KR102593467B1 - 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법및 이를 위한 장치 - Google Patents

합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치를 적용함으로써 SAR의 반사 신호를 분할하여 각 분할 영상 간의 유사도를 측정하고, 이를 기반으로 내부 지연시간을 산출하고, 산출된 내부 지연시간을 이용하여 SAR 이미지의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR MEASURING DELAY TIME GENERATED INSIDE SYNTHETIC APERTURE RADAR AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
SAR는 Synthetic Aperture Radar의 약자로, 합성개구레이다를 의미한다. SAR는 레이다(Radar) 기술의 한 형태로서, 움직이는 레이다 플랫폼(예를 들어 위성이나 항공기)에서 수집한 데이터를 사용하여 이미지를 생성한다. 이를 통해, 사물이나 지형의 높은 해상도 2D나 3D 영상을 만들어낼 수 있다.
레이다 시스템은 전파를 발사하고 그것이 반사하여 돌아오는 시간을 측정함으로써 대상과의 거리를 산출한다. 이와 달리, SAR은 자신의 이동 경로를 활용하여 '합성적인' 개구면을 형성한다. 이렇게 하면, 일반 레이다에 비해 훨씬 더 상세하고 정밀한 이미지를 얻을 수 있다.
이러한 특징 덕분에 SAR 시스템은 지구 관측 위성, 군사 감시, 재난 관리 등 다양한 분야에서 널리 사용되며, 날씨나 시간, 조명 조건에 영향을 받지 않을 수 있다. 예를 들어, SAR은 구름이나 비, 심지어 어둠 속에서도 지상의 세부 정보를 제공할 수 있다.
SAR 시스템은 반사도가 높은 표적을 클러터 반사도가 낮은 지역에 설치하고 표적과 SAR 장치와의 물리적인 거리를 측정한다. SAR 장치는 내부 지연시간 측정을 위한 별도의 운용 절차를 이용하여 표적에 신호를 방사한다. 방사 이후 수신 신호를 수집하여 신호에서 추정한 지연 시간과 물리적인 거리를 통해 내부 지연시간을 측정한다.
SAR 시스템을 운용하기 위해서 SAR 장치를 이동하면서 신호를 수집하는 SAR 촬영 절차와 다르게 SAR 장치를 고정시키고 장치를 운영하는 별도의 절차가 필요하고, 기준으로 삼을 표적이 필요하고, 클러터 반사도가 낮은 지역이 필요하고, SAR 영상 촬영 이전에 별도의 시험 절차를 수행해야한다.
SAR 장치는 신호를 송신하고 표적이 반사하는 신호를 수집한다. 수집된 신호에서 표적과 SAR 장치간의 시간 지연 정보 활용하여 영상을 형성한다. SAR 장치에 내부 지연시간이 존재하여 영상 처리에 사용한 지연시간이 물리적인 지연 시간과 차이가 날 경우 SAR 영상은 열화된다. 따라서, SAR 장치의 내부 지연시간을 측정하는 기술의 연구 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2204942호(2021.01.13.)
본 발명이 이루고자 하는 목적은, SAR의 반사 신호를 분할하여 각 분할 영상 간의 유사도를 측정하고, 이를 기반으로 내부 지연시간을 산출하고, 산출된 내부 지연시간을 이용하여 SAR 이미지의 정밀도를 향상시킬 수 있는 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치는, 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 상기 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 합성개구레이다 영상 처리부; 상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 유사도 측정부; 및 상기 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 상기 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출하는 지연시간 산출부;를 포함한다.
상기 유사도 측정부는, 상기 복수의 분할 영상 중에서 i 번째 분할 영상인 제1 분할 영상과 상기 제1 분할 영상과 다른 j 번째 분할 영상인 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 방식으로 상기 유사도를 산출하는 것을 특징으로 하고, 여기서, i, j는 1 이상의 자연수이며, 서로 다르다.
상기 유사도 측정부는, 상기 제1 분할 영상 또는 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 통하여 생성한 거리 측정 지원 함수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 거리 측정 지원 함수는, 상기 제1 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제1 변환값을 획득하고, 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제2 변환값을 획득하고, 상기 제1 변환값과 상기 제2 변환값에 Hadamard product 연산을 수행하고, 상기 Hadmard product 연산을 수행한 결과에 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 적용하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 유사도 측정부는, 상기 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 유사도 측정부는, 상기 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값 및 영상의 픽셀 개수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 상기 제2 분할 영상 간의 거리 차를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 지연시간 산출부는, 빛의 속도, 상기 합성개구레이다의 촬영 고각, 상기 복수의 분할 영상의 개수 또는 상기 유사도 중 적어도 하나를 변수로 하는 상기 지연시간 산출 함수를 통하여 상기 내부 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 합성개구레이다 영상 처리부는, 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하는 반사 신호 수집부; 상기 반사 신호를 상기 합성개구레이다의 파장을 기반으로 결정되는 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 반사 신호 분할부; 및 각 픽셀(Pixel)의 위치에 대해 계산된 좌표를 기반으로 상기 복수의 분할 영상으로부터 최종 영상인 다각도 영상을 생성하는 다각도 영상 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분할 구간은, 상기 촬영 타겟을 중심으로 하는 원의 내부의 분할 각도에 따라 결정되고, 상기 분할 각도보다 작은 중첩 각도에 대응하여 인접한 다른 분할 구간과 적어도 일부 중첩하여 중첩 구간을 형성하도록 결정되는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간을 측정하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리 및 상기 하나 이상의 프로그램에 따른 동작들을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 장치에서 수행되는 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법은, 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 상기 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 단계; 상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계; 및 상기 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 상기 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출하는 단계;를 포함한다.
상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계는, 상기 복수의 분할 영상 중에서 i 번째 분할 영상인 제1 분할 영상과 상기 제1 분할 영상과 다른 j 번째 분할 영상인 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 방식으로 상기 유사도를 산출하는 것을 특징으로 하고, 여기서, i, j는 1 이상의 자연수이며, 서로 다르다.
상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계는, 상기 제1 분할 영상 또는 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 통하여 생성한 거리 측정 지원 함수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장되어 상기한 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치를 적용함으로써 SAR의 반사 신호를 분할하여 각 분할 영상 간의 유사도를 측정하고, 이를 기반으로 내부 지연시간을 산출하고, 산출된 내부 지연시간을 이용하여 SAR 이미지의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치를 적용함으로써 분할 영상 각각을 별도로 처리하고 분석함으로써 병렬 처리가 가능하고, 컴퓨팅 리소스를 효율적으로 활용할 수 있고, 큰 규모의 데이터 세트에 대한 분석을 용이하게 할 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 합성개구레이다 영상 처리부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 이용하는 SAR 장치의 운용 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 수집한 신호를 분할하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘에 적용하기 위하여 분할 영상의 픽셀별 좌표를 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 합성개구레이다 내부 지연시간을 이용하여 보정한 결과에 따른 합성개구레이다 영상을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 하드웨어 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 이용하는 합성개구레이다를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “가진다”, “가질 수 있다”, “포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소 들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있으며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법 및 이를 위한 장치의 다양한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(10)는 합성개구레이다 영상 처리부(100), 유사도 측정부(200) 및 지연시간 산출부(300)를 포함할 수 있다.
합성개구레이다 영상 처리부(100)는 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성할 수 있다. 합성개구레이다 영상 처리부(100)는 Circular SAR를 이용하여 지정된 지역의 전방위 반사 신호를 수집할 수 있다.
합성개구레이다 영상 처리부(100)에 대해서는 도 2 및 도 4 내지 도 9를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
유사도 측정부(200)는 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정할 수 있다. 유사도 측정부(200)는 영상들의 Correlation을 통하여 영상 사이의 상대적 거리 차이를 추정할 수 있다.
유사도 측정부(200)에 대해서는 도 10을 통하여 보다 상세하게 설명한다.
지연시간 산출부(300)는 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출할 수 있다. 지연시간 산출부(300)는 영상 사이의 상대적 거리 차이와 Least Square를 이용하여 내부 지연 시간을 추정할 수 있다.
지연시간 산출부(300)에 대해서는 도 10을 통하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(10)와 연결된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 합성개구레이다 영상 처리부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2을 참조하면, 합성개구레이다 영상 처리부(100)는 반사 신호 수집부(110), 반사 신호 분할부(120) 및 다각도 영상 변환부(130)를 포함할 수 있다.
반사 신호 수집부(110)는 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신할 수 있다. 반사 신호 수집부(110)는 지정된 지역의 전방위 반사 신호를 수집할 수 있고, Circular SAR 신호를 수집할 수 있다.
본 발명에 따른 합성개구레이다는 이동 가능한 장치에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 합성개구레이다는 항공기, 선박, 드론, 위성에 탑재될 수 있다.
반사 신호 분할부(120)는 반사 신호를 합성개구레이다의 파장을 기반으로 결정되는 복수의 분할 구간으로 분할하고, 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성할 수 있다. 반사 신호 분할부(120)는 수집 신호를 영상 형성이 가능한 단위로 분할할 수 있다. 반사 신호 분할부(120)는 분할 구간을 결정할 수 있다.
다각도 영상 변환부(130)는 각 픽셀(Pixel)의 위치에 대해 계산된 좌표를 기반으로 복수의 분할 영상으로부터 최종 영상인 다각도 영상을 생성할 수 있다. 다각도 영상 변환부(130)는 분할한 신호를 영상으로 변환할 수 있다. 다각도 영상 변환부(130)는 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘을 이용하여 다각도 영상을 형성할 수 있다. 다각도 영상 변환부는 반사 신호 분할부에 의하여 생성된 복수의 분할 영상을 각 픽셀의 위치에 대하여 계산된 좌표 또는 계산된 영상 정보를 기반으로 합성하여 다각도 영상을 형성하거나, 반사 신호 분할부에 의하여 분할된 복수의 신호를 각각 영상으로 생성하고, 생성된 복수의 분할 영상을 각 픽셀의 위치에 대하여 계산된 좌표 또는 계산된 영상 정보를 기반으로 합성하여 다각도 영상을 형성할 수 있다.
본 발명에서 다각도 영상 변환부가 이용하는 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘은 백프로젝션(Backprojection) 알고리즘일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, Range Doppler Algorithm(RDA), Chirp Scaling Algorithm(CSA), Omega-K(또는 Wavenumber Domain Algorithm) 또는 Polar Format Algorithm(PFA)일 수 있다.
분할 구간은 촬영 타겟을 중심으로 하는 원의 내부의 분할 각도에 따라 결정되고, 분할 각도보다 작은 중첩 각도에 대응하여 인접한 다른 분할 구간과 적어도 일부 중첩하여 중첩 구간을 형성하도록 결정될 수 있다. 반사 신호 분할부(120)는 중첩 구간을 결정할 수 있다.
도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 합성개구레이다 영상 처리부(100)와 연결된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법은 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간을 측정하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리 및 하나 이상의 프로그램에 따른 동작들을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 장치에서 수행될 수 있다. 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법은 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 수행될 수 있다.
S310 단계에서, 프로세서는 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성할 수 있다.
S320 단계에서, 프로세서는 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정할 수 있다.
S330 단계에서, 프로세서는 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출할 수 있다.
도 3에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 이용하는 SAR 장치의 운용 환경을 설명하기 위한 도면이다.
SAR 장치는 다각도 합성개구레이다, 다각도 합성개구레이다가 위치하기 위한 공간을 제공하고 이동을 수행하는 이동체 및 획득한 신호 정보를 외부로 송신하는 통신 장비를 포함할 수 있다.
SAR 장치는 Circular SAR 신호 수집 동안에 촬영 타겟이 위치하는 촬영 영역과의 거리(R)와 고각(θel)이 일정하게 유지되도록 촬영 영역을 원의 중심으로 하여 360°를 돌며 신호를 수집할 수 있다.
도 4을 참조하면, 고각(θel)은 SAR 장치와 촬영 영역의 중심 또는 촬영 타겟을 연결하는 선분 및 SAR 장치와 지면을 수직하게 잇는 선분이 이루는 각도를 의미할 수 있고, 이루어지는 2개의 각도 중에서 작은 각도를 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 수집한 신호를 분할하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
반사 신호 분할부는 분할 각도(θL)에 따른 분할 구간 동안 수집된 신호를 이용하여 분할 영상 1을 생성하고, 분할 구간과 중첩 각도(θOverlap)에 따른 중첩 구간만큼 겹친 다른 위치의 분할 구간 동안 수집된 신호를 이용하여 분할 영상 1의 다음 영상인 분할 영상 2를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 반사 신호 분할부는 360°내의 복수의 분할 구간 모두에 대한 분할 영상을 각각 생성할 수 있다.
분할 각도는 합성개구레이다의 파장을 기반으로 결정되는 제1 값과 제1 상수의 크기 비교를 통하여 제1 값과 제1 상수 중 작은 값으로 결정될 수 있다.
반사 신호 분할부는 수학식 1을 이용하여 분할 각도를 결정할 수 있다.
여기서, θL은 분할 각도를 나타내고, λ는 SAR 장치의 파장을 나타내고, (aλ/π)는 제1 값을 나타내고, b는 제1 상수를 나타낼 수 있다.
수학식 1에서 a 또는 b는 SAR 장치의 파장, 촬영 타겟 과의 거리, 촬영 타겟에 대한 관찰 각도, 환경 요인(예를 들어, 대기 조건), 안테나의 특성 등 다양한 요인에 의하여 결정될 수 있고, 실험적으로 결정되는 값일 수 있다.
a는 290 ~ 310 범위에서 결정되는 값일 수 있고, b는 3.5 ~ 4.5 범위에서 결정되는 값일 수 있다.
중첩 각도는 분할 각도에서 제2 상수만큼 뺀 값으로 결정되고, 제2 상수는 0보다 큰 값일 수 있다.
반사 신호 분할부는 수학식 2를 이용하여 중첩 각도를 결정할 수 있다.
여기서, θOverlap은 중첩 각도를 나타낼 수 있고, θL은 분할 각도를 나타낼 수 있고, c는 제2 상수를 나타낼 수 있다.
제2 상수는 수학식 1의 a 또는 b와 마찬가지로 SAR 장치의 파장, 촬영 타겟 과의 거리, 촬영 타겟에 대한 관찰 각도, 환경 요인(예를 들어, 대기 조건), 안테나의 특성 등 다양한 요인에 의하여 결정될 수 있고, 실험적으로 결정되는 값일 수 있다. 제2 상수는 1.5 내지 2.5 범위에서 결정되는 값일 수 있다. 또한, 제2 상수는 분할 영상 간의 상관 관계를 고려하여 결정될 수 있다. 중첩 각도가 과도하게 클 경우 분할 영상 간의 상관 간계가 작아질 수 있다.
분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수는 분할 각도, 합성개구레이다의 이동 속도 또는 합성개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리 중 적어도 하나를 기반으로 결정될 수 있다.
반사 신호 분할부는 수학식 3을 이용하여 분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 결정할 수 있다.
여기서, L은 분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, R은 합성개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리를 나타내고, v는 합성개구레이다의 이동 속도를 나타내고, θL은 분할 각도를 나타내고, 는 x보다 크지 않은 최대 정수를 산출하는 함수를 나타낸다.
중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수는 합성개구레이다의 이동 속도 또는 합성 개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리 중 적어도 하나를 기반으로 결정될 수 있다.
반사 신호 분할부는 수학식 4를 이용하여 중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 결정할 수 있다.
여기서, Loverlap은 중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, R은 합성개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리를 나타내고, v는 합성개구레이다의 이동 속도를 나타내고, 는 x보다 크지 않은 최대 정수를 산출하는 함수를 나타낸다.
분할 영상의 개수는 합성개구레이다의 이동 속도, 합성개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리, 분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수 또는 중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수 중 적어도 하나를 기반으로 결정될 수 있다.
반사 신호 분할부는 수학식 5를 이용하여 분할 영상의 개수를 산출할 수 있다.
여기서, P는 분할 영상의 개수를 나타내고, L은 분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, Loverlap은 중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, M은 수학식 6을 통하여 산출되는 것이고, 는 x보다 크지 않은 최대 정수를 산출하는 함수를 나타낸다.
반사 신호 분할부는 수학식 6을 이용하여 M을 산출할 수 있다.
여기서, R은 합성개구레이다와 촬영 타겟 간의 거리를 나타내고, v는 합성개구레이다의 이동 속도를 나타내고, 는 x보다 크지 않은 최대 정수를 산출하는 함수를 나타낸다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘에 적용하기 위하여 분할 영상의 픽셀별 좌표를 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
다각도 영상 변환부는 X축 픽셀 간의 간격과 촬영 타겟에 대한 촬영 영역 중심 기준 ENU(East, North, Up) 좌표계의 동쪽(East) 방향 단위 벡터의 곱 및 Y축 픽셀 간의 간격과 촬영 타겟에 대한 촬영 영역 중심 기준 ENU 좌표계의 북쪽(North) 방향 단위 벡터의 곱을 이용하여 결정되는 ENU 좌표를 기반으로 복수의 분할 영상이 동일한 픽셀 간격과 동일한 위치를 가지도록 할 수 있다.
다각도 영상 변환부는 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘을 이용하기 위하여 사용할 영상의 픽셀 별 좌표를 계산할 수 있다. 다각도 영상 변환부는 영상 사이의 상대적 거리 차이 계산 방법을 단순화 하기 위해서 모든 분할 영상이 동일한 픽셀 간격과 픽셀 별 동일한 위치를 가지도록 설정할 수 있다.
다각도 영상 변환부는 수학식 7을 이용하여 복수의 분할 영상이 동일한 픽셀 간격과 동일한 픽셀 별로 동일한 위치를 가지도록 설정할 수 있다. 즉, 영상 픽셀의 거리 i번째, 방위 j번째 위치에 대한 ENU 좌표(xenu_i,yenu_j)는 수학식 7과 같이 정의 될 수 있다.
여기서, dx는 x축 픽셀 간 간격[m]을 나타내고, dy는 y축 Pixel간 간격[m]을 나타내고, 는 촬영 영역의 중심(Tgc)기준 ENU 좌표계의 East방향 단위 벡터를 나타내고, 는 촬영 영역의 중심(Tgc)기준 ENU 좌표계의 North방향 단위 벡터를 나타낸다.
다각도 영상 변환부는 촬영 영역 중심 기준 ENU 좌표를 ECEF(Earth-Centered, Earth-Fixed) 좌표계로 변환하여 ECEF 좌표를 획득하고, 합성개구레이다의 펄스 송신 시점에서 합성개구레이다의 위치와 ECEF 좌표 간의 거리를 합성개구레이다의 영상 형성 알고리즘에 적용하여 복수의 분할 영상을 각각 계산할 수 있다.
예를 들어, 다각도 영상 변환부는 백프로젝션 알고리즘을 이용한 k번째 분할 영상(Ik)을 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다.
여기서, (xecef_i,yecef_j)는 촬영 영역의 중심(Tgc)기준 ENU 좌표를 ECEF 좌표계로 변환한 좌표를 나타내고, s(m, r)은 합성개구레이다가 발사하는 m번째 펄스에서 r거리에서 수신된 신호를 나타내고, r은 m번째 펄스가 촬영 타겟에 부딪히고 반사되어 돌아오는 거리를 나타내고, rs는 m번째 Pulse 송신 시점의 합성개구레이다의 위치와 (xecef_i,yecef_j)좌표와의 거리 차를 나타내고, L은 분할 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, Loverlap은 중첩 구간 내를 이동하는 동안 합성개구레이다가 발사하는 펄스의 수를 나타내고, λ는 SAR 장치의 파장을 나타낸다.
다각도 영상 변환부는 계산된 복수의 분할 영상 각각에 대한 정보를 기반으로 최종 영상인 다각도 영상을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 합성개구레이다 내부 지연시간을 이용하여 보정한 결과에 따른 합성개구레이다 영상을 나타내는 도면이다.
유사도 측정부는 복수의 분할 영상 중에서 i 번째 분할 영상인 제1 분할 영상과 제1 분할 영상과 다른 j 번째 분할 영상인 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 방식으로 유사도를 산출할 수 있다. 여기서, i, j는 1 이상의 자연수이며, 서로 다른 수이다.
유사도 측정부는 제1 분할 영상 또는 제2 분할 영상에 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 통하여 생성한 거리 측정 지원 함수를 기반으로 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리를 산출할 수 있다.
거리 측정 지원 함수는 제1 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제1 변환값을 획득하고, 제2 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제2 변환값을 획득하고, 제1 변환값과 제2 변환값에 Hadamard product 연산을 수행하고, Hadmard product 연산을 수행한 결과에 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 적용하여 생성될 수 있다.
유사도 측정부는 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값을 산출할 수 있다. 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값은 i번째 분할 영상과 j 번째 분할 영상이 가장 유사한 위치를 나타낼 수 있다.
유사도 측정부는 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값 및 영상의 픽셀 개수를 기반으로 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리 차를 산출할 수 있다.
유사도 측정부는 상관 연산(Correlation)을 통한 영상 간의 거리 추정에서 처리 속도 향상을 위해 푸리에 변환의 상관 연산 이론(Correlation Theorem)을 이용하여 i번째 분할 영상과 j번째 분할 영상의 x축 거리 차(Dx ij), y축 거리 차(Dy ij)를 계산할 수 있다.
거리 측정 지원 함수는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Ii는 제1 분할 영상을 나타내고, Ij는 제2 분할 영상을 나타내고, 는 Hadamard product를 나타내고, Vij는 제1 분할 영상과 제2 분할 영상에 대한 거리 측정 지원 함수를 나타내고, F는 푸리에 변환을 나타내고, F-1는 역푸리에 변환을 나타낸다.
거리 측정 지원 함수가 최댓값을 가지도록 하는 좌표값은 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 는 거리 측정 지원 함수가 최댓값을 가지도록 하는 좌표값을 나타낸다.
i번째 분할 영상과 j번째 분할 영상 간의 x축 거리 차(Dx ij)는 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Nx는 영상의 x축 픽셀의 개수를 나타낸다.
i번째 분할 영상과 j번째 분할 영상 간의 y축 거리 차(Dy ij)는 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Ny는 영상의 y축 픽셀의 개수를 나타낸다.
지연시간 산출부는 빛의 속도, 합성개구레이다의 촬영 고각, 복수의 분할 영상의 개수 또는 유사도 중 적어도 하나를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 통하여 내부 지연시간을 산출할 수 있다.
지연시간 산출부에서 수행되는 영상 간 거리를 이용한 내부 지연시간 추정은 다수의 영상 간 거리와 LeastSquare를 이용하여 수행될 수 있다.
지연시간 산출 함수는 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 는 합성개구레이다의 내부 지연시간을 나타내고, c는 빛의 속도[m/s]를 나타내고, 는 합성개구레이다의 고각을 나타낼 수 있다. X는 하기 수학식 14와 같을 수 있고, R은 하기 수학식 15와 같을 수 있다.
여기서, P는 분할 영상의 전체 개수를 나타내고, 는 i번째 분할 영상의 방위각을 나타낼 수 있다. P는 수학식 5를 통하여 계산될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치의 하드웨어 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)는 적어도 하나의 프로세서(140), 컴퓨터 판독 가능한 저장매체(150), 통신 버스(180) 및 인공지능 기반 처리부(160)를 포함한다.
프로세서(140)는 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)로 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(140)는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(150)에 저장된 하나 이상의 프로그램(151)들을 실행할 수 있다. 하나 이상의 프로그램(151)들은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(140)에 의해 실행되는 경우 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)로 하여금 예시적인 실시예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(150)는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보는 입출력 인터페이스(160)나 통신 인터페이스(170)를 통해서도 주어질 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(150)에 저장된 프로그램(151)은 프로세서(140)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(150)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
통신 버스(180)는 프로세서(140), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(150)를 포함하여 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.
합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)는 또한 하나 이상의 입출력 장치를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(160) 및 하나 이상의 통신 인터페이스(170)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(160) 및 통신 인터페이스(170)는 통신 버스(180)에 연결된다. 입출력 장치(미도시)는 입출력 인터페이스(160)를 통해 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치(100)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
프로세서(140)는 도 1을 통하여 도시한 합성개구레이다 영상 처리부(100), 유사도 측정부(200), 지연시간 산출부(300) 및 도 2를 통하여 도시한 반사 신호 수집부, 반사 신호 분할부 및 다각도 영상 변환부에서 수행되는 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 SAR로부터 반사된 레이다 신호를 수집하고 이를 저장하고, 이후 수행되는 동작에 이용할 수 있다. 프로세서는 SAR의 파장을 기반으로 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할할 수 있다. 프로세서는 분할된 데이터를 바탕으로 분할 영상을 생성할 수 있다. 프로세서는 각 픽셀의 위치에 대해 계산된 좌표를 기반으로 복수의 분할 영상으로부터 최종 영상인 다각도 영상을 생성할 수 있다. 프로세서는 분할 각도를 결정할 수 있다. 프로세서는 중첩 각도를 결정할 수 있다. 프로세서는 펄스 수를 결정할 수 있다. 프로세서는 분할 구간 내를 이동하는 동안, 또는 중첩 구간 내를 이동하는 동안, SAR이 발사하는 펄스의 수는 SAR의 이동 속도 또는 SAR와 촬영 타겟 간의 거리 중 적어도 하나를 기반으로 분할 구간을 결정할 수 있다. 프로세서는 X축 픽셀 간의 간격과 촬영 타겟에 대한 촬영 영역 중심 기준 ENU(East, North, Up) 좌표계의 동쪽(East) 방향 단위 벡터의 곱, Y축 픽셀 간의 간격과 촬영 타겟에 대한 촬영 영역 중심 기준 ENU 좌표계의 북쪽(North) 방향 단위 벡터의 곱을 이용하여 결정되는 ENU 좌표를 기반으로 분할 영상들이 동일한 픽셀 간격과 동일한 위치를 가지도록 할 수 있다. 프로세서는 촬영 영역 중심 기준 ENU 좌표를 ECEF(Earth-Centered, Earth-Fixed) 좌표계로 변환하여 ECEF 좌표를 획득하고, SAR의 펄스 송신 시점에서 SAR의 위치와 ECEF 좌표 간의 거리를 SAR의 영상 형성 알고리즘에 적용하여 분할 영상들을 각각 계산할 수 있다.
또한, 프로세서는 생성된 분할 영상들 간의 유사도를 측정할 수 있고, i 번째 분할 영상과 j 번째 분할 영상 간의 거리를 계산하는 방식을 사용하여 유사도를 측정할 수 있다. 프로세서는 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 사용하여 분할 영상에 대한 거리 측정 지원 함수를 생성할 수 있다. 프로세서는 푸리에 변환을 각 분할 영상에 적용하여 변환값을 얻고, 이 변환값들에 대해 Hadamard product 연산을 수행하고, 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 적용하여 거리 측정 지원 함수를 생성할 수 있다.
프로세서는 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록 하는 좌표값을 산출할 수 있다. 프로세서는 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록 하는 좌표값 및 영상의 픽셀 개수를 기반으로 분할 영상들 간의 거리 차를 계산할 수 있다.
프로세서는 빛의 속도, SAR의 촬영 고각, 분할 영상의 개수 또는 유사도 등을 변수로 사용하여 내부 지연시간을 계산하는 함수를 통해 지연시간을 산출할 수 있다.
SAR 데이터는 센서와 대상 간의 거리에 따라 기하학적 왜곡이 발생할 수 있다. 프로세서 또는 합성개구레이다 영상 처리부는 지연시간을 이용하여 기하학적 왜곡을 보정할 수 있다.
대기 중의 수증기, 먼지 등은 SAR 신호의 전파 시간에 영향을 미치며 이는 영상에 왜곡을 일으킨다. 프로세서 또는 합성개구레이다 영상 처리부는 지연시간을 측정하고 이를 보정함으로써 대기 왜곡을 줄일 수 있다.
SAR는 움직이는 플랫폼(예를 들어 위성 또는 항공기)에서 운영되므로, 플랫폼의 불규칙한 움직임은 SAR 데이터에 모션 오류를 초래할 수 있다. 프로세서 또는 합성개구레이다 영상 처리부는 지연시간을 이용해 모션 오류를 보정하여 높은 해상도의 영상을 생성할 수 있다.
SAR 신호는 다양한 경로로 반사되어 수신기에 도달하며, 이는 SAR 영상에 고스트 이미지나 교란을 일으킬 수 있다. 프로세서 또는 합성개구레이다 영상 처리부는 지연시간을 측정하여 이러한 효과를 보정할 수 있다.
본 발명은 Circular SAR를 이용한 SAR 장치 지연 보정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 동일 지역을 다양한 각도에서 측정한 SAR 영상을 이용하여 SAR 장치의 내부 지연시간을 측정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 내부 지연 시간 측정을 위한 별도의 장비나 운용 절차가 필요하지 않고 Circular SAR 운용만으로 내부 지연 시간 측정 가능하다.
또한, SAR 영상 형성을 위해 BackProjection 알고리즘을 이용함으로써 SAR 영상 형성 알고리즘에서 발생하는 위치 오차를 제거하고 안테나가 이상적인 원의 형태로 움직이지 못해서 발생되는 오차를 최소화한다.
또한, 영상 사이의 거리 추정 시 Fourier transform의 Correlation theorem을 이용함으로써 연산 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 전방위(360°)에서 수신한 신호를 분할하여 다수의 영상을 형성하고 다수의 영상 사이의 거리 차이를 이용함으로써 내부 지연 시간 추정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 SAR 장치, ISAR 장치 등 장비의 안테나와 관심 표적 간의 거리 정보를 획득하는 장치에서 내부 지연시간을 측정하는 방법으로 활용 가능하다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치에서 이용하는 합성개구레이다를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다각도 합성개구레이다 영상 처리 장치에서 이용하는 합성개구레이다는 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)일 수 있고, 초소형 합성 개구 레이다 시스템은 합성 개구 레이다(SAR: Synthetic Aperture Radar) 방식으로 레이다 탐지 영상을 획득하는 시스템이다.
초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)은 일반적으로 공중 이동체 또는 인공 위성 등에 탑재되며, 이동하는 동안 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 반사되어 수신된 반사 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다.
합성 개구 레이다는 극초단파 영역의 초고주파를 활용하기 때문에 아지랑이, 가랑비, 눈, 구름, 연기 등의 기후 환경에 영향을 받지 않고, 육상 지형이나 바다를 관측할 수 있으며, 스스로 관측에 사용하는 에너지원을 전파하는 능동시스템이기 때문에 밤과 낮에 상관없이 이미지를 얻을 수 있다.
본 실시예에 따른 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)은 무인 공중 이동체에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 무인 공중 이동체는 조종사 없이 무선 전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터, 드론, 미사일 등의 이동체일 수 있다.
초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)에 포함된 무선 주파수 신호 송수신 장치의 기본 구조는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 구조로 설계 가능하다. FMCW는 주파수 변조된 신호를 연속적으로 발사하는 방식이다. 위성 항법 모듈의 1 PPS 신호와 동기화된 클록 신호를 이용하여 송신 시점의 안테나 위치에 대응하는 정확한 SAR 영상을 복원할 수 있고, 경량 소형화 RF 송수신 장치를 제작할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 무인 공중 이동체에 탑재 가능한 합성 개구 레이더용 무선 주파수 신호 송수신 장치는 국방 감시 정찰, 방재, 교통 감시 등에 이용이 가능하다.
안테나 모듈(410)은 무선 주파수 신호(레이다 펄스)를 방사하여 타겟으로부터 반사된 반사 신호(레이더 반사파)를 수신한다.
안테나 모듈(410)은 RF 송수신 모듈(440)과 연동하여 동작하며, RF 송수신 모듈(440)에서 생성된 무선 주파수 신호를 송신하고, 수신된 반사신호를 RF 송수신 모듈(440)로 전달한다.
또한, 안테나 모듈(410)은 김발 모듈(420)의 구동 동작에 따라 지향 방향이 조정될 수 있다.
본 실시예에 따른 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)은 안테나 모듈(410), 김발 모듈(420), 항법 센서 모듈(430), RF 송수신 모듈(440) 및 제어 모듈(450)을 포함한다. 도 12의 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)은 일 실시예에 따른 것으로서, 도 12에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
안테나 모듈(410)은 급전부, 방사부 패치, 기생패치, 차폐벽 등을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 안테나 모듈(410)의 요구규격은 SRR/SFR 기준으로 중량은 0.3 Kg 이하, 운용 주파수는 X-band(6.2 ~ 10.9 GHz의 주파수 대역), 편파는 HH, VV, HV, VH, 안테나 이득은 15 dBi 이상, 부엽 준위는 -20 dB 이하로 설계되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
김발 모듈(420)은 무인 공중 이동체에 탑재되며, 안테나 모듈(410)과 결합하여 신호 송수신을 위한 조향 제어를 수행한다.
김발 모듈(420)은 방위각 조립체, 고각 조립체, 방진구 조립체 등으로 구성될 수 있으며, 제어 모듈(450)의 제어 신호에 근거하여 방위각, 고각 등을 제어할 수 있다.
김발 모듈(420)의 요구규격은 PDR 기준으로 중량은 0.5 kg 이하, 구동 방식은 2 축 구동, 방위각은 -130 내지 130도 이내, 고각은 0 내지 85 도 이내인 것이 바람직하며, 자체 고장 진단을 수행할 수 있도록 모니터링부와 제어부를 포함할 수 있다.
항법 센서 모듈(430)은 무인 공중 이동체의 항법 데이터를 센싱하는 동작을 수행한다.
항법 센서 모듈(430)은 무인 공중 이동체의 항법 정보, 자세 정보, 위치 정보 등을 포함하는 항법 데이터를 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 항법 센서 모듈(430)은 관성 측정 장치(IMU: Inertial Measurement Unit), 관성 항법 장치(INS: Inertial Navigation System), GPS 장치 등을 포함할 수 있다.
RF 송수신 모듈(440)은 레이다 탐지를 위한 무선 주파수 신호를 생성하고, 반사된 반사 신호를 수신하여 분석 및 신호처리한 레이다 탐지 데이터를 저장하는 동작을 수행한다.
RF 송수신 모듈(440)은 RF 송신부(441), RF 수신부(442), 신호 처리 제어부(443) 및 저장부(444)를 포함할 수 있다.
RF 송수신 모듈(440)은 수신된 반사 신호를 신호 처리하여 레이다 탐지 데이터를 저장한다. 여기서, 신호 처리는 실시간으로 반사 신호 및 항법 정보를 결합하는 동작일 수 있다.
또한, RF 송수신 모듈(440)은 무선 주파수 신호 송신 시 파형 보정을 수행하고, 보정된 무선 주파수 신호를 생성하여 출력되도록 한다.
또한, RF 송수신 모듈(440)은 항법 센서 모듈(430)로부터 수신되는 항법 데이터의 시간 보정을 수행하고, 보정된 항법 데이터 또는 시간 보정을 기반으로 생성된 가상 항법 데이터와 레이다 탐지 데이터를 함께 저장한다. 여기서, RF 송수신 모듈(440)은 GPS 기반의 PPS 신호를 기반으로 동작 트리거 신호를 생성하여 시간 보정을 수행할 수 있다.
제어 모듈(450)은 초소형 합성 개구 레이다 시스템(400)의 신호 송수신 제어, 항법 센싱 제어 등의 전반적인 제어를 수행한다.
제어 모듈(450)은 RF 송수신 모듈(440)의 신호 송수신을 제어하며, 항법 센서 모듈(430)과 시간 동기를 위한 타이밍 신호, 동작 트리거 신호 등을 생성 및 전원 공급을 제어한다.
본 출원은 컴퓨터 저장 매체도 제공한다. 컴퓨터 저장 매체에는 프로그램 명령이 저장되어 있고, 프로세서에 의해 프로그램 명령이 실행되면, 상술한 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법이 실현된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 저장 매체는 U디스크, SD카드, PD광학 드라이브, 모바일 하드 디스크, 대용량 플로피 드라이브, 플래시 메모리, 멀티미디어 메모리 카드, 서버 등일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치
100: 합성개구레이다 영상 처리부
110: 반사 신호 수집부
120: 반사 신호 분할부
130: 다각도 영상 변환부
200: 유사도 측정부
300: 지연시간 산출부

Claims (13)

  1. 합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 상기 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 합성개구레이다 영상 처리부;
    상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 유사도 측정부; 및
    상기 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 상기 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출하는 지연시간 산출부;를 포함하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유사도 측정부는,
    상기 복수의 분할 영상 중에서 i 번째 분할 영상인 제1 분할 영상과 상기 제1 분할 영상과 다른 j 번째 분할 영상인 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 방식으로 상기 유사도를 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치,
    여기서, i, j는 1 이상의 자연수이며, 서로 다름.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유사도 측정부는,
    상기 제1 분할 영상 또는 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 통하여 생성한 거리 측정 지원 함수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 거리 측정 지원 함수는,
    상기 제1 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제1 변환값을 획득하고, 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환을 적용한 제2 변환값을 획득하고, 상기 제1 변환값과 상기 제2 변환값에 Hadamard product 연산을 수행하고, 상기 Hadamard product 연산을 수행한 결과에 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 적용하여 생성되는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유사도 측정부는,
    상기 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유사도 측정부는,
    상기 거리 측정 지원 함수가 최대값을 가지도록하는 좌표값 및 영상의 픽셀 개수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 상기 제2 분할 영상 간의 거리 차를 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지연시간 산출부는,
    빛의 속도, 상기 합성개구레이다의 촬영 고각, 상기 복수의 분할 영상의 개수 또는 상기 유사도 중 적어도 하나를 변수로 하는 상기 지연시간 산출 함수를 통하여 상기 내부 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 합성개구레이다 영상 처리부는,
    합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하는 반사 신호 수집부;
    상기 반사 신호를 상기 합성개구레이다의 파장을 기반으로 결정되는 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 반사 신호 분할부; 및
    각 픽셀(Pixel)의 위치에 대해 계산된 좌표를 기반으로 상기 복수의 분할 영상으로부터 최종 영상인 다각도 영상을 생성하는 다각도 영상 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분할 구간은,
    상기 촬영 타겟을 중심으로 하는 원의 내부의 분할 각도에 따라 결정되고, 상기 분할 각도보다 작은 중첩 각도에 대응하여 인접한 다른 분할 구간과 적어도 일부 중첩하여 중첩 구간을 형성하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 장치.
  10. 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간을 측정하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리 및 상기 하나 이상의 프로그램에 따른 동작들을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 장치에서 수행되는 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법에 있어서,
    합성개구레이다(SAR, Synthetic Aperture Radar)를 이용하여 촬영 타겟의 주위를 회전하며 획득한 상기 촬영 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 수신하고, 상기 반사 신호를 복수의 분할 구간으로 분할하고, 상기 복수의 분할 구간 각각에 대응하는 복수의 분할 영상을 생성하는 단계;
    상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계; 및
    상기 유사도를 변수로 하는 지연시간 산출 함수를 기반으로 상기 합성개구레이다 내부에서 발생하는 내부 지연시간을 산출하는 단계;를 포함하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계는,
    상기 복수의 분할 영상 중에서 i 번째 분할 영상인 제1 분할 영상과 상기 제1 분할 영상과 다른 j 번째 분할 영상인 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 방식으로 상기 유사도를 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법,
    여기서, i, j는 1 이상의 자연수이며, 서로 다름.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분할 영상 간의 유사도를 측정하는 단계는,
    상기 제1 분할 영상 또는 상기 제2 분할 영상에 푸리에 변환(Fourier Transform) 또는 Hadamard product 연산을 통하여 생성한 거리 측정 지원 함수를 기반으로 상기 제1 분할 영상과 제2 분할 영상 간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는, 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 합성개구레이다 내부에서 발생하는 지연시간 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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