KR20160002694A - 고-해상도 스트립맵 sar 이미징 - Google Patents

고-해상도 스트립맵 sar 이미징 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SAR 이미징 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 항공 또는 위성 플랫 폼에 의하여 운송되는 합성 개구 레이더(synthetic aperture radar)(20) 수단에 의하여 지구 표면 영역의 스트립맵 모드(stripmap mode)에서 N개의 SAR 획득(acquisitions) 수행을 포함하고, 단일의 분할되지 않은 안테나 및 상기 안테나와 결합된 단일 수신기를 포함하며, N은 1보다 큰 정수이다. 스트립맵 모드에서 모든 N개의 SAR 획득은 상기 SAR(20)의 천저(nadir)에 대해 하나 또는 동일한 미리 결정된 고도 각(elevation angle)을 이용하여 수행되고, 상기 스트립맵 모드에서 N개의 SAR 획득 모두 하나의 동일한 지구 표면의 특정 스워스(swath)와 관련된다(regards). 스트립맵 모드에서 각각의 SAR 획득은 상기 SAR(20)의 비행 방향에 대해 각각의 편각(squint angle)을 이용하여 수행되고, 상기 각각의 편각은 스트립맵 모드에서 다른 N-1 개의 SAR 획득을 수행하기 위하여 이용되는 편각들과 서로 다르다. 스트립맵 모드에서 각각의 수행된 SAR 획득은 각각의 레이더 송신 및 수신 동작을 포함한다. 상기 동작은 스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 레이더 송신 및 수신 동작의 단일 또는 집단과 함께 개별적 또는 그룹으로 시간 인터리브된다(time-interleaved).
상기 동작은 각각의 획득 방향에 있는 각각의 레이더 빔의 송신 및 수신을 포함한다. 상기 획득 방향은 미리 결정된 고도각 및 상기 스트립맵 모드에서 SAR 획득을 위하여 이용되는 편각에 의하여 정의된다. 상기 획득 방향은 각각의 획득 방향이 서로 평행하고 다른 스트립맵 모드에서 수행되는 N-1개의 SAR 획득의 획득 방향과는 평행하지 않는 결과를 낸다. 스트립맵 모드에서 2개의 서로 다른 SAR 획득에 관련되고 2개의 밀착된 연속적인 시간 인스턴트(instants)에서 수행되는 2개의 레이더 송신 및 수신 동작에서 송신 및 수신되는 레이더 빔은 상기 방위에 따라 인접하고, 스트립맵 모드에서 수행되는 N개의 SAR 획득 중 임의의 하나를 통하여 얻을 수 있는 획득에 관하여 통합 시간(integration time)이 증가한다. 또한 상기 방법은 스트립맵 모드에서 수행되는 모든 N개의 SAR 획득에 기반하여 특정 스워스 영역의 SAR 영상을 생성하는 것을 포함하고, 상기 SAR 영상은 방위 해상도를 가진다. 상기 방위 해상도는 단일의 분할되지 않은 합성 개구 레이더의 안테나의 방위각 방향에 따라 물리적 또는 동등한 길이의 절반과 동일한 명목 (nominal) 스트립맵 방위 해상도와 관련하여 N배 까지 강화된다.

Description

고-해상도 스트립맵 SAR 이미징{HIGH-RESOLUTION STRIPMAP SAR IMAGING}
본 발명은 일반적으로 합성 개구 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar)에 의한 원격 센싱(remote sensing)과 관련이 있으며, 보다 구체적으로는, 고 해상도(high-resolution) 스트립맵(stripmap) SAR 이미징(imaging)을 위한 혁신된 방법에 관한 것이다.
지구 표면의 SAR 영상 생성을 위한 전형적인 기준(reference)의 기하학적 형태(geometry)가 도 1에 도시되어 있다. 이와 관련하여, 도 1(그리고 또한 이하에서 표현하고 기술하는 후술하는 도면들에서)에서는, 보편성 상실 없이, 도시 및 설명의 편의를 위하여 지구의 표면이 "평평한(flat)" 형태(앞으로도 그러한 형태일 것)이라는 것이라는 점을 인식한다.
특히, 도 1은 주로 상수라고 가정되는 고도 h(지구의 표면에 대해서)에서 비행 방향(flight direction) d를 따라 움직이는 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar)(이하에서는 설명의 편의를 위해 SAR 센서라고 명명된다)10을 도식적으로 보여준다. 알려진 바와 같이, SAR 센서 10 의 고도 h는 SAR 센서 10을 통과하는(특히 SAR 센서 10의 안테나의 위상 중앙(phase centre)을 통과한다) 천저(nadir) 방향 z에 따라 측정되고, 지구의 표면 및 비행 방향 d에 직교이다. 편의상, SAR 센서 10 은 항공기, 또는 무인항공기(UAV: unmanned aerial vehicle), 또는 위성과 같은 항공(aerial)/우주(space) 플랫폼(platform)(도시의 편의를 위하여 도 1에서 도시되지 않는다)에 의하여 비행(flight)/궤도(orbit)에서 운송(transport)된다. 비행 방향 d의 지면항적선(지면 트레이스, ground trace)은 비행 방향 d와 평행이고, 천저 방향 z와 직교하는 방위각 방향(azimuth direction) x를 확인하는 반면에, 천저 방향 z 및 방위각 방향 x 모두와 직교하는 크로스-트랙(cross-track) 방향 y는 방위각 방향 x와 함께 지구의 표면에 접하는 x-y 평면을 확인한다. 적절한 안테나(편의를 위해 도 1에서는 도시되지 않는다)를 이용하여, SAR 센서 10 은 레이더 펄스(radar pulse)를 송신하고 획득 방향(acquisition direction) sr에서 관련된 후방-산란된(back-scattered) 신호를 수신한다. 획득 방향 sr은 직거리(slant range)를 확인하고 천저 방향 z와 함께 고도각(elevation angle)
Figure pct00001
을 형성하고, 비행 방향 d와 함께 (또는 동등하게, 방위각 방향 x와 함께) 편각(squint angle)
Figure pct00002
을 형성하고, 상기 편각
Figure pct00003
는 도 1에서 도시된 SAR 획득 기하학적 형태(acquisition geometry)에서
Figure pct00004
와 같다.
특히, 도 1 에서 도시된 SAR 획득 기하학적 형태는 이른바 스트립맵(stripmap) 모드와 관련되는데, 상기 스트립맵 모드에서 SAR 센서 10 은 레이더 펄스를 가지고 스워스(swath)라고 알려진 지구 표면의 스트립(strip)을 비추고, 스트립으로부터 관련된 백 스캐터링된(back-scattered)된 신호를 수신한다. 상기 스워스는 방위각 방향 x로 평행 확장(extending parallel)하고 크로스-트랙 방향 y를 따라 주어진 너비 w를 갖는다. 보다 명확함을 위해, 도 2는 x-y 평면상에서, 스트립맵 모드에 있는 SAR 획득(acquisition)의 기하학적 형태를 도시하는데, 여기서 편각(squint angle)
Figure pct00005
이 얼마나 모두 동일한지(특히, 도 2의 예에서, 편각
Figure pct00006
이 모두 직각(right angle)인지)를 관찰하는 것이 가능하다.
SAR 기술은 완성된(mature) 기술로 여겨질 수 있다. 실제로, 최근에는 SAR 기술의 특성과 가능성을 설명하는 수많은 논문, 매뉴얼, 특허 및 특허 출원이 있다. 이와 관련하여, 다음과 같은 것들을 참조로 할 수 있다:
* 2013년 1월 1일에 "Bidirectional SAR Imaging Mode"라는 제목으로 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 51, no. 1의 601 내지 614면에 Josef Mittermayer et al.에 의해 작성된 논문. 상기 논문은 설명의 편의를 위하여 Ref1로서 지칭될 것이며, 상기 논문은 양방향 SAR 영상을 생성하는 모드를 기술한다.
* 독일 특허 출원 DE　103　19　063　A1. 상기 특허출원은 설명의 편의를 위해 Ref2로 지칭될 것이며, 상기 특허 출원은 다수의 SAR 빔을 생성하기 위해 다수의 안테나 구성 요소를 갖는 SAR 안테나 방법 및 시스템에 관한 것이다.
* 1992년 4월 1일에 "Wide-swath SAR"라는 제목으로 IEEE Proceedings of Radar and Signal Processing, vol. 139, no. 2의 122 내지 135면에 A. Currie et al.에 의해 작성된 논문. 상기 논문은 설명의 편의를 위해 Ref3으로 지칭될 것이며, 상기 논문에서는 SAR를 통해 관측 가능한 스워스(swath)를 넓히는 다양한 방법이 기술된다.
* 2010년 6월 7일에 "Advanced Concepts for High-Resolution Wide-Swath SAR Imaging"라는 제목으로 8th European Conference on Synthetic Aperture Radar의 524 내지 527면에 G. Krieger et al.에 의해 작성된 논문. 상기 논문은 설명의 편의를 위해 Ref4로 지칭될 것이며, 상기 논문은 고-해상도 광역 SAR 영상을 생성하기 위한 다중채널 SAR 시스템과 관련하여 다양한 개념을 보여준다.
* 1991년에 Willey Series in Remote Sensing, Willey Interscience에서 발간한 "Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing"라는 제목으로 J. C. Curlander와 R. N. McDonough에 의해 작성된 서적. 설명의 편의를 위해 Ref5로 지칭될 것이며, 상기 서적은 SAR 시스템에 대한 매뉴얼이다.
* 1999년 3월에 CRC Press에서 발간한 "Synthetic Aperture RADAR Processing"라는 제목으로 G. Franceschetti와 R. Lanari에 의해 작성된 서적. 설명의 편의를 위해 Ref6으로 지칭될 것이며, 상기 서적은 SAR 시스템에 대한 다른 매뉴얼이다.
알려진 바와 같이, 스트립맵 모드에서 SAR 획득(acquisition)을 위한 방위 해상도(azimuth resolution)는 타겟(target)이 SAR 센서에 의해서 관찰되는 개구각(angular aperture)(또는 각 차이 - 델타 각)의 함수이다. 또한, 동등하게(equivalently), 상기 방위 해상도는 타겟이 관찰되는 SAR 센서의 속도와 관련된 시간 차이(델타 시간)의 함수가 될 수 있다. 특히, 방위 해상도는 하기의 수학식에 의해 표현될 수 있다(보다 상세한 것은 Ref3, Ref5, 및 Ref6 참조).
Figure pct00007
여기서,
Figure pct00008
는 방위 해상도를 나타내고,
Figure pct00009
는 SAR 센서에 의해 이용되는 파장을 나타내고, 그리고
Figure pct00010
은 SAR 센서에 의해서 타겟이 관찰되는 개구각(또는 각 차이 - 델타 각)을 나타낸다.
상기 각도를 안테나의 3dB 개구(aperture)(일방향)로 가정하면(
Figure pct00011
이고, 여기서 L은 SAR 센서의 안테나의 방위각 방향에 따른 물리적 길이 또는 등가 길이를 나타낸다), 스트립맵 모드를 위한 방위 해상도와 전형적으로 관련된 제한(constraints)이 얻어질 수 있는데, 여기서 상기 제한은 L/2와 동일하다(보다 상세한 것은, Ref3, Ref5, 및 Ref6 참조).
현재 매우 넓은 안테나 빔(beams)이 방위 해상도를 개선하기 위하여 이용된다. 이러한 안테나 빔은, 등가(equivalent) 크기를 줄이기 위하여, 작은 크기를 가지는 안테나 또는 언더-일루미네이티드(under-illuminated) 안테나 또는 진폭 및/또는 위상 변조와 함께하는 안테나를 사용하여 달성되고, 또는 스포트라이트(spotlight) 모드를 이용하는 안테나들의 사용을 통하여 달성된다. 스포트라이트(spotlight) 모드의 획득 로직(acquisition logic)은 도 3에서 개략적으로 도시되어 있다.
특히, 도 3을 참조하면, 스포트라이트 모드에서 SAR 획득 로직은 레이더 펄스를 가지고 동일한 관심 영역을 비추고(illuminate), 관심 영역으로부터 관련된 백 스캐터링된(back-scattered) 신호를 수신하도록, 연속적이거나 준 연속적(quasi continuous)으로 SAR 센서 10 의 비행 움직임 동안 안테나 빔의 조정(편각
Figure pct00012
의 값을 역동적으로 조절하여)을 예정한다. 이러한 방법은 관심 영역상의 SAR 센서 10 의 지속 시간(persistence time)을 증가시키고, 방위 해상도를 개선한다.
방위 해상도를 개선하기 위하여 사용된 상기의 방법론은 모두 몇몇 문제점이 있다. 특히, 매우 넓은 안테나 빔의 이용은 매우 높은 전송 전력의 사용을 요구하고, 스포트라이트 모드는 스워스(swaths)의 방위각 길이상 한계를 가져온다.
상기 문헌에서 나타난 바와 같이, 동작 모드(operational mode)의 파라미터들을 링크시키는 수학적 관계가 존재한다. 특히, 방위각 샘플링(sampling)은 다음의 수학식과 같이 송신/수신 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)가 빔의 크기 및 SAR 센서의 속도와 관련있다는 것을 나타낸다(보다 상세한 것은, Ref3, Ref5, 및 Ref6 참조).
Figure pct00013
여기서
Figure pct00014
는 원하는 모호성(desired ambiguity) 레벨에 종속하는 파라미터이고,
Figure pct00015
는 SAR 센서의 속도를 나타내고, L은 SAR 센서의 안테나 방위각 방향에 따른 물리적 길이 또는 등가 길이를 나타낸다.
PRF의 값은 다음의 수학식과 같이, 레인지에서(in range), 측정된 영역(스워스)의 확장을 제한한다(보다 상세하게는 Ref3, Ref5, 및 Ref6 참조).
Figure pct00016
여기서
Figure pct00017
는, 레인지에서, 측정된 영역(스워스)의 확장을 나타내고,
Figure pct00018
는 전송된 펄스의 시간 간격(혹은 지속시간)을 나타내고, c는 빛의 속도를 나타낸다.
SAR 시스템의 능력을 최대로 활용하기 위하여, 스트립맵 모드와 스포트라이트 모드에 더하여, SAR 센서 이용을 위한 다양한 다른 기술들이 여러 해에 걸쳐 제안되어 왔는데, 상기 기술들은 하기와 같이 3가지 주요 모드로 그룹화된다.
* 버스트 모드(burst mode),
* 공간 분할 모드(space-division mode)
* 각도 분할 모드(angle-division mode)
주요 버스트 모드는 스캔SAR(scanSAR) 모드인데, 상기 모드는 시간을 동기식(synchronous) 버스트로 분할(즉, 일정한 비율로)한다. 안테나의 명목(nominal) PRF에서 장면 부분(scene portion)은 각각의 버스트에서 방위 스펙트럼이 정확하게 샘플링 되도록 하는 방식(보다 상세한 것은 Ref 3, Ref 5, 및 Ref 6참조)으로, 그러나 더 짧은 시간 동안에 획득된다(따라서 더 작은 델타 각이 나온다). 이러한 시간 분할은, 레인지에서, 스워스(swath)를 증가시키기 위하여 후속 버스트에서, 빔을 다른 방향으로 스위칭할 수 있다. 실제로, "방위각 시간"은
Figure pct00019
버스트로 분할되고, 각각의 버스트에서 다른 스트립이 획득된다. 상기 모드의 가장 큰 제한점은 획득된 델타 각이 줄여짐으로 해서 방위 해상도가 악화된다는 것이다. 특히, 스트립에서 "홀(hole)"의 부존재를 보장하는 지속적인 커버리지(coverage)의 제한은 최상의 방위 해상도도 특정 값 미만일 수 없다(즉, 더 좋을 수 없다)는 사실을 함축한다(보다 상세한 것은, Ref3, Ref4, Ref5, 및 Ref6 참조). 특히 상기 내용은 하기에서 나타난다.
Figure pct00020
여기서
Figure pct00021
은 스캔SAR 해상도를 나타내고,
Figure pct00022
은 스트립맵 기준 해상도(즉, L/2)를 나타낸다.
TOPS 모드(보다 상세한 것은, Ref4 참조)가 버스트 모드들 중에서 또한 열거되는데, 상기 모드는 방위각 조향(azimuth steering) 능력을 이용하고 스포트라이트 모드의 스캐닝 방향과 반대되는 스캐닝 방향을 요구한다. 즉, 리센트링(재중심화)(re-centring)보다는 스윕(sweep)과 비교될 만하다. 각각의 버스트에서, 최초 방위각 조향은 SAR 센서가 뒤로 "보고(look)" 다음에 버스트의 끝에서는 앞쪽을 포인팅하도록 한다. 이러한 방법은, 기존의 스캔SAR 모드와 달리, 각각의 타겟이 전체 안테나 패턴에 의하여 비추어지고, 방사측정 응답(radiometric response) 및 방위각 모호성(azimuth ambiguities)을 등화(equalizing) 가능하게 한다. 상기 설명된 스캔SAR 모드에서의 발생과 같이, (또한 버스트 모드인) TOPS 모드에서, 타겟은 언제나 센서에 의하여 스트립맵 모드의 통상적인 델타 각(또는 델타 시간)보다 작은 델타 각(또는 델타 시간)으로 노출된다. 결과적으로, 스캔SAR와 같이(종래의 스캔SAR과 다른 수학 식/제한이 있는 경우도) TOPS 모드 또한 스트립맵 모드에 대해 방위 해상도를 저하시키지만, 레인지에서, 스워스(swath) 확장을 허용한다. 이러한 개념은 Ref4에서 요약되었고, 상기 Ref4의 도입부에서 이하와 같이 서술되어 있다: "예들은 손상된 방위 해상도가 발생하는 대신 넓은 스워스를 가능하게 하는 스캔SAR(또는 TOPS) 모드와, 위성 트랙에 따라 비연속(비인접)(noncontiguous) 이미징이 발생하는 대신 개선된 방위 해상도를 허용하는 스포트라이트 모드가 있다."
이전에 나타난 바와 같이 넓은 스워스 및 높은 해상도를 갖는 것에 대한 요구는 상충된다. 반면에, 어크로스-트랙(across-track) 고도 평면에서 넓은 장면(scene)을 획득하는" 더 많은 시간"을 갖기 위하여 낮은 PRF가 선호된다. 다른 한편으로는, 방위 해상도를 개선하기 위하여 넓은 안테나 빔이 선호된다. 그러나, 후자의 특성은 첫 번째 요구와는 대조적으로 높은 PRF를 요구한다. 상기 문제를 극복하기 위하여, 과거에 공간 분할 모드를 사용하는 기술들이 제안되었다. 예를 들어, 다중 수신 안테나의 이용을 요구하는 전위 위상 센터(Displaced Phase Centres(DPC)) 기술(보다 상세한 것은, Ref3 및 Ref4 참조)이 있다. 상기 기술은 다중 SAR 센서를 이용, 또는 단일 안테나를 분절(segment) 및 다중 수신 시스템을 이용하여 달성될 수 있다. 와이드빔(wide beam)은 전송되고(작은 안테나 크기 L) 동시에 상기 방위각 방향을 따라 배치된 M개의 안테나(전송에서의 안테나와 같이 작은 크기의)로 수신된다. 다중 수신 소자의 이용은 더 많은 수의 방위 샘플을 가지는 것을 허용하고 낮은 물리적 PRF를 이용하는 것을 허용한다(보다 상세한 것은 Ref3 및 Ref4 참조). 본 기술의 가장 큰 제한은 복잡도(complexity)이다. 본 기술은 M개의 수신기 및 M 개의 "작은" 안테나(또는 M개의 하위-블록으로 분할된 하나의 큰 안테나)의 동시 이용을 요구하며, 충분한 제품 감도를 달성하기 위해 높은 전송 전력을 요구한다. 또한, 상기 문헌은 모호성 레벨에 대한 효과뿐만 아니라 M개의 위상 중앙(phase-centre)에 대한 정보 오류에 대한 민감도와 관련된 알고리즘 레벨에서 몇몇 임계 영역(위험 영역)(critical area)을 지적(point out)한다. 상기 문헌에서 고 해상도 와이드-스워스(HRWS: High Resolution Wide-Swath)기술과 같이 임계 영역을 줄이기 위한 몇몇 변형들이 있다. 고 해상도 와이드-스워스 기술은 고도(elevation)에서 빔을 "추적하기(following)" 위하여 고도상의 분할을 도모하는데, 그에 따라 지향성을 증가시키고 결과적으로 제품 감도를 증가시킨다.
각도-분할(angle-division) 모드를 이용하는 기술들의 목적은 공간-분할 모드를 이용하는 상기 기술들과 유사하지만, 추가적인 샘플들은 서로 다른 방향에서 샘플링되어 획득된다. 특히, 고도에서 각도 분할하고 방위에서 각도 분할하는 2가지 주요 로직들이 있다:
고도에서의 각도 분할(이와 관련하여서는 예컨대, Ref4에서 기술된 다중 고도 빔(MEB: Multiple Elevation Beam)기술을 참조로 할 수 있다)은 다중 안테나/수신 시스템 및 단일 송신기(넓은 스워스를 가지는), 또는 보다 지향적인 전송(보다 상세한 것은 Ref3 및 Ref4 참조)으로 동시 획득을 도모한다. 상기 방식에서 복수의 획득이 명목(nominal) 방위 해상도(대략 L/2)로 스트립맵 모드에서 얻어진다. 레인지 모호성(range ambiguities)의 문제를 줄이기 위하여, 상기 문헌은 고도에서 각각의 빔을 스퀸트(squint)하는 것을 제안한다.
대신에, 방위각에서 각도 분할(예를 들어, Ref3에서 설명된 Single Phase Centre MultiBeam(SPCM)기술이 참조될 수 있다)은 단일의 넓은 빔을 통한 전송 및 M 개의 좁은 빔을 통한 수신을 도모한다. 상기 방식에서, 넓은 빔이 얻어지나(해상도가 개선되고), 스포트라이트 모드와 유사하게, 상기 단일 수신 채널은 정확하게 서로 다른 각도 부분을 샘플링한다. 상기 채널들은 M 배 더 큰 합성된 델타 각을 얻기 위하여 프로세싱동안 재조합될 것이고, 결과적으로 해상도가 개선된다(보다 상세한 것은 Ref3 및 Ref4 참조). 일반적으로, 상기 방위에서 각도 분할 기술은 모호성 레벨(ambiguity level)과 관련하여 많은 임계(위험) 영역들(critical area)을 가진다. 송신에서 안테나 및 수신에서 단일 안테나의 측면 로브들(lateral lobes)은 상호작용하고, 모호성 레벨을 증가시킨다.
각도 분할 기술의 가장 큰 제한은 복잡도이다. 상기 기술은 M개의 수신기 및 M개의 "작은" 안테나(또는 M개의 하위-블록으로 분할된 한 개의 큰 안테나)의 동시 사용을 고려하고, 충분한 제품 감도를 달성하기 위해 높은 전송 전력을 요구한다.
상기 공간 및 각도 분할 개념은 Ref4에 잘 요약되어 있으며 섹션 2에서 하기와 같이 기술한다: "몇 가지 제안들이 지면상의 넓은 영역을 비추는(illuminate) 작은 개구 송신기와 함께 다중-채널 레이더 수신기를 결합하여 방위 해상도와 넓은 스워스 커버리지의 딜레마를 해결한다. 예시에는 상기 스퀸트된(squinted) 다중 빔 SAR..., 상기 displaced phase centre antenna(DPCA)기술..., 상기 쿼드 배열(Quad array) SAR 시스템..., 그리고 상기 고-해상도 와이드-스워스(HRWS: High Resolution Wide-Swath) SAR 시스템들이 있다".
목적이 서로 다르더라도, 양방향 SAR 이미징 모드(BiDi - 보다 상세한 것은 Ref1 참조)는 각도 분할 기술 사이에서 또한 고려되어야 한다. 위상 배열 안테나의 방위 격자 로브(azimuth grating lobes)를 활용하거나 서로 다른 시간에서 작동하여, 상기 모드는 서로 다른 두 개의 영상을 동시에 획득할 수 있다: 하나는 장면 앞부분(scene ahead)과 관련된 것이고, 나머지는 장면의 뒷부분(scene aft)과 관련된 것이다. 방위각의 차이는 시간 차이와 동등하다. 즉, 다른 시간에 동일한 장면이 보여지면, 영상들을 비교하여 상기 장면에서 움직이는 물체를 식별하는 것이 가능하다. 상기 기술은 2개의 획득(acquisition)이 방위각에서 각도가 분리된 2개의 획득을 도모하는 것, 즉, 높은 해상도의 영상을 재구성하도록 두 개의 채널의 데이터를 결합하는 것은 가능하지 않음을 주목해야 한다.
Ref1의 결론에서, 하기와 같이 기술한다:
"BiDi 단기 시리즈는 변화 및 속도 감지를 위하여 이용될 수 있다. 속도 측정에 관하여 BiDi 이미징 모드의 가능성은 미래 연구의 대상이다. BiDi의 가능한 응용은 넓게 분산된 도플러 스펙트럼(Doppler spectra)의 활용에 의한 진행 방향 이동(along-track displacement)의 고 정밀 측정을 포함한다".
마지막으로, SAR 기술이 서로 다른 유형의 안테나와 함께 발전될 수 있더라도, 이용의 가장 큰 유연성(flexibility)을 제공하는 것은 이른바 "위상 배열(phased array)"유형이다. 상기 유형은 획득 방향의 빠른 스우칭을 허용한다. Ref2에서 설명된 바와 같이 안테나의 다른 유형도 이용될 수 있다.
본 발명의 목적은 현재 스트립맵 유형의 SAR 획득 기술로 획득할 수 있는 방위 해상도에 관하여 더 나은 방위 해상도를 달성할 수 있게 하는 스트립맵 SAR 이미징 방법을 제공하고, 상기 설명한 문제점을 겪지 않게 하는 것이다. 상기 기술한 목적은 첨부된 특허 청구 범위에서 정의된 SAR 이미징 방법 및 SAR 시스템과 관련되는 한, 본 발명에 의하여 달성된다.
특히, 본 발명에 따른 상기 SAR 이미징 방법은 항공 또는 위성 플랫폼에 의하여 운송되고, 단일의 분할되지 않은(비분할) 안테나 및 상기 단일의 분할되지 않은 안테나와 결합된 단일의 수신기를 포함하는 합성 개구 레이더(synthetic aperture radar)에 의하여 지구 표면 영역의 스트립맵 모드에서 N개의 SAR 획득을 수행하는 것을 포함한다. 여기서 N은 1보다 큰 정수이다.
스트립맵 모드에서의 N개의 SAR 획득이 모두 하나의 동일한 지구 표면의 특정(specific) 스워스와 관련되도록, 상기 스트립맵 모드에서 모든 N개의 SAR 획득은 합성 개구 래이더의 천저(nadir)에 대해 하나의 그리고 동일한 미리 결정된 고도각(elevation angle)을 이용하여 수행된다.
스트립맵 모드에서 각각의 SAR 획득은 합성 개구 레이더의 비행 방향에 관련하여 각각의 편각(squint angle)을 이용하여 수행되는데, 상기 각각의 편각은 스트립맵 모드에 있는 다른 N-1개의 SAR 획득 수행을 위하여 이용되는 편각과 서로 다르다.
또한, 스트립맵 모드에서 각각 수행되는 SAR 획득은 각각의 레이더 전송 및 수신 동작을 포함하고, 상기 동작은 이하와 같다:
* 단일 또는 그룹으로, 스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 레이더 송신 및 수신 동작의 단일 또는 그룹과 시간 인터리브된다(time-interleaved).
* 스트립맵 모드에서 SAR 획득을 위하여 이용되는 미리 결정된 고도각(elevation angle) 및 각각의 편각에 의하여 정의되는 각각의 획득 방향에서 각각의 레이더 빔 송신 및 수신을 포함하고, 상기 각각의 획득 방향은 서로 평행하고 스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 획득 방향과 평행하지 않는 결과를 만든다.
특히, 2개의 바로 연속적인 시간 인스턴트들(instants)에서 수행되고 스트립맵 모드에서 2개의 서로 다른 SAR 획득과 연관된 2개의 레이더 송신 및 수신 동작에서 송신 및 수신된 상기 레이더 빔은 상기 방위각에 따라 인접하는데, 그에 따라 스트립맵 모드에서 N개의 SAR 획득 결과들 중 임의의 하나를 통하여 얻을 수 있는 것들과 관련하여 통합 시간(integration time)은 증가된다.
마지막으로, 본 발명에 따른 상기 SAR 이미징 방법은 스트립맵 모드에서 수행되는 모든 N개의 SAR 획득에 기반하여 특정 스워스(swath) 영역의 SAR 영상을 생성하는 과정을 또한 포함한다. 상기 SAR 영상은, 명목상의 스트립맵 방위 해상도 대비 N배까지 강화되는 방위 해상도를 가지고, 상기 명목상의 스트립맵 방위 해상도는 단일의 분할되지 않은 합성 개구 레이더의 안테나의 방위각 방향에 따라 물리적 길이 또는 등가 길이의 절반과 같다.
본 발명은 현재 스트립맵 유형의 SAR 획득 기술과 함께 획득할 수 있는 방위 해상도에 관하여 더 나은 방위 해상도를 달성할 수 있는 스트립맵 SAR 이미징 방법을 제공하는 것에 효과가 있다.
본 발명의 보다 완벽한 이해를 위하여, 비-제한적인 예시의 방식에 의해서 제공되는 몇몇 선호되는 실시 예가 첨부된 도면(비율이 맞지 않음)을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 스트립맵 모드에서 SAR 영상을 위한 전형적인 획득의 기하학적 형태(acquisition geometry)를 개략적으로 도시한다.
도 3은 스포트라이트 모드(spotlight mode)에서 SAR 영상을 위한 전형적인 획득 기하학적 형태를 개략적으로 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 1실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득을 위한 로직(logic)의 예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5에서 스트립맵 모드에서 SAR 획득을 위한 로직을 이용하여 획득한 데이터를 처리하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 1실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득의 기술을 입증(validate)하기 위해 출원인(applicant)에 의하여 수행된 시뮬레이션의 결과를 도시한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제 2실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득의 기술을 수행함에 있어서 제 1획득 전략을 적용한 효과를 개략적으로 도시한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제 2실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득의 기술을 수행함에 있어서 제 2획득 전략을 적용한 효과를 개략적으로 도시한다.
이하의 설명은 당해 분야에서 전문가가 발명을 구현하고 이용할 수 있도록 제공된다. 도시된 실시 예에 대한 다양한 변경은 전문가들에게 명백할 것이고, 여기에서 기술되는 일반적인 원리는 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다른 실시 예 및 응용에 적용될 수 있다.
그러므로 본 발명은 여기에서 설명 및 도시된 실시 예로만 제한되도록 의도된 것이 아니며, 여기에서 개시되고 첨부된 청구 범위에서 정의된 원리 및 특징과 일치하는 가장 넓은 범위를 따르는 것이다.
본 발명은 비-통상적인 방식으로 SAR 센서에서 이용되는 안테나의 조향(steering) 능력을 이용하는 출원인의 관점에서 시작되었다. 상기 출원인은 시간 공유시에 SAR 센서의 송신 및 수신 특성을 이용하는 멀티-빔(multi-beam) 및 멀티-시간(multi-temporal) SAR 획득 기법을 생각하였다.
특히, 본 발명에서 기반하는 아이디어는 스트립맵 모드에서 단일의 SAR 획득을 스트립맵 모드에서 N개(N>1)의 부분적인 획득들(elemental acquisition)로 나누는 것이며, 이들 N개의 부분적인 획득들을 결합하여 스트립맵 SAR 획득의 종래의 기술에서 얻어지는 것보다 N배까지 더 좋은 방위 해상도를 가진 SAR 영상을 얻을 수 있도록 하는 것에 있다.
구체적으로, 본 발명의 제1실시 예는 2개의 연속적인 전송 펄스간의 시간을 나타내는 펄스 반복 간격(PRI: pulse repetition interval) 레벨에서 인터리브된 몇 가지 SAR 획득 수행과 관련되는데, 특히 이른바 편각(squint angle)이 이용되는, 안테나의 방위 획득 방향이 PRI 레벨에서 변화하는 SAR 획득 수행과 관련이 있다.
보다 상세하게, 증가된 펄스 반복 주파수 PRF(PRF=1/PRI인 경우)를 이용하여, 다양한 편각의 합계가 더 큰 빔(N 배까지 더 큰)을 가지는 안테나와 합성(synthesize)할 수 있도록, N개의 스트립맵 획득은 얻어질 수 있는데, 각 스트립맵 획득은 상기 안테나의 크기와 호환되는 PRFs를 개별적으로 가진다(상기 방식에서는 방위 모호성(azimuth ambiguity) 값은 바뀌지 않는다). N개의 편각을 통합(integrating)하고 진폭 변조를 보상하여, N배 더 좋은 방위 해상도(즉, L/2의 명목 스트립맵 모드 해상도에 비하여 N배 작은)를 가지는 SAR 영상을 얻는 것이 가능하다. 스포트라이트 모드와 달리, 안테나의 방위 획득 방향은 미리 결정된 영역을 "추적하기(following)" 없이도 변화하고, 그 결과 스워스의 방위 크기와 관련된 제한이 발생하지 않는다.
이용되는 PRF는 고려되는 안테나의 고유의, 명목 PRF 보다 N배 더 크다. 즉, N배 작은 안테나(즉, 종래의 기술에서 동일한 방위 해상도를 얻기 위해 필요한 크기)에 채용된 PRF 값과 동일하다는 것을 의미한다.
본 발명의 이점은 더 큰 안테나가 동일한 전송 전력에 대하여 상당히 높은 감도 성능 달성, 또는 동일한 성능에 대하여 상당히 적은 전송 전력 이용을 허용한다는 것이다. 또한, 안테나가 더 크기 때문에, 전송에서 전력 밀도(power density)(전송된 전력을 안테나의 면적으로 나누어서 얻을 수 있는)는 상당히 감소한다. 또한, 물리적으로 큰 안테나의 이용은, 낮은 PRF 모드와 호환이 가능하여 낮은 해상도에서 스팟/스트립/스캔(SPOT/STRIP/SCAN) 획득과 호환이 가능하고, 상당히 좋은(즉 상당히 큰)스워스를 수반할 수 있어, 시스템을 보다 유연하게 만들 수 있다.
상기 기술된 본 발명의 제 1실시 예에 따르면, 스트립맵 모드에서 SAR 획득 기술이 1보다 큰 일반적인 정수 N 을 이용할 수 있지만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 일반성을 잃지 않는 한도에서 예시가 N=2에 대하여 제시될 것이다. 이하에서 설명되는 N=2인 경우와 관련된 개념은 1보다 큰 일반적인 정수 N의 경우에, 또한 준용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 제 1실시 예의 보다 완벽한 이해를 위하여, 도 4 및 도 5는 N=2인 경우에 본 발명의 제 1실시 예에 따른 스트립맵 모드에서의 SAR 획득의 로직 예를 개략적으로 도시한다.
특히, 도 4(여기에서 사용되는 직교좌표계(Cartesian reference system)는 도 1-3에 대하여 이전에 소개된 것과 실질적으로 대응한다)를 참조하면, x-y평면에서, SAR 센서 20 은 이하와 같다.
* 단일의 수신기(설명의 편의상 도 4에서는 도시되지 않음)와 결합한 단일의 분리되지 않은 안테나(설명의 편의상 도 4에서는 도시되지 않음)를 구비하고, 주어진 명목 펄스 반복 주파수 (nominal pulse repetition frequency)
Figure pct00023
와 관련된다.
* 항공기, 무인항공기(UAV), 헬리콥터, 또는 위성과 같은 항공/우주 플랫폼(설명의 편의상 도 4에서는 도시되지 않음)에 의하여 비행 방향 d를 따라 비행/궤도에서 운송된다.
도 4에 도시된 예에서, SAR 센서 20 은 안테나의 명목 펄스 반복 주파수의 2배인(즉,
Figure pct00024
) 동작 펄스 반복 주파수(operational pulse repetition frequency)
Figure pct00025
로 사용되어 시간적 거리(temporal distance)
Figure pct00026
에서 연속적인 펄스를 전송한다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이, SAR 센서 20 은 하기의 내용을 송신 및 수신하는데 이용된다.
* 제 1시간 인스턴트
Figure pct00027
-에서, 제 1 편각
Figure pct00028
을 따라, 방위각 방향 x, 즉 비행 방향 d에 대하여 지향하는 제 1획득 방향
Figure pct00029
에 있는 제 1레이더 빔. 그리고
* 제 2시간 인스턴트
Figure pct00030
에서(
Figure pct00031
), 제 1편각
Figure pct00032
와 다른 제 2편각
Figure pct00033
을 따라, 방위각 방향 x 즉, 비행 방향 d에 대하여 지향하는 제 2획득 방향
Figure pct00034
에 있는 레이더 빔.
보다 상세하게는, SAR 센서 20 은 하기의 내용을 수행한다:
* 제 1시간 인스턴트
Figure pct00035
에서, 후방으로(즉
Figure pct00036
) 제 1 SAR 획득(acquisition), 그리고
* 제 2시간 인스턴트
Figure pct00037
에서, 전방으로(즉
Figure pct00038
) 제 2 SAR 획득(acquisition)
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 2개의 획득 방향
Figure pct00039
및
Figure pct00040
에서 송신 및 수신되는 2개의 레이더 빔은 방위각을 따라 인접(연속)하고, 상기 방식은 주어진 안테나에 대하여 종래의 스트립맵 기술의 통합 시간(integration time)보다 증가된(특히, 2배로) 통합 시간을 허용한다.
도 4에서 도시된 2개의 SAR 획득은 도 5에서 도시된 스트립맵 모드에서의 총 SAR 획득의 부분적인 획득(elemental acquisition)을 표현한다. 도 5에서는 어떻게 일련의 후방 SAR 획득(backward SAR acquisitions) (설명의 편의를 위하여 이후에는 홀수 획득(odd acquisitions)이라고 기술한다) 및 일련의 전방 SAR 획득(forward SAR acquisitions) (설명의 편의를 위하여 이후에는 짝수 획득(even acquisitions)이라고 기술한다)이 PRI 레벨에서 인터리빙(interleaving)하면서 수행되는지 나타난다. 이는 후방 SAR 획득을 항상 전방 SAR 획득과 대체하여서, 즉, 제 1편각
Figure pct00041
의 이용을 제 2편각
Figure pct00042
의 이용과 대체하여서 나타난다. 상기와 같이, 바로 연속적인 시간 인스턴트에서 수행되는 홀수 및 짝수 획득 레이더 빔은 방위각에 따라 인접하고, 주어진 안테나에 대하여 종래의 스트립맵 기술을 통하여 얻어진 통합 시간에 비하여 통합 시간을 증가시킨다(특히 2배까지). 즉, 레이더 빔의 방위 너비 및 편각의 변형은 레이더 빔의 방위 인접성(contiguity)을 보장하고, 결과적으로, 통합 시간의 증가(특히, 2배로)를 보장하기 위함이다.
도 6에 도시된 흐름도는 도 5에서 도시된 스트립맵 모드에서의 SAR 획득 기술을 이용하여 획득한 데이터를 처리하는 방법을 표현한다.
특히, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 처리 방법은 이하의 과정을 포함한다:
* 제 1 원시(raw) 스펙트럼 및 제 2 원시 스펙트럼을 각각 얻기 위하여, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 홀수 획득으로부터 얻은 원시 데이터(raw data)(블록 61) 및 짝수 획득으로부터 얻은 원시 데이터(블록 62) 모두에게 적용하는 과정,
* 상기 홀수 및 짝수 획득으로부터 얻은 원시 데이터와, 편리하게는 상기 안테나의 명목 포인팅(nominal pointing)에 기반하여 도플러 중심(Doppler centroid) 값을 추정하는 과정(블록 63),
* 주파수에 정확히 위치한 제 1 스펙트럼 및 제 2 스펙트럼을 각각 얻기 위하여, 상기 추정된 도플러 중심 값 및 상기 안테나의 명목 포인팅 값에 기반하여 제 1 원시 스펙트럼의 필터링 및 주파수 정렬(블록 64)과 제 2 원시 스펙트럼의 필터링 및 주파수 정렬(블록 65)을 수행하는 과정,
* 제 1 등화된(equalized) 스펙트럼 및 제 2 등화된 스펙트럼을 각각 얻기 위하여, 진폭 변조의 등화(equalization)를 주파수에 정확히 위치한 제 1스펙트럼(블록 66)과 주파수에 정확히 위치한 제 2스펙트럼(블록 67) 모두에게 적용하는 과정,
* 제1 원시 스펙트럼 및 제 2 원시 스펙트럼의 크기의 2배 크기를 갖는 최종 스펙트럼을 얻기 위하여, 제 1 등화된 스펙트럼 및 제 2 등화된 스펙트럼을 주파수 결합(frequency combining)하는 과정, 및
* 최종 스펙트럼에 기반하여 SAR 영상을 형성하는 과정(블록 69). 상기 SAR 영상은 홀수 획득으로부터 얻은 원시 데이터 또는 짝수 획득으로부터 얻은 원시 데이터에 기반하여 형성된 SAR 영상의 절반에 해당하는 방위 해상도(즉, 2 배 더 좋은 해상도)를 가진다.
상기 제안된 기술로 상기 안테나의 포인팅에서의 변화(variation)에 연결된 명목 값(nominal value)을 통해 홀수와 짝수 획득의 도플러 중심값을 연관(correlate)시키는 것이 가능하고, 그 결과, 도플러 중심의 추정을 개선할 수 있다는 사실을 주목하는 것이 중요하다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득 기술의 특성 및 사용 가능성(potentiality)을 보다 용이하게 이해하기 위하여, 도 7 및 도 8은 위성에 의하여 운반되고 5.6 미터(meters) 길이를 가진 평면 안테나와 함께 x-대역에서 동작을 가정하고(N=2인 경우이다), 본 출원인에 의하여 수행된 시뮬레이션의 결과를 도시한다.
특히, 도 7은 단일 타겟(target)의 응답과 관련된 2-방향(two-way) 패턴의 강도(intensity)를 도시한다. 도 7에 있는 그래프로부터 추론될 수 있듯, 본 발명의 제 1실시 예에 따라 스트립맵 모드에서 SAR 획득 기술은 상기 타겟상의 SAR 센서의 지속 시간(persistence time)을 2배(일반적인 경우 N을 곱하여)로 만들고(즉, 통합 시간(integration time)을 2배로 만든다), 해상도를 반으로(일반적인 경우 N으로 나누어) 한다(즉, N배 해상도가 개선된다).
도 8은 2.8미터, 즉 안테나 크기의 절반만큼 떨어진 2개의 타겟의 존재(presence)를 시뮬레이션하여 얻은 방위각 응답을 도시한다. 도 8의 그래프에서, 상기 달성된 해상도가 종래의 기술에 의하여 고려된 값(대략 안테나의 물리적 길이 또는 등가 길이의 절반)에 비하여 상당히 작기(대략 안테나 크기의 사분의 일 또는 절반)때문에, 2개의 타겟은 확실히 구별된다.
알려진 대로, SAR 영상의 감도 특성을 설명하는 파라미터, 전송 전력과 같이 기본적인 레이더 파라미터 뿐만 아니라 안테나의 특성을 도출하는 파라미터는 이하의 비례 법칙에 대한 NESZ(Noise Equivalent Sigma Zero)이다.
Figure pct00043
여기서
*
Figure pct00044
는 전송에서 안테나 이득을 나타낸다.
*
Figure pct00045
은 수신에서 안테나 이득을 나타낸다.
*
Figure pct00046
은 안테나의 비-이상적 패턴의 통합에 의한 손실을 나타낸다.
*
Figure pct00047
은 전송된 전력을 나타낸다.
이전에 기술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 SAR 획득의 방법은 종래의 기술을 가지고 얻을 수 있는 방위 해상도(대략 안테나의 물리적 길이 또는 등 길이의 절반)에 비하여 스트립맵 모드에서 획득을 위한 더 좋은 방위 해상도(N 배까지)의 달성을 가능하게 한다.
감도의 관점에서, 동일한 해상도를 가지지만 하나는 물리적 또는 등가 길이 L의 절반을 가지는 안테나 이용에 기반한 종래의 기술을 이용하고, 다른 하나는 N배 더 길어진, 즉 길이
Figure pct00048
을 가지는 안테나 이용에 기반하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따라서 혁신적인 기술을 이용하는 두 시스템 간의 차이가 분석될 것이다.
N배 더 긴 안테나는 송신 및 수신 모두에서 이득의 N배(N-fold) 증가가 발생한다. 상기 설명하였듯이, 프로세싱에 이용되는 PRF는 N배 작다. 즉, 단일의 타겟은 N배 작은 샘플의 수를 이용하여 초점을 맞출 수 있다.
첨점(cusp)의 존재에 의해서(이와 관련하여 예를 들어 도 7을 참조로 할 수 있다), 상기 통합(integration)은 종래의 경우에 비하여 약간 높을 수 있다. 그러나, 안테나 빔의 모양과 N의 값에 의존하는 상기 값은 큰 의미가 있는 것은 아니다.
요약하면 이하와 같다.
Figure pct00049
여기서
Figure pct00050
는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기술과 관련된 NESZ를 표시하고,
Figure pct00051
는 종래 스트립맵 기술과 관련된 NESZ을 표시한다.
그러므로 본 발명의 1 실시 예에 따른 기술을 사용하는 경우, 제품(product) 감도의 상당한 증가가 있고, 즉 N 배 작은 강도의 신호를 검출하는 것이 가능하다. 결과적으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 기술은 또한 전송 전력을 감소시켜서 기술적 복잡도를 줄이는데 이용될 수 있다.
이하의 표 1(table 1)은 방위 해상도에서 동일한 성능을 가지는 경우에 대해 종래의 기술과 비교하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 본 기술의 장점 및 문제점을 요약한다.

장점
단점

기술
낮은 전송 전력

훨씬 낮은 전력 밀도
(안테나 면적에 의하여 나누어진 전송 전력)
신속한 안테나 포인팅이 필요
(PRI 레벨에서)

크기
큰 안테나



유연성
* 시스템은 낮은 PRF 모드와 호환 가능

* 큰 스워스(swath)를 통한 스트립/스팟/스캔 (Strip/Spot/Scan)획득
종래의 기술에 비하여 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기술을 이용하여 얻은 장점을 보다 강조하기 위하여, 고도(elevation)에서 동일한 제품 성능 및 동일한 크기에 대한 비교가 이하의 표 2 및 표 3에 목록화 되어 있다.
특히, 아래의 표 2에 나타난 데이터는 위성의 높이를 대략 619km로, 안테나 크기를 대략 1.5m 내외로, 해상도는
Figure pct00052
로, 스워스 너비는 10km보다 크게(고도각에 따라 13에서 15km 사이의 값), NESZ값을 대략
Figure pct00053
로, PRF는 9300Hz에서 10500Hz 범위로 하는 위성에 대한 적용하여 얻어진다.

1.9m 의 방위 크기를 가지는
종래 스트립맵 기술
3.8m의 방위 크기를 가진 안테나 및 N=2를 수반하는 본 발명의 제1 실시 예에 따른
스트립맵 기술
5.8m의 방위 크기를 가진 안테나 및 N=3를 수반하는 본 발명의 제1 실시 예에 따른
스트립맵 기술

전송 전력 [KW]
Figure pct00054
24
Figure pct00055
14
Figure pct00056
9

전송 전력 밀도 [KW/m2]
Figure pct00057
9
Figure pct00058
2.7
Figure pct00059
1.1

1m의 방위 해상도 및 13Km의 스워스(swath) 너비와 호환성
예
예
예

3m의 방위 해상도 및 40Km의 스워스(swath) 너비와 호환성
아니오
아니오
예

스팟/스캔(Spot/Scan)을 위한 최소 PRF [Hz]
Figure pct00060
9000
Figure pct00061
4500
Figure pct00062
3000
또한, 이하 표 3에서 도시된 데이터는 대략 619km 높이의 위성, 대략 1.5m 범위 내 크기인 안테나, 1.5m x 1.5m의 해상도, 대략 20km 너비의 스워스, 대략
Figure pct00063
의 의 NESZ 및 6200Hz 와 7000Hz 사이의 범위(range)에 있는 PRF와 함께 출원인이 가정하는 위성 응용(satellite application)에 의하여 얻어진다.

2.9m의 방위 크기를 가지는 안테나를 수반한
종래의 스트립맵 기술
5.8m의 방위 크기를 가지는 안테나 및 N=2를 수반한 본 발명의 제 1실시 예에 따른
스트립맵 기술

전송 전력 [KW]
Figure pct00064
17
Figure pct00065
9

전송 전력 밀도 [KW/m2]
Figure pct00066
4.5
Figure pct00067
1.1

1.5m의 방위 해상도 및 20Km의 스워스(swath) 너비와 호환성
예
예

3m의 방위 해상도 및 40Km의 스워스(swath) 너비와 호환성
아니오
예

스팟/스캔(Spot/Scan)을 위한 최소 PRF [Hz]
Figure pct00068
6000
Figure pct00069
3000
상기 표에서 도시된 데이터로부터 추론할 수 있듯이, 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기술은 메트릭(metric) 해상도를 가지는 스트립맵 제품을 구비하는 SAR 시스템의 생산을 가능하게 하거나, 어떠한 경우에도 시스템의 임계 영역(critical area)을 상당히 감소시키며, 이미 설계된/동작중인 SAR 시스템을 가지고 얻을 수 있는 제품의 유형을 증가시킨다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 기술은 동시에 N개의 스트립맵 영상 획득을 가능하게 만든다. 특히, 본 발명의 제 1 실시 예에 따르면 상기 영상들은 방위 해상도를 증가시키기 위해 서로 다른 편각과 함께 얻어질 수 있다.
영상 품질 파라미터들을 변경(alter)하지 않기 위하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 기술이 사용된 PRF는 안테나의 고유의 (natural) PRF보다 크다. 상기 PRF를 증가시켜서, 레인지에서, 획득될 수 있는 스워스는 더 작아진다. 본 발명의 제 2 실시 예는 제품에 미치는 효과를 제어하고 유도된 저하(induced degradation)를 관리하기 위하여 증가된 PRF를 이용하지 않고 또는 PRF가 N배까지는 증가되지 않은 스트립맵 모드에서의 SAR 획득 기술과 관련이 있다.
특히, 본 발명의 제 2 실시 예는 PRI 레벨에서 인터리브(interleave)되지 않는, 즉 PRI 레벨에서 방위각에서 N개의 스트립맵 획득이 방위각에서 안테나의 획득 방향을 변화시켜서 수행되는 것이 아니고, PRI 블록의 방위에서 안테나의 획득 방향을 변화시켜서 수행되는, 이른바 버스트-모드 스트립맵 기술과 관련이 있다.
구체적으로, 본 발명의 제 2실시 예는 N개의 스트립맵 획득이 PRF의 증가 없이, 그리고 PRI 블록에서, 편각이 이용되는, 안테나의 방위 획득 방향을 변화시켜서 수행되는 버스트-모드 스트립맵 기술과 관련이 있다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따라 증가되지 않은 PRF 및 편각의 변화를 동반한 버스트-모드 스트립맵 기술은, 레인지에서(in range), 스워스의 악화없이, 즉, 레인지에서, 스워스 크기의 변경 없이 방위 해상도를 N 배 개선할 수 있게 만든다. 특히, 본 기술은 방위 해상도가 이용되는 안테나의 물리적 길이 또는 등가 길이의 절반에 비하여 N배 작도록 만든다(즉, 방위 해상도가 종래의 스트립맵 기술과 비교하여 N배 더 좋다).
상기 획득을 2개로 나누기 위하여(일반적인 경우 N개로) 상기 이용된 안테나의 일반적인 명목(nominal) PRF 이용을 가정할 때, "홀(holes)"이 상기 획득 방식(scheme)에 도입된다. 홀이 주기적인 특성을 가지지 않은 경우, 상기 효과는 모든 측면 로브(lateral lobes)의 분산된 상승(distributed raising)이 될 것이다. 즉, ISIR(Integrated Side Lobe Ratio)파라미터는 악화되지만, PSLR(Peak Side Lobe Ratio)는 악화되지 않는다. 역으로, 2가지(일반적인 경우에는 N) 획득 유형을 위한 주기적인 실행 패턴을 이용하여, 알려진 위치에서 에코 쌍(paired echoes)이 만들어진다. 요구에 따라서, 다양한 해결책이 선택되고 주어진 패턴이 획득 로직(acquisition logic)에서 적용될 수 있다. 적은 수의 샘플이 통합(integrated)될 것이기 때문에, 상기 제품은 손상된(impaired) NESZ 파라미터를 가질 것이다.
예시적으로, 도 9 및 도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라서 증가되지 않은 PRF를 동반한 버스트-모드 스트립맵 기술과 함께 획득의 N가지 유형의 주기적인 실행 패턴을 적용하는 것의 효과를 도시한다. 도 10 및 도 11은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라서 증가되지 않은 PRF를 동반한 버스트-모드 스트립맵 기술과 함께 획득의 N가지 유형의 랜덤(random) 실행 패턴을 적용하는 것의 효과를 도시한다.
안테나 빔의 교체가 상당히 낮은 주파수에서 발생하기 때문에 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 기술에 비하여 제 2 실시 예에 따른 기술은 적은 기술적 제한을 가져온다.
간단히 정리하면, 본 발명은 이하와 관련된다:
* 방위 해상도를 N배 개선하기 위하여, 즉 스트립맵 모드의 명목 방위 해상도의 수치(numerical value)(상기 스트립맵 모드의 명목 방위 해상도의 수치는 설명한 바와 같이 L/2와 동일하고, L은 이용되는 SAR 안테나의 방위 방향에 따른 물리적 길이 또는 등가 길이를 표시한다)에 비하여 N배 작은 수치를 가진 방위 해상도를 얻기 위하여, N배 증가된 PRF의 이용 및 PRI 레벨에서 서로 다른 N개의 편각의 인터리브(interleave)된 이용,
* 방위 해상도를 N배 개선하기 위하여, 즉 스트립맵 모드의 명목 방위 해상도의 수치(numerical value)(즉 L/2)에 비하여 N배 작아진 수치를 가진 방위 해상도를 얻기 위하여 증가되지 않은 PRF의 이용 및 서로 다른 N개의 편각의 버스트(burst)이용.
본 발명은 스포트라이트 모드의 해상도와 비교하여 극도의(extreme) 해상도를 가진 스트립맵 획득 달성을 가능하게 만드는 멀티-빔 획득 로직을 활용한다. 상기 활용에 의하여 안테나 빔의 너비와 링크된 방위 해상도 상의 제한을 극복한다. 또한, 본 발명은 보다 효율적인 방식으로 방사되는(radiated) 에너지 관리, 상기 제품에 대하여 개설된 감도 값을 보장하도록 요구되는 전력 감소(전송에서 전력 및 전력 밀도 감소)를 가능하게 만든다.
본 발명은 이미 생산된 시스템에 대한 제품의 범위(range)를 증가시킬 뿐 아니라 새로운 SAR 시스템 설계를 위한 새로운 방법론을 도입한다.
본 발명을 종래의 스포트라이트 및 스트립맵 모드와 비교한 후, 이전에 설명된 고-해상도 와이드-스워스(wide-swath) SAR 영상 세대의 알려진 기술들과 주요 차이가 설명될 것이다.
본 발명과 달리, 버스트(burst)기술(즉, 스캔SAR 및 TOPS)은, 레인지에서, 스워스 증가를 위하여 방위 해상도의 악화를 예정한다.
단일 수신 채널로(즉, 단일 수신기로) 작동하는 본 발명과 달리, 공간-분할 기술(예컨대 DPC 및 HRWS), 및 각도-분할 기술(예컨대 MEB 및 SPCMB)은 동시 수신을 위하여 M개의 시스템 사용을 도모하고, 작은 안테나 이용(안테나가 M 개의 작은 안테나로 분할된다)을 도모한다.
Ref1에서 설명된 BiDi 모드는 이동 표적 식별(MTI: Moving Target Identification)의 다른 목적을 가지므로 방위 해상도를 개선하는 목적을 가지지 않는다. 또한, 획득 기하학적 형태(geometry)는 본 발명의 형태와 서로 다르고, 빔들은 방위 연속성(continuity)이 결여된다. 이와 관련하여, 섹션 III C 및 III D에서 명시적으로 설명되고 Ref1의 도 11에서 명확하게 도시된 것과 같이, 전방 획득(forward acquisition) 및 후방 획득(backward acquisition)을 위하여 이용되는 레이더 빔(기술한 섹션 III C 및 III D에서 설명되고 Ref1의 상기 기술한 도11에서 도시된 특정 BiDi 모드에서)은 방위에서(in azimuth) 분리되는 반면에, 본 발명에 따른 빔들은 인접한다(연속한다). 상기 내용을 확인하면, Ref1의 도 11에 도시된 통합 시간(integration time)은 분리되었고 인접하지 않다는 것이다. 빔들은 방위를 따라 인접하지 않고, 결과적으로 통합 시간도 인접하지 않기 때문에, 큰 개구(aperture)를 합성하는 것은 불가능하다. 즉, 긴 통합 시간을 얻는 것은 불가능하고(예를 들어, 본 발명의 제 1실시 예에 따르면 통합 시간은 N배 증가된다), 방위 해상도를 개선하는 것이 불가능하다. 특히, Ref1의 도11에서 도시된 전방 및 후방 획득은 스트립맵 모드의 방위에 있는 최대 명목 해상도(즉, L/2)를 가지는 각각의 SAR 영상 생성을 제공하지만, 본 발명에서 발생하는 바와 같이 개선된 방위 해상도(즉, L/2보다 작은 해상도)를 가진 단일의 SAR 영상을 생성하는데 이용되지는 못한다(빔들이 방위를 따라 인접하지 않고, 결과적으로 통합시간도 인접하지 않기 때문이다). 상기 설명은 BiDi 모드의 마지막 적용(end application)에 의하여 확인된다. Ref1에서 설명되는 BiDi 모드의 적용은 타겟/장면(target/scene)이 움직이는 속도를 측정하기 위한 MTI 유형에서만 가능하고 본 발명에서 고려된 바와 같이 스트립맵 모드에서 획득된 SAR 영상의 방위 해상도 증가를 고려하지는 않는다.
또한, Ref2는 안테나 레벨 구현 로직을 가지고 있고 본 발명과 같이 획득 로직이 아닌 것을 주목해야 한다. 또한, Ref2의 도 3으로부터 추론될 수 있듯이, 상기 획득은 안테나의 스워스(swath)와 관련하여 의미 있는(significant) 공간에 의해서 분리되고 반복 특성을 가진다. 상기 버스트들(bursts)은 안테나의 고유주파수 (PRF)를 가지는 방위 스펙트럼의 연속적인 샘플링(sampling)을 보장하지 않는다. 즉, 동일한 스워스와 관련된 버스트들에는 시간적인 연속성이 존재하지 않고, 본 발명과 달리 최상의(the best) 달성 가능한 방위 해상도는 스트립맵 모드의 명목 방위 해상도(즉, L/2)보다 좋지 못하다. 특히, Ref2의 도3에서 도시된 기하학적 형태는 스캔SAR 모드의 전형적인 형태이다.
마지막으로, Ref3의 섹션 5는 스캔SAR 모드를 표현한다는 것에 주목해야 한다. 즉, 상기 모드는, 레인지에서, 시간에 인접하지 않는 버스트로 다중 하위-스워스를 획득한다. 상기 버스트들은 순차적이고 스트립맵 모드에서 얻을 수 있는 지속시간에 비해 짧은 지속시간(duration)을 가지고, 본 발명에서 도모하는 것과 반대로, 스트립맵 모드의 명목 해상도(즉, L/2)에 대해서 방위 해상도의 악화가 발생한다. 또한, Ref3의 도 10은 획득 로직을 설명하지 않고, 장면(scene)의 거리에 의존하여 선택될 수 있는 PRF 값을 설명할 뿐이다. Ref3의 도10을 참조하면, 거리(range)에서 개별적인 영역 상에 동기식(synchronous) 버스트들이 예정되고, 방위 해상도의 강제적인 저하가 일어난다.
첨부된 특허 청구 범위에서 정의된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 본 발명에 적용될 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (7)

  1. 합성 개구 레이더(synthetic aperture radar, SAR)이미징 방법에 있어서,
    항공 또는 위성 플랫폼에 의하여 운송되고, 단일의 분할되지 않은 안테나 및 상기 단일의 분할되지 않은 안테나와 결합된 단일의 수신기를 포함하는 합성 개구 레이더(20)에 의하여 지구 표면 영역의 스트립맵 모드에서 N개(N은 1보다 큰 정수)의 SAR 획득을 수행하는 과정을 포함하고,
    여기서, 상기 스트립맵 모드에 있는 모든 N개의 SAR 획득들은 합성 개구 레이더(20)의 천저(nadir)에 대해 하나의 동일한 미리 결정된 고도각을 이용하여 수행되어서 상기 스트립맵 모드에 있는 N개의 SAR 획득은 모두 하나의 동일한 지구 표면의 특정 스워스와 관련되고,
    상기 스트립맵 모드에 있는 각각의 SAR 획득은 합성 개구 레이더(20)의 비행 방향에 대하여 각각의 편각을 이용하여 수행되고, 상기 각각의 편각은 스트립맵 모드에 있는 다른 N-1개의 SAR 획득 수행을 위하여 이용되는 편각들과 다르고,
    상기 스트립맵 모드에서 수행되는 각각의 SAR 획득은 각각의 레이더 송신 및 수신 동작을 포함하고,
    상기 동작은 스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 레이더 송신 및 수신 동작의 단일 또는 그룹과 개별적으로 또는 그룹으로 시간 인터리브되고,
    상기 동작은 스트립맵 모드에서 상기 SAR 획득을 위하여 이용되는 상기 미리 결정된 고도각(elevation angle) 및 상기 각각의 편각에 의하여 정의되는 각각의 획득 방향에서의 각각의 레이더 빔의 송신 및 수신을 포함하고, 각각의 획득 방향은 서로 평행하고 스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 획득 방향과는 평행하지 않는 결과를 만들고,
    상기 2개의 바로 연속적인 시간 인스턴트들(instants)에서 수행되고 스트립맵 모드에 있는 2개의 서로 다른 SAR 획득과 연관된 2개의 레이더 송신 및 수신 동작에서 송신 및 수신된 레이더 빔은 상기 방위를 따라 인접하여서 스트립맵 모드에서 수행되는 N개의 SAR 획득 중 어느 하나를 통하여 얻을 수 있는 통합 시간에 비해 증가된 통합 시간을 가지며,
    상기 방법은 스트립맵 모드에서 수행되는 모든 N개의 SAR 획득들에 기반하여 특정 스워스 영역의 SAR 영상을 생성하는 과정을 더 포함하고,
    상기 SAR 영상은 단일의 분할되지 않은 합성 개구 레이더(20)의 안테나의 방위 방향을 따라 물리적 길이 또는 등가 길이의 절반과 동일한 명목 스트립맵 방위 해상도에 비해 N배까지 증가하는 방위 해상도를 가지는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    합성 개구 레이더(20)의 단일의 분할되지 않은 안테나는,
    명목 펄스 반복 주파수와 관련이 있고,
    스트립맵 모드에서 각각 수행된 SAR 획득의 각각의 레이더 송신 및 수신 동작은,
    스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득들의 단일 레이더 송신 및 수신 동작과 함께 개별적으로 시간 인터리브되고,
    상기 레이더 송신 및 수신 동작은,
    상기 명목 펄스 반복 주파수의 N배와 동일한 동작 반복 주파수로 수행되어 스트립맵 모드에 있는 N개의 SAR 획득들 각각이 상기 명목 펄스 반복 주파수로 수행되는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 SAR 영상을 생성하는 과정은,
    스트립맵 모드에서 수행되는 상기 N개의 모든 SAR 획득들로부터 얻은 원시 데이터(raw data)에 기반하여 도플러 중심 값(Doppler centroid value)을 추정하는 과정(블록 63)과,
    상기 추정되는 추정된 도플러 중심 값 및 상기 합성 개구 레이더(20)의 단일의 분할되지 않은 안테나의 개별적인 포인팅(pointing)을 나타내는 데이터를 이용하여 스트립맵 모드에서 수행되는 N개의 SAR 획득들 각각으로부터 얻은 원시 데이터를 처리하고, 그에 따라 각각이 스트립맵 모드에서 수행되는 각각의 SAR 획득들과 관련되는 N개의 스펙트럼을 얻는 과정과,
    스트립맵 모드에서 수행되는 상기 N개의 SAR 획득과 관련된 N개의 스펙트럼을 주파수 결합하고, 그에 따라 상기 N 스펙트럼 각각의 N배 크기를 가지는 단일의 최종 스펙트럼을 얻는 과정(블록 68)과,
    상기 최종 스펙트럼에 기반하여 특정 스워스 영역의 SAR 영상을 생성하는 과정(블록 69)을 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스트립맵 모드에서 수행되는 N개의 SAR 획득들 각각으로부터 얻은 상기 원시 데이터를 처리하는 과정은,
    스트립맵 모드에서 수행된 SAR 획득 각각을 위하여, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 상기 SAR 획득으로부터 얻은 원시 데이터에 적용하고, 그에 따라 각각의 원시 스펙트럼을 얻는 과정(블록 61 및 62)과,
    스트립맵 모드에서 각각 수행된 SAR 획득을 위하여, 추정된 도플러 중심 값 및 합성 개구 레이더(20)의 단일의 분할되지 않은 안테나의 각각의 포인팅을 나타내는 데이터에 기반하여 각각의 원시 데이터의 주파수 정렬(alignment) 및 필터링을 수행하고, 그에 따라 주파수에서 정확히 위치한 개별적인 스펙트럼을 얻는 과정(블록 64 및 65)과,
    스트립맵 모드에서 각각 수행된 SAR 획득을 위하여, 진폭 변조의 등화(equalization)를 주파수에서 정확히 위치한 각각의 스펙트럼에 적용하고 그에 따라 각각의 등화된 스펙트럼을 얻는 과정(블록 66 및 67)을 포함하고,
    상기 스트립맵 모드에서 수행되는 N 개의 SAR 획득과 관련된 N개의 스펙트럼을 주파수 결합하는 과정은 N개의 등화된 스펙트럼을 주파수 결합하는 과정(블록 68)을 포함하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 합성 개구 레이더(20)의 단일의 분할되지 않은 안테나는,
    명목 펄스 반복 주파수와 관련이 있고,
    상기 스트립맵 모드에서 각각 수행되는 SAR 획득의 각각의 상기 레이더 송신 및 수신 동작은, 그룹으로,
    스트립맵 모드에서 수행되는 다른 N-1개의 SAR 획득의 레이더 송신 및 수신 동작의 그룹과 시간 인터리브되고(time-interleaved),
    상기 레이더 송신 및 수신 동작은 상기 명목 펄스 반복 주파수와 비교되는 동작 반복 주파수로 수행되는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 스트립맵 모드에서 N개의 서로 다른 SAR 획득의 레이더 그룹의 송신 및 수신 동작은,
    주기적 또는 렌덤 인터리브 패턴(interleaving pattern)에 따라 시간 인터리브되는 방법.
  7. 합성 개구 레이더 시스템(20)에 있어서,
    단일의 분할되지 않은 안테나 및 상기 단일의 분할되지 않은 안테나와 결합된 단일의 수신기를 포함하고,
    선행된 청구항에서 청구된 상기 SAR 이미징 방법을 수행하도록 구성된 시스템.

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