와 시스템 운용상 발생된 스퀸트 성분 등이 포함된 것으로 도플러중심(Doppler centroid) 추정기법을 적용해 수신신호에 포함된 스퀸트 성분일 수도 있다.
좌표변환 회전각도(φsq,1)는 좌표변환에 의해 구해지는 회전각도로서, 기준경로 보정부(230)에 의해 보정된 기준경로(
)와 보정전 원시기준경로(
) 사이의 각도이다.
국부좌표계 보정부(250)는 국부좌표계 생성부(220) 및 비틀림 지향각 보정부(240)에 연결되며, 비틀림 지향각 보정부(240)에 의해 산출된 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 국부좌표계를 비틀림 지향각(φsq)만큼 보정한다. 본 실시예에서, 국부좌표계 보정부(250)는 푸리에 변환을 이용하여 국부좌표계의 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정한다. 국부좌표계 보정부(250)에 의해 국부좌표계의 원시기준경로(
)와 원시빔주사방향(
)은 각각 보정된 국부좌표계의 보정된 기준경로(
)와 보정된 빔주사방향(
)으로 보정되며, 보정된 기준경로(
)와 보정된 빔주사방향(
)은 서로 직교한다.
본 실시예에서, 국부좌표계 보정부(250)는 수신파(4)에 보정성분 위상함수를 곱한 값을 푸리에변환한 후에 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정하여 도플러중심을 이동시킨다. 예를 들어, [식 5]와 같이 비틀림 지향각(φsq)을 반영하여 보정된 국부좌표계를 생성한다. 본 실시예에서, 국부좌표계 보정부(250)는 z축 방향으로는 보정을 하지 않고, xy 평면 상에서만 보정을 수행하였다. 당해 기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 자라면 국부좌표계 보정부(250)가 z축을 포함하는 보정을 수행할 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[식 5]
[식 5]에서, ω는 수신파(4)의 주파수를 나타내고, u는 안테나부재(110,120)의 위치를 나타내며, 
는 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내의 도플러주파수를 나타내고, 
는 송신파(2)의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수를 나타내고, 
는 수신파(도 1의 4)를 나타내며, 
는 보정성분 위상함수를 나타내며, 
는 도플러중심이 이동된 신호를 나타낸다.
송신파(2)의 실제 빔주사각도 성분에 대응하는 도플러주파수(
)는 [식 6]과 같이 비틀림 지향각(φsq)의 함수로 나타낼 수 있으며, 비틀림 지향각(φsq)은 전술한 [식 4]에 의해 구할 수 있다.
[식 6]
역투영부(260)는 원시데이터 생성부(210) 및 국부좌표계 보정부(250)에 연결되며, 원시데이터를 국부좌표계 보정부(250)로부터 보정된 국부좌표계(x',y') 상에 역투영하여 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 설정한다.
본 실시예에서, 역투영부(260)는 [식 7]을 통하여 보정된 국부좌표계(x',y') 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 구한다.
[식 7]
[식 7]에서, (x',y')는 보정된 국부좌표계 상의 x-y 평면 상의 좌표를 나타내고, u'p는 p번째 좌표에 대응되는 항공기의 위치를 나타내며, t는 시간을 나타내고, s(t,u'p)는 보정된 국부좌표계 상의 수신파를 나타내며, α(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 수신신호 크기 성분을 나타내고, f0는 중심주파수를 나타내며, τ(u'p)는 항공기 위치(u'p)별 목표물 지연시간을 나타내며, τ~(u'p)는 GPS 정보로부터 추정된 지연시간을 나타내며, M(u'p)는 정합필터를 나타낸다. 정합필터(M(u'p))는 [식 8]과 같이 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 나타낸다. 정합필터(M(u'p))를 GPS 정보로부터 추정된 지연시간(τ~(u'p))의 함수로 구성하는 이유는, 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')는 함성개구면의 위도경도 좌표계와 다르기 때문에 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')에 따른 지연시간을 반영하여 합성개구면 내의 복원영상으로 투영하기 위해서이다.
[식 8]
영상복원부(270)는 역투영부(260)에 연결되며, 역투영부(260)에 의해 생성된 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.
이하, 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 설명한다.
도 12는 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1, 도 2, 및 도 12를 참조하면, 먼저 항공기기반 분할영상복원장치를 이용하는 분할영상복원방법에 있어서, 먼저 송신파(2)를 지표면 상의 목표물(x,y)로 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(x,y)로 송신된다.
이어서, 수신안테나(120)를 이용하여 지표면의 목표물(x,y)로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다(단계 S110).
이후에, 수신파(4)로부터 원시데이터를 생성한다(단계 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 좌표별 거리를 측정하여 [식 2]의 계산을 수행하여 각 좌표별 거리를 나타내는 원시데이터 Sr(t,u)를 생성한다.
도 1, 도 4, 도 5, 및 도 12를 참조하면, 계속해서 국부좌표계 생성부(220)를 이용하여 합성개구면 내에서, 항공기 위치(u)를 기준점으로, 기설정된 항공기 이동경로로서 항공기의 비선형 거동에 의한 오류가 존재하지 않는 이상적인 경로를 원시기준경로(
)로, 지향각이 없는 경우(zero-squint) 송신파(2)의 송신방향인 원시빔주사방향(
)을 기저벡터로 하는 국부좌표계를 설정한다(단계 S130).
도 1, 도 6, 도 8, 도 9, 및 도 12를 참조하면, 이어서 기준경로 보정부(230)를 이용하여 항공기의 실제 이동경로인 비선형 실제경로를 보정하여 산출된 보정된 기준경로(
)와 원시기준경로(
) 사이의 각도를 좌표변환 회전각도(φsq,1)로 산출한다(단계 S140).
구체적으로 기준경로 보정부(230)는 항공기 위치(u)를 기준점으로 항공기의 실제 이동경로인 비선형 실제경로(
)를 평균하여 보정된 기준경로(
)를 생성하고, 보정된 기준경로(
)와 원시기준경로(
) 사이의 각도를 좌표변환 회전각도(φsq,1)로 산출한다. 예를 들어, 항공기 위치(u) 전후로 기설정된 갯수의 인접하는 지점들의 위치를 평균하여 보정된 기준경로(
)를 산출할 수 있으며, 비선형 실제경로(
)를 복수개로 분할한 후에 분할된 숫자만큼의 보정된 기준경로들이 생성될 수 있다.
도 1, 도 10 내지 도 12를 참조하면, 이어서 비틀림 지향각 보정부(240)를 이용하여 수신신호 회전각도(φsq,0)와 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 이용하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출한다(단계 S150).
예를 들어, [식 4]와 같이 수신신호 회전각도(φsq,0)와 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 합산하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출할 수 있다.
이후에, 국부좌표계 보정부(250)를 이용하여 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 국부좌표계를 보정한다(단계 S160).
예를 들어, 국부좌표계 보정부(250)는 [식 5]를 이용하여 수신파(4)를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역내에서 푸리에변환한 후에 국부좌표계로부터 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정한다. 국부좌표계 보정부(250)는 원시데이터가 투영되는 국부좌표계를 거리-도플러(Range-Doppler) 영역 내에서 비틀림 지향각(φsq)만큼 역으로 회전시킴으로써 비틀림 지향각(φsq)에 의한 영향을 제거한다.
계속해서, 역투영부(260)는 비틀림 지향각(φsq) 성분이 보정된 원시데이터를 보정된 국부좌표계(x',y')에 역투영한다(단계 S170).
예를 들어, 역투영부(260)는 [식 7]과 같이 항공기 위치별 수신신호 크기가 반영된 수신파(4)의 원시데이터(s(t,u'p))에 GPS 정보로부터 추정된 지연시간의 함수인 정합필터(M(u'p))를 보정된 국부좌표계 내의 각 좌표별로 곱하여, 합성개구면 내에서 보정된 국부좌표계(x',y') 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 구할 수 있다.
마지막으로, 영상복원부(270)를 이용하여 역투영부(260)에 의해 생성된 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다(단계 S180).
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 항공기가 비선형경로를 따라서 이동하며 항공기에 탑재된 안테나부재(110,120)에 지향각이 존재하더라도, 상기 복합적인 요인에 의한 비틀림왜곡이 보정된 영상을 복원할 수 있다.
또한, 원시데이터를 국부좌표계로 투영하는 과정에서 항공기의 비선형경로에 의한 비틀림왜곡을 1차적으로 보정하고, 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 각 국부좌표계를 2차 보정한 후에 역투영을 이용하여 영상을 복원한다.
상기 1차적 보정은 국부좌표계 생성부(220)를 이용하여 항공기의 실제 위치(u)를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로(
)로 하고 원시기준경로(
)에 수직하며 이상적인 송신파(2)의 방향을 원시빔주사방향(
)으로 하는 국부좌표계를 생성함으로써 수행된다. 항공기의 이동경로를 하나의 국부좌표계 또는 복수개로 분할한 복수의 국부좌표계들을 이용하여 역투영을 수행하기 때문에 항공기의 비선형경로에 의해 발생될 수 있는 오류가 1차적으로 보정된다.
상기 2차적 보정은 기준경로 보정부(230) 및 지향각 보정부(240)를 이용하여 평균적 비틀림 왜곡특성을 추출하고, 국부좌표계 보정부(250)를 이용하여 비틀림 지향각(φsq)이 반영되어 보정된 국부좌표계를 생성한다. 따라서 비틀림 왜곡에 의한 오류가 2차적으로 보정된다.
또한, 역투영부(260)는 GPS 정보로부터 추정된 지연시간을 고려하여 역투영을 수행함으로써 보정된 국부좌표계의 각 좌표별 위치(x',y')가 고려된 합성개구면 내의 복원영상을 생성할 수 있다.
비교실험예 1
도 13은 본 발명의 비교실험예 1에 따라 원시기준경로를 따라서 이동하며 지향각이 없는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이며, 도 14는 도 13에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이며, 도 15는 도 14에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이고, 도 16은 도 14에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 13에서, 좌측그래프에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며, 우측이미지는 원시데이터를 거리방향(m)과 방위방향(m)으로 나타낸다. 도 14에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타낸다. 도 15에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다. 도 16에서 가로축은 방위방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다.
도 14 내지 도 16에서, 거리방향은 항공기의 이상적인 이동경로로부터의 거리에 따라 변하는 방향(range direction)으로 항공기의 이상적인 이동경로에 수직한 방향이며, 방위방향은 항공기의 위치를 기준으로 방위각이 변하는 방향(azimuth direction)으로 항공기의 이상적인 이동경로와 평행한 방향을 나타낸다.
도 13 내지 도 16은 점 형상의 가상목표물에 대한 영상을 복원하는 모의실험으로, 항공기에 탑재된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 송신파(2)의 주파수 대역은 10 내지 10.5 GHz이었고, 대역폭(bandwidth, BW)은 500MHz이었으며, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s이었고, 스윕시간(tsweep)은 1ms이었으며, 거리방향 샘플수(Range bins)는 1,252개로 각 샘플마다 1.2MHz의 주파수(fs≒1.2MHz)를 가졌고, 비행고도는 500m이었으며, 안테나 빔폭은 가로방향 50ㅀ(θev=50ㅀ), 세로방향 2.3ㅀ(φaz=2.3ㅀ)이었고, 전파 입사각(θinc)은 45ㅀ이었다.
도 13 내지 도 16을 참조하면, 항공기가 원시기준경로(
)를 따라서 이동하며 지향각(φsq)이 0ㅀ인 경우, 안테나부재(110,120)와 가상목표물 사이의 상대거리가 유지되어 복원영상(도 14)이 거리방향/방위방향과 일치하는 십자형상으로 나타났으며, 복원영상의 거리방향/방위방향에 따른 신호세기도 가상목표물의 위치에서 최대값을 나타냈다.
따라서, 비틀림 왜곡이 없는 경우에는 거리방향/방위방향을 따라서 가상목표물에서 직교하는 십자형상의 영상복원에 무리가 없었다.
비교실험예 2
도 17은 본 발명의 비교실험예 2에 따라 비선형경로를 따라서 이동하며 지향각이 존재하는 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프 및 항공기에 탑재된 영상복원장치의 원시데이터를 나타내는 이미지이며, 도 18은 도 17에 도시된 영상복원장치의 복원영상을 나타내는 이미지이며, 도 19는 도 18에 도시된 영상의 거리방향 신호를 나타내는 그래프이고, 도 20은 도 18에 도시된 영상의 방위방향 신호를 나타내는 그래프이다.
도 17에서, 좌측그래프에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며, 우측이미지는 원시데이터를 거리방향(m)과 방위방향(m)으로 나타낸다. 도 18에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타낸다. 도 19에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다. 도 20에서 가로축은 방위방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다.
도 18 내지 도 20에서, 항공기가 이상적인 이동경로로부터의 거리방향으로 ㅁ10m의 오차를 갖는 비선형경로를 적용하였다.
도 17 내지 도 20은 점 형상의 가상목표물에 대한 영상을 복원하는 모의실험으로, 항공기에 탑재된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 송신파(2)의 주파수 대역은 10 내지 10.5 GHz이었고, 대역폭(bandwidth, BW)은 500MHz이었으며, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s이었고, 스윕시간(tsweep)은 1ms이었으며, 거리방향 샘플수(Range bins)는 1,252개로 각 샘플마다 1.2MHz의 주파수(fs≒1.2MHz)를 가졌고, 비행고도는 500m이었으며, 안테나 빔폭은 가로방향 50ㅀ(θev=50ㅀ), 세로방향 2.3ㅀ(φaz=2.3ㅀ)이었고, 전파 입사각(θinc)은 45ㅀ이었다.
도 17 내지 도 20을 참조하면, 항공기가 원시기준경로(
)를 기준으로 ㅁ10m의 오차를 갖는 비선형경로로 이동하더라도, 안테나부재(110,120)와 가상목표물 사이의 상대거리 자체는 유지되어 복원영상(도 18) 자체는 가능하다. 그러나 도 8 및 도 9와 같이 비틀림 왜곡에 의한 효과가 수신자료에 포함되고 그 결과 복원영상이 왜곡된 십자형상으로 나타났다.
이론에 의해 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니지만, 십자형상이 왜곡된 이유는 비선형경로가 y축을 원시기준경로(
)로 설정하고 송신파(도 1의 2)의 빔주사 방향을 실제방향이 아닌 가상의 원시빔주사방향(
)으로 고정하였기 때문에, 비선형경로로 인한 수신파(도 1의 4)의 비틀림 효과가 발생하였다. 수신파(도 1의 4)의 비틀림 효과로 인하여 복원영상에 왜곡된 십자형상이 나타났으며, 이는 지향각 오류의 형태를 보였다.
본 비교실험예 2에서, 후술될 보정된 기준경로(
) 대비 원시기준경로(
)는 34ㅀ만큼 회전된 특성을 나타냈다. 보정된 기준경로(
) 대비 원시기준경로(
)는 34ㅀ만큼 회전된 특성은 [식 4]의 좌표변환 회전각도(φsq,1)에 대응된다.
실험예 1
도 21은 실험예 1에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다. 도 21에서 가로축은 x-방향(m)을 나타내고 세로축은 y-방향(m)을 나타낸다.
도 21에서, 매트릭스 형상으로 배열된 9개의 점 형상의 가상목표물들에 대한 영상을 복원하는 모의실험으로, 항공기에 탑재된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 송신파(2)의 주파수 대역은 10 내지 10.5 GHz이었고, 대역폭(bandwidth, BW)은 500MHz이었으며, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s이었고, 스윕시간(tsweep)은 1ms이었으며, 거리방향 샘플수(Range bins)는 1,252개로 각 샘플마다 1.2MHz의 주파수(fs≒1.2MHz)를 가졌고, 비행고도는 500m이었으며, 안테나 빔폭은 가로방향 50ㅀ(θev=50ㅀ), 세로방향 2.3ㅀ(φaz=2.3ㅀ)이었고, 전파 입사각(θinc)은 45ㅀ이었다.
도 1 및 도 21을 참조하면, 항공기는 원시기준경로(
)를 기준으로 ㅁ5m의 오차를 갖는 비선형경로로 이동하였다.
도 22는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 원시데이터 생성부에 의해 생성된 원시데이터를 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다. 도 22에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며 직사각형 내부는 9개의 가상목표물 영상을 확대한 이미지이다.
도 1, 도 21, 및 도 22를 참조하면, 원시데이터 생성부(210)에 의해 생성된 원시데이터는 항공기의 비선형거동 및 지향각 오류에 의한 비틀림 왜곡을 포함하기 때문에, 복원영상이 왜곡된 십자형상을 가지며 목표물의 위치도 뒤틀린 상태로 표시되었다.
도 23은 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 생성부에 의해 생성된 좌표계로 재설정한 후에 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다. 도 23에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며 직사각형 내부는 9개의 가상목표물 영상을 확대한 이미지이다.
도 1, 도 7, 및 도 23을 참조하면, 국부좌표계 생성부(220)에 의해 생성된 영상은 항공기 위치(u)를 기준점으로 하며 원시기준경료(
)와 원시빔주사방향(
)의 직교좌표계를 이용함으로써 원시데이터를 1차적으로 보정하였다. 국부좌표계 생성부(220)에 의해 영상좌표를 재설정함으로써 항공기의 비선형 거동 및 비틀림 왜곡이 1차 보정되어 수신파(4)의 비틀림 오류가 일부 상쇄될 수 있었다. 도 23에서, 비선형경로 9개의 가상목표물 위치가 일부 보정되었으나, 지향각 오류로 인하여 복원영상이 왜곡된 십자형상으로 표시되었다.
도 24는 도 21에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 국부좌표계 보정부에 의해 보정된 국부좌표계로 역투영한 영상을 나타내는 이미지이다. 도 24에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며 직사각형 내부는 9개의 가상목표물 영상을 확대한 이미지이다.
도 1, 도 8 내지 도 10, 및 도 24를 참조하면, 기준경로 보정부(230)는 항공기의 비선형 실제경로(
)를 평균하여 보정된 기준경로(
)를 설정하고 좌표변환 회전각도(φsq,1)로 산출하였다.
비틀림 지향각 보정부(240)는 안테나부재(110,120)의 수신신호 회전각도(φsq,0)와 기준경로 보정부(230)에 의해 산출된 좌표변환 회전각도(φsq,1)를 [식 4]에 적용하여 비틀림 지향각(φsq)을 산출하였다.
국부좌표계 보정부(250)는 수신파(4)를 [식 5]에 도입하여 국부좌표계로부터 비틀림 지향각(φsq) 성분을 보정하고, 영상을 보정된 국부좌표계(x',y')로 재설정하였다. 기준경로 보정부(230), 비틀림 지향각 보정부(240), 및 국부좌표계 보정부(250)를 이용하여 비틀림 지향각(φsq) 성분을 고려하여 항공기의 비선형 거동 및 비틀림 왜곡이 2차 보정되어 수신파(4)의 비틀림 오류가 제거되었다.
역투영부(260)는 보정된 국부좌표계(x',y')로 역투영하였으며, 영상복원부(270)는 영상복원을 위한 함수(f(x',y'))를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원하였다. 회전변환에 의해 재설정된 영상좌표와 지향각 성분이 상쇄된 가상목표물 분산전력패턴(power spill)을 확인할 수 있었다.
실험예 2
도 25는 실험예 2에 따라 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치가 탑재된 항공기의 이동경로를 나타내는 그래프이다. 도 25에서 가로축은 x-방향(m)을 나타내고 세로축은 y-방향(m)을 나타낸다.
도 25에서, 폭 1,000m, 길이 1,600m의 크기를 갖는 실제 지형에 대한 영상을 복원하는 실험으로, 항공기에 탑재된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 송신파(2)의 주파수 대역은 10 내지 10.5 GHz이었고, 대역폭(bandwidth, BW)은 500MHz이었으며, 변조율(Kr)은 5e11 Hz/s이었고, 스윕시간(tsweep)은 1ms이었으며, 거리방향 샘플수(Range bins)는 1,252개로 각 샘플마다 1.2MHz의 주파수(fs≒1.2MHz)를 가졌고, 비행고도는 500m이었으며, 안테나 빔폭은 가로방향 50ㅀ(θev=50ㅀ), 세로방향 2.3ㅀ(φaz=2.3ㅀ)이었고, 전파 입사각(θinc)은 45ㅀ이었다.
도 1 및 도 25를 참조하면, 항공기는 원시기준경로(
)를 기준으로 ㅁ20m의 오차를 갖는 비선형경로로 이동하였으며, 전체 경로를 하나의 국부좌표계로 설정하였다.
도 26은 도 25에 의해 얻어진 수신파의 원시데이터를 그대로 역투영한 이미지를 나타내며, 도 27은 도 25에 의해 얻어진 수신파를 도 1의 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 이용하여 역투영한 이미지를 나타낸다. 도 26 및 도 27에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타낸다.
도 26을 참조하면, 수신파의 원시데이터를 그대로 역투영한 경우, 도로와 교차로 그리고 건물 외곽지역 경계를 통해 복원영상이 미세하기 비틀려 있음을 확인할 수 있었다.
그러나 도 27과 도 26의 도로와 교차로 그리고 건물 외곽지역 경계를 비교하면, 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 항공기의 실제 비행경로에 따른 국부좌표계를 설정하면서 1차 보정을 수행하였고, 실제 비행경로의 평균적 비행방향을 고려하여 보정된 기준경로(
)를 지향각 성분으로 이용하여 비틀림 왜곡을 2차 보정한 국부좌표계로 영상을 역투영하였다.
따라서, 원시데이터의 역투영과정에 대한 반복적인 보정과정 없이, 입력자료에 대한 국부좌표계 설정 및 비틀림 지향각(φsq)을 고려한 영상좌표 수정만으로 항공기의 비선형 거동 및 지향각에 의한 비틀림 왜곡을 용이하게 보정하였다.
이론에 의해 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니지만, 도 27은 실제 비행경로의 평균적 비행방향을 고려하여 보정된 기준경로(
)와 이를 기준으로 2차 보정된 국부좌표계에 의해 재구성된 복원영상은, 안테나부재(110,120)와 목표물 사이의 거리변화를 최소화하여 미세하게 회전된 좌표변환과 신호처리에 의ㅎ나 도플러중심이동으로 보정된 빔주사방향(
)이 반영된 결과이다. 복원영상 전체에 대한 미틀림 왜곡 특성이 보정되는 정도는 정사각형에 가까운 건물 외곽지역 경계를 통해서 확인할 수 있다.
실험예 3
본 실험예 3에서, 도 26 및 도 27의 화살표 부분에 복수개의 삼각수동전파반사기(trihedral corner reflectors)를 배치하여 정량분석을 실시하였다.
도 28은 도 26의 화살표부분을 확대한 이미지이며, 도 29는 도 26의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이고, 도 30은 도 26의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다. 도 28에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며, 도 29에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타내며, 도 30에서 가로축은 방위방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다.
도 28 내지 도 30을 참조하면, 수신파의 원시데이터를 그대로 역투영한 경우, 거리방향 해상도는 1.78m이었으며 방위방향 해상도는 0.44m이었다.
도 31은 도 27의 화살표부분을 확대한 이미지이며, 도 32는 도 27의 화살표 부분의 거리방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이고, 도 33은 도 27의 화살표 부분의 방위방향 분산전력패턴을 나타내는 그래프이다. 도 31에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 방위방향(m)을 나타내며, 도 32에서 가로축은 거리방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타내며, 도 33에서 가로축은 방위방향(m)을 나타내고 세로축은 신호세기(dB)를 나타낸다.
도 31 내지 도 33을 참조하면, 도 1에 도시된 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치를 사용하여 복원된 영상의 경우, 거리방향 해상도는 0.58m이었으며 방위방향 해상도는 0.19m이었다. PSLR(peak-side lobe ratio) 특성은 거리방향과 방위방향 각각 -31.5dB, -30.6dB를 나타냈으며, 최대값은 149.2dB이었다.
따라서 보정에 의해 거리방향 해상도는 32% 향상되었으며, 방위방향 해상도는 43% 향상되었다.
FMCW-SAR 영상복원장치의 운용주파수 대역폭과 방위방향 반전력빔폭(BW=470MHz, φaz=10ㅀ)의 이론적 거리방향 해상도와 방위방향 해상도가 각각 0.45m와 0.17m인 점으로 볼 때, 본 발명에 따른 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 거리방향과 방위방향 각각 -34.2dB, -24.3dB 이하의 PSLR(peak-side lobe ratio) 특성을 나타냈으며, 최대값은 152.3dB이었다.
이론에 의해 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니지만, 역투영 복원영상은 복소수 형식의 원시데이터에 대한 정합필터와 역투영 함수값의 합산 과정을 거치게 되므로 위상오차가 최소화시키는 것이 특정위치의 목표물 응답특성을 향상시킨다. 본 발명의 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치는 3dB 이상 개선된 특성을 나타냈다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 항공기기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 발생하는 지향각오류와 항공기의 이동경로가 비선형적이어서 발생하는 오류가 복합적으로 작용하는 비틀림 왜곡에 의한 오류(Skewed Error)가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정된 역투영이미지를 얻을 수 있다.
또한 비틀림 왜곡에 의한 오류가 크더라도 보정을 통한 영상의 복원이 가능하므로, 항공기를 여러번 운행할 필요가 없기 때문에 시간과 비용이 감소된다.
또한 원시데이터를 국부좌표계로 투영하는 과정에서 항공기의 비선형경로에 의한 비틀림왜곡을 1차적으로 보정하고, 비틀림 지향각(φsq)을 이용하여 각 국부좌표계를 2차 보정한 후에 역투영을 이용하여 영상을 복원한다. 따라서 복원영상의 정확도가 향상된다.
또한 원시데이터의 역투영과정에 대한 반복적인 보정과정 없이, 입력자료에 대한 국부좌표계 설정 및 비틀림 지향각(φsq)을 고려한 영상좌표 수정만으로 항공기의 비선형 거동 및 지향각에 의한 비틀림 왜곡을 용이하게 보정하였다.
또한 항공기가 비선형경로를 따라서 이동하며 항공기에 탑재된 안테나부재(110,120)에 지향각이 존재하더라도, 상기 복합적인 요인에 의한 비틀림왜곡을 모두 지향각의 형태로 고려하여 보정된 영상을 복원할 수 있다. 또한 국부좌표계 수준에서 2단계의 보정이 완료된 후에 역투영(back-projection)을 실시하므로 계산량이 감소하여 시간이 절약된다.
따라서, 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치의 구조 및 이를 이용한 영상복원방법이 단순해지고 수행시간 및 비용이 감소한다.
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.
2 : 송신파 4 : 수신파
5 : 전파동위상면 6 : 전파동위상선
6' : 투영선 110, 120 : 안테나부재
150 : 파형발생기 160 : 분배기
205 : 믹서 210 : 원시데이터생성부
220 : 국부좌표계 생성부 230 : 기준경로 보정부
240 : 비틀림 지향각 보정부 250 : 국부좌표계 보정부
260 : 역투영부 270 : 영상복원부
φsq,0 : 수신신호 회전각도(squint) φsq,1 : 좌표변환 회전각도
φsq : 비틀림 지향각 α:경로오차의 크기(amplitude)
β:경로오차의주기 γ:중심점 이동(offset)
H0 : 고도 (ux,uy,uz) : 안테나 위치
(x,y) : 국부좌표계 목표물 위치 θi : 입사각
(x,y~) : 비틀린 국부좌표계 (x',y') : 보정된 국부좌표계
Gr : 지표면 f(x0, y0) : 조사점
f(xc, yc) : 조사기준점 φrg : 거리방향회전성분
φyaw : 방위방향회전성분 φsq : 지향각도
: 원시기준경로 
: 원시빔주사방향
: 보정된 기준경로 
: 비선형 실제경로
5 : 전파동위상면 6 : 전파동위상선
6' : 투영선 110, 120 : 안테나부재
150 : 파형발생기 160 : 분배기
205 : 믹서 210 : 원시데이터생성부
220 : 국부좌표계 생성부 230 : 기준경로 보정부
240 : 비틀림 지향각 보정부 250 : 국부좌표계 보정부
260 : 역투영부 270 : 영상복원부
φsq,0 : 수신신호 회전각도(squint) φsq,1 : 좌표변환 회전각도
φsq : 비틀림 지향각 α:경로오차의 크기(amplitude)
β:경로오차의주기 γ:중심점 이동(offset)
H0 : 고도 (ux,uy,uz) : 안테나 위치
(x,y) : 국부좌표계 목표물 위치 θi : 입사각
(x,y~) : 비틀린 국부좌표계 (x',y') : 보정된 국부좌표계
Gr : 지표면 f(x0, y0) : 조사점
f(xc, yc) : 조사기준점 φrg : 거리방향회전성분
φyaw : 방위방향회전성분 φsq : 지향각도
Claims (7)
- 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 포함하고 항공기에 탑재되는 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 각 좌표별 거리를 측정하여 상기 각 좌표별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부;
상기 원시데이터생성부에 연결되며, 상기 안테나부재의 지향각이 없는 상태를 가정하여 상기 안테나부재의 위치를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로로 하며 합성개구면 상에서 상기 원시기준경로에 수직하는 방향을 원시빔주사방향으로 하는 직교좌표계인 국부좌표계를 생성하는 국부좌표계 생성부;
상기 원시데이터 생성부에 연결되며, 상기 항공기의 비선형 실제경로를 평균하여 직선형상의 보정된 기준경로를 설정하는 기준경로 보정부;
상기 국부좌표계 생성부 및 상기 기준경로 보정부에 연결되며, 상기 원시기준경로와 상기 보정된 기준경로 사이의 각도를 좌표변환 회전각도로 결정하고 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)인 수신신호 회전각도와 합산하여 상기 항공기의 비선형 거동과 상기 안테나부재의 스퀸트 각도를 지향각 형태인 비틀림 지향각으로 산출하는 비틀림 지향각 보정부;
상기 국부좌표계 생성부 및 상기 비틀림 지향각 보정부에 연결되며, 상기 비틀림 지향각 보정부에 의해 산출된 상기 비틀림 지향각을 이용하여 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 국부좌표계 보정부;
상기 원시데이터 생성부 및 상기 국부좌표계 보정부에 연결되며, 상기 원시데이터를 상기 보정된 국부좌표게 상에 역투영하여 상기 보정된 국부좌표계 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수를 설정하는 역투영부; 및
상기 역투영부에 연결되며, 각 좌표에 대응되는 상기 영상복원을 위한함수를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원하는 영상복원부
를 포함하는 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치. - 제1항에 있어서,
상기 국부좌표계 보정부는 거리-도플러(Range-Doppler)영역 내에서 상기 국부좌표계의 각 좌표를 상기 비틀림 지향각 만큼 보정하는 것을 특징으로 하는 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치. - 제1항에 있어서,
상기 국부좌표계 생성부는 합성개구면의 중간위치를 기준으로 하는 하나의 국부좌표계만을 생성하는 것을 특징으로 하는 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치. - 제1항에 있어서,
상기 국부좌표계 생성부는 상기 항공기의 이동경로 상의 복수개의 점들을 기준점으로 하는 복수개의 국부좌표계들을 생성하는 것을 특징으로 하는 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치. - 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기와, 상기 파형발생기에 연결되는 분배기와, 상기 분배기에 연결되며 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하고 항공기에 탑재되는 안테나부재와, 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되는 믹서와, 상기 믹서와 연결되는 원시데이터 생성부와, 상기 원시데이터생성부에 연결되는 국부좌표계 생성부와, 상기 원시데이터 생성부에 연결되는 기준경로 보정부와, 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 기준경로 보정부에 연결되는 비틀림 지향각 보정부와, 상기 국부좌표계 생성부 및 상기 비틀림 지향각 보정부에 연결되는 국부좌표계 보정부와, 상기 원시데이터 생성부 및 상기 국부좌표계 보정부에 연결되는 역투영부와, 상기 역투영부에 연결되는 영상복원부를 포함하여 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 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 목표물과의 거리를 측정하여 상기 목표물의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성하는 단계;
상기 국부좌표계 생성부를 이용하여, 상기 안테나부재의 지향각이 없는 상태를 가정하여 상기 안테나부재의 위치를 기준점으로 하고 기설정된 항공기의 이상적인 직선이동경로를 원시기준경로로 하며 합성개구면 상에서 상기 원시기준경로에 수직하는 방향을 원시빔주사방향으로 하는 직교좌표계인 국부좌표계를 생성하는 단계;
상기 기준경로 보정부를 이용하여, 상기 항공기의 비선형 실제경로를 평균하여 직선형상의 보정된 기준경로를 설정하는 단계;
상기 비틀림 지향각 보정부를 이용하여, 상기 원시기준경로와 상기 보정된 기준경로 사이의 각도를 좌표변환 회전각도로 결정하고 상기 안테나부재 자체의 스퀸트 각도(Squint angle)인 수신신호 회전각도와 합산하여 상기 항공기의 비선형 거동과 상기 안테나부재의 스퀸트 각도를 지향각 형태인 비틀림 지향각으로 산출하는 단계;
상기 국부좌표계 보정부를 이용하여, 상기 비틀림 지향각 보정부에 의해 산출된 상기 비틀림 지향각을 이용하여 상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 단계;
상기 역투영부를 이용하여, 상기 원시데이터를 상기 보정된 국부좌표게 상에 역투영하여 상기 보정된 국부좌표계 상의 각 좌표에 대응되는 영상복원을 위한 함수를 설정하는 단계; 및
상기 영상복원부를 이용하여, 각 좌표에 대응되는 상기 영상복원을 위한함수를 합산하여 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원하는 단계
를 포함하는 영상복원방법. - 제5항에 있어서,
상기 원시데이터를 생성하는 단계는, 상기 안테나부재와 상기 합성개구면 내의 각 좌표별 거리를 측정하여 상기 각 좌표별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 영상복원방법. - 제5항에 있어서,
상기 국부좌표계를 상기 비틀림 지향각만큼 보정하는 단계는 거리-도플러(Range-Doppler)영역 내에서 상기 국부좌표계의 각 좌표를 상기 비틀림 지향각 만큼 보정하는 것을 특징으로 영상복원방법.
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| KR1020210079451A KR102494079B1 (ko) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | 비틀림 왜곡 영상을 보정하는 영상복원장치 및 이를 이용하는 영상복원방법 |
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| KR102121474B1 (ko) | 2018-01-09 | 2020-06-17 | 국방과학연구소 | 비선형 비행 궤적에서 스퀸트 스포트라이트 모드를 위한 sar 신호 처리기와 항공기 탑재 합성구경 레이더 및 방법 |
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