KR20130004227A

KR20130004227A - Ｓａｒ 영상 내의 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20130004227A
Application number: KR1020127000209A
Authority: KR
Inventors: 벤자민 베닝호펜; 타머 코반; 크리스토프 스탈
Original assignee: 이에이디에스 도이치란트 게엠베하
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2013-01-09
Also published as: EP2446298B1; EP2446298A1; ES2530264T3; DE102009030672B3; US9927513B2; BRPI1014762A2; RU2012102304A; RU2531802C2; WO2010149132A1; US20120133550A1

Abstract

본 발명은 디지털 합성 개구 레이더 영상으로부터 대응 픽셀의 지리 좌표의 항공 결정을 수행하기 위한 방법에 관한 것으로, SAR 영상은 경사 레인지 영상의 형태로 입수가능하고 각각의 SAR 영상의 기록 위치는 알려졌으며, 레인지 게이트 및 SAR 영상 내의 대응 픽셀들의 좌표는 각각의 경우 지면 상의 대응하는 레졸루션 셀과 각각의 SAR 영상의 각각의 기록 위치 사이의 거리를 결정하기 위해 사용되며, SAR 영상의 결정된 거리 및 연계된 기록 위치는 WGS84 타원체를 사용하여 SAR 영상 내의 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용된다.

Description

ＳＡＲ 영상 내의 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE GEOGRAPHIC COORDINATES OF PIXELS IN SAR IMAGES}

본 발명은 청구항 제1항의 특징에 따라서 SAR 영상 내의 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

상당한 거리(20km - 100km)에서 타겟의 위치를 결정하기 위하여 SAR 영상을 사용하는 것은 SAR 영상의 오차로 인해 종종 부정확하다. SAR 영상의 오차는 전형적으로 방위각 오차 및 비틀림 효과(축소, 레이오버)로부터 기인된다.

US 5,659,318 A호에는 2개의 공간적으로 분리된 US 5,659,318 A 안테나를 사용하여 생성되는 타겟 영역의 영상이 위상 차이에 대해 분석되는 간섭 측정 방법(interferometric method)이 개시되며, SAR 영상의 기록 위치는 본 발명의 청구항 제1항의 전단부에 따라 공지되었다.

SAR 영상으로부터 타겟의 좌표 결정에 대한 공지된 방법은 우선 다음과 같이 설명된다:

이에 대한 기초는 WGS84 타원체로 불리는 것이다. World Geodetic System 1984 (WGS 84)는 지구 또는 지구 근접 공간에 대한 위치 정보에 대한 일정한 기준을 형상하는 측지 기준 시스템이다. 이는 다음으로 구성된다:

-단순한 3-차원 기준 표면, 기준 타원체는 지구의 표면에 대해 대략적으로 일치됨;

-이 이상적인 형태, 소위 지오이드(geoid)로부터 벗어난 지구의 형태에 대해 더 세부적인 모델;

-지구를 가로질러 분포된 12개의 기본적인 스테이션, 이를 통해 이들 모델과 지구의 크러스트(crust) 간의 상관 관계는 (시간-의존) 좌표(소위 기준 프레임)를 제공함으로써 형성됨.

시스템은 적합한 위성(NAVSTAR 위성)이 배향을 제공하고 지구를 측량할 수 있도록 하는 전지구 위치확인 시스템( Global Positioning System)의 측지 기준이다.

SAR에서 주요 파라미터가 도 1에 예시된다. 전형적인 SAR 형상은 도 1의 하위도에 도시된다. 센서 플랫폼, 예를 들어, 항공기는 x 축을 따라 속도 v로 지면 위의 높이 h에서 이동한다. 레이더는 지면 상의 하나의 영역을 측방에서 조사한다. SAR에 대한 최적의 가시 방향(viewing direction)은 속도 벡터 v의 방향에 대해 90°이다. 이로부터 벗어난 가시 방향은 SAR 영상 생성의 비용/복잡성과 레졸루션에 부정적인 영향을 미친다. 레이더 안테나의 크기는 실개구에 대응된다. 이 크기는 레이더 안테나가 센서 플랫폼상에서 운반될 수 있도록 상대적으로 작은 크기로 유지된다. 그러나, 안테나 또는 개구의 크기는 레졸루션을 결정한다. 안테나가 더 클수록 레졸루션이 더 우수해진다. 작은 안테나에도 불구하고 높은 레졸루션을 달성하기 위하여, 큰 안테나가 인공적으로 형성된다. 이는 가상의 큰 안테나의 각각의 섹션에서 반사된 레이더 펄스를 수집하고 가상의 큰 안테나의 개구를 따라 센서 플랫폼를 지나가게 함으로써 형성된다. 센서 플랫폼은 SAR 영상에 대한 데이터를 수집하기 위하여 합성 개구의 길이를 지나가야 한다. 주요한 SAR 파라미터는 도 1의 하위도 b에 더 정밀하게 예시되어 있다. 도면부호 S는 센서 플랫폼의 위치를 지칭하고, 벡터 v는 연계된 속도를 지칭한다. 좌표계는 v가 양의 축 x를 가리키도록 선택된다. 점 T는 SAR 영상의 중심에 대해 맵핑된다. 직선 LOS(시야선)은 점 T와 센서 플랫폼(S)의 위치 사이의 연결 선을 지칭한다. 직선 LOS의 길이는 SAR의 레인지 게이트 R에 대응된다. 직선 LOS 상으로 속도 벡터의 투사(projection)는 점 T를 향하여 센서 플랫폼의 방사상 어프로치 속도(v_r)를 산출한다. 속도 벡터 v와 직선 LOS 간의 각도 Ψ는 여기서 스퀸트 각(squint angle)으로서 지정된다. XY 평면에 대해 평행하고 점 S를 통과하는 평면상으로 직선 LOS의 투사는 직선 HLOS(수평 시야선)을 생성한다. LOS와 HLOS 사이의 각도 ε는 상하각(elevation angle)으로 불린다.

SAR 영상으로부터 타겟에 대한 좌표의 전형적인 결정을 수행하기 위하여, SAR 영상의 중심 좌표가 우선 결정된다. 표적으로 인식되는 SAR 영상 상의 픽셀의 좌표가 그 뒤 연산된다. 전술된 SAR 파라미터는 영상 중심의 좌표를 결정하기 위해 사용된다. SAR 영상으로부터 타겟의 전형적인 좌표 결정을 위한 연관된 파라미터는 도 2의 하위도면 a에 예시된다. 센서 플랫폼(S)은 평면과 같이 상당히 확대된 방식으로 예시되는, WGS84 타원체 위의 높이 H에 위치된다. 영상 중심에 대한 거리 R(레인지 게이트) 및 스퀸트 각도 Ψ과 함께 속도 벡터 v는 원뿔을 형성한다. 이 원뿔은 SAR 형상을 결정한다. 원뿔의 기저는 반경(r = R sin(Ψ))의 원을 형성한다. SAR 영상 중심의 지리 좌표는 지구으 표면과 원 사이의 교선(intersection)에 위치된다. 원이 직구의 표면을 교차하는 그래프 상에 2개의 점이 있다. 그러나, SAR 센서가 보는 방향으로 하나의 교차 점은 명확히 배제될 수 있음은 공지되었다.

SAR 영상 중심의 지리 좌표(P₀)가 연산된다면, 타겟으로 인식된 픽셀의 지리 좌표는 SAR 영상에 대해 계산될 수 있다. 도 2의 하위도면 b는 주요한 파라미터를 나타낸다. 이를 위해, WGS84 타원체 상의 하나에 대해 표준화된 국부적 접선 벡터(n_r, n_cr)는 점(P₀)에서 계산된다. 픽셀 좌표(p_x, p_y)가 SAR 영상 중심에 대해 알려졌기 때문에, 알려진 레졸루션(δ_x, δ_y)은 하기와 같이 점(P₀)으로부터 픽셀에 대응하는 점으로 변위 벡터 d를 계산하기 위해 사용될 수 있다:

그 뒤, 변위 벡터 d와 영상 중심의 지리 좌표(P₀)로부터 타겟 픽셀의 지리 좌표를 계산하기 위해 단순한 벡터 가법(vector addition)이 사용될 수 있다. 픽셀에 대응하는 점의 지리 좌표의 계산은 종래 기술이며, 당업자에게 자명하다.

종래 기술에 자명한 방법을 사용하여 SAR 영상으로부터 타겟에 대한 좌표를 결정하는데 있어서, 전술된 원뿔이 타겟의 좌표를 결정하는데 기여한다. 그러나, 공간 내에서 이 원뿔의 위치는 속도 벡터에 대해 결정된다. 이 속도 벡터가 정확히 알려지지 않았다면, 그 뒤 좌표 결정에 있어서 오차가 야기된다. 전형적인 SAR 시스템에서, 이 오차는 속도 벡터의 방향으로 방위각 방향에 대해 최대 100 미터일 수 있다. 추가로, 타겟 평면이 평평한 영상 중심의 지리 좌표의 결정을 기준으로 가정된다. 그러나, SAR은 축소(foreshortening) 또는 레이오버(layover), 타겟 지점에 대응되는 픽셀의 변위와 같은 전형적인 효과를 생성하고, 이에 따라 타겟에 대한 변위 벡터의 계산 시에 추가 오차가 야기된다.

본 발명의 목적은 위치 결정 시에 오차가 감소될 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

이 목적은 청구항 제1항의 특징에 따른 방법에 의해 구현된다. 본 발명의 선호되는 실시예는 종속항에 기재된다.

본 발명에 따라서, 레인지 게이트 및 SAR 영상 내의 대응 픽셀들의 좌표는 각각의 경우 지면 상의 대응하는 레졸루션 셀과 각각의 SAR 영상의 각각의 기록 위치 사이의 거리를 결정하기 위해 사용되며, SAR 영상의 결정된 거리 및 연계된 기록 위치는 WGS84 타원체를 사용하여 SAR 영상 내의 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용된다.

본 발명과 본 발명에 따르는 방법의 선호되는 실시예는 도면에 따라서 하기에서 더 상세하게 기술된다.

도 1은 SAR의 원리를 예시하는 도면.
도 2는 종래 기술에 공지된 바와 같이 SAR 영상으로부터 타겟의 좌표 결정을 도시하는 예시적인 도면.
도 3은 SAR 영상으로부터 픽셀의 거리 결정을 도시하는 예시적인 도면.
도 4는 본 발명에 따라서, 두 가지의 SAR 영상으로부터 타겟의 좌표 결정의 원리를 도시하는 예시적인 도면.
도 5는 본 발명에 따라서, 세 가지의 SAR 영상으로부터 타겟의 좌표 결정의 원리를 도시하는 예시적인 도면.

SAR 영상으로부터 거리 정보(distance information)의 획득은 하기와 같이 진행된다. SAR 시스템에서, 레인지 게이트(range gate)는 영상의 생성을 위해 설정된다. 이 레인지 게이트는 SAR 경사 레인지 영상(SAR slant range image)의 중심에 대응되는 지면(ground) 상에서 레졸루션 셀(resolution cell)과 SAR 센서 간의 거리를 결정한다. 하기에서 이 픽셀은 중심 픽셀로 동일시된다. 픽셀이 타겟으로서 결정된다면, 픽셀에 대응하는 지면 상에서 레졸루션 셀에 대한 거리가 계산될 수 있다. 이는 도 3에 예시된다.

레인지 게이트는 R₀로서 도 3에서 지칭된다. 타겟 픽셀에 대한 거리는 R로서 지칭된다. 타겟 픽셀의 픽셀 좌표(pixel coordinate, x, y)는 중심 픽셀에 대해 제공되고, 이 픽셀에 대한 거리(R)는 하기에 따라 계산될 수 있다.

(1)

파라미터 δx 및 δy는 방위 방향으로 SAR 경사 레인지의 레졸루션 또는 레인지 방향으로 레졸루션을 지칭한다.

2가지의 SAR 영상을 이용한 좌표 결정

두 가지의 SAR 영상을 사용하여 타겟의 좌표 결정을 설명하기 위해 하기에서 논의된다. 단지 두 가지의 SAR 영상만이 허용된다면, SAR 경사 레인지 영상으로부터 지면 상에서 레졸루션 셀에 대한 두 가지의 거리 측정치를 도출할 수 있다. 그러나, 두 가지의 거리 측정치는 좌표 결정을 수행하기 위하여 자체적으로 충분하지 못하다. 이 방법에 따라, 따라서 타겟이 WGS84 타원체 상에 배치되도록 추가 가정이 수행되어야 한다. 이 원리는 도 5에 예시된다. 타겟의 거리 및 이 거리가 측정되는 연계된 위치는 두 가지의 구체를 생성하기 위해 사용된다. 타겟은 WGS84 타원체 및 두 가지의 구체의 표면에 배치되는 특성을 갖는다. 따라서, 문제점은 3가지의 표면의 교선을 연산하는 것으로 구성된다. 두 가지의 구체의 교선은 일반적으로 공간 내에서 환상선(circular line)이다. WGS84 타원체와 이 환상선의 교선은 일반적으로 2개의 점으로 구성된다. 하나의 점은 2개의 점이 통상적으로 떨어져 위치되기 때문에 개연성(plausibility)의 이유로 고려대상으로부터 제외될 수 있다.

그러나, SAR 영상을 기록하기 위한 근사 가시 방향(approximate viewing direction)이 알려졌기 때문에, 하나의 점은 해결방법으로서 거절된다. 타겟 영역에서 평균 높이가 알려졌다면, 이 높이는 타겟 픽셀에 대응하는 지면 상에서 레졸루션 셀의 위치를 수정하는데 이용될 수 있다.

문제점은 하기 등식(2, 3)에 의해 설명된다. 도면부호 x, y 및 z는 타겟의 좌표를 나타낸다. 아랫첨자 1 및 2를 갖는 동일한 파라미터는 두 가지의 SAR 영상 기록 위치의 좌표를 지칭한다. 타겟에 대한 두 가지의 연계된 거리는 R₁ 및 R₂로 지칭된다. WGS84 타원체의 반-축(semiaxes)은 a와 b로 지칭된다. 따라서, 등식 3은 타겟이 WGS84 타원체 상에 배치되는 것을 설명한다.

3가지의 SAR 영상을 이용한 좌표 결정

하기 논의는 3 가지의 SAR 영상을 이용한 좌표 결정을 설명한다. 3 가지의 SAR 영상을 이용하여 타겟의 좌표를 결정하기 위하여, 3 가지의 SAR 영상으로부터 수득된 타겟에 대한 거리 정보가 좌표를 연산하기 위해 사용된다. 원리는 도 4에 예시된다. 타겟의 3가지의 거리 및 이 거리가 측정되는 연계된 위치는 세 가지의 구체를 생성하기 위해 사용된다. 타겟은 3 가지의 구체의 표면에 배치되는 특성을 갖는다. 따라서, 문제점은 3가지의 구체의 교선을 연산하는 것으로 구성된다. 두 가지의 구체의 교선은 일반적으로 공간 내에서 환상선이다. 3가지의 구체에 따른 이 환상선의 교선은 일반적으로 2개의 점으로 구성된다. 하나의 점은 개연성의 이유로 고려대상으로부터 제외될 수 있다. 좌표 결정의 지오메트리(geometry)는 하나의 점이 지구의 표면에 배치되고 반면 제2 점이 지구의 표면 위에 떨어져 배치됨을 결정한다. 지구의 표면 위에 떨어져 배치된 점은 타겟이 지면에 배치되기 때문에 해결방법으로서 배제될 수 있다.

문제점은 하기 등식 (4)에 의해 설명된다.

도면부호 x, y 및 z는 타겟의 좌표를 나타낸다. 아랫첨자 1, 2 및 3을 갖는 동일한 파라미터는 세가지의 SAR 영상 기록 위치의 좌표를 지칭한다. 타겟에 대한 세 가지의 연계된 거리는 R₁, R₂ 및R₃로 지칭된다.

Claims

SAR 영상은 경사 레인지 영상의 형태로 입수가능하고 각각의 SAR 영상의 기록 위치는 알려졌으며, 디지털 합성 개구 레이더 영상으로부터 대응 픽셀의 지리 좌표의 항공 결정을 수행하기 위한 방법으로서,
레인지 게이트 및 SAR 영상 내의 대응 픽셀들의 좌표는 각각의 경우 지면 상의 대응하는 레졸루션 셀과 각각의 SAR 영상의 각각의 기록 위치 사이의 거리를 결정하기 위해 사용되며, SAR 영상의 결정된 거리 및 연계된 기록 위치는 WGS84 타원체를 사용하여 SAR 영상 내의 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용되는 방법.
제1항에 있어서, SAR 영상에 대해 미리정해진 타겟 영역의 평균 높이는 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용되는 방법.
제1항에 있어서, SAR 영상에 대해 미리정해진 릴리프 맵(relief map)은 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용되는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 또는 3개의 SAR 영상은 디지털 합성 개구 레이더 영상으로부터 대응하는 픽셀의 지리 좌표를 결정하기 위해 사용되는 방법.