KR20180097022A - 하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 마이크로파 영상 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템은, 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 수동형 모드로 동작하는 수동형 마이크로파 영상부; 대상물과 주변 배경으로 펄스 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 능동형 모드로 동작하는 능동형 마이크로파 영상부; 및 상기 수동형 모드 또는 상기 능동형 모드의 수행 결과를 처리하여 영상을 생성하기 위한 디지털 신호 처리부;를 포함하며, 상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 시분할 구간의 배분에 따라 동작한다.

Description

하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법{HYBRID MICROWAVE IMAGING SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 수직 및 수평 편파 안테나를 이용하고, 하나의 시스템에서 시분할을 통해 능동형 모드와 수동형 모드로 동시에 동작하여 대상물과 배경을 구별함으로써 클러터나 날씨에 의한 영향을 줄여 명확한 고고도 영상을 얻기 위한, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이더(RADAR)는 방사된 전파를 통해 대상물에서 산란된 전파를 수신하여 대상물의 위치, 크기 및 속도 등을 탐지한다. 이처럼 레이더는 능동형으로 전파를 방사하여 각도(즉, 방위각, 고각) 방향으로 스캔하였을 때의 수신전력을 이용하여 2차원 영상을 생성할 수 있다. 또한, 레이더는 고해상도를 얻기 위한 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상 기법, 이중 편파를 이용한 영상 기법 등이 적용될 수 있다.
특히, 물체에서 방사되는 에너지를 수신하여 각도 방향으로 스캔하였을 때의 수신 전력을 이용하여 영상을 생성하는 수동형 마이크로파 영상 시스템(Radiometer)은, 인공위성 등에서 해수 온도 분포, 염도 분포, 그리고 구름 등의 분포를 영상화할 때 널리 쓰이고 있다.
능동형 또는 수동형 마이크로파 영상 시스템은 사용하는 마이크로파의 주파수가 높아지면 클러터 영향성, 날씨 영향성, 적용 가능 거리를 고려하여 제작될 필요가 있다.
먼저, 능동형 마이크로파 영상 시스템에 대해 살펴보면, 능동형 마이크로파 영상 시스템은 고고도에서 지표면 혹은 해수면의 영상을 생성하여 특정 대상물을 탐지할 때, 특정 대상물뿐만 아니라 지표면 또는 해수면 자체의 반사 특성, 지표면 또는 해수면에 분포하는 각종 물체들의 특성의 차이로 인해, 스캔 각도에 따라 특정 대상물에 의한 수신 전력 이외의 다른 수신 전력도 수신될 수 있다. 또한, 능동형 마이크로파 영상 시스템은 해수면의 경우에 날씨에 의해 반사 특성이 변할 수 있기 때문에, 해수면의 클러터 성분이 대상물의 반사에 의한 수신 전력과 비슷할 경우에 적용하기 곤란할 수 있다.
다음으로, 수동형 마이크로파 영상 시스템에 대해 살펴보면, 수동형 마이크로파 영상 시스템은 고고도에서 능동형 마이크로파 영상 시스템에 비해 간단하게 영상을 생성할 뿐만 아니라, 시간 영역에서 수신 전력에 따른 출력 전압을 적분하여 해상도를 개선할 수 있다.
하지만, 수동형 마이크로파 영상 시스템은 구름, 안개 등의 영향에 의해 탐지할 수 있는 거리가 비교적 제한적이고, 대상물과의 거리 정보를 알 수 없다. 따라서, 수동형 마이크로파 영상 시스템은 생성 영상을 통해 대상물의 크기를 산출하기 곤란할 수가 있다.
이와 같은 이유로, 마이크로파 영상 시스템은 사용하는 마이크로파의 주파수가 높아지는 경우에 클러터 영향성, 날씨 영향성, 적용 가능 거리 등을 효과적으로 고려하여 능동형과 수동형의 장점을 상호 보완할 수 있는 방안이 제안될 필요가 있다.
한편, 종래의 영상획득용 레이더 시스템은 대한민국 등록특허공보 제10-1070334호의 '영상 획득용 레이더 시스템 및 제어 방법'에 능동형과 수동형에 각각 제안된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1070334호(2011.09.28)
본 발명의 목적은 수직 및 수평 편파 안테나를 이용하고, 하나의 시스템에서 시분할을 통해 능동형 모드와 수동형 모드로 동시에 동작하여 대상물과 배경을 구별함으로써 클러터나 날씨에 의한 영향을 줄여 명확한 고고도 영상을 얻기 위한, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템은, 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 수동형 모드로 동작하는 수동형 마이크로파 영상부; 대상물과 주변 배경으로 펄스 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 능동형 모드로 동작하는 능동형 마이크로파 영상부; 및 상기 수동형 모드 또는 상기 능동형 모드의 수행 결과를 처리하여 영상을 생성하기 위한 디지털 신호 처리부;를 포함하며, 상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 시분할 구간의 배분에 따라 동작한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템은, 상기 산란 신호를 수신하여 대상물의 거리 및 속도 정보를 수집하기 위한 능동형 레이더부;를 더 포함한다.
상기 디지털 신호 처리부는, 상기 대상물의 거리 정보와 속도 정보를 이용하여 상기 대상물의 크기와 특징점을 분석하여 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드로부터 생성된 영상을 융합한다.
상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 이중 편파 안테나를 이용하여 안테나의 편파 특성에 따른 수신 경로를 조절한다.
상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 상기 수신 경로가 동일한 경로이다.
상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 동일한 보정 신호원으로부터 인가된 보정용 신호를 이용하여 경로 이득과 위상 변동을 보상한다.
상기 시분할 구간은, 상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간, 상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간, 상기 능동형 마이크로파 영상부와 상기 수동형 마이크로파 영상부 각각의 보정을 위한 보정 구간이 포함되며, 시간축을 따라 반복된다.
상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간은, 상기 펄스 신호의 방사 구간과 상기 산란 신호의 수신 구간으로 구분된다.
상기 보정 구간은, 상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간과 상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간에 앞서 배치된다.
상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간은, 상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간에 비해 넓은 구간이 배분된다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법은, 대상물과 주변 배경으로 펄스 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 능동형 모드로 동작하는 단계; 및 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 수동형 모드로 동작하는 단계; 상기 수동형 모드 또는 능동형 모드의 동작 결과를 처리하여 영상을 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 능동형 모드로 동작하는 단계와 상기 수동형 모드로 동작하는 단계는, 시분할 구간의 배분에 따라 동작한다.
상기 능동형 모드로 동작하는 단계는, 상기 산란 신호를 수신하여 대상물의 거리 및 속도 정보를 수집하는 단계를 포함한다.
상기 영상을 생성하는 단계는, 상기 대상물의 거리 정보와 속도 정보를 이용하여 상기 대상물의 크기와 특징점을 분석하여 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드로부터 생성된 영상을 융합한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법은, 상기 능동형 모드로 동작하는 단계 이전과 상기 수동형 모드로 동작하는 단계 이전에, 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드에 동일한 보정 신호원으로부터 인가된 보정용 신호를 이용하여 경로 이득과 위상 변동을 보상하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 수직 및 수평 편파 안테나를 이용하고, 하나의 시스템에서 시분할을 통해 능동형 모드와 수동형 모드로 동시에 동작하여 대상물과 배경을 구별함으로써 클러터나 날씨에 의한 영향을 줄여 명확한 고고도 영상을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 주파수 영역을 분할하여 운용하는 방식이 아니라, 시간 영역을 분할하여 능동형과 수동형 모드를 동시에 운용함으로써 넓은 주파수 대역을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 이중 편파 안테나를 사용하여 안테나의 편파 특성에 따른 수신 경로를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 능동형 및 수동형 기능을 동일한 부품을 이용하여 동일 경로로 구성하여 전체 시스템 규모를 줄일 수 있고, 같은 주파수의 보정 신호원을 이용하여 능동형 및 수동형 기능을 동시에 보정할 수 있다.
또한, 본 발명은 날씨에 따라 변하는 해수면 등의 반사 특성에 의해 영향을 받는 능동형 모드와, 구름, 안개 등에 의해 탐지 거리가 제약되는 수동형 모드의 한계를 상호 보완하여 대상물의 특징 정보를 다양하게 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템에 대한 도면,
도 2는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템에 적용되는 시분할 구간에 대한 일실시예를 나타낸 도면,
도 3은 능동형 마이크로파 영상부의 영상 생성을 나타낸 도면,
도 4는 수동형 마이크로파 영상부의 영상 생성을 나타낸 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템에 대한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은, 이중 편파 안테나를 이용하고, 시분할(time division)을 통해 능동형 모드 및 수동형 모드로 동시에 동작함으로써 클러터(clutter) 및 날씨에 의한 영향을 줄여 고고도에서 영상을 얻을 수 있다.
이러한 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 다음과 같은 특징을 구비할 수 있다.
먼저, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 이중 편파 안테나를 이용하여 안테나의 편파 특성에 따른 수신 경로를 조절할 수 있다. 즉, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 특정 대상물의 수신 전력이 주변 배경의 클러터에 의한 수신 전력과 구별되지 않을 경우에 이중 편파 안테나의 편파 특성을 조절하여 클러터 수신 전력에 변화를 줌으로써 고고도에서 획득된 영상으로부터 대상물과 주변 배경의 차이를 명확히 드러낼 수 있다. 따라서, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 해당 영상에서 특정 대상물을 쉽게 구별할 수 있다.
또한, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 주파수 영역을 분할하여 운용하는 방식이 아니라, 시간 영역을 분할하여 능동형 모드와 수동형 모드를 운용하는 하이브리드 모드로 동작한다. 즉, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 능동형 모드의 주파수 대역과 수동형 모드의 주파수 대역을 모두 이용 가능하기 때문에, 주파수 영역을 분할하여 운영하는 방식에 비해 넓은 주파수 대역을 이용할 수 있다.
또한, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 능동형 레이더의 거리 탐지 기능을 이용하여 대상물과의 거리 정보를 확인할 수 있기 때문에 전체 영상에서 대상물의 크기를 산출할 수 있다.
그리고 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 능동형 모드와 수동형 모드를 각각 독립적인 부품을 통해 동작하는 것이 아니라, 동일한 부품을 이용하여 동일한 신호 경로를 구성하기 때문에 전체 시스템 규모를 줄일 수 있다. 여기서, 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 동일한 주파수의 보정 신호원을 이용하여 능동형 모드와 수동형 모드를 동시에 보정할 수 있다. 이와 같이 하이브리드 마이크로파 영상 시스템(100)은 동일 시스템에서 능동형 모드와 수동형 모드로 동작함으로써, 양쪽 모드로부터 획득된 각각의 영상을 하나의 영상으로 재구성하는 영상 융합 과정을 진행할 수 있다.
한편, 하이브리드 마이크로파 영상 장치(100)는 수동형 마이크로파 영상부(110), 능동형 마이크로파 영상부(120), 능동형 레이더부(130), 디지털 신호 처리부(140)를 포함한다.
먼저, 수동형 마이크로파 영상부(110)에 대해 설명한다.
수동형 마이크로파 영상부(110)는 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 고고도 영상 생성을 위한 수동형 모드로 동작한다. 여기서, 수동형 마이크로파 영상부(110)는 수직 및 수평 편파 안테나(11, 15), 제1 및 제2 순환기(12, 16), 제1 및 제2 리미터(13, 17), 제1 및 제2 가변 감쇠기(14, 18), 전력 결합기(19), 가변 증폭기(20), 제1 대역 통과 여파기(21), 제1 혼합기(22), 제1 로컬 발진기(23), -6-㏈ 결합기(24), 검출기(25), 저역 통과 여파기(26), 제1 아날로그-디지털 변환기(27)를 포함한다.
수직 편파 안테나(Vertical Polarization Antenna, 11)는 전자파의 전기장이 반사평면에 대하여 수직 성분을 방사하거나 수신할 수 있고, 수평 편파 안테나(Horizontal Polarization Antenna, 15)는 전자파의 전기장이 반사평면에 대하여 수평 성분을 방사하거나 수신할 수 있다. 수직/수평 편파 안테나(11, 15)는 모든 방향으로 고르게 전파를 발사하는 등방 안테나(isotropic antenna)이거나, 어떤 주어진 방향으로 전파를 발사하는 지향성 안테나(directional antenna)일 수 있다.
제1 및 제2 순환기(circulator, 12, 16)는 일명 듀플렉스(duplex)로서, 입력 및 출력 방향이 많은 단자 간에 순환적으로 전달 경로가 정해지는 송/수신 전환 스위치이다. 즉, 제1 순환기(12)는 송신신호를 수직 편파 안테나(11)로 전달하고, 수직 편파 안테나(11)로부터 수신된 수신신호를 수신단의 제1 리미터(13)로 전달한다. 그리고 제2 순환기(16)는 송신신호를 수평 편파 안테나(15)로 전달하고, 수평 편파 안테나(15)로부터 수신된 수신신호를 수신단의 제2 리미터(17)로 전달한다.
제1 및 제2 리미터(limiter, 13, 17)는 송신기에 의해 방사되는 큰 전력의 신호가 제1 및 제2 순환기(12, 16)를 통해 어느 정도의 감쇠를 거쳐 수신단에 인가될 때, 해당 신호의 일정 레벨 이상을 제한하여 후단에 배치된 소자를 보호한다. 즉, 제1 및 제2 리미터(13, 17)는 작은 레벨의 신호에 대해 통과시키고, 일정 레벨 이상의 신호에 대해 레벨을 제한하여 감쇠시킨다.
제1 및 제2 가변 감쇠기(attenuator, 14, 18)는 제어 신호에 따라 파형을 왜곡시키지 않고 신호의 세기를 감쇠시킨다. 여기서, 제1 및 제2 가변 감쇠기(14, 18)는 상당한 크기로 감쇠시켜 해당 경로를 차단할 수 있는 스위칭 기능을 담당할 수 있다.
이와 같이, 수직 편파 안테나(11)의 후단에는 제1 순환기(12), 제1 리미터(13), 제1 가변 감쇠기(14)가 배치된다. 즉, 수직 편파 안테나(11), 제1 순환기(12), 제1 리미터(13), 제1 가변 감쇠기(14)에 의해서는 일명 '수직 편파 경로'에 해당하는 신호 경로가 형성된다.
마찬가지로, 수평 편파 안테나(15)의 후단에는 제2 순환기(16), 제2 리미터(17), 제2 가변 감쇠기(18)가 배치된다. 수평 편파 안테나(15), 제2 순환기(16), 제2 리미터(17), 제2 가변 감쇠기(18)에 의해서는 일명 '수평 편파 경로'에 해당하는 신호 경로가 형성된다.
이러한 구성은 고출력 송신기에서 누설되는 신호 및 근거리 물체로부터 반사되는 전력 신호로부터 수신단을 보호하기 위한 수신단 보호 기능을 담당한다.
전력 결합기(power combiner, 19)는 수직/수평 편파 경로 양쪽으로부터 전달되는 두 입력 신호를 최소한의 손실로 결합시켜 출력한다.
가변 증폭기(variable gain amplifier, 20)는 전력 결합기(19)의 출력 신호를 증폭시킨다. 여기서, 가변 증폭기(20)는 후단의 제1 혼합기(22)를 보호하기 위해 이득 가변 기능을 구비할 수 있다.
제1 대역 통과 여파기(band pass filter, 21)는 정해진 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 그 외 주파수 대역의 신호를 차단한다. 즉, 제1 대역 통과 여파기(21)는 가변 증폭기(20)에 의해 증폭된 신호에 대해 특정 주파수 사이의 신호만 통과시키는 필터링을 수행한다.
제1 혼합기(mixer, 22)는 제1 대역 통과 여파기(21)를 통과한 신호의 주파수를 제1 로컬 발진기(23)의 로컬 신호의 주파수만큼 변환시킨다. 즉, 제1 혼합기(22)는 입력 신호의 주파수를 제1 로컬 발진기(23)의 로컬 신호의 주파수를 이용하여 다른 주파수로 변환시킨다.
제1 로컬 발진기(local oscillator, 23)는 제1 혼합기(22)의 입력 신호의 주파수 성분을 변환시키기 위해 입력되는 로컬 신호를 생성한다.
-6㏈ 결합기(6dB directional coupler, 24)는 입력 신호의 에너지를 두 경로로 불균등하게 분배하는 방향성 결합기이다. 즉, -6㏈ 결합기(24)는 제1 혼합기(22)로부터 전달된 신호를 두 경로로 나누어 통과시키는데, 검출기(29)로 거의 손실 없이 신호를 통과시키고, 증폭기(32)로 6㏈만큼 줄어든 신호를 통과시킨다.
검출기(25)는 -6㏈ 결합기(24)로부터 전달된 신호의 전력에 선형적으로 비례하는 전압 신호를 생성한다.
저역 통과 여파기(low pass filter, 26)는 특정 주파수 대역 이하의 신호만 통과시키고, 나머지 주파수 대역의 신호를 차단한다. 즉, 저역 통과 여파기(26)는 검출기(25)에 의해 생성된 전압 신호에 대해 특정 주파수 대역 이하의 신호를 통과시키고, 특정 주파수 대역 이상의 신호를 차단한다. 이처럼 저역 통과 여파기(26)는 신호를 적분시키는 적분회로로서 기능한다.
제1 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter, 27)는 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 즉, 제1 아날로그-디지털 변환기(27)는 저역 통과 여파기(26)를 통과한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 여기서, 제1 아날로그-디지털 변환기(27)는 변환된 디지털 신호를 디지털 신호 처리부(140)로 전달한다.
전술한 바와 같이, 수동형 마이크로파 영상부(110)는 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사에너지를 수신하여 전술한 구성 요소를 통해 고고도 영상을 생성하기 위한 수동형 모드로 동작한다. 즉, 수직/수평 편파 안테나(11, 15)는 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신한다. 이와 같은 수신신호는 수직 편파 경로와 수평 편파 경로를 거친 후 전력 결합부(19)를 통해 하나의 신호로 결합된 후, 가변 증폭기(20), 대역 제한 여파기(21), 제1 혼합기(22), -6-dB 결합기(28), 검출기(29), 저역 통과 여파기(26) 및 제1 아날로그-디지털 변환기(27)로 이어지는 신호 경로를 통해 디지털 신호 처리부(140)로 전달된다.
특히, 검출기(29)에 의해 생성된 전압 신호는 저역 통과 여파기(26)에 의해 적분된다. 여기서, 전압 신호의 적분 시간은 수동형 마이크로파 영상부(110)의 동작에 있어서, 영상에 대한 분해능(즉, 거리 또는 방위각)에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 전압 신호의 적분 시간은 영상에 대한 분해능과 양의 상관관계가 성립된다. 이에 따라, 수동형 마이크로파 영상부(110)의 동작구간은 능동형 마이크로파 영상부(120)의 동작구간에 비해 상대적으로 시분할 구간을 넓게 배분하는 것이 바람직하다(후술할 도 2 참조).
수동형 마이크로파 영상부(110)는 수직 편파 경로 및 수평 편파 경로를 통해 얻어지는 한쪽 경로의 편파 또는 양쪽 경로의 편파를 이용한다. 즉, 한쪽 경로의 편파를 이용하는 경우에, 수동형 마이크로파 영상부(110)는 수직 편파 경로 또는 수평 편파 경로 중 어느 한쪽 경로의 수신신호에 대해, 다른쪽 경로의 디지털 변환값에 영향을 주지 않을 정도로 신호 세기를 감쇠시킨 후 영상을 생성하는 과정을 수행한다. 그리고 양쪽 경로의 편파를 이용하는 경우에, 수동형 마이크로파 영상부(110)는 수직 편파 경로와 수평 편파 경로 양쪽 경로의 수신신호에 대해, 신호 세기를 감쇠시키지 않고 그대로 영상을 생성하는 과정을 수행한다.
이 경우에, 수동형 마이크로파 영상부(110)는 전술한 과정을 각도 스캔할 때마다 반복 수행한다. 디지털 신호 처리부(140)는 일정 각도 범위에 대해 스캔이 종료되면 하나의 2차원 영상을 생성한다.
다음으로, 능동형 마이크로파 영상부(120)에 대해 설명한다.
능동형 마이크로파 영상부(120)는 대상물과 주변 배경으로 특정 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 고고도 영상 생성을 위한 능동형 모드로 동작한다. 여기서, 능동형 마이크로파 영상부(120)는 수동형 마이크로파 영상부(110)의 구성에 더하여, 발진기(28), 펄스 생성기(29), 송신용 증폭기(30), 전력 분배기(31)를 포함한다.
발진기(oscillator, 28)는 대상물 및 주변 배경으로 방사를 위한 특정 주파수 대역의 신호를 생성한다. 특히, 발진기(28)는 수동형 마이크로파 영상부(110), 능동형 마이크로파 영상부(120) 및 능동형 레이더부(130)의 동작에 앞서, 경로 이득과 위상 변동 보정을 위한 보정용 신호를 출력하여 수직 편파 경로상의 제1 순환기(12)와 수평 편파 경로상의 제2 순환기(16)로 제공한다. 이때, 발진기(28)는 제1 및 제2 순환기(12, 16)에서 수신단으로 입력 가능한 양쪽 단자로 보정용 신호를 분배한 후 포화영역으로 증폭시켜 인가한다.
다시 말해, 발진기(28)는 수동형 마이크로파 영상부(110), 능동형 마이크로파 영상부(120) 및 능동형 레이더부(130)에 대해 동일한 보정 신호원으로서, 이를 이용하여 제1 및 제2 순환기(12, 16)의 경로에 펄스마다 신호를 인가하여 각 경로의 이득과 위상 변동에 대해 보정할 수 있다.
펄스 발생기(pulser, 29)는 제어 신호에 따라 발진기(28)에 의해 생성된 신호를 펄스 신호로 발생시킨다.
송신용 증폭기(amplifier, 30)는 펄스 발생기(29)에 의해 발생된 펄스 신호에 대해 외부 방사를 위해 필요한 송신전력으로 증폭시킨다.
전력 분배기(power divider, 31)는 송신용 증폭기(30)에 의해 증폭된 펄스 신호를 수직 편파 안테나(11)와 수평 편파 안테나(15)로 균일하게 분배한다. 이러한 전력 분배기(31)는 출력 단자가 정합되어 무손실 특성을 나타내며, 양쪽 출력 단자는 상호 고립되어 서로 간의 간섭이 최소화된다.
전술한 바와 같이, 능동형 마이크로파 영상부(120)는 대상물 및 주변 배경으로 펄스 신호를 방사한 후, 대상물 및 주변 배경에 의해 산란된 신호를 수신하여 고고도 영상을 생성한다.
여기서, 방사된 펄스 신호는 발진기(28)와 펄스 발생기(29)에 의해 펄스 신호가 생성되고, 송신용 증폭기(30)를 거쳐 전력 분배기(31)에 의해 제1 순환기(12)와 제2 순환기(16)로 분배된다. 제1 순환기(12)로 분배된 펄스 신호는 수직 편파 안테나(11)로 방사되고, 제2 순환기(16)로 분배된 펄스 신호는 수평 편파 안테나(15)로 방사된다.
이후, 수직/수평 편파 안테나(11, 15)는 대상물 및 주변 배경으로부터 산란된 신호를 수신한다. 이와 같은 수신신호는 수직 편파 경로와 수평 편파 경로를 거쳐 전력 결합부(19)를 통해 하나의 신호로 결합된 후, 가변 증폭기(20), 대역 제한 여파기(21), 제1 혼합기(22), -6-dB 결합기(28), 검출기(29), 저역 통과 여파기(26) 및 제1 아날로그-디지털 변환기(27)로 이어지는 신호 경로를 통해 디지털 신호 처리부(140)로 전달된다.
능동형 마이크로파 영상부(120)는 수직 편파 경로 또는 수평 편파 경로를 통해 얻어지는 한쪽 경로의 편파를 이용한다. 즉, 능동형 마이크로파 영상부(120)는 수직 편파 경로 또는 수평 편파 경로 중 어느 한쪽 경로의 수신신호에 대해, 다른쪽 경로의 디지털 변환값에 영향을 주지 않을 정도로 신호 세기를 감쇠시킨 후 영상을 생성하는 과정을 수행한다.
이 경우에, 능동형 마이크로파 영상부(120)는 전술한 과정을 각도 스캔할 때마다 반복 수행한다. 디지털 신호 처러부(140)는 일정 각도 범위에 대해 스캔이 종료되면 하나의 2차원 영상을 생성한다.
전술한 바와 같이, 수동형 마이크로파 영상부(110)와 능동형 마이크로파 영상부(120)는 수신 신호의 경로를 동일하게 구성하고, 수신 신호를 검출기(25)를 통해 전압으로 변환한 후 제1 아날로그-디지털 변환기(27)를 거치는 동일한 구성으로 영상으로 생성한다. 이와 같이 수동형 마이크로파 영상부(110)와 능동형 마이크로파 영상부(120)는 수신 신호의 경로를 동일하게 구성하여 간소화하고, 수신 신호의 경로와 이중 편파 안테나를 이용하여 클러터 영향을 줄이는 편파 조절을 수행할 수 있다.
다음으로, 능동형 레이더부(130)에 대해 설명한다.
능동형 레이더부(130)는 능동형 마이크로파 영상부(120)와 함께 동작한다. 능동형 레이더부(130)는 도플러 효과를 이용하여 대상물의 거리 및 속도 정보를 수집한다. 여기서, 능동형 레이더부(130)는 수동형 마이크로파 영상부(110)의 검출기(25) 전단[즉, -6㏈ 결합기(24)]까지의 구성에 더하여, 증폭기(32), 제2 혼합기(33), 제2 로컬 발진기(34), 제2 대역 통과 여파기(35), 제2 아날로드-디지털 변환부(36)를 포함한다.
증폭기(32)는 -6㏈ 결합기(24)에 의해 분배된 신호를 증폭한다. 증폭기(32)는 -6㏈ 결합기(24)에 의해 6㏈ 줄어든 신호가 입력된다.
제2 혼합기(33)는 증폭기(32)에 의해 증폭된 신호의 주파수를 제2 로컬 발진기(34)의 로컬 신호의 주파수만큼 변환시킨다.
제2 로컬 발진기(34)는 제2 혼합기(33)의 입력 신호의 주파수 성분을 변환시키기 위해 입력되는 로컬 신호를 생성한다.
제2 대역 통과 여파기(35)는 정해진 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 그 외 주파수 대역의 신호를 차단한다. 즉, 제2 대역 통과 여파기(35)는 제2 혼합기(33)에 의해 주파수 변환된 신호에 대해 특정 주파수 사이의 신호만 통과시키는 필터링을 수행한다.
제2 아날로그-디지털 변환기(36)는 제2 대역 통과 여파기(35)를 통과한 특정 주파수 대역의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 여기서, 제2 아날로그-디지털 변환기(36)는 변환된 디지털 신호를 디지털 신호 처리부(140)로 전달한다.
능동형 레이더부(130)는 능동형 마이크로파 영상부(120)에 의해 방사된 펄스 신호에 대해, 대상물 및 주변 배경에 의해 산란된 신호를 수신하여 레이더 기능을 수행한다. 구체적으로, 방사된 펄스 신호의 경로는 능동형 마이크로파 영상부(120)와 능동형 레이더부(130)가 동일하게 적용된다. 다만, 대상물 및 주변 배경에 의해 산란된 신호의 경로는 능동형 마이크로파 영상부(120)와 능동형 레이더부(130)가 검출기(25)의 전단까지 동일하게 적용되나 검출기(25)의 후단부터 상이하게 적용된다. 즉, 능동형 마이크로파 영상부(120)와 능동형 레이더부(130)에서 산란 신호의 수신 경로는 -6㏈ 결합기(24)에 의해 분리된다.
전술한 바와 같이, 능동형 마이크로파 영상부(120)의 산란 신호의 수신 경로는 -6㏈ 결합기(24)의 후단으로, 검출기(25), 저역 통과 여파기(26), 제1 아날로그-디지털 변환기(27)를 통과하며, 능동형 레이더부(130)의 산란 신호의 수신 경로는 -6㏈ 결합기(24)의 후단으로, 증폭기(32), 제2 혼합기(33), 제2 대역 통과 여파기(35), 제2 아날로그-디지털 변환기(36)를 통과한다.
디지털 신호 처리부(140)는 수동형 마이크로파 영상부(110)와 능동형 마이크로파 영상부(120)의 수행 결과에 대해 신호 처리를 통해 영상을 생성한다. 즉, 디지털 신호 처리부(140)는 수동형 마이크로파 영상부(110) 또는 능동형 마이크로파 영상부(120)의 수행 결과를 각각 처리하여 대상물과 배경이 명확히 구별되는 영상을 얻을 수 있다. 또한, 디지털 신호 처리부(140)는 수동형 마이크로파 영상부(110)와 능동형 마이크로파 영상부(120) 각각의 수행 결과를 통해 획득되는 영상을 융합하여 하나의 영상으로 재구성할 수 있다.
디지털 신호 처리부(140)는 능동형 레이더부(130)로부터 수집되는 대상물의 거리나 속도 정보를 이용하여 수동형 마이크로파 영상부(110) 또는 능동형 마이크로파 영상부(120)에 의해 생성된 영상에서 대상물의 크기를 산출하거나, 대상물의 특징점을 분석하여 최적 영상을 생성할 수 있다.
도 2는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법에 적용되는 시분할 구간에 대한 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리 마이크로파 영상 시스템(100)의 동작 방법에 적용되는 시분할 구간은, 능동형 마이크로파 영상부(120)의 동작 구간인 제1 구간(201), 수동형 마이크로파 영상부(110)의 동작 구간인 제3 구간(203), 보정 구간인 제2 구간(202) 및 제4 구간(204)으로 배분될 수 있다. 여기서, 능동형 마이크로파 영상부(120)의 동작 구간인 제1 구간(201)은 펄스 신호의 방사 구간(201a), 산란 신호의 수신 구간(201b)으로 구분될 수 있다. 이처럼 제1 구간 내지 제4 구간은 시분할 구간의 배분에 따라 동작하여 교대로 반복되지만, 각각의 구간은 실제로 상당히 짧은 시간에 해당하므로 동시에 동작되는 것으로 인식될 수 있다.
도 2에 도시된 시분할 구간은 시간축을 따라 반복될 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 구간(201 내지 204)의 시분할 구간은 일회성으로 끝나는 것이 아니라 계속 이어진다. 예를 들어, 도 2에 도시된 시분할 구간이 N 주기 시분할 구간이라 가정하면, 제1 구간(201)은 이전 주기(즉, N-1 주기) 시분할 구간의 제4 구간 다음에 이어지는 구간이고, 제4 구간(204)은 이후 주기(즉, N+1 주기) 시분할 구간의 제1 구간 이전에 이어지는 구간이 된다.
한편, 보정은 능동형 마이크로파 영상부(120) 및 수동형 마이크로파 영상부(110)의 동작에 앞서 진행된다. 즉, 도 2에서 능동형 마이크로파 영상부(120)의 보정은 제1 구간(201)의 이전 주기 보정 구간인 제4 구간에서 수행되며, 수동형 마이크로파 영상부(110)의 보정은 제3 구간(203)의 이전 보정 구간인 제2 구간(202)에서 수행된다.
보정 구간인 제2 구간(202)와 제4 구간(204)에는 제1 및 제2 순환기(12, 16)로부터 제1 및 제2 아날로그-디지털 변환기(27, 36)까지의 경로 이득과 위상 변동량이 측정되어 보정 과정에 이용된다.
전술한 바와 같이, 전압 신호의 적분 시간은 수동형 마이크로파 영상부(110)의 동작에 있어서, 영상에 대한 분해능에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 제3 구간은 제1 구간에 비해 상대적으로 넓은 시분할 구간이 배분된다.
도 3은 능동형 마이크로파 영상부의 영상 생성을 나타낸 도면이다.
도 3은 고고도 해수면 영상을 생성할 때, 금속 대상물(301)이 주변 배경인 해수면 클러터(302)와 수신 전력에 차이가 없을 경우에 안테나의 편파 특성을 조절하여 금속 대상물(301)과 해수면 클러터(302) 사이에 차이를 줄 수 있음을 보여준다. 여기서는 컬러가 짙을수록 해당 각도에서 수신전력이 크다는 것을 의미한다.
먼저, 수직 편파를 사용하는 경우에, 해수면 클러터(302)의 특성은 수평 편파의 경우보다는 작지만, 도 3의 (a)와 같이 금속 대상물(301)의 반사 특성에 따라 상호 구별이 용이하지 않다는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 고고도 영상을 생성할 때 안테나의 빔이 해수면에 대해 거의 수직이면, 해수면에 의한 수신 전력이 수직 편파보다 수평 편파에서 훨씬 커진다는 특성을 이용할 수 있다.
도 3의 (b)에서, 해수면 클러터(302)의 특성은 수평 편파를 사용하면 해당 각도에서 수십 dB의 수신전력이 상승하여 금속 대상물(301)과 차이가 나는 것을 나타낸다.
다음으로, 수평 편파를 사용하는 경우에는 금속 대상물(301)의 크기가 매우 크거나 반사 특성이 좋은 경우에 도 3의 (c)와 같이 해수면과 대상물을 구별하기 쉽지 않다는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 도 3의 (d)와 같이, 수직 편파를 사용하여 해수면 클러터(302)의 수신전력을 수십 dB 하강시키면 금속 대상물(301)과 차이가 나는 것을 알 수 있다.
도 4는 수동형 마이크로파 영상부의 영상 생성을 나타낸 도면이다.
도 4는 고고도 영상을 생성할 때 이중 편파 안테나를 이용하여 금속 대상물(311) 및 배경 클러터(312)에 대해 수직 편파, 수평 편파, 그리고 양 편파를 합했을 경우의 영상을 각각 얻을 수 있음을 보여준다. 여기서는 컬러가 짙을수록 그 각도에서의 수신 전력이 크다는 것을 의미한다.
이중 편파 안테나를 이용하는 경우에는 도 4의 (a)와 (b)와 같이 각각의 편파에 따라 수동형 마이크로파 영상이 생성될 수 있다. 이중 편파를 모두 사용하여 도 4의 (c)와 같은 영상도 생성될 수 있다.
금속 대상물(311)이 복잡한 구조나 복합 재료로 구성되었을 경우에는 편파에 따른 대상물 고유의 특성이 달라질 수 있으므로, 도 4의 (c)와 같이 이중 편파를 모두 사용하여 3개의 서로 다른 영상이 생성될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
11, 15 : 수직 및 수평 편파 안테나 12, 16 : 제1 및 제2 순환기
13, 17 : 제1 및 제2 리미터 14, 18 : 제1 및 제2 감쇠기
19 : 전력 결합기 20 : 가변 증폭기
21 : 제1 대역 통과 여파기 22 : 제1 혼합기
23 : 제1 로컬 발진기 24 : -6-㏈ 결합기
25 : 검출기 26 : 저역 통과 여파기
27 : 제1 아날로그-디지털 변환기 28 : 발진기
29 : 펄스 생성기 30 : 송신용 증폭기
31 : 전력 분배기 32 : 증폭기
33 : 제2 혼합기 34 : 제2 로컬 발진기
35 : 제2 대역 통과 여파기 36 : 제2 아날로드-디지털 변환부
110 : 수동형 마이크로파 영상부 120 : 능동형 마이크로파 영상부
130 : 능동형 레이더부 140 : 디지털 신호 처리부

Claims (14)

  1. 대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 수동형 모드로 동작하는 수동형 마이크로파 영상부;
    대상물과 주변 배경으로 펄스 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 능동형 모드로 동작하는 능동형 마이크로파 영상부; 및
    상기 수동형 모드 또는 상기 능동형 모드의 수행 결과를 처리하여 영상을 생성하기 위한 디지털 신호 처리부;를 포함하며,
    상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 시분할 구간의 배분에 따라 동작하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산란 신호를 수신하여 대상물의 거리 및 속도 정보를 수집하기 위한 능동형 레이더부;를 더 포함하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는,
    상기 대상물의 거리 정보와 속도 정보를 이용하여 상기 대상물의 크기와 특징점을 분석하여 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드로부터 생성된 영상을 융합하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 이중 편파 안테나를 이용하여 안테나의 편파 특성에 따른 수신 경로를 조절하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 상기 수신 경로가 동일한 경로인 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동형 마이크로파 영상부와 상기 능동형 마이크로파 영상부는, 동일한 보정 신호원으로부터 인가된 보정용 신호를 이용하여 경로 이득과 위상 변동을 보상하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시분할 구간은,
    상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간, 상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간, 상기 능동형 마이크로파 영상부와 상기 수동형 마이크로파 영상부 각각의 보정을 위한 보정 구간이 포함되며, 시간축을 따라 반복되는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간은, 상기 펄스 신호의 방사 구간과 상기 산란 신호의 수신 구간으로 구분되는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 보정 구간은,
    상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간과 상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간에 앞서 배치되는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 수동형 마이크로파 영상부의 동작 구간은, 상기 능동형 마이크로파 영상부의 동작 구간에 비해 넓은 구간이 배분되는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템.
  11. 대상물과 주변 배경으로 펄스 신호를 방사하고, 대상물과 주변 배경에 의한 산란 신호를 수신하여 능동형 모드로 동작하는 단계; 및
    대상물과 주변 배경으로부터 방사된 복사 에너지를 수신하여 수동형 모드로 동작하는 단계;
    상기 수동형 모드 또는 능동형 모드의 동작 결과를 처리하여 영상을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 능동형 모드로 동작하는 단계와 상기 수동형 모드로 동작하는 단계는, 시분할 구간의 배분에 따라 동작하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 능동형 모드로 동작하는 단계는, 상기 산란 신호를 수신하여 대상물의 거리 및 속도 정보를 수집하는 단계를 포함하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 영상을 생성하는 단계는,
    상기 대상물의 거리 정보와 속도 정보를 이용하여 상기 대상물의 크기와 특징점을 분석하여 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드로부터 생성된 영상을 융합하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 능동형 모드로 동작하는 단계 이전과 상기 수동형 모드로 동작하는 단계 이전에, 상기 능동형 모드와 상기 수동형 모드에 동일한 보정 신호원으로부터 인가된 보정용 신호를 이용하여 경로 이득과 위상 변동을 보상하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 마이크로파 영상 시스템의 동작 방법.
KR1020170023579A 2017-02-22 2017-02-22 하이브리드 마이크로파 영상 시스템 및 이의 동작 방법 KR101912519B1 (ko)

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