KR20200097593A

KR20200097593A - 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법

Info

Publication number: KR20200097593A
Application number: KR1020190015182A
Authority: KR
Inventors: 김덕진; 황지환
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-19
Also published as: KR102156489B1

Abstract

항공기기반 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터생성부, 예비역투영부, 예비영상복원부, 거리방향회전성분검출부, 방위방향회전성분검출부, 및 보정데이터생성부를 포함한다. 상기 원시데이터생성부는 상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성한다. 상기 예비역투영부는 상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산한다. 상기 예비영상복원부는 상기 보정전 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 예비영상을 생성한다. 상기 거리방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정한다. 상기 방위방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정한다. 상기 보정데이터생성부는 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하고, 상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하여 상기 각 보정된 화소별 역투영함수를 보정데이터로 생성하고 상기 보정데이터를 상기 각 보정된 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성한다.

Description

항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법{IMAGE DECODING APPARATUS BASED ON AIRBORN AND METHOD OF DECODING IMAGE USING THE SAME}

본 발명은 항공기기반 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 지향각오류(Squint Error)를보정하는 영상복원장치 및 이를 이용한 영상복원방법에 관한 것이다.

지구환경조사는 방대한 지역의 지질, 해양, 생태 등을 조사하는 분야로서, 현장조사, 실내실험, 원격탐사 등을 포함한다.

현장조사는 지표탐사, 보링, 물리탐사 등 직접현장을 방문하여 육안 또는 각종 조사장비를 이용한 조사를 포함한다. 현장조사는 그 정확도가 높기 때문에 현재까지도 정밀측정이 필요한 경우에 널리 사용된다. 실내실험은 현장에서 직접 측정하기 어려운 화학적, 물리적 특성 등을 실험실 내의 정밀계측장비를 이용하여 측정한다. 현장조사와 실내실험은 그 정확도가 높은 장점이 있으나, 시간적·공간적 제약으로 인하여 넓은 지역, 원격지, 격오지, 해양 등에 적용하기 쉽지 않다.

최근에는 원격탐사기술의 발달로 인하여 항공기를 이용한 원격탐사가 널리 이용되고 있다. 특히, 화산폭발, 지진, 태풍 등의 재난상황이나 빙하, 조수, 파도, 해양오염과 같은 환경모니터링에 있어서 원격탐사가 매우 유용하다.

일반적인 원격탐사장비는 인공위성이나 항공기에 탑재된 레이더를 이용한다. 인공위성의 경우 넓은 지역을 원거리에서 측정하는 것이 가능하지만, 많은 비용이 소요되고 측정지점과의 거리가 멀기 때문에 정밀한 데이터를 얻는 것이 어렵다.

항공기의 경우 인공위성과 비교할 때 비교적 저렴한 가격에 근거리 측정이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 항공기를 운행하는 동안 대기상태, 기상, 엔진, 등의 원인에 의해 지속적인 요동과 진동이 발생한다. 항공기의 요동과 진동은 데이터의 품질을 저하시키지만 공중을 운행하는 항공기의 특성상 이를 완전히 제거하는 것이 불가능하다.

이러한 문제점들 중에서 특히 레이더의 조사방향이 비틀어져서 발생하는 지향각오류(Squint Error)가 발생하는 경우, 항공기를 통하여 얻은 데이터가 3차원 형태를 갖는 점으로 인하여 방위방향과 거리방향이 동시에 비틀어져서, 해당 데이터 자체를 사용할 수 없는 문제점이 있다.

이는 데이터의 교차검증으로도 해결할 수 없는 문제로서, 종래에는 데이터 검사에서 지향각오류가 나타나는 경우 해당 데이터를 버리고 SAR레이더를 물리적으로 보정하여 다시 비행데이터를 수집하는 방법을 사용하였다.

그러나 항공기 운행에는 적지않은 비용이 소요되기 때문에, 지향각오류를 보정하는 기술개발에 대한 필요성이 존재한다.

대한민국등록특허 제10-1785684 (2017. 9. 29.)

본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 지향각오류(Squint Error)를보정하는 영상복원장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터의 지향각오류(Squint Error)를 보정하는 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터생성부, 예비역투영부, 예비영상복원부, 거리방향회전성분검출부, 방위방향회전성분검출부, 및 보정데이터생성부를 포함한다. 상기 파형발생기는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성한다. 상기 분배기는 상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배한다. 상기 안테나부재는 상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와, 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함한다. 상기 믹서는 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합한다. 상기 원시데이터생성부는 상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성한다. 상기 예비역투영부는 상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산한다. 상기 예비영상복원부는 상기 보정전 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 예비영상을 생성한다. 상기 거리방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정한다. 상기 방위방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정한다. 상기 보정데이터생성부는 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하고, 상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하여 상기 각 보정된 화소별 역투영함수를 보정데이터로 생성하고 상기 보정데이터를 상기 각 보정된 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성한다.

일 실시예에서, 상기 예비역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산할 수 있다.

[식 1]

[식 2]

([식 1] 및 [식 2]에서, u'_p는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나 위치를 나타내며, t_dij는 i,j번째 화소의 지연시간을 나타내며, (x'_i,y'_j)은 원시데이터 상에서 i,j번째 화소의 위치(좌표)를 나타내며, Wp는 수신안테나에서 측정된 신호강도에 대한 윈도우함수를 나타내고, t는 샘플링시간을 나타내며, ω는 주파수를 나타내고, u'_p는 항공기 상에 장착된 수신안테나의 위치를 나타내며, S_IF,r(ω, u'_p)는 수신안테나가 u'_p에 위치하는 경우의 수신신호에 대한 원시데이터를 나타내며, t_dij(u'_p)는 항공기에 장착된 수신안테나의 위치(u'_p)에 따른 지연시간을 나타낸다)

일 실시예에서, 상기 보정데이터생성부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 3] 내지 [식 6]의 정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성하고 상기 보정데이터를 상기 각 보정된 화소(x_i,y_j)별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 상기 보정된 영상을 생성할 수 있다.

[식 3]

u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw

[식 4]

[식 5]

[식 6]

([식 3] 내지 [식 6]에서, u_p(u_x, u_y, u_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정한 좌표를 나타내고, u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정하지 않은 좌표를 나타내며, R_g는 지표면으로 투영된 수신파의 길이를 나타내며, (x_c, y_c)는 지표면 상의 조사기준점의 좌표를 나타내며, (x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 화소의 좌표를 나타내며, f(x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 역투영함수를 나타낸다)

일 실시예에서, 상기 보정데이터생성부는 수치해석을 통하여 [식 3] 내지 [식 6]를 반복계산함으로써 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 영상 내의 i,j번째 좌표를 복원할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 거리방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 수평방향을 거리방향으로 하고, 상기 거리방향성분이 상기 수평방향으로부터 기울어진 각도를 상기 거리방향회전각도(φ_rg)로 설정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 방위방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 수직방향을 방위방향으로 하고, 상기 방위방향성분이 상기 수직방향으로부터 기울어진 각도를 상기 방위방향회전각도(φ_yaw)로 설정할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 원시데이터는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Rader) 데이터를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 예비영상의 이미지를 분석하여 지향각오류의 존재여부를 판단하는 지향각오류판단부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치는 파형발생기, 분배기, 안테나부재, 믹서, 원시데이터생성부, 통합역투영부, 통합영상복원부, 거리방향회전성분검출부, 방위방향회전성분검출부, 및 보정데이터생성부를 포함한다. 상기 파형발생기는 송신파와 동일한 파형의 신호를 생성한다. 상기 분배기는 상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배한다. 상기 안테나부재는 상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와, 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함한다. 상기 믹서는 상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합한다. 상기 원시데이터생성부는 상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성한다. 상기 통합역투영부는 상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 예비정합필터과정 및 각 보정된 화소별 위치에 따른 보정후 역투영함수를 계산하는 보정정합필터과정을 수행한다. 상기 통합영상복원부는 상기 각 화소별 보정전 역투영함수를 이용하여 예비영상을 생성하고, 상기 보정후 역투영함수를 이용하여 보정된 영상을 생성한다. 상기 거리방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정한다. 상기 방위방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정한다. 상기 보정데이터생성부는 상기 거리방향회전각도, 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소들의 위치를 보정한다.

일 실시예에서, 상기 통합역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산하여 상기 예비정합필터과정을 수행할 수 있다.

[식 1]

[식 2]

일 실시예에서, 상기 보정데이터생성부는 [식 3] 및 [식 4]를 이용하여 상기 각 보정전 화소들의 위치(x'_i,y'_j)를 보정후 화소들의 위치((x_i,y_j)로 보정할 수 있다.

[식 3]

u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw

[식 4]

([식 3] 및 [식 4]에서, u_p(u_x, u_y, u_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정한 좌표를 나타내고, u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정하지 않은 좌표를 나타내며, R_g는 지표면으로 투영된 수신파의 길이를 나타내며, (x_c, y_c)는 지표면 상의 조사기준점의 좌표를 나타내며, (x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 화소의 좌표를 나타내며, f(x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 역투영함수를 나타내며, φ_rg는 거리방향회전각도를 나타내며, φ_yaw는 방위방향회전각도를 나타낸다)

일 실시예에서, 상기 통합역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 5] 및 [식 6]의 보정정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성할 수 있다.

[식 5]

[식 6]

본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서, 상기 항공기기반 영상복원장치는 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 수신파를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부와, 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 역투영함수를 계산하는 역투영부와, 상기 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 영상을 생성하는 영상복원부와, 상기 수신파의 전파동위상면이 지표면과 접하는 전파동위상선이 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정하는 거리방향회전성분검출부와, 상기 수신파를 상기 지표면 상에 수직으로 투영한 투영선이 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정하는 방위방향회전성분검출부와, 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소별 위치를 보정하는 보정데이터생성부를 포함한다. 상기 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서, 먼저 상기 송신안테나를 이용하여 상기 송신파를 상기 지표면 상으로 송신하고, 상기 지표면으로부터 반사된 상기 수신파를 상기 수신안테나를 통하여 수신한다. 이어서, 상기 수신파를 이용하여 상기 수신안테나와 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성한다. 이후에, 상기 역투영부를 이용하여 상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산한다. 계속해서, 상기 영상복원부를 이용하여 상기 보정전 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 예비영상을 생성한다. 이어서, 상기 예비영상을 상기 거리방향회전성분검출부에 인가하여 상기 거리방향회전각도를 설정한다. 이후에, 상기 예비영상을 상기 방위방향회전성분검출부에 인가하여 상기 방위방향회전각도를 설정한다. 계속해서, 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 상기 보정데이터생성부에 인가하여 상기 각 화소들의 위치를 보정한다. 이어서, 상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하고 상기 정합필터과정이 수행된 보정데이터를 상기 각 보정된 화소별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성한다.

일 실시예에서, 상기 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 단계는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산할 수 있다.

[식 1]

[식 2]

일 실시예에서, 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 상기 보정데이터생성부에 인가하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하는 단계는 [식 3] 및 [식 4]를 이용하여 상기 각 보정전 화소들의 위치(x'_i,y'_j)를 보정후 화소들의 위치((x_i,y_j)로 보정하며,

[식 3]

u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw

[식 4]

상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하는 것은 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 5] 및 [식 6]의 보정정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성할 수 있다.

[식 5]

[식 6]

상기와 같은 본 발명에 따르면, 항공기기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 지향각오류가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정된 역투영이미지를 얻을 수 있다.

지향각오류는 전파동위상면이 지표면에 비틀린 상태로 전파되는 특성때문에 교차검증을 통하여 제거하는 것이 사실상 불가능해서, 종래에는 지향각오류가 발견되면 데이터를 재사용하지 못하고 버려졌다. 따라서 종래에는 역투영한 이미지에 지향각오류가 발견되면 송신안테나의 방향을 조정한 후에, 다시 항공기를 출항시켜서 새로운 데이터를 얻어야만 했기 때문에 항공기를 2번 운항하는 것으로 인해 많은 시간과 비용이 소요되었다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따르면 1번의 운항에서 얻어진 데이터를 이용하여 지향각오류가 제거된 역투영이미지를 얻을 수 있기 때문에, 시간과 비용이 감소된다.

또한, 하나의 통합역투영부를 이용하여 예비정합필터과정과 보정정합필터과정을 함께 수행함으로써, 항공기기반 영상복원장치의 구조가 단순해지고 비용이 절감된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터에 지향각오류(Squint Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 지향각오류가 존재하지 않는 경우 얻어진 이상적인 데이터를 거리방향과 방위방향으로 나타낸 역투영(BPA) 이미지이다.
도 4는 도 2에 도시된 항공기에 45도의 지향각오류가 존재하는 경우 얻어진 원시데이터를 거리방향과 방위방향으로 투영한 이미지이다.
도 5는 도 2에 도시된 항공기에 45도의 지향각오류가 존재하는 경우 얻어진 데이터를 거리방향과 방위방향으로 나타낸 역투영(BPA) 이미지이다.
도 6는 도 1에 도시된 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우의 방위각을 나타내는 기하구조 이미지이다.
도 7은 도 6에 도시된 기하구조를 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우 송신파의 방위방향 방사패턴을 나타내는 기하구조 이미지이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 거리방향 회전성분(φ_rg)을 구하는 방법을 나타내는 기하구조 이미지들이다.
도 12는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.
도 14는 도 13에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 항공기기반 영상복원장치는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터생성부(210), 예비역투영부(220), 예비영상복원부(230), 지향각오류판단부(240), 거리방향회전성분검출부(250), 방위방향회전성분검출부(260), 보정데이터생성부(270), 및 보정영상복원부(280)를 포함한다.

파형발생기(150)는 송신파(2)와 동일한 파형의 신호를 발생시킨다. 파형발생기(150)는 삼각파, 톱니파, 등의 다양한 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 톱니파는 시간에 따라 주파수가 일정하게 증가하다가 소정의 주기마다 주파수가 초기화되었다가 다시 일정하게 증가하는 파형을 의미한다. 톱니파는 거리에 따른 도플러 주파수를 직접 측정할 수 있어서, 거리에 따른 속도정보를 제공할 수 있다.

분배기(160)는 파형발생기(150), 안테나부재(110, 120)의 송신안테나(110), 및 믹서(Mixer, 205)에 연결된다. 분배기(160)는 파형발생기(150)로부터 발생된 신호를 인가받아 송신안테나(110) 및 믹서(205)에 분배한다.

안테나부재(110, 120)는 분배기(160)로부터 인가받은 신호를 송신파(2)를 송신하고, 지표면으로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다. 본 실시예에서, 안테나부재(110, 120)는 송신파(2)를 송신하는 송신안테나(110) 및 수신파(4)를 수신하는 수신안테나(120)를 포함한다.

믹서(205)는 분배기(160)를 통해서 전달받은 신호와 수신안테나(120)로부터 인가받은 수신파(4)를 혼합하여 원시데이터생성부(210)로 전달한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터에 지향각오류(Squint Error)가 발생하는 과정을 기하구조로 나타내는 도면이다. 도 2에서, y축은 항공기의 진행방향, x축은 평면상에서 항공기의 진행방향에 수직한 방향, z축은 지상으로부터 항공기로부터 향하는 방향, f(x_c, y_c)은 지표면 상에서 레이더의 전자파를 반사하는 물체가 존재하는 조사기준점, 조사기준점과 y축 방향으로 동일한 선상에 위치하는 임의의 조사점f(x₀, y₀)을 각각 나타낸다.

도 2를 참조하면, 항공기의 실제좌표는(u'_x, u'_y, u'_z)이며, 지향각오류가 없는 경우에 항공기가 위치해야 하는 이상적인 좌표는(u_x, u_y, u_z)이다. 본 발명의 실시예에 따른 영상복원장치는 항공기에 실린 상태에서 u방향으로 이동한다. 조사 대상이 되는 조사기준점 f(x_c, y_c)은 지표면상(z_c=0)에 위치한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호로부터 수신안테나(120)와 지표면의 조사기준점 f(x_c, y_c)과의 거리를 측정하여 조사기준점 f(x_c, y_c)의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다. 원시데이터는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 데이터일 수 있다.

FMCW-SAR 형태의 원시데이터를 생성하기 위하여, 먼저 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호를 하기의 [식 1] 내지 [식 4]에 적용하여 원시데이터를 생성한다. [식 1] 내지 [식 4]에서, i, j는 2차원 예비영상으로 얻어지는 복원영상의 각 화소의 위치(x'_i, y'_j)를 나타내며, t는 샘플링시간, f₀는 중심주파수, K_r은 변조율, u'는 안테나 위치, τ는 목표물 지연시간, IF는 중간주파수(Intermediate Frequency), c는 광속을 각각 나타낸다. 본 실시예에서, 복원영상은 2차원 형태이므로 2개의 변수(i, j)로 나타내고, 안테나위치는 항공기의 이동에 따른 3차원 형태이므로 3개의 변수(u'_px, u'_py, u'_pz)로 나타낸다.

[식 1] 내지 [식 4]를 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 분배된 기준 송신 신호 및 수신파(4)를 인가받아 직접 주파수 하향변환(frequency down conversion)하여, 두 신호의 차에 해당하는 비트 주파수(beat frequency) 성분을 수신하고 샘플링하여 원시데이터를 생성한다.

[식 1]

[식 1]에서, S_t(t)는 송신신호로 비트주파수 생성과 레이더 신호처리 과정 중 정합필터(matched filter)로 활용될 기준 신호가 된다. 본 실시예에서, 지연선(d)을 이용하여 기준신호를 지연시켜 중간주파수(IF) 수신신호를 효과적으로 처리하기 위한 지연신호처리방법(delayed de-chirp)이 사용된다.

[식 2]

[식 2]에서, S_r(t)는 [식 1]에서 목표물 지연시간(τ_n)을 적용한 수신신호를 나타낸다.

[식 3]

[식 3]에서, S_IF,_r(t,u')는 중간주파수(IF)의 수신신호로서 원시데이터를 나타낸다. 중간주파수(IF)는 송·수신신호를 주파수하향변환시켜 얻어진다.

[식 4]

[식 4]에서, τ_n(u')는 n번째 목표물의 지연시간을 조사기준점(x_n, y_n, z_n)과 안테나부재(110, 120)의 위치(u') 사이의 상대적 거리로 나타낸 것이다. [식 4]에서는 조사기준점(x_n, y_n, z_n)을 3차원좌표계로 표시하였으나, 조사기준점이 지표면상에 위치하는 경우 편의상 z성분을 생략할 수 있다.

[식 1] 내지 [식 4]에서는 편의상 신호세기 성분이 생략되어 있다. 당해기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 자라면, [식 1] 내지 [식 4]에 고려되지는 않았지만, 신호세기 성분, 안테나 빔패턴, 목표물 거리감쇄, 반사도 등이 추가로 고려될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1을 다시 참조하면, 예비역투영부(220)는 FMCW-SAR 예비영상 내의 i, j번째 화소(좌표 (x'_i,y'_j))를 복원하기 위하여, [식 15] 및 [식 16]의 정합필터과정을 수행한다.

[식 15] 및 [식 16]에서, u'_p는 p번째 송신파의 기준 안테나 위치를 나타내며, t_dij는 i,j번째 화소의 지연시간을 나타내며, (x'_i,y'_j)은 원시데이터 상에서 화소의 위치(좌표)를 나타낸다.

[식 15]

[식 16]

[식 15]에서, Wp는 수신안테나(120)에서 측정된 신호강도에 대한 윈도우함수를 나타내고, t는 샘플링시간을 나타내며, ω는 주파수를 나타내고, u'_p는 항공기 상에 장착된 수신안테나(120)의 위치를 나타내며, S_IF,r(ω, u'_p)는 수신안테나(120)가 u'_p에 위치하는 경우의 수신신호에 대한 위상성분(또는 원시데이터)을 나타낸다.

[식 16]에서, t_dij(u'_p)는 항공기에 장착된 수신안테나(120)의 위치(u'_p)에 따른 지연시간을 나타낸다.

도 1, [식 15], 및 [식 16]을 참조하면, 예비역투영부(220)는 항공기가 이동하는 각 지점(u'_p)에서, 수신신호(S_IF,r(ω, u'_p))와 정합필터(S^* _M(t_dij(u'_p)))를 곱한 값들을 합산하여 좌표가 (x'_i,y'_j)인 i,j번째 화소의 예비영상을 f(x'_i,y'_j)의 역투영함수로 구한다.

예비역투영부(back-projection)(220)는, 합성개구면을 기준으로 분할된 입력신호와 출력된 복원영상 사이의 연산을 모든 화소들에 대해 반복적으로 수행한다. 합성개구면은 항공기가 이동경로상에 측정된 원시데이터를 합성한 것으로, 합성개구면의 폭은 FMCW레이더의 빔에 의해 한 번에 감지할 수 있는 폭에 해당하며, 합성개구면의 길이는 항공기의 이동거리에 대응된다. 입력신호는 원시데이터(또는 레이더수신신호 등)을 나타내는 것으로 S_IF,r(ω, u'_p)로 나타낼 수 있다.

예비영상복원부(230)는 예비역투영부(220)에 의해 구한 각 화소별 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 합성개구면 상의 예비영상으로 복원한다.

비록 합성개구면이 하나의 영상처럼 처리되지만, 실제로 하나의 합성개구면은 일정한 운항시간동안 항공기가 이동하는 항적에 대응된다.

지향각오류판단부(240)는 복원된 예비영상을 분석하여 지향각오류의 존재여부를 판단한다. 지향각오류를 판단하는 방법은 도 3 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기에 지향각오류가 존재하지 않는 경우 얻어진 이상적인 데이터를 거리방향과 방위방향으로 나타낸 역투영(BPA) 이미지이다. 도 3에서, 방위방향과 거리방향의 한 화소의 크기는 0.2m이다.

도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 지향각오류(Squint Error)가 없는 경우 u'_c 지점에 위치하는 영상복원장치의 송신안테나(110)로부터 조사점 f(x₀, y₀)으로 송신파(2)가 송신된다. 지향각오류가 없으면 송신파(2)는 항공기의 진행방향(u 또는 y축)에 수직한 방향(R₀)으로 진행된다.

송신안테나(110) 의해 방사된 송신파(2)는 R₀의 거리를 이동하여 조사점 f(x₀, y₀)에서 반사되어 수신파(4)가 되어 수신안테나(120)로 수신된다. 항공기의 위치가 조사점 f(x₀, y₀)으로부터의 멀어질수록 반사파의 강도가 약해진다.

항공기가 u'_c 지점으로부터 u_c지점으로 이동함에 따라 반사파의 강도가 점차 강해지며, 항공기의 SAR 레이더가 조사기준점 f(x_c, y_c)을 정확히 통과하는 시점에서 반사파의 강도가 최대값을 나타낸다. 즉, 지향각오류가 없는 경우, 항공기가 조사기준점 f(x_c, y_c)와 x축방향으로 일렬로 위치하는 지점(u_c)을 지나는 시점에 가장 강한 반사파(4)가 수신된다.

따라서 지향각오류가 없는 SAR 레이더의 반사파 데이터를 방위방향과 거리방향에 따라 역투영(BPA)하면, 수직선과 수평선이 서로 교차하는 십자가 형상을 나타낸다.

도 1 및 도 3을 참조하여 비교실시예에 따르면, 지향각오류판단부(240)는 예비영상복원부(230)에 의해 복원된 예비영상에서 반사파(4)의 강도가 높은 지점을 조사기준점 f(x_c, y_c)으로 설정하고, 조사기준점 f(x_c, y_c)을 기준으로 수직선과 수평선이 교차하는 경우에 지향각오류가 없는 것으로 판단한다(도 3).

도 4는 도 2에 도시된 항공기에 45도의 지향각오류가 존재하는 경우 얻어진 원시데이터를 거리방향과 방위방향으로 투영한 이미지이다.

도 1 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따르면, 원시데이터 S_IF,_r(t,u')를 그대로 거리방향과 방위방향으로 투영하면 경사진 직선형상으로 표시된다. 비록 도시되지는 않았으나, 당해기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 사람이라면 지향각오류가 존재하지 않는 원시데이터를 그대로 거리방향과 방위방향으로 투영하면 수직방향의 직선형상으로 표시되는 것을 알 수 있을 것이다.

도 5는 도 2에 도시된 항공기에 45도의 지향각오류가 존재하는 경우 얻어진 데이터를 거리방향과 방위방향으로 나타낸 역투영(BPA) 이미지이다. 도 3 및 도 5에서, 방위방향과 거리방향의 한 화소의 크기는 0.2m이며, 지향각오류를 제외한 나머지 구성요소들은 동일하다.

도 1 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따르면, 지향각오류판단부(240)는 조사기준점 f(x_c, y_c)을 기준으로 두 개의 선들이 경사진 상태에서 교차하는 경우에 지향각오류가 존재하는 것으로 판단한다(도 5).

도 2를 다시 참조하면, 영상복원장치의 안테나부재(110, 120)가 지향각도(φ_sq)만큼 기울어진 경우, 항공기가 조사기준점 f(x_c, y_c)을 지나는 시점이 아니라 조사기준점 f(x_c, y_c)에 못미치는 조사점 f(x₀, y₀)과 x축방향으로 일렬로 위치하는 지점에서 가장 강한 반사파가 수신된다. 즉, 영상복원장치의 안테나부재(110, 120)가 조사기준점 f(x_c, y_c)과 지향각도(φ_sq)만큼 기울어진 상태에서 가장 강한 반사파(4)가 수신된다.

단순하게 기하학적으로 생각하면, 지향각도(φ_sq)는 항공기의 위치를 수직방향으로 투영한 기울기(θ_inc)와 투영된 지표면상의 점으로부터 조사기준점 f(x_c, y_c)까지의 방위방향 회전각도(φ_yaw)를 이용하여 구할 수 있을 것처럼 보인다.

그러나 영상복원장치의 안테나부재(110, 120)에 지향각오류가 나타나는 경우, 해당 송신안테나(110)로부터 조사되는 송신파(2)의 전파동위상면은 지표면에 수직한 방향이 아니기 때문에 단순히 항공기의 위치를 지표면에 투영하는 것만으로 지향각도(φ_sq)를 구할 수는 없다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 전파동위상면이 지표면에 수직한 방향이 아니기 때문에, 수신안테나(120)를 통하여 얻어진 수신파(4) 데이터를 처리하여 역투영하면, 실제 위치보다 앞선 지점에 조사기준점이 존재하는 것처럼 교차점이 형성되며, 교차점의 형상도 일그러진 형태로 나타나게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 지향각오류판단부(240)에서 지향각오류가 있는 것으로 판단한 경우, 거리방향회전성분검출부(250) 및 방위방향회전성분검출부(260)를 이용하여, 전파동위상면을 고려하여 거리방향 회전각도(φ_rg) 및 방위방향 회전각도(φ_yaw)를 구하고, 이를 이용하여 지향각도(φ_sq)를 구하여 오차를 보정한다.

도 1 및 도 5를 다시 참조하면, 지향각오류가 있는 경우 전파동위상면이 기울어져서 영상이 찌그러진 상태로 나타난다. 구체적으로, 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상을 거리방향(그래프 상의 수평방향)과 방위방향(그래프 상의 수직방향)의 그래프 상에 투영하면, 예비영상의 거리방향성분은 이상적인 거리방향(그래프 상의 수평방향)으로부터 거리방향회전각도(φ_rg)만큼 기울어지며, 예비영상의 방위방향성분은 이상적인 방위방향(그래프 상의 수직방향)으로부터 방위방향회전각도(φ_yaw)만큼 기울어진 상태로 표시된다.

거리방향회전성분검출부(250)는 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향(그래프 상의 수평방향)으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도(φ_rg)로 설정한다.

방위방향회전성분검출부(260)는 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향(그래프 상의 수직방향)으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도(φ_yaw)로 설정한다.

이론에 의해 본 발명의 권리범위를 제한하려는 것은 아니지만, 지향각오류가 예비역투영부(220) 및 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상에 투영되는 과정을 도면 및 수식을 이용하여 설명하면 아래와 같다.

도 6는 도 1에 도시된 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우의 방위각을 나타내는 기하구조 이미지이다.

도 1, 도 2, 도 5, 및 도 6를 참조하면, 지향각오류의 방위방향 회전각도(φ_yaw)는 안테나부재(110, 120)와 조사기준점 f(x_c, y_c) 사이의 거리 R, 지상으로부터 안테나부재(110, 120)까지의 높이 H₀, 지상으로 안테나부재(110, 120)를 투영한 지점으로부터 조사기준점 f(x_c, y_c)까지의 수평거리 R_g, 안테나부재(110, 120)의 위치에서 항공기 진행방향에 수직한 방향으로 지상쪽으로 연장되어 조사점 f(x₀, y₀) 사이의 거리 R₀, 지향각도(φ_sq)에 의해 [식 5] 및 [식 6]에 의해 나타낼 수 있다.

[식 5]

[식 6]

도 7은 도 6에 도시된 기하구조를 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우 송신파의 방위방향 방사패턴을 나타내는 기하구조 이미지이다.

도 1, 도 2, 및 도 5 내지 도 7을 참조하면, 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우, [식 3]의 중간주파수 수신신호의 크기함수(An) 특성을 수학적으로 모델링하면 [식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

[식 7]

[식 7]에서, 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우, 중간주파수 수신신호의 크기함수(An)는 조사기준점 상에 위치하는 목표물의 레이더 단면적(σ)에 비례하고, 거리제곱(I/R²)에 반비례하며, 안테나 방사패턴(sinc2( )φ _n θ _n )과 보정상수(C)를 적용한 값으로 표현할 수 있다. 여기서, 조사기준점 상에 위치하는 목표물의 반사도와 보정상수를 정규화하면 크기함수의 상대적 크기 변화는 거리와 방사패턴에 의존적이게 된다. 따라서 영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우, 기하구조 내의 목표물 위치에 따라 송신파(2)의 고각(θ) 및 방위각(φ)의 변화가 반영된 안테나 방사패턴 모델수정이 필요하다.

영상복원장치에 지향각오류가 있는 경우, 기하구조 내의 조사기준점 상에 위치하는 목표물 위치에 따른 송신파(2)의 고각(θ) 및 방위각(φ)의 변화를 반영하면, 고각과 방위각은 [식 8] 및 [식 9]와 같이 나타낼 수 있다. [식 8] 및 [식 9]는 기존의 방사패턴 모델에서 지향각오류가 반영되도록 입사각도(θ_inc)와 지향각(φ_sq)을 보정한 것이다.

[식 8]

[식 9]

일반적으로, 고각방향 안테나 방사패턴은 넓은 빔 폭(예,

50˚)을 갖도록 설계되어 거리에 대한 변화량에 둔감한 특성이 있다. 반면에 방위각 방향 안테나 방사패턴의 경우, 좁은 빔 폭(예,

10˚)의 적용과 거리에 따른 지향각도가 변화하는 특성이 있어서 [식 9]의 우변에서 두 번째 항(φ_sq(R), [식 10] 참조)과 [식 5]의 관계식을 통해 재정의하여 수정된 모델에 적용한다.

[식 10]

도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 거리방향 회전성분(φ_rg)을 구하는 방법을 나타내는 기하구조 이미지들이다.

본 발명에 있어서, 영상복원장치의 지향각오류에 따른 특성변화는 영투영 알고리즘을 이용한 영상복원을 통하여 분석한다. 이때 분할연산기법을 추가로 적용할 수도 있다.

지향각오류가 있는 원시데이터를 그대로 [식 15] 및 [식 16]에 넣고 역투영하면 회전 정도가 방위방향 성분과 다르게 나타난다. 그 이유는 기울어진 전파진행면(slant-range)에서 안테나 지향각도(squint-angle)에 의해 공간적으로 다시 소정의 각도로 기울어진 동위상면(equi-phase plane) 상을 따라서 송신파(2)가 진행하고, 기울어진 동위상면과 지표면이 접하는 접선(도 9의 6)을 따라서 송신파(2)가 진행하는 흔적이 투영되기 때문이다. 구체적인 내용은 이하 도면을 참조하여 상술한다.

도 8은 지향각오류가 존재하는 경우의 지향각(φ_sq)을 기하구조 상에 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, k_i는 지향각이 존재하지 않는 경우(φ_sq=0), 송신파(2')가 진행하는 방향의 벡터성분을 나타내는 것이며, k_i,sq는 지향각이 존재하는 경우(φ_sq>0˚), 송신파(2)가 진행하는 방향의 벡터성분을 나타내는 것이다. 두 가지 송신파들(2', 2)의 벡터성분들(k_i, k_i,sq)은 동일한 평면상에 위치하므로, 두 벡터성분들(k_i, k_i,sq)은 공통의 수직벡터(n) 성분을 갖는다. 즉, 기울어진 전파진행면을 기준으로 하는 두 개의 송신파들(2', 2)의 수직방향 동위상면의 특성변화는 없으며, 단지 송신파의 진행방향만 지향각도(φ_sq)만큼 이동한 것이다.

도 9은 관측기준면을 지표면으로 한 경우, 지향각오류에 따른 동위상면을 나타내는 기하구조이다.

도 9을 참조하면, 지향각(φ_sq)오류에 따른 관측기준면을 지표면(GR)으로 할 경우, 송신파(2) 진행방향의 벡터성분(k_i,sq)의 수직방향 동위상면(5)은 지표면(GR)에 수직하는 것이 아니라 지표면(GR)에 수직하는 면(G0-u'_c(u_x,u_y,u_z)-f(x_c,y_c)를 잇는 면)으로부터 소정각도 기울어진 면(G_sq-u'_c(u_x,u_y,u_z)-f(x_c,y_c)를 잇는 면)이 된다.

지표면(GR)에 수직하는 면(G0-u'_c(u_x,u_y,u_z)-f(x_c,y_c)를 잇는 면)으로부터 소정각도 기울어진 면(G_sq-u'_c(u_x,u_y,u_z)-f(x_c,y_c)를 잇는 면)은 지향각오류에 따른 송신파(2)의 수직방향 동위상면(5)이 되어, 지표면(GR)과 접하는 전파동위상선(6)을 따라서 송신파(2)가 거리방향으로 진행한 흔적들이 지표면(5)에 투영된다.

본 발명의 실시예에서, 거리방향회전성분검출부(250)에 의해 추출된 거리방향회전성분(φ_rg)는 지향각오류를 포함하는 송신파(2)의 수직방향 동위상면(5)과 지표면(GR) 사이의 교점이 되는 조사기준점 f(x_c, y_c)에서의 각도에 대응된다.

즉, 송신파(2)가 반사되어 감지되는 수신파(4)가 영상복원장치의 수직지점(G0)과 조사기준점 f(x_c, y_c)을 잇는 투영선(6')이 아니라, 기울어진 동위상면(5)이 지표면(GR)에 투영된 전파동위상선(6)을 따라서 전파되어서 해당 전파동위상선(6) 상의 물체를 감지한 신호가 된다.

거리방향회전성분(φ_rg)는 조사기준점 f(x_c, y_c)의 위치와 점 B의 좌표정보를 이용하여 계산될 수도 있다. 점 B의 좌표정보를 계산하는 과정은 도 10를 참조하여 설명한다.

도 10 및 도 11은 송신파(2)가 진행하는 경로상의 임의의 점 A로부터 지표면에 투영된 접선 위의 점 B의 좌표를 계산하는 과정을 나타내는 기하구조이다.

도 10를 참조하면, 송신파(2)가 진행하는 경로상의 임의의 점 A와 지표면(GR)에 투영된 접선 위의 점 B를 잇는 벡터성분(p)은 수직벡터(n)과 동일한 성분이다. 본 발명의 실시예들에서, 거리방향회전각도(φ_rg)는 수신파(2)의 전파동위상면(5)이 지표면(GR)과 접하는 전파동위상선(6)이 지향각이 없는 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도(φ_rg)를 의미한다. 또한, 방위방향회전각도(φ_yaw)는 수신파(2)를 지표면(GR) 상에 수직으로 투영한 투영선(6')이 지향각이 없는 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도(φ_yaw)를 의미한다.

점 A의 위치가 결정되면, 수직벡터(n)를 이용하여 지표면(GR)과의 교점 B의 좌표를 계산할 수 있다. [식 11] 및 [식 12]는 송신파(2)가 진행하는 경로상에 위치한 점 A(x_A, y_A, z_A)의 좌표정보를 억기 위한 과정을 수식으로 정리한 것이다. 먼저 y_A의 좌표정보를 (u'_y<y_A<y_c) 범위 내의 한 점으로 정한다(도 9 참조). 레이더 영상이 얻어지는 평면상의 영역인 합성개구면의 중심(u'_c(u'_x,u'_y,u'_z))과 조사기준점(f(x_c, y_c)) 상의 목표물 중심을 잇는 송신파(2) 진행경로(u'_c → f_c) 상의 점 A의 좌표정보를 [식 11]과 같은 조건식을 이용하여 계산한다.

[식 11]

[식 12]

[식 12]는 [식 11]의 조건식을 이용해서 3차원 벡터성분의 크기를 0으로 하는 3개의 방정식을 풀면 점 A의 x좌표성분(x_A)을 구할 수 있다.

[식 12]의 첫 번째 식을 참조하면, 점 A의 x좌표성분(x_A)은 점 A의 y좌표성분(y_A), 합성개구면의 중심의 좌표(u'_x,u'_y,u'_z), 및 조사기준점 상의 목표물의 좌표(x_c, y_c, z_c)로 나타낼 수 있다.

[식 12]의 두 번째 식을 참조하면, 점 A의 z좌표성분(z_A)은 x좌표성분(x_A)과 합성개구면의 중심의 좌표(u'_x,u'_y,u'_z)로 나타낼 수 있다.

도 11을 참조하면, y축 방향의 성분이 y_A인 xz평면상의 기하구조(y=y_A)를 이용하여, 점 A의 좌표정보(x_A, y_A, z_A)로부터 점 B의 좌표정보(x_B, y_B, z_B)를 구할 수 있다. 점 B의 좌표정보(x_B, y_B, z_B)는 점 A의 좌표정보(x_A, y_A, z_A)로부터 수직벡터(n) 성분의 연장선과 지표면의 교점을 구하여 계산할 수 있다. 따라서 송신파(2)의 입사각도(θ_inc) 설정값에 따라 변화하는 점 B의 좌표정보(x_B, y_B, z_B)를 계산할 수 있다.

점 B의 좌표정보(x_B, y_B, z_B) 중에서 y축 좌표성분(y_B) 및 z축 좌표성분(z_B)은 점 A의 좌표정보(x_A, y_A, z_A)로부터 계산할 수 있다. 점 B의 좌표정보(x_B, y_B, z_B) 중에서 x축 좌표성분(x_B)은 도 11의 기하구조 및 [식 13]을 통하여 계산될 수 있다.

[식 13]

한편, 점 B의 y축 방향 성분(y_B)는 점 A의 y축 방향 성분(y_A)과 동일하며(y_B=x_B), 점 B는 지표면(GR) 상에 투영된 상태(z_B=0)이므로, 점 B의 좌표는 (x_B, y_A, 0)으로 나타낼 수 있다. 조사기준점 f(x_c, y_c)의 좌표를 3차원으로 표시하면 목표물의 좌표는 (x_c, y_c, 0)으로 나타낼 수 있다.

점 B의 좌표(x_B, y_A, 0) 및 목표물의 좌표(x_c, y_c, 0)를 [식 14]에 적용하면, 지표면(GR)에 투영된 송신파(2) 진행경로의 거리방향 회전각도(φ_rg)를 구할 수 있다.

[식 14]

본 실시예에서, 거리방향회전성분검출부(250)에 의해 구해진 거리방향 회전각도(φ_rg)를 [식 14]에 적용하여 점 B의 좌표(x_B, y_A, 0) 및 목표물의 좌표(x_c, y_c, 0) 사이의 관계를 구할 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, [식 15]는 지향각오류를 고려하지 않는 경우에 송신파(2)는 u_p(u_x, u_y, u_z) 지점으로부터 조사기준점(f(x_c, y_c))으로 진행하게 되어, 이상적인 원시데이터를 이용하여 역투영이 수행된다.

그러나, 본발명의 실시예에서와 같이 지향각오류가 포함되면, 송신파(2)는 u'_p(u'_x, u'_y, u'_z)지점으로부터 지향각도(φ_sq)만큼 기울어진 상태에서 조사기준점(f(x_c, y_c))으로 진행하여 왜곡된 원시데이터가 생성된다.

왜곡된 원시데이터에 대하여 [식 15]에 영상복원장치의 위치에 u_p(u_x, u_y, u_z)를 그대로 적용하면 왜곡된 역투영 이미지가 얻어지게 된다. 따라서 [식 15]에 영상복원장치의 위치로 u_p(u_x, u_y, u_z)를 그대로 적용하면 안되고 u'_p(u'_x, u'_y, u'_z)를 적용한 후에 보정된 u_p(u_x, u_y, u_z)를 구해야 한다.

도 2를 참조하면, 기하구조 상에서 보정된 u_p(u_x, u_y, u_z)와 원시데이터에 대응되는 u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 [식 17]을 만족한다.

[식 17]

u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw

[식 17]에서, R_g는 지표면(GR)으로 투영된 수신파(2)의 길이를 나타낸다.

도 10 및 도 11을 다시 참조하면 [식 15]의 점 A(x_A, y_A)는 원시데이터에 대응되는 (x'_i,y'_j)로 나타내고, 점 B(x_B, y_B)는 보정된 데이터에 대응되는 (x_i,y_j)로 나타낼 수 있다. 점 A(x'_i,y'_j)는 송신파(2)의 수직방향 동위상면(5)이 지표면(GR)과 접하는 전파동위상선(6) 상의 점 B(x_i,y_j)로 보정하여야 하며, [식 14]를 참조하면, 점 B의 x축 좌표 x_i는 [식 18]과 같이 나타낼 수 있다.

[식 18]

마찬가지로 [식 15] 및 [식 16]에서, 원시데이터에 대응되는 점 A(xi', yj') 대신에 보정된 데이터에 대응되는 점 B(xi, yj)에 관해 표현하면 [식 19], [식 20]과 같이 나타낼 수 있다.

[식 19]

[식 20]

보정데이터생성부(270)는 [식 17] 내지 [식 20]을 이용하여 원시데이터로부터 지향각도를 고려하여 보정된 데이터를 생성한다. 본 실시예에서, 보정데이터생성부(270)는 수치해석을 통하여 [식 17] 내지 [식 20]을 반복계산함으로써 FMCW-SAR 영상 내의 i, j번째 화소(좌표 (x_i,y_j))를 복원한다. 따라서, 보정된 합성개구면 영상데이터를 구할 수 있다. 본 실시예에서, 보정데이터생성부(270)는 [식 17] 및 [식 18]을 이용하여 보정데이터를 생성하는 과정 및 [식 19] 및 [식 20]를 이용하여 역투영을 수행하는 과정을 함께 수행한다. 다른 실시예에서, 보정데이터생성부(270)는 [식 17] 및 [식 18]의 보정데이터를 생성하는 과정만을 수행하고, [식 19] 및 [식 20]을 이용하여 역투영을 수행하는 과정은 별도의 역투영부(도시되지 않음) 또는 예비역투영부(220)에서 수행할 수도 있다.

영상복원부(280)는 보정데이터생성부(270)에 의해 구한 각 화소별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법을 설명한다.

도 12는 도 1에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1 내지 도 12를 참조하면, 항공기기반 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법에 있어서, 먼저 송신파(2)를 지표면 상의 조사기준점 f(x_c, y_c)으로 송신한다(S100).

구체적으로 송신파(2)를 생성하기 위하여, 파형발생기(150)를 이용하여 송신파(2)와 동일한 파형의 신호를 생성한다.

파형발생기(150)로부터 발생된 송신파(2)와 동일한 파형의 신호는 분배기(160)를 이용하여 송신안테나(110)와 믹서(205)로 분배된다(단계 S110).

분배기(160)를 이용하여 분배된 신호 중에서 송신안테나(110)로 인가된 신호가 송신파(2)가 되어 지표면 상의 조사기준점 f(x_c, y_c)으로 송신된다.

이어서, 수신안테나(120)를 이용하여 지표면의 조사기준점 f(x_c, y_c)으로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다(단계 S110).

이후에, 수신파(4)로부터 원시데이터를 생성한다(단계 S120).

구체적으로, 믹서(205)를 이용하여 분배기(160)로부터 인가받은 분배된 신호와 수신안테나(120)로부터 수신된 수신파(4)를 혼합한다.

원시데이터생성부(210)를 이용하여 믹서(205)에 의해 혼합된 신호로부터 지표면의 각 화소(x'_i, y'_j)별 거리를 측정하여 [식 1] 내지 [식 4]의 계산을 수행하여 각 화소(x'_i, y'_j)별 거리를 나타내는 원시데이터 S_IF,_r(t,u')를 생성한다.

계속해서, 원시데이터 S_IF,_r(t,u')를 역투영하여 예비영상을 생성한다(S130).

구체적으로, 예비역투영부(220)를 이용하여 원시데이터생성부(210)로부터 인가받은 원시데이터를 [식 15] 및 [식 16]에 적용하여 정합필터과정을 수행하여 FMCW-SAR 예비영상 내의 i, j번째 화소(좌표 (x'_i,y'_j))를 복원한다.

예비역투영부(220)에 의해 구한 각 화소(x'_i,y'_j)별 역투영함수 f(x'_i,y'_j)는 예비영상복원부(230)를 이용하여 합성개구면 상의 예비영상으로 복원된다.

이후에, 예비영상을 분석하여 지향각오류가 존재하는지 판단한다(S140).

구체적으로, 지향각오류판단부(240)를 이용하여 복원된 예비영상을 분석하여 반사파(4)의 강도가 높은 지점을 조사기준점 f(x_c, y_c)으로 설정하고, 조사기준점 f(x_c, y_c)을 기준으로 수직선과 수평선이 교차하는지를 검토하여, 지향각오류의 존재여부를 판단한다. 예비영상에 조사기준점 f(x_c, y_c)을 기준으로 수직선과 수평선이 교차하는 경우 지향각오류가 없는 것으로 판단하고, 예비영상에 조사기준점 f(x_c, y_c)을 기준으로 경사진 두 개의 직선이 교차하는 경우 지향각오류가 존재하는 것으로 판단한다.

지향각오류가 없는 경우, 예비영상을 최종영상으로 출력한다(S150).

지향각오류가 있는 경우, 예비영상을 분석하여 거리방향회전각도(φ_rg) 및 방위방향회전각도(φ_yaw)를 설정한다(S160).

구체적으로, 거리방향회전성분검출부(250)를 이용하여 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향(그래프 상의 수평방향)으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도(φ_rg)로 설정한다.

또한, 방위방향회전성분검출부(260)를 이용하여 예비영상복원부(230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향(그래프 상의 수직방향)으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도(φ_yaw)로 설정한다.

계속해서, 지향각오류를 고려하여 보정데이터를 생성한다(S170).

구체적으로, 보정데이터생성부(270)를 이용하여 원시데이터, 거리방향회전각도(φ_rg), 및 방위방향회전각도(φ_yaw)를 [식 17] 내지 [식 20]에 적용하여 보정된 각 화소별 역투영함수 f(x_i,y_j)인 보정데이터를 생성한다. 본 실시예에서, 보정데이터는 역투영(BPA)의 형태를 가진다.

이어서, 보정데이터로부터 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성한다(S180).

구체적으로, 영상복원부(280)를 이용하여, 보정데이터생성부(270)에 의해 구한 각 화소별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 항공기기반 영상복원장치에서 레이더의 조사방향이 비틀어져서 지향각오류가 발생하더라도 별도의 물리적인 조치없이 보정된 역투영이미지를 얻을 수 있다.

지향각오류는 전파동위상면이 지표면에 비틀린 상태로 전파되는 특성때문에 교차검증을 통하여 제거하는 것이 사실상 불가능해서, 종래에는 지향각오류가 발견되면 데이터를 재사용하지 못하고 버려졌다. 따라서 종래에는 역투영한 이미지에 지향각오류가 발견되면 송신안테나의 방향을 조정한 후에, 다시 항공기를 출항시켜서 새로운 데이터를 얻어야만 했기 때문에 항공기를 2번 운항하는 것으로 인해 많은 시간과 비용이 소요되었다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면 1번의 운항에서 얻어진 데이터를 이용하여 지향각오류가 제거된 역투영이미지를 얻을 수 있기 때문에, 시간과 비용이 감소된다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기기반 영상복원장치를 나타내는 블록도이다. 본 실시예에서, 통합역투영부(1220), 통합영상복원부(1230), 및 보정데이터생성부(1270)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.

도 13을 참조하면, 항공기기반 영상복원장치는 안테나부재(110, 120), 파형발생기(150), 분배기(160), 믹서(205), 원시데이터생성부(210), 통합역투영부(1220), 통합영상복원부(1230), 지향각오류판단부(240), 거리방향회전성분검출부(250), 방위방향회전성분검출부(260), 및 보정데이터생성부(1270)를 포함한다.

파형발생기(150)는 송신파(2)와 동일한 파형의 신호를 발생시킨다.

안테나부재(110, 120)는 분배기(160)로부터 인가받은 신호를 송신파(2)를 송신하고, 지표면으로부터 반사되는 수신파(4)를 수신한다.

도 2 및 도 13을 참조하면, 원시데이터생성부(210)는 믹서(205)로부터 인가받은 신호로부터 수신안테나(120)와 지표면의 조사기준점 f(x_c, y_c)과의 거리를 측정하여 조사기준점 f(x_c, y_c)의 위치를 나타내는 원시데이터를 생성한다.

도 13을 다시 참조하면, 통합역투영부(1220)는 원시데이터를 이용한 예비정합필터과정 및 보정데이터를 이용한 보정정합필터과정을 수행한다. 통합역투영부(back-projection)(1220)는 합성개구면을 기준으로 분할된 입력신호(원시데이터 또는 보정데이터)와 출력된 복원영상 사이의 연산을 모든 화소들에 대해 반복적으로 수행한다.

구체적으로, 통합역투영부(1220)가 수행하는 예비정합필터과정은, 원시데이터생성부(210)로부터 원시데이터를 인가받아 [식 15] 및 [식 16]에 적용하여 FMCW-SAR 원시영상을 위한 i, j번째 화소(좌표 (x'_i,y'_j))를 복원한다. 예비정합필터과정은 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예에서, 예비역투영부(도 1의 220)가 수행하는 기능과 동일하다.

통합역투영부(1220)가 수행하는 보정정합필터과정은, 보정데이터생성부(1270)로부터 보정데이터를 인가받아 [식 19] 및 [식 20]에 적용하여 FMCW-SAR 보정된 영상을 위한 i, j번째 화소(좌표 (x_i,y_j))를 복원한다. 보정정합필터과정은 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예에서, 보정데이터생성부(도 1의 270)가 수행하는 기능 중에서 [도 19] 및 [도 20]을 수행하는 기능과 동일하다.

통합영상복원부(1230)는 통합역투영부(1220)에 의해 구한 각 화소별 원시영상을 위한 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 합성개구면 상의 예비영상으로 복원하고, 통합역투영부(1220)에 의해 구한 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다. 통합영상복원부(1230)에서 각 화소별 원시영상을 위한 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 합성개구면 상의 예비영상으로 복원하는 기능은 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예에서 예비영상복원부(230)가 수행하는 기능과 동일하다. 통합영상복원부(1230)에서 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원하는 기능은 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예에서 보정영상복원부(280)가 수행하는 기능과 동일하다.

지향각오류판단부(240)는 복원된 원시영상을 분석하여 지향각오류의 존재여부를 판단한다. 지향각오류를 판단하는 방법은 도 3 및 도 5에 도시된 실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

보정데이터생성부(270)는 원시데이터(S_IF,_r(t,u')), 거리방향회전각도(φ_rg), 및 방위방향회전각도(φ_yaw)를 [식 17] 및 [식 18]에 적용하여 보정데이터(S_IF,_r(t,u))를 생성한다. 본 실시예에서, 보정데이터생성부(270)에 의해 생성된 보정데이터(S_IF,_r(t,u))는 통합역투영부(1220)에 인가되며, 통합역투영부(1220)에 의해 i, j번째 화소(좌표 (x_i,y_j))별 보정된 영상을 위한 역투영함수(f(x_i,y_j))를 계산하고, 통합영상복원부(1220)에 의해 구한 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.

도 14는 도 13에 도시된 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법을 나타내는 흐름도이다. 본 실시예에서, 원시데이터를 역투영하여 예비영상을 생성하는 단계(S230), 지향각오류를 고려하여 보정데이터를 생성하는 단계(S270), 보정데이터를 역투영하는 단계(S280), 및 보정된 영상을 생성하는 단계(S290)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 12에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 항공기기반 영상복원장치를 이용하는 영상복원방법에 있어서, 먼저 송신파(2)를 지표면 상의 조사기준점 f(x_c, y_c)으로 송신한다(S100).

이후에, 수신파(4)로부터 원시데이터를 생성한다(단계 S120).

계속해서, 원시데이터 S_IF,_r(t,u')를 역투영하여 예비영상을 생성한다(S230).

구체적으로, 통합역투영부(1220)를 이용하여 원시데이터생성부(210)로부터 인가받은 원시데이터를 [식 15] 및 [식 16]에 적용하여 정합필터과정을 수행하여 FMCW-SAR 예비영상 내의 i, j번째 화소(좌표 (x'_i,y'_j))를 복원한다.

통합영상복원부(1230)를 이용하여 통합역투영부(1220)에 의해 복원된 각 화소(x'_i,y'_j)별 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 합성개구면 상의 예비영상으로 복원한다.

구체적으로, 지향각오류판단부(240)를 이용하여 복원된 예비영상을 분석하여 지향각오류가 존재하는지 판단한다.

구체적으로, 거리방향회전성분검출부(250)를 이용하여 통합영상복원부(1230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향(그래프 상의 수평방향)으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도(φ_rg)로 설정한다.

또한, 방위방향회전성분검출부(260)를 이용하여 통합영상복원부(1230)에 의해 얻어진 예비영상을 광학적으로 분석하여, 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향(그래프 상의 수직방향)으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도(φ_yaw)로 설정한다

계속해서, 지향각오류를 고려하여 보정데이터를 생성한다(S270).

구체적으로, 보정데이터생성부(1270)를 이용하여, 원시데이터, 거리방향회전각도(φ_rg), 및 방위방향회전각도(φ_yaw)를 [식 17] 및 [식 18]에 적용하여 보정데이터 S_IF,_r(t,u)를 생성한다. 본 실시예에서, 보정데이터 S_IF,_r(t,u)는 역투영의 전단계로서 원시데이터 S_IF,_r(t,u')가 보정된 형태를 가진다.

이어서, 보정데이터 S_IF,_r(t,u)를 역투영하여 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수(f(x_i,y_j))를 생성한다(S280).

구체적으로, 통합역투영부(1220)를 이용하여, 보정데이터생성부(1270)에 의해 생성된 보정데이터(S_IF,_r(t,u))를 [식 19] 및 [식 20]에 적용하여 i, j번째 화소(좌표 (x_i,y_j))별 보정된 영상을 위한 역투영함수(f(x_i,y_j))를 계산한다.

계속해서 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수 f(x_i,y_j)를 이용하여 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성한다(S290).

구체적으로, 통합영상복원부(1230)를 이용하여, 통합역투영부(1220)에 의해 구한 각 화소별 보정된 영상을 위한 역투영함수 f(x_i,y_j)를 합성개구면 상의 보정된 영상으로 복원한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 통합역투영부(1220)를 이용하여 예비정합필터과정과 보정정합필터과정을 함께 수행하고, 하나의 통합영상복원부(1230)를 이용하여 예비영상을 복원하는 과정과 보정된 영상을 복원하는 과정이 함께 수행됨으로써, 항공기기반 영상복원장치의 구조가 단순해지고 비용이 절감된다.

본 발명은 항공뷰, 지형도 작성, 해양탐사, 원격탐사, 인공위성탐사, 항공기탐사, 부유실험장치를 이용한 탐사, 조류탐사, 기상탐사, 군사용 등의 용도로 사용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

5 : 전파동위상면 6 : 전파동위상선
6' : 투영선 110, 120 : 안테나부재
150 : 파형발생기 160 : 분배기
205 : 믹서 210 : 원시데이터생성부
220 : 예비역투영부 1220 : 통합역투영부
230 : 예비영상복원부 1230 : 통합영상복원부
240 : 지향각오류판단부 250 : 거리방향회전성분검출부
260 : 방위방향회전성분검출부 270, 1270 : 보정데이터생성부
280 : 보정영상복원부 Gr : 지표면
f(x₀, y₀) : 조사점 f(x_c, y_c) : 조사기준점
φ_rg : 거리방향회전성분 φ_yaw : 방위방향회전성분
φ_sq : 지향각도

Claims

송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기;
상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배하는 분배기;
상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와, 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재;
상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 믹서;
상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부;
상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 예비역투영부;
상기 보정전 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 예비영상을 생성하는 예비영상복원부;
상기 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정하는 거리방향회전성분검출부;
상기 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정하는 방위방향회전성분검출부; 및
상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하고, 상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하여 상기 각 보정된 화소별 역투영함수를 보정데이터로 생성하고 상기 보정데이터를 상기 각 보정된 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성하는 보정데이터생성부를 포함하는 항공기기반 영상복원장치.
제1항에 있어서, 상기 예비역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
[식 1]

[식 2]

([식 1] 및 [식 2]에서, u'_p는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나 위치를 나타내며, t_dij는 i,j번째 화소의 지연시간을 나타내며, (x'_i,y'_j)은 원시데이터 상에서 i,j번째 화소의 위치(좌표)를 나타내며, Wp는 수신안테나에서 측정된 신호강도에 대한 윈도우함수를 나타내고, t는 샘플링시간을 나타내며, ω는 주파수를 나타내고, u'_p는 항공기 상에 장착된 수신안테나의 위치를 나타내며, S_IF,r(ω, u'_p)는 수신안테나가 u'_p에 위치하는 경우의 수신신호에 대한 원시데이터를 나타내며, t_dij(u'_p)는 항공기에 장착된 수신안테나의 위치(u'_p)에 따른 지연시간을 나타낸다)
제2항에 있어서, 상기 보정데이터생성부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 3] 내지 [식 6]의 정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성하고 상기 보정데이터를 상기 각 보정된 화소(x_i,y_j)별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 상기 보정된 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
[식 3]
u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw
[식 4]

[식 5]

[식 6]

([식 3] 내지 [식 6]에서, u_p(u_x, u_y, u_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정한 좌표를 나타내고, u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정하지 않은 좌표를 나타내며, R_g는 지표면으로 투영된 수신파의 길이를 나타내며, (x_c, y_c)는 지표면 상의 조사기준점의 좌표를 나타내며, (x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 화소의 좌표를 나타내며, f(x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 역투영함수를 나타낸다)
제3항에 있어서, 상기 보정데이터생성부는 수치해석을 통하여 [식 3] 내지 [식 6]를 반복계산함으로써 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Radar) 영상 내의 i,j번째 좌표를 복원하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
제1항에 있어서, 상기 거리방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 수평방향을 거리방향으로 하고, 상기 거리방향성분이 상기 수평방향으로부터 기울어진 각도를 상기 거리방향회전각도(φ_rg)로 설정하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
제1항에 있어서, 상기 방위방향회전성분검출부는 상기 예비영상의 수직방향을 방위방향으로 하고, 상기 방위방향성분이 상기 수직방향으로부터 기울어진 각도를 상기 방위방향회전각도(φ_yaw)로 설정하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
제1항에 있어서, 상기 원시데이터는 항공기에 의해 측정된 FMCW-SAR(Frequency Modulated Continuous Wave - Synthetic Aperture Rader) 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
제1항에 있어서, 상기 예비영상의 이미지를 분석하여 지향각오류의 존재여부를 판단하는 지향각오류판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
송신파와 동일한 파형의 신호를 생성하는 파형발생기;
상기 파형발생기에 연결되며, 상기 파형발생기로부터 발생된 신호를 인가받아 분배하는 분배기;
상기 분배기에 연결되며, 상기 분배기로부터 상기 분배된 신호를 인가받아 상기 송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나와, 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재;
상기 분배기 및 상기 수신안테나에 연결되며, 상기 분배기로부터 인가받은 상기 분배된 신호와 상기 수신안테나로부터 수신된 상기 수신파를 혼합하는 믹서;
상기 믹서와 연결되며, 상기 믹서로부터 상기 혼합된 신호를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부;
상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 예비정합필터과정 및 각 보정된 화소별 위치에 따른 보정후 역투영함수를 계산하는 보정정합필터과정을 수행하는 통합역투영부;
상기 각 화소별 보정전 역투영함수를 이용하여 예비영상을 생성하고, 상기 보정후 역투영함수를 이용하여 보정된 영상을 생성하는 통합영상복원부;
상기 예비영상의 거리방향성분이 이상적인 거리방향으로부터 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정하는 거리방향회전성분검출부;
상기 예비영상의 방위방향성분이 이상적인 방위방향으로부터 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정하는 방위방향회전성분검출부; 및
상기 거리방향회전각도, 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하는 보정데이터생성부를 포함하는 항공기기반 영상복원장치.
제9항에 있어서, 상기 통합역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산하여 상기 예비정합필터과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
[식 1]

[식 2]

([식 1] 및 [식 2]에서, u'_p는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나 위치를 나타내며, t_dij는 i,j번째 화소의 지연시간을 나타내며, (x'_i,y'_j)은 원시데이터 상에서 i,j번째 화소의 위치(좌표)를 나타내며, Wp는 수신안테나에서 측정된 신호강도에 대한 윈도우함수를 나타내고, t는 샘플링시간을 나타내며, ω는 주파수를 나타내고, u'_p는 항공기 상에 장착된 수신안테나의 위치를 나타내며, S_IF,r(ω, u'_p)는 수신안테나가 u'_p에 위치하는 경우의 수신신호에 대한 원시데이터를 나타내며, t_dij(u'_p)는 항공기에 장착된 수신안테나의 위치(u'_p)에 따른 지연시간을 나타낸다)
제10항에 있어서, 상기 보정데이터생성부는 [식 3] 및 [식 4]를 이용하여 상기 각 보정전 화소들의 위치(x'_i,y'_j)를 보정후 화소들의 위치((x_i,y_j)로 보정하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
[식 3]
u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw
[식 4]

([식 3] 및 [식 4]에서, u_p(u_x, u_y, u_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정한 좌표를 나타내고, u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정하지 않은 좌표를 나타내며, R_g는 지표면으로 투영된 수신파의 길이를 나타내며, (x_c, y_c)는 지표면 상의 조사기준점의 좌표를 나타내며, (x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 화소의 좌표를 나타내며, f(x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 역투영함수를 나타내며, φ_rg는 거리방향회전각도를 나타내며, φ_yaw는 방위방향회전각도를 나타낸다)
제11항에 있어서, 상기 통합역투영부는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 5] 및 [식 6]의 보정정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성하는 것을 특징으로 하는 항공기기반 영상복원장치.
[식 5]

[식 6]
송신파를 지표면으로 송신하는 송신안테나 및 상기 지표면으로부터 반사되는 수신파를 수신하는 수신안테나를 포함하는 안테나부재와, 상기 수신파를 인가받아 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 원시데이터생성부와, 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 역투영함수를 계산하는 역투영부와, 상기 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 영상을 생성하는 영상복원부와, 상기 수신파의 전파동위상면이 지표면과 접하는 전파동위상선이 기울어진 각도를 거리방향회전각도로 설정하는 거리방향회전성분검출부와, 상기 수신파를 상기 지표면 상에 수직으로 투영한 투영선이 기울어진 각도를 방위방향회전각도로 설정하는 방위방향회전성분검출부와, 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 이용하여 상기 각 화소별 위치를 보정하는 보정데이터생성부를 포함하는 항공기기반 영상복원장치를 이용한 영상복원방법에 있어서,
상기 송신안테나를 이용하여 상기 송신파를 상기 지표면 상으로 송신하고, 상기 지표면으로부터 반사된 상기 수신파를 상기 수신안테나를 통하여 수신하는 단계;
상기 수신파를 이용하여 상기 수신안테나와 상기 지표면의 각 화소별 거리를 측정하여 상기 각 화소별 수신신호에 대응되는 원시데이터를 생성하는 단계;
상기 역투영부를 이용하여 상기 원시데이터에 정합필터과정을 수행하여 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 단계;.
상기 영상복원부를 이용하여 상기 보정전 역투영함수를 상기 각 화소별로 투영하여 합성개구면 상의 예비영상을 생성하는 단계;
상기 예비영상을 상기 거리방향회전성분검출부에 인가하여 상기 거리방향회전각도를 설정하는 단계;
상기 예비영상을 상기 방위방향회전성분검출부에 인가하여 상기 방위방향회전각도를 설정하는 단계;
상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 상기 보정데이터생성부에 인가하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하는 단계; 및
상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하고 상기 정합필터과정이 수행된 보정데이터를 상기 각 보정된 화소별로 투영하여 상기 합성개구면 상의 보정된 영상을 생성하는 단계를 포함하는 영상복원방법.
제13항에 있어서, 상기 각 화소별 보정전 역투영함수를 계산하는 단계는 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p);ω는 주파수, u'_p는 수신안테나의 위치))에 [식 1], 및 [식 2]의 정합필터과정을 수행하여 각 화소(x'_i,y'_j)별 보정전 역투영함수 f(x'_i,y'_j)를 계산하는 것을 특징으로 하는 영상복원방법.
[식 1]

[식 2]

([식 1] 및 [식 2]에서, u'_p는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나 위치를 나타내며, t_dij는 i,j번째 화소의 지연시간을 나타내며, (x'_i,y'_j)은 원시데이터 상에서 i,j번째 화소의 위치(좌표)를 나타내며, Wp는 수신안테나에서 측정된 신호강도에 대한 윈도우함수를 나타내고, t는 샘플링시간을 나타내며, ω는 주파수를 나타내고, u'_p는 항공기 상에 장착된 수신안테나의 위치를 나타내며, S_IF,r(ω, u'_p)는 수신안테나가 u'_p에 위치하는 경우의 수신신호에 대한 원시데이터를 나타내며, t_dij(u'_p)는 항공기에 장착된 수신안테나의 위치(u'_p)에 따른 지연시간을 나타낸다)
제14항에 있어서, 상기 거리방향회전각도 및 상기 방위방향회전각도를 상기 보정데이터생성부에 인가하여 상기 각 화소들의 위치를 보정하는 단계는 [식 3] 및 [식 4]를 이용하여 상기 각 보정전 화소들의 위치(x'_i,y'_j)를 보정후 화소들의 위치((x_i,y_j)로 보정하며,
[식 3]
u'_p=u_p-R_gtanφ_yaw
[식 4]

([식 3] 및 [식 4]에서, u_p(u_x, u_y, u_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정한 좌표를 나타내고, u_p(u'_x, u'_y, u'_z)는 p번째 수신파가 수신될 시점에서 수신안테나의 위치를 보정하지 않은 좌표를 나타내며, R_g는 지표면으로 투영된 수신파의 길이를 나타내며, (x_c, y_c)는 지표면 상의 조사기준점의 좌표를 나타내며, (x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 화소의 좌표를 나타내며, f(x_i,y_j)는 보정된 i,j번째 역투영함수를 나타내며, φ_rg는 거리방향회전각도를 나타내며, φ_yaw는 방위방향회전각도를 나타낸다)
상기 각 보정된 화소별 위치에 따라 정합필터과정을 수행하는 것은 상기 원시데이터(S_IF,r(ω, u'_p))에 [식 5] 및 [식 6]의 보정정합필터과정을 수행하여 각 보정된 화소(x_i,y_j)별 역투영함수 f(x_i,y_j)를 보정데이터로 생성하는 것을 특징으로 하는 영상복원방법.
[식 5]

[식 6]