KR20120065544A - 이동표적 탐지를 위한 클러터 제거 방법 및 이를 이용한 이동표적 탐지 시스템 - Google Patents

Abstract

소나(SONAR) 운용시 클러터가 포함된 표적 탐지자료에서 허프변환과 표적기동 특성을 이용하여 클러터를 효과적으로 제거하는 방법으로서, 소나의 탐지주기내 대상표적의 최대 이동거리를 고려한 국부영역을 설정하고 국부영역 내에 존재하는 3주기 탐자자료(위치)에 대한 허프변환식의 해를 구하여 표적과 클러터를 분류하는 방법을 소나 및 레이더 시스템에 적용 시, 여러 가지 원인에 의해 생성되는 클러터의 효과적인 제거로 표적 탐지능력을 향상시킬 수 있다.

Description

이동표적 탐지를 위한 클러터 제거 방법 및 이를 이용한 이동표적 탐지 시스템{Clutter reduction method for moving object and target detection system using the method}

본 발명은 이동하는 표적의 위치를 탐지하기 위하여 클러터를 제거하는 방법 및 이를 이용한 탐지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소나(SONAR) 운용시에 허프 변환(Hough Transform)과 표적기동 특성을 이용하여 클러터가 포함된 이동표적의 탐지 자료로부터 클러터를 효과적으로 제거할 수 있는 탐지 방법 및 탐지 시스템에 관한 것이다.

소나(SONAR)는 수중에 음향신호를 송신하여 표적으로부터 반사된 음향을 수신 및 신호처리과정을 통하여 표적을 탐지하는 장비이다. 실제 해양에서 소나(SONAR) 운용시 표적에서 반사된 음향뿐만 아니라 해저면과 해수면 등에서 반사된 음향(클러터)도 수신되므로 표적을 탐지하기가 매우 어렵다. 이러한 클러터는 소나의 탐지 성능 저하에 주된 요인으로 작용한다. 레이더 또한 클러터로 인하여 표적탐지 성능이 제한된다.

허프 변환 기법은 영상처리 시스템에서 윤곽선 검출에 주로 적용되었으며, 최근에는 표적탐지를 목적으로도 사용되고 있다. 표적 탐지를 목적으로 하는 허프 변환의 적용은 영상처리 시스템에서와 같이 일정 기간 동안의 탐지 자료를 허프변환하여 허프곡선을 산출하므로 많은 연산량을 필요로한다. 또한 누적된 모든 탐지자료에 대하여 허프영역 곡선들의 중첩된 교점을 이용하여 표적을 탐지하므로 클러터를 표적으로 오인할 가능성이 높아진다.

본 발명은 여러 가지 원인에 의해 생성되는 클러터를 효과적으로 제거하여 이동하는 표적의 탐지능력을 향상시킬 수 있는 이동표적 탐지 시스템 및 이를 이용한 이동표적 탐지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 허프 변환 기반 표적탐지 기법에서 가지는 연산량 문제를 해결할 수 있는 이동표적 탐지 시스템 및 이를 이용한 이동표적 탐지 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템은 송신기를 통해 탐지신호를 생성하여 출력하는 송신부, 상기 송신부로부터 출력된 신호가 표적 및 클러터로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부 및 상기 수신부를 통해 수신된 신호에 포함된 클러터를 제거하는 신호처리부, 상기 신호처리부로부터 제공된 정보를 이용하여 이동표적의 위치를 추적하는 추적기로 구성되어 있다.

이와같은 이동표적 탐지 시스템에 있어서, 신호처리는 현재 탐지주기(n번째)의 탐지자료를 수신하면 탐지자료 저장소로부터 직전 탐지주기(n-1번째)의 탐지자료를 불러와서 탐지자료를 분류하는 게이팅부(gating part); 상기 게이팅부에 의해 분류된 탐지자료들과 직전 탐지주기의 탐지자료를 이용하여 허프 변수를 계산하는 허프 변수 계산부(Hough parameter calculation part); 상기 허프 변수 계산부에서 계산한 허프 변수와 n-1번째 탐지주기에서 계산한 허프 변수를 비교하여 표적으로부터 발생한 측정값인지 판별하는 결정부(decision part); 및 상기 게이팅부, 허프 변수 계산부 및 결정부를 통하여 표적으로부터 생성된 탐지자료들 중 중복된 탐지자료와 관련된 허프 변수를 불러와서, 그 중 가장 직선에 가까운 것만 남기고 나머지 탐지자료는 클러터로 간주하여 제거하여 추적기로 전송하는 확정부(confirmation part)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 세부적 특징은 상기 게이팅부가 n 번째 탐지주기의 탐지자료 중 한 개의 n-1번째 탐지자료로부터 일정 거리 D_MAX내에 있는 것들을 분리하는 점이다.

본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 다른 세부적 특징은 상기 게이팅부가 일정거리 D_MAX 내의 탐지자료를 찾기 위해 탐지주기 T에서 대상 표적의 최대속력 v_MAX, 을 감안할 때, n-1번째의 좌표와 n번째의 좌표 사이 차이 값의 절대값이 일정거리 D_MAX 내에 존재하는 지를 만족하는 탐지자료를 찾는 점이다.

본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 또 다른 세부적 특징은 상기 허프 변수 계산부가 허프변수를 상기 게이팅부에 의해 분리된 탐지자료를 이용하여 구하는데, 이때, 허프변수 θ_{n, ij *}는

의 식을 통해 구하고, 허프변수 ρ_{n, ij *}는

식을 통해 계산하는 점이다.

본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 또 다른 세부적 특징은 상기 결정부가 연속하는 세 탐지주기 (n, n-1, n-2)의 탐지자료들이 직선상에 위치하는지 여부를 결정함에 있어서, n번째와 n-1번째 탐지자료의 허프변수의 변위 값(θ,ρ)들이 조건

와

를 만족할 때

, 즉, 각 탐지주기의 탐지 자료들이 직선상에 위치한다고 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 이동표적 탐지 시스템 및 이를 이용한 이동표적 탐지 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 기존의 허프변환을 이용한 직선검출 알고리즘에 비하여 적은 연산량으로 이동표적을 탐지할 수 있다.

둘째, 여러 가지 원인에 의해 생성되는 클러터를 효과적으로 제거할 수 있다.

셋째, 이동표적의 탐지능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 도 1의 신호처리부 중 후처리부의 구성을 상세히 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템에서의 각 구성요소간의 동작 상관계를 나타낸 예시도이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 이동표적 탐지 시스템 및 이를 이용한 이동표적 탐지 방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 분야에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상은 다른 분야에도 적용될 수 있다. 따라서, 이하의 설명에 의하여 본 발명을 제한 해석하여서는 아니됨을 유의해야 한다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면 외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 이를 수 있도록 확장되는 것으로 해석되어야 한다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이동표적 탐지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 이동표적 탐지 시스템은 송신기를 통해 탐지신호를 생성하여 출력하는 송신부(110), 상기 송신부(110)로부터 출력된 신호가 표적 및 클러터로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부(120) 및 상기 수신부(120)를 통해 수신된 신호에 포함된 클러터를 제거하는 신호처리부(130), 상기 신호처리부(130)로부터 제공된 정보를 이용하여 이동표적의 위치를 추적하는 추적기(140)를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 신호처리부(130)는 수신된 신호를 필터링하는 전처리부(131)와, 전처리된 신호로부터 표적신호를 탐지하는 표적탐지부(132) 및 상기 표적탐지부(132)로부터 전달되는 신호로부터 표적신호와 클러터를 분리하여 표적신호만을 추출하여 추적기(140)로 전달하는 후처리부(133)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 클러터 제거방법은 상기 신호처리부(130) 특히, 후처리부(133)에서 수행된다.

도 2는 도 1의 신호처리부 중 후처리부(133)의 구성을 상세히 나타낸 예시도이다. 도시된 바와 같이, 현재 n번째 탐지주기의 탐지자료를 수신하면 탐지자료 저장소로부터 n-1번째 탐지주기의 탐지자료 (R_{n -1,j*}, B_{n -1, j*})를 불러와서 탐지자료를 분류하는 게이팅부(gating part)(133-1); 상기 게이팅부(133-1)에 의해 분류된 탐지자료들과 n-1번째 탐지주기의 탐지자료(R_{n -1,j*}, B_{n -1, j*})를 이용하여 허프 변수를 계산하는 허프 변수 계산부(Hough parameter calculation part)(133-2); 상기 허프 변수 계산부(133-2)에서 계산한 허프 변수와 n-1번째 탐지주기에서 계산한 허프 변수를 비교하여 표적으로부터 발생한 측정값인지 판별하는 결정부(decision part)(133-3); 및 상기 게이팅부(133-1), 허프 변수 계산부(133-2) 및 결정부(133-3)를 통하여 표적으로부터 생성된 탐지자료들 중 중복된 탐지자료와 관련된 허프 변수를 불러와서, 그 중 가장 직선에 가까운 것만 남기고 나머지 탐지자료는 클러터로 간주하여 제거하여 추적기로 전송하는 확정부(confirmation part)(133-4)를 포함하여 이루어진다.

허프변환(Hough transform)이란 영상에 있는 점들이 이루는 직선들 중 가장 많이 겹치는 부분을 추출하는 변환규칙이다. 간단하게 (x, y)를 (a, b)라 하고 새로운 좌표계에 y' = ax' + b 를 그리면 여러 개의 직선들이 존재하게 되는데 이중 가장 많은 직선이 지나는 점 (x', y')를 다시 (x, y)좌표계로 변환하면 점들이 지나는 직선을 구해낼 수 있는 규칙이다. 허프(Hough) 변환은 직선뿐만 아니라 원, 타원 등 도형을 위한 특징 추출법으로점<->직선변환을 하는 방법으로서, xy 평면상에 직선이 있으면 y=ax+b 로 표현이 되고 이를 ab 평면상으로 옮기면 (a,b) 좌표계가 된다.

직선상의 점들을 허프 변환하면 허프 변수 영역에서 곡선이 되고 이 곡선들은 한 점에서 교차하게 된다. 따라서 임의의 두 점은 항상 직선을 이루므로 이들의 허프 곡선 교점은 허프 변환식을 연립하여 해를 구함으로써 찾을 수 있다. 표적은 짧은 시간 내에서 등속 직선 기동을 한다고 가정할 수 있으므로 그 탐지자료도 직선으로 나타나게 된다. 따라서, 허프 영역의 한 점에 매핑된 탐지자료 쌍들을 찾음으로써 표적을 탐지할 수 있다. 또한 탐지주기 동안 표적이 이동할 수 있는 최대 영역에서 탐지자료 쌍을 선정하면 추가적인 연산량의 감소와 클러터가 포함될 확률이 낮아 오탐지율의 감소를 기대할 수 있다.

게이팅부(133-1)는 표적탐지부(132)로부터 현재 탐지주기의 탐지자료를 수신하면 탐지자료 저장소(DB1)로부터 직전 탐지자료 (R_{n -1,j}*,B_{n -1,j}*)를 불러와서 다음의 수학식 1에 따라 탐지자료를 분류한다. 즉, n번째 탐지주기의 탐지자료((거리, 방위)=(R_{n ,i}, B_{n ,i})_{i=1,…, Mn}))중 한 개의 n-1번째 탐지자료 (R_{n -1,j}*,B_{n -1,j}*)로부터 일정 거리 D_MAX내에 있는 것들을 분리하는 기능을 수행한다.

즉, 일정거리 D_MAX 내의 탐지자료를 찾기 위해 탐지주기 T에서 대상 표적의 최대속력 v_MAX, 을 감안할 때, n-1번째의 좌표와 n번째의 좌표 사이 차이 값의 절대값이 일정거리 D_MAX 내에 존재하는지 여부의 조건을 만족하는 탐지자료 (R_{n ,i},B_{n ,i})를 찾는다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.

………………(수학식 1)

상기 게이팅부(133-1)에서 분리된 탐지자료들은 한 개의 n-1번째 탐지자료가 표적이라고 가정했을 경우 그 표적의 탐지자료가 n번째 탐지주기에 나타날 수 있는 것들을 의미한다.

허프변수 계산부(133-2)는 n-1번째 탐지자료 (R_{n -1,j}*,B_{n -1,j}*)와 상기 게이팅부(133-1)에서 분리된 탐지자료를 토대로 아래의 수학식(2-1, 2-2)을 이용하여 허프 변수(θ_{n, ij}*,ρ_{n, ij}*)를 계산한다.

즉, n,ij^*의 허프변수를 상기 게이팅부에 의해 분리된 탐지자료를 이용하여 구하는데, 이때, 허프변수 θ_{n, ij *}는

… (수학식 2-1)

의 식을 통해 구하고, 허프변수 ρ_{n, ij *}는

… (수학식 2-2)

식을 통해 계산되고, 허프 변수들(θ_{n, ij *}, ρ_{n, ij *})은 허프변수 저장소(DB2)에 저장되고, 직선상에 놓인 탐지자료인지 판별하기 위하여 결정부(133-3)로 전송된다.

결정부(133-3)는 n-1번째 탐지주기에서 상기 허프변수 계산부(133-2)에 의해 계산되어 허프변수 저장소(DB2)에 저장된 n-1번째 허프 변수(θ_n-1,j*_k,ρ_n-1,j*_k)를 불러내어 허프 변수를 비교하는 기능을 가진다. 이 기능은 연속한 세 탐지주기(n, n-1, n-2)의 탐지자료들이 직선상에 위치하는지 결정하는 것이며 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.

즉, 연속하는 세 탐지주기 (n, n-1, n-2)의 탐지자료들이 직선상에 위치하는지 여부를 결정함에 있어서, n번째와 n-1번째 탐지자료와 n-1번째와 n-2번째 탐지자료의 허프변수의 변위 값들이 조건

와

를 만족할 때

…(수학식 3)

즉, 각 탐지주기의 탐지 자료들이 직선상에 위치한다고 결정한다. 이에 따라 표적으로부터 발생한 측정값인지 여부를 판단한다. 표적으로부터 발생한 탐지자료로 판단된 경우, 확정부(133-4)로 전송한다.

확정부(133-4)는 위의 게이팅부(133-1), 허프 변수 계산부(133-2) 및 결정부(133-3)를 통하여 표적으로부터 생성된 탐지자료라고 판단되는 것들 중 두 번 이상 중복되는 탐지자료를 제거한다. 두 번 이상 중복되는 탐지자료는 아래의 수학식 4와 같이 허프변수간 거리가 가장 작게 하는 것에 연계한다.만일 한 개의 탐지자료가 여러 곳에 연계되어 있는 경우 확정부(133-4)에서는 저장소로부터 중복된 탐지자료와 관련된 허프 변수를 불러와서 그중 가장 직선에 가까운 것만 남기고 나머지 탐지자료는 클러터로 간주하여 제거한다.

…(수학식 4)

최종으로 확인된 탐지자료는 추적기(140)로 전송된다.

110: 송신부 120: 수신부
130: 신호처리부 140: 추적기
131: 전처리부 132: 표적탐지부
133: 후처리부 133-1: 게이팅부
133-2: 허프변수 계산부 133-3: 결정부
133-4: 확정부

Claims (5)

1. 송신기를 통해 탐지신호를 생성하여 출력하는 송신부, 상기 송신부로부터 출력된 신호가 표적 및 클러터로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부 및 상기 수신부를 통해 수신된 신호에 포함된 클러터를 제거하는 신호처리부, 상기 신호처리부로부터 제공된 정보를 이용하여 이동표적의 위치를 추적하는 추적기를 포함하여 이루어지는 이동표적 탐지 시스템에 있어서, 상기 신호처리부가,
   현재 탐지주기의 탐지자료를 수신하면 탐지자료 저장소로부터 n-1번째의 탐지자료(R_{n -1,j}, B_{n -1,j})를 불러와서 탐지자료를 분류하는 게이팅부(gating part);
   상기 게이팅부에 의해 분류된 탐지자료들과 n-1번째의 탐지자료(R_{n -1,j}, B_{n -1,j})를 이용하여 허프 변수(θ_n,ij*,ρ_{n, ij *})를 계산하는 허프 변수 계산부(Hough parameter calculation part);
   상기 허프 변수 계산부에서 계산한 허프 변수 (θ_{n, ij *,}ρ_{n, ij *})와 n-1번째 탐지주기에서 계산한 허프 변수(_{n, ij *,}ρ_{n, ij *})를 비교하여 표적으로부터 발생한 측정값인지 판별하는 결정부(decision part); 및
   상기 게이팅부, 허프 변수 계산부 및 결정부를 통하여 표적으로부터 생성된 탐지자료들 중 중복된 탐지자료와 관련된 허프 변수를 불러와서, 그 중 가장 직선에 가까운 것만 남기고 나머지 탐지자료는 클러터로 간주하여 제거하여 추적기로 전송하는 확정부(confirmation part)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 클러터 제거 기능을 갖는 이동표적 탐지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 게이팅부가 n번째 탐지주기의 탐지자료 중 한 개의 n-1번째 탐지자료로부터 일정 거리 D_MAX내에 있는 것들을 분리하는 것을 특징으로 하는 클러터 제거 기능을 갖는 이동표적 탐지 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 게이팅부가 하기의 수학식을 만족하는 탐지자료를 찾는 것을 특징으로 하는 클러터 제거 기능을 갖는 이동표적 탐지 시스템.
   

   

   
   여기에서, D_MAX는 탐지주기 T에서 이동표적의 최대속력을 감안한 일정거리, (R_n-1,j*,B_n-1,j*)는 n-1번째의 탐지자료, (R_{n ,j*},B_{n ,j*})는 n번째의 탐지자료이다
4. 제 3 항에 있어서, 상기 허프 변수 계산부가, 상기 게이팅부에 의해 분리된 탐지자료를 이용하여 하기의 수학식을 이용하여 n 번째 탐지자료의 허프 변수(θ_n,ij*,ρ_{n, ij *})를 계산하는 것을 특징으로 하는 클러터 제거 기능을 갖는 이동표적 탐지 시스템.
   

   

   
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 결정부가 n번째와 n-1번째 탐지자료와 n-1번째와 n-2번째 탐지자료의 허프변수가 조건

   

   와

   

   를 만족할 때 연속하는 세 탐지주기 (n, n-1, n-2)의 탐지자료들이 직선상에 위치하는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 클러터 제거 기능을 갖는 이동표적 탐지 시스템.
   여기에서, σ_θ는 허프 변환된 좌표의 θ축 변위의 기준상수, σ_ρ는 허프 변환된 좌표의 ρ축 변위의 기준상수이다.

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