KR20080030090A

KR20080030090A - Ｓｗａｔｈｓａｒ를 위한 효율적인 오토포커스 방법

Info

Publication number: KR20080030090A
Application number: KR1020087003356A
Authority: KR
Inventors: 광 엠 초; 레오 에이치 루이
Original assignee: 레이던 컴퍼니
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-04-03
Also published as: IL185693A; JP5579384B2; AU2006330076B2; WO2007075198A2; US7145498B2; IL185693A0; EP1913418B1; KR100989005B1; AU2006330076A1; WO2007075198A3; CA2606113C; JP2009505068A; CA2606113A1; EP1913418A2; DE602006019605D1; ATE495466T1; US20060109164A1

Abstract

이동하는 레이더(1200)는 패치로부터 반사된 주기적인 펄스 반사신호들로부터 패치의 탐색 모드 합성 개구 화상을 생성한다. 패치는 2개 이상의 중첩하는 어레이들로부터 얻어지는 레이더 반사신호들로부터 이미지화된다. 강한 산란체는 각각의 어레이 내에서 위치결정되고, 다음에 각각의 어레이로부터의 데이터는 레이더 및 강한 산란체의 움직임과 관련하여 움직임 보상된다. 각각의 어레이에 대한 움직임 보상된 결과들은 오토포커스되어 각각의 어레이에 대한 위상 오차를 얻는다. 각각의 어레이에 대한 위상 오차를 이용하여, 연결된 위상 오차 추정치가 연산되고, 각각의 어레이의 위상 오차에 부가되어 어레이들 사이의 중첩에서의 위상들 사이의 차들을 최소화하여, 어레이들 사이의 중첩 영역에는 위상 불연속성이 없거나 또는 최소한도로 존재함을 보장한다. 위상 불연속성을 회피하면 패치를 렌더링하는 어레이들의 결합의 깨끗한 SAR 화상을 만들어 낸다.

레이더, SAR, 위상 오차, 오토포커스, 패치

Description

ＳＷＡＴＨＳＡＲ를 위한 효율적인 오토포커스 방법{EFFICIENT AUTOFOCUS METHOD FOR SWATH SAR}

<관련 출원>

본 출원은 "Autofocus Method Based on Successive Parameter Adjustments for Contrast Optimization"이라는 제목으로 2004년 11월 23일 출원된, 미국 특허 및 상표부 출원 번호 10,996,246의 일부 계속 출원이다. (ref PD-03W148)

본 발명은 미 공군에 의해 수여된 계약 번호 F19628-00-C-0100하의 정부 지원으로 진행되었다. 정부는 본 발명에 있어서 소정의 권리를 갖는다.

<기술분야>

본 발명은 탐색(swath) SAR (Synthetic Aperture Radar) 이미징에 대한 오토포커스 방법들의 분야에 관한 것이다.

SAR(Synthetic Aperture Radar)는 지형 맵핑 및 타겟 식별에 사용된다. SAR의 일반적 원리는 순차적으로 송신된 복수의 펄스들로부터의 레이더 반사신호의 진폭 및 위상 정보를 코히어런트(coherent)하게 결합하는 것이다. 이들 펄스들은 이동하는 플랫폼 상의 비교적 작은 안테나로부터 나온다. 플랫폼이 이동함에 따라, 펄스들에 포함된 정보가 코히어런트하게 결합되어 높은 분해능의 SAR 화상에 도달 한다.

플랫폼의 추측된 기지의 경로를 따라 송신된 펄스들에 의해 발생된 SAR 화상을 생성하는 복수의 반사신호들은 어레이를 구성한다. 이론적으로, 어레이 동안에, 각각의 펄스들로부터 되돌아온 진폭 및 위상 정보가, 다수의 레인지 빈(range bin)들 각각에 대해 보존된다. SAR 화상은 각각의 레인지 빈 내의 반사신호(들)의 진폭 및 위상의 코히어런트 결합으로부터 형성되고, 어레이의 지속 기간에 대한 반사신호들을 획득하는 동안에, 이동 플랫폼의 공간적 변위에 대해 움직임이 보상된다.

SAR 화상의 명료성은 많은 점에 있어서 SAR 화상 계산보다 먼저 각각의 레이더 반사신호에 적용된 움직임 보상의 품질에 의존적이다. 움직임 보상은 기준점에 대해 이동하는 플랫폼의 공간 내의 움직임에 따라 각각의 레이더 샘플(통상적으로 아날로그-디지털 변환기로부터 얻어진 복소수 I+jQ)의 위상을 천이시킨다. SAR 화상 처리는 어레이 내에서 기대되는 모든 레이더 반사신호들의 코히어런트하고 정확한 위상의 합산에 따른다.

소정의 응용들에서, 각각의 레이더 A/D 샘플에 적용되는 위상 보상으로부터 유도되는 움직임 보상의 정밀도가 충분히 정확하지 않다. 더 나은 위상 정렬 정밀도를 위해, 오토포커스(autofocus(AF)) 방법들이 사용된다. 오토포커스(AF) 방법들은 움직임 보상 자체만으로부터 가용한 정밀도보다 더 나은 정밀도를 위한 위상 정렬 레이더 반사신호 샘플들에 대한 시도에 있어서 통상적으로 SAR 데이터 그자체의 레이더 반사신호에 포함된 정보를 이용한다. 수집된 SAR 데이터로부터 얻어진, 추정된 위상 오차는 움직임 보상된 SAR 데이터에 적용되어 결과적인 SAR 화상을 개선시킨다. 위상 오차 추정 및 보상에 대한 이러한 SAR 데이터에 의한 접근은 일반적으로 오토포커스(AF)로 지칭된다.

스포트라이트(spotlight) 모드에 부가하여, SAR 레이더는 또한 탐색(스와스(swath) 또는 스트립(strip)) 지도 모드에서 동작할 수 있다. 스포트라이트 모드는 프레임(또는 어레이)의 지속기간 동안 지도(화상) 가운데의 중심으로 안테나 빔을 조종함으로써 제한된 면적의 제한된 크기를 갖는 2차원 화상들을 생성한다. 반대로, 탐색 모드는 SAR 데이터 수집 주기, 또는 어레이 동안에, 고정된 방위(azimuth) 안테나 방향을 유지함으로써 이론적으로 무제한의 길이를 갖는 화상 스트립들을 생성한다. 통상적으로 레인지-방위(range-azimuth) 방향으로 지향된 화상들을 생성하는 스포트라이트 모드와는 달리, 탐색 모드는 트랙(track) 및 트랙 직교(cross track) 방향을 따라 지향된 화상들을 생성한다. 탐색 모드 동안에 보상되지 않은 플랫폼 움직임은 방위 응답에 영향을 미치는 펄스 데이터에 의해 야기되는 방위 방향의 화상 번짐을 만들어낸다. 2개의 화상 축들의 방향에서 타겟 화상이 번지기 때문에, 1차원 일괄 처리를 이용하여 오토포커스에 대한 잔여 위상 오차를 추정하고 교정하는 것이 어렵다.

탐색 모드 동안에 존재하는 또 다른 어려움은 SAR 화상 패치를 형성하는 다수 부분들에 대한 위상 오차를 병합하는데 있다. 패치의 일부분들이 만나는 경계들은 번지게 되고, 그러한 영역에서의 위상 선명도가 명확하게 정의되지 않아 윤곽이 분명하지 않으며, 연속적이지 않다. 따라서, 위상 오차들은 모든 지면 타겟들 에 대해 보상될 필요가 있고 연속적인 방식으로 추정될 수 없다. 이들 패치의 개별적인 부분들은 연속적 화상에 대해 교정될 필요가 있다. 그러한 교정이 부족하면 결과적인 화상에 원치않는 돌출성 고주파 성분(spurious high frequency component)들이 도입됨으로써 화상의 품질 및 이용성을 저하시킨다.

패치로부터 반사된 주기적 펄스 반사신호들(pulse returns)로부터 패치의 탐색 모드 합성 개구 화상(synthetic aperture image)을 발생하는 레이더에 의해 위의 제한점들은 감소되고 SAR 화상은 개선된다. 레이더는 움직이는 플랫폼상에 탑재된다. 제1 개수의 주기적 펄스들의 반사신호들이 제1 어레이로부터 반사되는 한편, 제2 개수의 주기적 펄스들의 반사신호들은 제2 어레이로부터 반사된다. 제1 어레이는 제2 어레이와 중첩 양만큼 중첩된다. 중첩하는 제1 어레이와 제2 어레이는 패치를 커버한다. 일반적으로, 다중 중첩 어레이들은 패치를 커버한다.

레이더는 제1 어레이로부터의 펄스 반사신호들을 제1 레인지 빈들을 갖는 제1 디지털 어레이로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 동일한 또는 또 다른 ADC는 제2 어레이로부터의 펄스 반사신호들을 제2 레인지 빈들을 갖는 제2 디지털 어레이로 변환한다.

디지털 컴퓨터는,

상기 제1 디지털 어레이 내에 제1 강한 산란체(strong scatterer)를 위치결정하고;

상기 제2 디지털 어레이 내에 제2 강한 산란체를 위치결정하고;

상기 제1 강한 산란체 및 상기 제1 디지털 어레이 동안에 상기 이동하는 플랫폼의 상기 움직임과 관련하여 상기 제1 디지털 어레이를 움직임 보상하여 움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 획득하고;

상기 제2 디지털 어레이 동안에 상기 이동 플랫폼의 상기 움직임과 관련하여 상기 제2 디지털 어레이를 움직임 보상하여 움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 획득하고;

상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 오토포커스하여 상기 제1 디지털 어레이에 대해 제1 위상 오차 추정치를 획득하고;

상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 오토포커스하여 상기 제2 디지털 어레이에 대해 제2 위상 오차 추정치를 획득하고;

최적화 위상을 상기 제2 오차 추정치에 부가하여 상기 제2 어레이에 대한 천이된 오차 추정치를 획득하고;

상기 중첩에 대해 상기 제1 위상 오차 추정치 및 상기 천이된 오차 추정치를 병합하여 연결된 위상 오차 추정치를 획득하고;

상기 연결된 위상 오차 추정치를 상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이 및 상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이에 적용하여 상기 패치의 화상을 연산하는데 사용된다.

상기 제1 디지털 어레이 내의 상기 제1 레인지 빈들 각각에 대해 제1 레인지 빈 파워를 연산하고 상기 제1 레인지 빈들 중에서 가장 높은 제1 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제1 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 제1 어레이 내에 제1 강한 산란체가 발견된다. 상기 제2 디지털 어레이 내의 제2 레인지 빈들 각각의 제2 레인지 빈 파워를 계산하고 상기 제2 레인지 빈들 중에서 가장 높은 제2 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제2 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 제2 강한 산란체가 위치결정된다.

최적화된 위상은 상기 중첩에 대한 상기 제1 오차 추정치와 상기 제2 오차 추정치간의 차를 최소 자승 판정법(least square criterion)을 이용하여 최소화한다. 일 실시예에서, 중첩은 상기 제1 어레이의 다수의 펄스들 및 상기 제2 어레이의 동일한 수의 펄스들을 포함하며, 통상적으로 그 수는 제1 어레이를 구성하는 펄스들의 수의 10% 보다 많다.

도 1은 종래 기술의 SAR 스와스(swath) 구성이다;

도 2는 바람직한 실시예에서의 펄스 단위 처리를 도시한다;

도 3은 패치의 화상을 만들어내는 복수의 어레이들을 병합하는 것을 도시한다;

도 4는 패치와 관련하여 복수의 어레이들의 형상을 도시한다;

도 5는 특정 어레이에 대한 CRP(Central Reference Point)를 찾기 위한 디처프된 레인지(dechirped range) 샘플들의 처리를 도시한다;

도 6은 패치를 커버하는 중첩된 어레이들의 형상을 도시하며, 각각의 어레이는 CRP로서 사용하기 적합한 타겟을 갖는 강한 레인지 빈을 갖는다;

도 7은, 도 6에서 발견된 CRP가 CRP주변의 화상을 형성하는데 사용되는 패치 를 커버하는 중첩된 어레이들의 형상을 도시한다.

도 8은 본 명세서에서 사용된 바와 같은 PFA(Polar Format Algorithm)의 사용을 도시한다;

도 9는 방위 주파수를 계산하는데 사용된 형상을 도시한다;

도 10은 방위 주파수 도메인 형상을 도시한다;

도 11은 2개의 중첩하는 어레이들간의 위상 관계를 도시하고, 중첩 영역에서 이루어진 조정들을 도시한다; 및

도 12는 어레이들 사이의 중첩에서의 데이터를 병합하는데 사용되는 장치 및 방법 단계들을 도시한다.

본 발명은 패치를 커버하는 중첩하는 어레이들을 이용하여 패치의 탐색형 SAR 화상들을 개선하는 방법을 설명한다.

SAR 화상들은 반사된 펄스들의 정확한 위상 정렬을 요구하여 그 안에 포함된 정보의 동위상 결합을 달성한다. 위상 오차들은 움직임 보상으로 인한 내비게이션 데이터 부정확성으로부터 발생하거나, SAR 화상들에 대해 디-포커싱(de-focusing)을 야기하는 레이더 반사신호들에 대한 대기 효과들로부터 발생한다. 이들 유형의 오차들에 대해 보상하는데 사용되는 방법들은 오토포커스(AF)라 지칭된다. AF는, 움직임 보상에 의해 원래 제공된 것이 아닌 비교적 미세하고 정확한 위상 교정을 행하기 위한 움직임 보상된 레이더 수집 데이터에 포함된 정보에 의존한다.

스포트(spot) SAR 모드에서의 경우와 달리, 탐색 SAR 모드에서의 AF에 대한 처리는 위상 오차들의 연속적 추정치들을 요구하여 다중 SAR 어레이들이 결합되어 큰 패치가 될 수 있다. 또한, 탐색 모드에서 생성된 화상들은, 스포트 모드와는 달리, 트랙 방향, 트랙 직교 방향으로 지향한다. 본 명세서에서 설명된 최상의 모드 실시예는 PFA(Polar Format Algorithm)에 의해 형성된 화상들을 이용하여 일괄 처리에 우선하여 AF를 행한다. SPA(Successive Parameter Adjustment)가 각각의 AF 어레이 위상 오차의 추정에 대해 사용된다. 예비 영역 탐색이 행해져서 강한 반사신호를 갖는 화상의 영역을 선택한다. SPA에 의한 고차 위상 오차의 추정에 대한 AF 화상들은 방위 디스큐(deskew) 기능을 이용하지 않고 개구(방위 주파수) 도메인에서 데이터를 시간적으로 정렬하기 위해 PFA를 이용하여 형성된다. 패치를 형성하는 모든 어레이들에 적용될 복합 위상 오차(composite phase error)를 획득하기 위해 각각의 어레이에 대한 개별적인 위상 오차 추정치들이 병합된다.

도 1은 합성 개구(Synthetic Aperture) 탐색 방법들을 이용하는 레이더 송신기/수신기(SAR)를 운반하는 이동 플랫폼과 상기 레이더 송신기/수신기에 의한 이미징 패치(101)와의 통상적인 종래 기술의 기하학적 관계를 도시한다. 이동 플랫폼은 초기에 위치(103)에 있고, 위치(105) 쪽으로 도시된 방향으로 속도 V로 이동한다. SAR 탐색(또는 swath) 모드에서, SAR 안테나 방위는 플랫폼이 속도 V로 이동함에 따라 패치(101) 쪽으로 지향된 방위각 θ에 고정된다. 이동 플랫폼은 위치(103)로부터 위치(105)로 이동하며, 고정된 각도 θ를 유지하여, 진행함에 따라, 안테나가 패치(101)의 일부분들을 비춘다. 위치(103)와 위치(105) 사이에서 수집된 어레이들 동안에 레이더 펄스들이 송신되고 대응하는 반사신호들이 많은 지점들 에서 수신된다. SAR 레이더의 탐색 유형들은 본 기술분야에 주지되어 있으며, 예를 들어, J.C.Curlander 등에 의한 Synthetic Aperture Radar: Systems and Processing, Wiley, 1991(이후, 참조문헌 1로서 나타냄)에 설명되고, 본 명세서에서 전체가 참조로서 포함되었다.

움직임 보상은, 이동 플랫폼이 레이더 반사신호들을 획득함에 따라, 이동 플랫폼에 대한 산란체들의 위치 변경에 기인하여 SAR 화상을 형성하는 SAR 프레임에서의 레이더 반사신호 각각에 대한 레이더 위상 오차에 대해 디지털 교정을 하는 처리이다. 포커스 포인트에 대한 이동 플랫폼의 움직임은 통상적으로 GPS/INS 시스템들에 연결된 가속도계를 이용하여 계측된다. 레이더 반사신호들의 각각의 I/Q 샘플에 대한 움직임 보상이 에어본(airborne) 디지털 컴퓨터에서 행해진다. 움직임 보상의 정확한 형식은 레이더 반사신호로부터의 SAR 화상을 컴파일하는데 사용된 방법에 따른다. 잔여 위상 오차는 움직임 보상이 고려된 후에 존재하는 위상 오차이다. 보상되지 않은 센서 움직임 또는 대기 효과와 같은 다양한 소스로부터의 잔여 위상 오차는 SAR 화상의 품질을 저하시키는 결과를 낳는다. 전체(탐색) 패치에 대한 보상되지 않은 위상 오차의 감소가 본 실시예의 목적이다.

1) SAR 탐색 모드 및 데이터 테이크(Data Take)에 대한 오토포커스 개요

SAR 탐색 모드는 스포트라이트 모드와는 상이하다. 스포트라이트 모드는 일반적으로 레인지 및 방위 방향으로 지향된 화상들을 생성한다. 탐색 모드에서는, 화상은 트랙 방향을 따라 그리고 트랙 직교 방향을 따라 존재한다. 움직임 보상의 불완전성으로 인해 결과적인 화상은 양 축들에서 번지게 될 것이다. 따라서, 번짐 은 각각의 축에 하나씩 대응하는, 오차들에 대한 2개의 원인에 의한 결과이다. 양 축들로부터의 오차 때문에, 나머지, 움직임 보상 후의 오차들을 1차원 처리를 이용하여 추정하고 교정하는 것은 어렵다.

탐색 모드 위상 오차는 화상 형성 일괄 처리 단계에서 추정되고 교정될 수 있다. 즉, 데이터가 획득됨에 따라 펄스 단위의 처리가 행해지고 오토포커스는 나중에 구현된다. 오토포커스 처리의 예가 2004년 8월 24일 허여된 미국 특허 6,781,541에 설명되고, 본 명세서에서 전체가 참조로서 포함되었다. '541 특허와는 달리, 본 방법 및 장치는 일괄 처리보다 먼저 연산될 위상 교정 방법을 설명한다.

탐색 모드 오토포커스에서의 과제는 탐색 패치의 중첩된 서브세트들인 2개 이상의 AF 어레이들을 이용하여 추정된 위상 오차 세그먼트들을 병합하는 것이다. 보상될 필요가 있는 위상 오차들은 지상의 모든 타겟들에 대해 연속적인 방식으로 추정될 수 없다. 따라서, 위상 오차들은 AF 패치들을 이용하여 펄스의 그룹들에 대해 추정되고, 다음에 패치 화상을 기술하는 모든 수집된 펄스들에 적용될 위상 오차 교정의 연속적인 스트림에 대해 적절하게 연결된다. 최종 화상에서의 고주파 잡음을 회피하기 위해 중첩된 공통 주기에서 추정치들을 병합함으로써 화상, 즉, AF 어레이들의 개별적인 서브세트들의 원활한 연결들을 이루는 것이 요구된다. 각각의 AF 어레이로부터의 추정된 위상 오차는 2차보다 낮은 항들을 포함하지 않음을 고려할 때, 상수 및 선형 위상 추정 교정항들이 도입되어 연속적인 위상 오차 세그먼트들 사이의 중첩된 부분이 최소 자승 판정법을 이용하여 최적화된다. 플랫폼 움직임 오차의 완전한 보상은 AF 기능 단독으로는 연산될 수 없는데, 그러한 보상은 각도 오차 및 지연 또는 위상 오차의 추정을 필요로 하기 때문이다. 따라서, AF 기능은 화상 품질을 개선하기 위해서만 위상 오차를 추정하고 교정한다. 화상 천이(image shifting) 및 재스케일링(re-scaling)은 또한 AF 기능을 적용하지 않고 연산될 수 있다. 따라서, 화상 번짐은, 임의의 AF 방법들을 이용하여 위상 오차가 교정되는 경우, 레이더 데이터를 획득할 때 직면하는 움직임 오차의 유형에 따라 더 낫거나 더 나쁘거나 할 수 있다. 하나의 AF 방법은 1994년 8월 2일에서 5일 사이에 열렸던 Sixth IEEE, Digital Signal Processing Workshop, 페이지 53-56에 D.E. Wahl 등에 의해 제안된 New Approach to Strip Map SAR Autofocus이며 본 명세서에서 참조로서 전체가 포함되었다.

탐색 모드 SAR 처리는 2개의 처리 단계들로 나누어진다: SAR 화상에 대한 펄스 단위 처리와 일괄 처리이다. 도 2는 본원의 방법이 통상적인 탐색 모드 화상 형성 체인에 적용되는 것을 도시한다. AF 기능에 대한 입력은 모든 수집된 펄스들에 대한 레인지로 샘플된 데이터이다. 송신된 펄스가 선형 주파수 변조된(LFM) 파형을 이용하는 경우, 레인지 압축(202)은 각각의 수신된 펄스에서 2차 위상 성분을 제거한다. 그 결과가 레인지 재샘플(Re-sample)(204)에 전달된다. 오토포커스(AF) 기능(206)에 의해 발생된 ΔΦ_AF는 수집된 레이더 반사신호들에 포함된 추정된 오차이다. 이 추정된 오차는 방위 재샘플(208)이 연산되기 전에 보상된다.

AF 계산

이 도 3에 도시되는 바와 같이 행해진다. 주 AF 처리 단계 들이 개시되기 전에, 전체 탐색 화상의 일부분을 나타내는 각각의 AF 어레이에 대한 레이더 반사신호들이 AF 어레이(301)에 대한 테이크 펄스들(Take pulses)에서 선택된다. 본 방법에 적용가능한 레이더 반사신호 수집이 AF 추정된 위상 오차를 이끌어 내는데 사용되는 파라미터들을 포함하여 도 4에 도시된다.

도 4에서, 패치(402)에 대한 데이터 테이크의 길이 L_DT는 원하는 AT 분해능 δ_AT와 방위에서의 화상 패치의 폭 L_PW으로부터 결정된다. 데이터 테이크는 패치에 대해 404, 408...406과 같은 2개 이상의 오토포커스 어레이들 N_AFA로 나누어져서, N_AFA 위상 오차 추정들이 완료된 경우, 결합된 위상 오차 추정치들이 길이 L_DT를 갖는 펄스들에 적용될 수 있도록 한다. AF 어레이의 어레이 길이 및 중첩된 부분은 L_DT _, _AF와 L_OV로서 각각 명기된다. 다음에 중첩비를 이용하면,

L_DT _, _AF는 다음 식으로부터 계산된다.

AF 어레이들은 레인지 및 방위 방향으로 지향된 AF 화상들을 형성하는데 이용된다. 편향각 θ_sq을 갖는 방위에서의 AF 화상의 크기는 원하는 방위 분해능 δ_AZ, 파장 λ, 매핑 레인지 R 및 메인 로브 브로드닝 팩터(main lobe broadening factor) k에 대해 계산된다:

각각의 AF 어레이에서의 펄스들의 수 N_AFA는 다음 식을 이용하여 L_DT _, _AF로부터 플랫폼 속도 υ에 대해 계산된다.

패치에 대한 데이터 수집 동안에 플랫폼 속도가 현저하게 변화하는 경우, 각각의 AF 어레이에 대한 펄스들의 수는 일정하게 유지된다. AF 어레이는 고정되지 않는다.

2. 강한 반사신호를 갖는 영역의 선택

SPA는 본원에서 사용된 방법이고, 대조 최적화(contrast optimization)에 기초한다. 본 실시예에서, 화상화된 영역들은 높은 레이더 에너지 반사성을 갖는 것이 바람직하다. 낮은 레이더 에너지 반사성을 갖는 영역들은 호수들이나 인접한 언덕, 산들 또는 그외의 지세들에 의해 가려지거나 그늘진 지형이다. 도 5에 도시되는 바와 같이, SCL(scene center line)상의 한 점에 대한 MC(motion compensated) 단계(501)에서 디처프된(dechirped) 레인지 샘플들(처핑(chirping)은 송신 펄스에 대한 선형 주파수 변조를 지칭함)은 SCL상의 한 점에 대해 움직임 보상된다(MC). MC 포인트는 도 6에 도시되는 바와 같이 각각의 AF 어레이에 대한 편향각 θ_sq 및 레인지 R에 의해 결정된다. 데이터 턴(Data turn)(503)은 출력 샘플 들의 감소에 대한 것이다. 레인지 FFT(505)는 레인지 빈 데이터를 화상(주파수) 도메인으로 변환한다. 방위 FFT는 레인지 빈 파워의 계산에 요구되지 않는다. 레인지 빈 파워를 연산하는 단계(507)는 특정 어레이 내의 각각의 레인지 빈에서의 레이더 반사신호 에너지의 양을 연산한다. 가장 강한 반사신호를 갖는 특정 방위에서의 레인지 빈, 즉, 가장 높은 레인지 빈 파워는 이하에 기술되는 바와 같이, PFA를 이용하는 화상 형성에 이용되는 CRP(Central Reference Point)의 좌표를 제공한다.

도 6에서, 어레이(602)는 레인지 빈(608)이 강한 산란체를 갖는 SCL 주변의 데이터를 수집한다. 어레이(604), 중첩하는 어레이(602)는 또한 SCL 주변의 데이터를 수집하고 레인지 빈(606)에서 강한 산란체를 갖는다. 데이터를 수집하는 플랫폼은 속도 V로 이동한다.

3. PFA에 의해 형성된 화상들을 이용하는 SPA에 기초한 위상 오차 추정

많은 가용한 AF 기법들 중 하나를 이용하여 각각의 어레이에 대한 위상 오차가 추정된다. 일 실시예에서, 2004년 11월 23일 출원된, 특허 출원 번호 10,996,246, Autofocus Method Based on Successive Parameter Adjustments for Contrast Optimization에서 설명된 SPA(Successive Parameter Approximation)라 지칭되는 기법이 사용된다. 이 기법은 D.E. Wahl 등에 의해 1994년 3월, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Sys, Vol 30, pp827 - 834의 Phase Gradient Autofocus - A Robust Tool for High Resolution SAR Phase Correction에 설명된 PGA(Phase Gradient Autofocus) 방법에 통상적으로 사용되는 타겟들과 같은 포인트에 의존하 지 않기 때문에 본 바람직한 실시예에 강점을 갖는 것으로 판명된다.

본 바람직한 실시예에 사용된, SPA는 엔트로피로서 측정된 화상 대조를 최대화하기 위한 반복 루프들을 통해 위상 오차의 근사에 사용되는 르장드르 다항식(Legendre Polynomial)의 계수들을 추정한다. SPA를 이용하기 위해, 화상은 PFA 또는 RMA(Range Migration Algorithm)와 같은 화상 형성 알고리듬들 중 하나를 이용하여 형성된다. 그러나, RMA에 의해 형성된 화상으로부터 방위가 변위된 타겟들의 위상 이력들(phase histories)은 시간상으로 정렬되지 않는다. 따라서 2003년 12월 30일 K.M.Cho에게 허여된 미국 특허 6,670,907에서 설명하는 바와 같이, 방위 디스큐가 사용되어 위상 이력들을 시간적으로 정렬한다. 방위 디스큐 기능을 이용하는 것을 회피하려면, 바람직한 실시예에서 RMA 대신에 PFA가 사용된다. 도 6과 관련하여 논의된 바와 같이, 강한 레인지 빈 반사신호들을 갖는 것으로 판명된 CRP 위치들 주변에 형성된 화상의 영역이 SPA 적용에 우선하여 도 7에 도시된다. 도 7에서, 어레이(602)에 의해 커버되는 영역(703)은 레인지 빈(608)에서 발견된 강한 산란체와 관련하여 움직임 보상된다. 마찬가지로, 어레이(604)에 의해 커버되는 영역(701)이 강한 산란체(606)와 관련하여 움직임 보상된다.

PFA에 대한 처리 순서가 도 8에 도시된다. PFA에 대한 입력은 (레인지 압축된) 디처프된 반사신호 I/Q 레이더 데이터이다. 레인지 디스큐 기능은 비교적 작은 AF 화상을 위한 PFA 화상에 대해 통상적으로 요구되지 않는다. CRP를 이용하는 움직임 보상은(802) 도 6에서 약술된(outlines) CRP(central reference point)를 이용하여 레이더 데이터를 움직임 보상한다. 레인지 보간(804) 및 방위 보간(806) 이 참조 1에서 설명된 바와 같이 다상 필터(polyphase filter)를 이용하여 행해진다. 레인지 FFT(808)는 방위에서 공간적 주파수들을 갖는 레인지 빈 데이터를 방위로 생성한다. 레인지 FFT(808)로부터의 출력은 본 CIP 출원의 모 출원에서 기술된 바와 같이 SPA에 대한 입력이다.

4. 중첩하는, 인접 (AF) 어레이들로부터의 위상 오차 추정치들의 병합

최상의 콘트라스트를 위한 위상 오차 추정이 방위 주파수에서 균일하게 샘플된 데이터를 이용하여 상기 섹션 3에 따라 계산된다. 각각의 AF 어레이에 대해 연산된 개별적 위상 오차로부터 패치를 기술하는 펄스들에 적용되는 복합 위상 오차를 연산하기 위해, 각각의 AF 어레이에서의 위상 오차를 특징지우는 르장드르 다항식을 이용하여 각각의 펄스에 대해 위상 오차가 연산된다. 각각의 펄스에 대한 방위 주파수는 도 9에 도시되는 기하구조에 기초한 이하의 수식을 이용하여 연산되고, M은 SAR 수집 각도를 동등하게 나누는 중간 어레이 포인트이다.

여기서,

θ_M은 중간 어레이 포인트 M에서의 편향각이다.

θ_n은 펄스 n에서의 편향각이다.

ψ_M은 중간 어레이 포인트 M에서의 스침각(grazing angle)이다.

PRI(pulse repetition interval)는 펄스 반복 간격이다.

각각의 펄스에 대한 위상 오차는, 펄스 n에 대해 다음의 관계를 갖는 펄스에 대응하는 방위 주파수에서, 섹션 3에서 얻어진 계수들을 갖는 다항식을 이용하여 연산된다.

다음에, 인접한 위상 오차 추정치들은, 상대적 위상 근접성에 이르게 하는 선형 위상을 연산함으로써 매끄럽게 연결된다.

본 절차의 바람직한 실시예는 종래 기술과는 다른 점을 교시한다. 통상적인 접근에서, 위상 어레이 오차의 2차 도함수들은 르장드르 다항식에 의해 특징지워지고 중첩 부분 N_OV에 대해 평균화된다. 이것에 후속하여 (전체) 패치에 적용될 위상 오차를 연산하기 위한 이중 적분이 행해진다. 그러나, 이러한 것은, 추정된 위상의 엣지들 주위의 2차 도함수가 심하게 변동하는 경향이 있으며, 인접한 추정 위상들과 결합된 경우의 안정적인 결과들을 배제하기 때문에, 본원에서 기능하지 않을 것이다. 따라서, 이러한 종래 기술 접근법은 실패할 것이다.

반대로, 바람직한 실시예는, 도 11에 도시되는 바와 같이, 선형 및 상수 위상 항들을 부가하는 것에 의한 최소 자승 기준을 이용하여 중첩 영역 N_OV에서 각각의 어레이부터 개별적인 위상 오차 추정치들을 피팅(fitting) 함으로써 최적의 (선형) 위상을 연산한다. 여기서, 중첩 간격 N_OV에 대해 위상 오차 추정치(1101), Φm-1(n)는 인접한 위상 추정치(1107), Φm(n)로부터 위상 차 E 만큼 분리된다. 원 하는 것은 감소시키고 매끄럽게 하는 것이므로, 위상 차 E를 최적화한다.

위상차 E를 최소화하기 위해, 상수 및 선형 위상이 도입되어 위상차 E가 중첩 영역 N_OV에 대해 제1 위상 오차 추정치(110)와 제2 오차 추정치(1107) 사이에서 최소화된다. 이하에 계산되는 상수 및 선형 위상은 최소 자승 기준을 이용하여 위상차 E를 최소화할 제2 오차 추정치(1107)에 부가될 최적화 위상이다. Φ(n)은 어레이 m에 대한 추정된 위상 오차를 나타내고 펄스 인덱스 n = 0, 1, ...N_AF-1는 N_OV 펄스들이 중첩된 각각의 AF 어레이에서의 N_AF 펄스들을 나타낸다. 중첩된 영역 N_OV에서의 2개의 위상 오차들간의 위상차 E는, n=0, 1,...,N_OV-1에 대해

이고,

선형 함수에서의 계수들 a₀ 및 a₁은,

이며, 최소 자승 최적화 판정법을 이용하여 근사값 ΔΦ_m(n)은 다음과 같이 계산된다:

다음에, 갱신된, 천이된 위상 Φ'_m(n)이 f_m(n)을 이용하여 연산된 선형 위상을 부가함으로써 발생된다. 따라서,

n=0, 1, 2....N_AF-1에 대해

이다.

다음에 인접한 어레이들에서의 데이터가, 어레이로부터 어레이로의 완만하고 매끄러운 위상 천이를 위해 병합되고, 패치의 SAR 화상을 형성한다. 어레이들에 걸쳐서 이용될 위상

이 아래와 같이 고려된다:

여기서,

n = 0, 1, 2,....,N_OV-1에 대해

이다.

어레이들의 중첩되지 않은 부분들에는 변화가 없다. 즉,

n = N_OV, N_OV + 1...N_AF에 대해

이 과정을 모든 어레이에 대해 반복하여, 갱신된

가 제1 어레이로서 사용되어

에 부가될 선형 위상을 결정하여 다음의 중첩된 영역에서 위상 데이터를 조정하고 병합한다.

모든 어레이들(AF 세그먼트들)에 대한 선형 위상 조정 및 병합이 완료된 경우, 패치에 대한 모든 어레이 데이터를 보상하기 위해 매끄럽게 연결된 위상 오차가 적용된다. 선형 위상 조정의 적용에 의해 야기된 화상 천이를 제거하기 위해, 제1 패치에 대한 복합 위상으로부터 선형 성분이 제거된다. 연속적인 패치들의 어레이들 사이의 위상 병합이 선행 데이터 테이크의 최종 AF 어레이와 현재 데이터 테이크의 제1 AF 어레이 사이의 중첩비에 기초하여 마찬가지로 행해진다.

본원에서 설명된 장치 및 방법의 요약이 도 12에 더 자세하게 나와있다. 레이더(1200)의 일부분인 아날로그 디지털 변환기(1210)는 컴퓨터(1212) 내에서 처리될 디지털 데이터를 생성한다. 인접한 중첩하는 어레이들에 대한 위상 오차 추정을 연산하는 것(1202)은 제1 디지털 어레이 내에 제1 강한 산란체의 위치를 결정하고 또한 제2 디지털 어레이 내에 제2 강한 산란체를 위치결정하며, 움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 얻기 위해 상기 제1 강한 산란체 및 상기 제1 디지털 어레이 동안의 플랫폼 움직임과 관련하여 상기 제1 디지털 어레이를 움직임 보상한다. 움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 얻기 위해 제2 디지털 어레이에 움직임 보상을 행한다.

상기 제1 디지털 어레이에 대해 제1 위상 오차 추정치를 얻기 위해 제1 디지털 어레이는 오토포커스되고, 제2 디지털 어레이에 대해 제2 위상 오차 추정치를 얻기 위해 제2 디지털 어레이가 또한 오토포커스된다.

상수 및 선형 위상 부가(1204)는, 상기 제2 어레이에 대해 천이된 오차 추정치를 얻기 위해 제2 오차 추정치에 최적화 위상을 부가한다.

중첩 영역에서의 데이터 병합(1206)에서는, 제1 위상 오차 추정치가, 연결된 위상 오차 추정치를 얻기 위해 중첩 영역에 대해 천이된 오차 추정치에 병합된다.

완전한 패치에 대해 최적화된 위상 오차 추정치를 연산하는 것(1208)은 연결된 위상 오차 추정치를 움직임 보상된 제1 디지털 어레이 및 움직임 보상된 제2 디지털 어레이에 적용하여 제1 및 제2 디지털 어레이에 의해 커버된 패치의 개선된 SAR 화상을 연산한다.

본 명세서에서 인용된 모든 참조문헌들은 본원에서 참조로서 전체가 포함되었다.

비록 특정 실시예를 채택하는 예시적인 방식으로 표현하였지만, 개시된 구조들은 그렇게 한정되도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 비록 본원의 최적화가 레이더 시스템과 관련하여 설명되었으나, 이것은 또한 소나(sonar), 또는 복수의 정확한 위상 반사신호들의 코히어런트 합산으로부터 산란체들의 화상이 추출되는, 유사한 이미징 방법들에 적용가능하다.

어떠한 방법으로든 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 많은 변경들 및 변형들이 본원에서 설명된 실시예에 대해 이루어질 수 있음을 본 기술분야의 당업자는 이해할 것이다.

Claims

패치로부터 반사된 주기적 펄스 반사신호들(pulse returns)로부터 상기 패치에 대한 탐색 모드 합성 개구 화상(synthetic aperture image)을 발생하는 레이더(1200)로서, 상기 레이더는 움직임, 제1 어레이로부터 반사된 제1 개수의 상기 주기적 펄스 반사신호들 및 제2 어레이로부터 반사된 제2 개수의 상기 주기적 펄스 반사신호들, 중첩에 의해 상기 제2 어레이와 중첩하는 상기 제1 어레이, 상기 패치를 커버하는 상기 제1 어레이 및 상기 제2 어레이를 가지며,

상기 제1 어레이로부터의 상기 펄스 반사신호들을 제1 레인지 빈들(range bins)을 갖는 제1 디지털 어레이로 변환하고 상기 제2 어레이로부터의 상기 펄스 반사신호들을 제2 레인지 빈들을 갖는 제2 디지털 어레이로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(1210);

컴퓨터(1212)

를 포함하며,

상기 컴퓨터는 상기 제1 디지털 어레이 내의 제1 강한 산란체(scatterer)를 위치결정하고;

상기 제2 디지털 어레이 내의 제2 강한 산란체를 위치결정하고;

움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 얻기 위해 상기 제1 강한 산란체 및 상기 제1 디지털 어레이 동안의 상기 움직임과 관련하여 상기 제1 디지털 어레이를 움직임 보상하고;

움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 얻기 위해 상기 제2 디지털 어레이 동안에 상기 움직임과 관련하여 상기 제2 디지털 어레이를 움직임 보상하고;

상기 제1 디지털 어레이에 대해 제1 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 오토포커싱(autofocussing)하고;

상기 제2 디지털 어레이에 대해 제2 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 오토포커싱하고;

상기 제2 어레이에 대해 천이된(shifted) 오차 추정치를 얻기 위해 상기 제2 오차 추정치에 최적화 위상을 부가하고;

연결된 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 중첩에 대해 상기 제1 위상 오차 추정치와 상기 천이된 오차 추정치를 병합하고;

상기 패치의 화상을 연산하기 위해 상기 연결된 위상 오차 추정치를 상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이 및 상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이에 적용하는 레이더.
제1항에 있어서,

상기 제1 강한 산란체는, 상기 제1 디지털 어레이 내의 상기 제1 레인지 빈들의 각각에 대한 제1 레인지 빈 파워를 연산하고 상기 제1 레인지 빈들 중 가장 높은 제1 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제1 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 위치결정되는 레이더 시스템.
제2항에 있어서,

상기 제2 강한 산란체는, 상기 제2 디지털 어레이 내의 제2 레인지 빈들 각각에 대한 제2 레인지 빈 파워를 연산하고 상기 제2 레인지 빈들 중 가장 높은 제2 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제2 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 위치결정되는 레이더 시스템.
제3항에 있어서,

상기 최적화된 위상은 상기 중첩에 대해 상기 제1 오차 추정치와 상기 제2 오차 추정치 사이의 차를 최소 자승 판정법을 이용하여 최소화하는 레이더 시스템.
제4항에 있어서,

상기 중첩은 상기 제1 어레이의 제3 개수의 펄스들, 및 상기 제2 어레이의 상기 제3 개수의 펄스들을 포함하는 레이더 시스템.
제5항에 있어서,

상기 중첩에 포함된 상기 제3 개수의 펄스들은 상기 제1 어레이에 포함된 상기 제1 개수의 펄스들의 10% 이상인 레이더 시스템.
레이더(1200)를 이용하여 패치로부터 반사된 주기적 펄스 반사신호들로부터 상기 패치에 대한 탐색 모드 합성 개구 화상을 발생하는 방법으로서, 상기 레이더 는 움직임, 제1 어레이로부터 반사된 제1 개수의 상기 주기적 펄스 반사신호들 및 제2 어레이로부터 반사된 제2 개수의 상기 주기적 펄스 반사신호들, 중첩에 의해 상기 제2 어레이와 중첩하는 상기 제1 어레이, 상기 패치를 커버하는 상기 제1 어레이 및 상기 제2 어레이를 가지며, 상기 방법은,

아날로그 디지털 변환기(1210)를 이용하여, 상기 제1 어레이로부터의 상기 펄스 반사신호들을 제1 레인지 빈들을 갖는 제1 디지털 어레이로 변환하고 상기 제2 어레이로부터의 상기 펄스 반사신호들을 제2 레인지 빈들을 갖는 제2 디지털 어레이로 변환하는 단계;

상기 제1 디지털 어레이 내의 제1 강한 산란체를 위치결정하는 단계;

상기 제2 디지털 어레이 내의 제2 강한 산란체를 위치결정하는 단계;

움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 얻기 위해, 상기 제1 강한 산란체 및 상기 제1 디지털 어레이 동안 상기 움직임과 관련하여 상기 제1 디지털 어레이를 움직임 보상하는 단계;

움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 얻기 위해 상기 제2 디지털 어레이 동안 상기 움직임과 관련하여 상기 제2 디지털 어레이를 움직임 보상하는 단계;

상기 제1 디지털 어레이에 대해 제1 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이를 오토포커싱하는 단계;

상기 제2 디지털 어레이에 대해 제2 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이를 오토포커싱하는 단계;

상기 제2 어레이에 대해 천이된 오차 추정치를 얻기 위해 상기 제2 오차 추 정치에 최적화 위상을 부가하는 단계;

연결된 위상 오차 추정치를 얻기 위해 상기 중첩에 대해 상기 제1 위상 오차 추정치와 상기 천이된 오차 추정치를 병합하는 단계;

상기 패치의 화상을 연산하기 위해 상기 연결된 위상 오차 추정치를 상기 움직임 보상된 제1 디지털 어레이 및 상기 움직임 보상된 제2 디지털 어레이에 적용하는 단계

를 포함하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 강한 산란체는, 상기 제1 디지털 어레이 내의 상기 제1 레인지 빈들 각각에 대한 제1 레인지 빈 파워를 연산하고 상기 제1 레인지 빈들 중 가장 높은 제1 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제1 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 위치결정되는 방법.
제8항에 있어서,

상기 제2 강한 산란체는, 상기 제2 디지털 어레이 내의 제2 레인지 빈들 각각의 제2 레인지 빈 파워를 연산하고 상기 제2 레인지 빈들 중 가장 높은 제2 레인지 빈 파워를 갖는 상기 제2 레인지 빈들 중 하나를 선택함으로써 위치결정되는 방법.
제9항에 있어서,

상기 최적화된 위상은, 상기 중첩에 대해 상기 제1 오차 추정치와 상기 제2 오차 추정치 사이의 차를 최소 자승 판정법을 이용하여 최소화하는 방법.
제10항에 있어서,

상기 중첩은 상기 제1 어레이의 제3 개수의 펄스들, 및 상기 제2 어레이의 상기 제3 개수의 펄스들을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 중첩에 포함된 상기 제3 개수의 펄스들은 상기 제1 어레이에 포함된 상기 제1 개수의 펄스들의 10% 이상인 방법.