KR101703773B1

KR101703773B1 - 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템

Info

Publication number: KR101703773B1
Application number: KR1020150141079A
Authority: KR
Inventors: 양은정; 김형주; 명로훈; 김영담; 송원영
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-02-07

Abstract

본 발명은 레이더 영상 처리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 일반적으로 많이 사용하고 배치가 되어 있는 탐지 레이더에도 추적 레이더에 적용되는 역합성 개구 레이더(ISAR: Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상획득 기술을 확대 적용하는 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템에 대한 것이다.

Description

탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템{Method for acquiring radar image using serveillance radar and System thereof}

국내외의 군사 및/또는 보안 환경의 변화로 인해 분쟁이 예측 불가능하고 예고 없이 발생할 가능성이 커지고 있다. 이러한 변화로 인해 정보의 중요성이 강조되었고, 기상상황이나 주야상황 등 모든 상황에서 관측이 가능한 이점이 있는 레이더는 군사 정보통신 기술의 발전에 중심이 되고 있다.

레이더는 기상상황이나 주간야간에 상관없이 표적을 탐지할 수 있다는 장점 때문에 표적인식을 하는데 있어서 여러 방면으로 이용된다. 또한 표적을 빠르게 인식하는 기술은 현대전의 수행능력에 있어 매우 중요한 요소로 인식되고 있으며 이러한 기술은 전투기나 미사일 등의 생존 가능성에 결정적인 영향을 주고 있다.

레이더의 기술 향상으로 표적인식기술은 많은 발전을 이룩하였다. 특히 90년대 이후 레이더 신호처리 기술은 많은 발전을 하였으며 현재에도 고집적 레이더 시스템과 디지털 신호처리 기술을 중심으로 지속적인 발전을 하고 있다. 레이더를 이용한 표적인식기술은 일반적으로 협조 인식(cooperative recognition)과 비협조 표적인식(non-cooperative target recognition)의 두 분야로 나눌 수 있다.

표적인식 기술에서 GPS(Global Positioning System) 등의 다른 시스템으로부터의 정보를 이용한 협조 인식 기술은 여러 면에서 효율적이지만 아군뿐만 아닌 적군의 시스템에도 정보를 제공하기 때문 적절하지 않다. 따라서 아군의 시스템에만 그 정보가 한정되는 비협조 표적인식 기술이 현재 군사적인 의미에서 적절하다고 볼 수 있다.

비협조 표적인식 기술과 표적의 산란 특성에 대한 보다 정교한 데이터는 레이더의 설계에 필수적이며, 현재 선진국에서는 그 시스템의 적용이 이루어지고 있는 상태이다. 선진국의 연구기관들에서 연구되고 있는 내용은 수신되는 산란 전자파의 CNR(Complex Natural Resonance) 분석, 여러 가지 HRRP(High Resolution Range Profile) 획득 기법, 그리고 산란점 추출 등의 고해상도 신호처리 방법과, ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상이나 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상 또는 시간-주파수 영역 분석법(Time-Frequency Analysis) 같은 2차원 방법을 이용하여 표적물의 산란 메커니즘을 분석하거나, 표적인식에 응용하는 연구이다.

일반적으로 HRRP(High Resolution Range Profile) 또는 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상은 추적 레이더나 다기능 레이더와 같은 고정된 레이더에서 획득된 1, 2차원 영상으로, 이런 기술을 일반적으로 회전하는 탐지 레이더에 적용한 기술 사례는 군사적 안보 이유 등으로 찾아보기 어렵고, 관련 연구 사례 또한 많지 않다. 2009년 U.S Naval Reserch Laboratory 그룹에서 회전하는 레이더에서 ISAR 영상을 획득하는 연구를 진행한 바 있다. 여러 개의 표적에 대해 ISAR 영상을 획득하고자 할 때, 각 표적별로 dwell time(레이더가 표적을 바라보는 시간 영역)을 분리하는데 어려움이 있고, 또한 일반적으로 ISAR 영상은 연속적으로 업데이트 된 영상을 얻기 어렵기 때문에 회전하는 레이더에서 ISAR 영상을 획득하는 연구를 진행하였다.

이 연구에 따르면 회전하는 송/수신 안테나로부터 ISAR 영상을 획득할 경우, 안테나가 한번 회전할 때마다 새로운 영상으로 업데이트 할 수 있으며 다중 표적에 대해서 레이더가 각 표적을 바라보는 시간영역을 쉽게 구분할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 일반적인 추적 레이더로 ISAR 영상을 얻을 때에는 충분한 펄스 수를 이용하는 것과 달리 회전하는 레이더에서는 제한된 펄스를 이용하여 각 레인지-빈( range-bin)에서의 도플러(Doppler) 스펙트럼을 얻기 때문에 ISAR 영상에서 수직 거리(cross range) 방향으로의 영상을 획득하기 어렵다는 문제점이 있다.

이런 문제점을 해결하기 위하여 U.S Naval Reserch Laboratory 그룹의 연구에서는 적응형 도플러 스펙트럼 평가(adaptive Doppler spectrum estimation) 기법을 이용하여 펄스 수가 충분했을 때 수신신호로부터 만들 수 있는 Gabor basis set을 예측하여 cross range 방향으로의 영상을 얻었다. 레이더가 송신한 펄스신호가 표적을 맞고 수신할 때 안테나는 잠시 정지했다고 가정을 하여 레이더의 회전에 의해서 각 수신 신호의 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density)는 일정하다고 가정을 하였다.

도플러 스펙트럼(Doppler spectrum)을 예측하기 위하여 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하는데, 칼만 필터는 과거의 데이터와 현재의 데이터를 사용하여 과거의 데이터 정보로부터 현재의 데이터의 노이즈를 줄이고 미래의 데이터를 예측하는 기법이다. 도 1은 이 연구에서 제안된 적응형 도플러 스펙트럼 평가(adaptive Doppler spectrum estimation) 기법을 이용하여 해상도의 레벨에 따른 ISAR 영상을 얻은 결과를 보여준다.

또한, 2008년 Defence Research and Development Canada 그룹에서 해수면 위의 표적의 ISAR 영상을 획득하기 위하여 비행기에 탑재된 레이더의 설계에 대한 간략한 소개와 측정을 통해 얻은 ISAR 영상을 보여준 연구 사례가 있다. 이 연구에서는 ISAR 영상을 얻기 전에 표적의 움직임에 대한 보상과정과 비행기에 장착된 레이더에 의해 상대적인 표적의 움직임에 대한 보상과정을 통해 ISAR 영상을 얻는다. 이를 개념으로 보여주는 도면이 도 2에 도시된다.

이 외의 레이더 신호처리 분야에서의 연구들은 선진국에서 SAR와 ISAR 에 대한 대부분의 알고리즘들을 개발하였으며, 또한 2차원 영상을 획득하는 알고리즘들도 거의 대부분이 완성이 되어 있는 단계이다. 그리고 이를 레이더 자동표적인식(ATR: Automatic Target Recognition)에 접목시켜서 현재 군 레이더 시스템에 사용 중인 것으로 알려져 있다. 그리고 움직이는 표적에 대한 ISAR 영상의 움직임 보상 기법과 레이더 신호에 대한 움직임 보상 기법도 많은 부분 완성이 되어 있으며 이를 꾸준히 개발 및 발전하고 있다.

특히 1차원 및 2차원 신호처리방법에 있어서 표적물의 구분 성능을 높이기 위하여 고해상도 방법이 주로 연구되어 적용되고 있다. 레이더는 표적의 영상을 얻기 위한 추적 레이더와 표적의 위치 판별을 위한 탐지 레이더가 있다. 360도 회전하면서 모든 방향에서 표적을 탐지하는 탐지레이더와 달리 추적 레이더는 지정된 표적만을 지향하여 빔을 방사하고 산란파를 측정함으로써 표적을 추적하게 되는데, 표적을 추적하면서 얻은 신호로부터 ISAR 영상을 획득하게 된다.

추적 레이더는 표적으로부터 나오는 신호를 일정시간 추적하기 때문에 연속적이고 충분한 데이터로부터 ISAR 영상을 획득하는 반면 탐지 레이더는 회전하면서 표적을 바라보는 시간이 짧고 각 회전에서 표적으로부터 얻어진 신호가 회전을 거듭하면서 주기적으로 나타나게 되는데 이로부터 ISAR 영상을 획득해야하는 차이가 있다.

따라서 ISAR 영상을 획득할 때, 모든 펄스신호에 담긴 정보를 이용하는 추적 레이더와 달리 회전하는 탐색 레이더에서는 표적의 정보가 담긴 펄스를 선별하는 과정과 적은 펄스로부터 얻은 신호를 처리하는 과정이 추가로 필요하다. 또한, 각각의 안테나 회전에서 얻어진 표적의 회전 움직임에 대한 새로운 보상 과정에 대한 연구를 진행할 필요가 있다.

1. 한국등록특허번호 제10-1001612호 (2010.12.09) 2. 한국등록특허번호 제10-1081894호 (2011.11.03)

1. 강병수, "펄스 간 위상오차 보상을 통한 후방 감시 차량용 레이더의 ISAR 영상형성"전자공학회논문지 (Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea) 제51권 제8호 통권 제441호 (2014년 8월) pp.97-103 2. 강병수, "기동표적에 대한 ISAR Cross-Range Scaling"한국전자파학회논문지 제25권 제10호 1062p ~ 1068p, 2014년

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 추적 레이더에 적용되는 역합성 개구 레이더(ISAR: Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상획득 기술을 탐지 레이더에도 확대 적용하는 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 간단하게 소프트웨어 업데이트만으로 탐색 레이더를 이용하여 영상을 획득하는 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 추적 레이더에 적용되는 역합성 개구 레이더(ISAR: Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상획득 기술을 탐지 레이더에도 확대 적용하는 레이더 영상 획득 방법을 제공한다.

상기 레이더 영상 획득 방법은,

(a) 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 입력받는 단계;

(b) 상기 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 이용하여 탐색 레이더의 수신 신호를 생성하는 단계;

(c) 상기 다중 표적의 각 표적에 대한 상기 수신 신호를 분류하는 단계; 및

(d) 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법 또는 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법을 이용하여 각 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 (C) 단계는, 상기 수신 신호를 갖는 다중 표적의 원본 데이터를 획득하는 단계; 상기 다중 표적의 데이터로부터 산람점들을 추출하여 고해상도 데이터로 변환하는 단계; 휴-트랜스폼(Hough-transform) 기법을 이용하여 상기 고해상도 데이터로부터 각 표적의 움직임에 의해 생성되는 직선들의 특성들을 추출하여 저장하는 단계; 및 상기 직선들의 특성들을 이용하여 상기 산란점들 모두에 대해 표적별로 분류하고, 상기 원본 데이터 내에 데이터를 표적별로 분류하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 탐색 레이더의 수신 신호는 수학식

(여기서, s(v, w)는 탐색 레이더의 수신신호이고, v는 시간을 나타내는 파라미터이며, w는 광대역 주파수에 대해 주파수를 나타내는 파라미터이며, G_v는 안테나의 이득이며, A_k와 R_vk는 각각 산란점의 산란강도와 탐색 레이더간 거리이고, K는 표적을 이루는 산란점의 수이고, c는 빛의 속도이며, f_w는 주파수 샘플이고, u(v)는 탐색 레이더가 바라보는 방향에 따라 표적이 보이면 1의 값을 가지고 보이지 않으면 0의 값을 갖는다)에 의해 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법은, 한 쌍의 탐색 레이더의 2회 관측에서 획득되는 각 산란점들의 직선 거리(cross range)과 회전 차수에 따른 각 산람점들 사이의 관계를 이용하여 각 산란점들 사이의 간격이 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법은, 획득한 수신 신호로부터 추출된 표적의 산란점 정보를 이용하여 보이지 않는 영역에서의 수신 신호를 생성하고, 추적 레이더의 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 움직임 보상 기법으로 상기 수신 신호를 보상하여 영상을 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 산란점 정보는 압축 센싱 기법을 이용하여 산란점의 개수를 추정한 후 상기 산란점의 개수를 이용하여 1차원 산란점을 추출하여 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보이지 않는 영역에서의 수신 신호는 일정거리로 이격되는 한 쌍의 탐색 레이더에 의해 첫 번째 관측되는 제 1 관측 영역과 두 번째 관측되는 제 2 관측 영역 사이의 관측되지 않은 영역에서의 속도 및 가속도 관계식을 이용하여 추정되는 산란점들의 위치 정보 및 산란 강도를 GTD(generalized triangular decomposition) 기반의 신호 모델에 대입하여추정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 ISAR 움직임 보상 기법은 최소 엔트로피법(minimum entropy method)을 기반으로 하는 SSA(stage-by-stage approach) 기법인 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 SSA 기법은 인접한 2개의 거리 프로파일의 크기의 합의 엔트로피가 최소가 되도록 보상하는 거리 정렬 및 상기 거리 정렬 후에도 여전히 남아 있는 위상 오차들을 보상해주기 위해 전체 ISAR 영상의 엔트로피가 최소가 되도록 각 거리 프로파일에 위상을 더해주는 위상 보정으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 표적을 추적하는 탐색 레이더 및 상기 탐색 레이더로부터 수신 신호를 받아 처리하여 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상을 생성하는 신호 처리 장치를 포함하는 레이더 영상 획득 시스템을 제공할 수 있다.

이때, 상기 신호 처리 장치는, 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 입력받아, 상기 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 이용하여 탐색 레이더의 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 모듈; 상기 다중 표적의 각 표적에 대한 상기 수신 신호를 분류하는 분류부; 및 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법 또는 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법을 이용하여 각 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 추적레이더보다 보급률이 높은 탐색레이더를 이용한 영상획득 기술을 통해, 소프트웨어 업데이트만으로 표적의 영상을 획득할 수 있고, 민간과 군에서 이용 가능하며, 레이더를 이용한 탐지 및 식별 능력 증진에 이바지할 것으로 기대된다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 기존의 추적 레이더 상황에서 제한된 신호를 이용하여 레이더 영상 형성에 이용될 수 있고, 기타 분야에 신호처리 기법들로 이용될 수 있다는 점을 들 수 있다.

도 1은 일반적인 적응형 도플러 스펙트럼 평가(adaptive Doppler spectrum estimation) 기법을 이용하여 해상도의 레벨에 따른 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상을 얻은 결과 화면예이다.
도 2는 일반적인 SAR 영상에서의 표적 탐지 결과 화면예이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탐색 레이더에서 영상을 획득하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 다중 표적에 대한 수신신호로부터 각각의 표적을 분류하는 단계(S330)를 세분화하여 보여주는 흐름도이다.
도 5는 도 4를 이해하기 쉽도록 개념적으로 보여주는 개념도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 단계 S340의 제 1 기법에 따른 탐색 레이더에서 표적의 산란점간 거리차이를 결정하는 요인을 보여주는 개념도이다.
도 7은 일반적으로 탐색 레이더에서 산란점의 수직 거리(cross range)와 산란점간 거리차이의 관계를 규명하는 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는 7점 표적에 대한 산란점간 거리차이를 이용한 표적영상획득의 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 단계 S350의 제 2 기법에 따라 산란점 정보를 이용하여 데이터를 생성하고 영상을 획득하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 10은 도 9에 도시된 흐름도를 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 11은 도 9에 도시된 산란점 추출 단계(S910)를 더 상세하게 보여주는 흐름도이다.
도 12는 도 9에 도시된 안테나 이득 보상 단계(S920)를 더 상세하게 보여주는 흐름도이다.
도 13은 도 9에 도시된 SSA(stage-by-stage approach) 기법의 개념을 보여주는 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 탐색 레이더에서 영상을 획득하는 레이더 영상 획득 시스템의 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 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 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법 및 이의 시스템을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탐색 레이더에서 영상을 획득하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저, 다중 표적 정보 및 레이더 사양 정보(즉, 탐색 레이더 사양 정보)를 입력한 후, GTD(geometriccal theory of diffraction)을 기반으로 하는 탐색 레이더의 신호 모델인 다음 수학식을 통하여 탐색 레이더의 수신 신호를 생성한다(단계 S310,S320).

여기서, s(v,w)는 탐색 레이더의 수신신호를 나타내며, v는 시간을 나타내는 파라미터이며, w는 광대역 주파수에 대해 주파수를 나타내는 파라미터이며, G_v는 안테나의 이득을 의미한다. A_k와 R_vk는 각각 산란점의 산란강도와 레이더간 거리를 의미한다. K는 표적을 이루는 산란점의 수를 나타내고, c는 빛의 속도, f_w는 주파수 샘플을 의미한다. 마지막으로 u(v)는 탐색 레이더가 바라보는 방향에 따라 표적이 보이면 1의 값을 가지고 보이지 않으면 0의 값을 갖는다.

이후, 획득한 탐색 레이더의 수신 신호에는 하나의 표적에 대한 신호만 존재하지 않고, 여러 표적에 대한 신호들이 복합적으로 들어 있게 된다. 따라서 이러한 신호로부터 각 표적에 대한 수신신호를 분류하는 과정이 수행된다(단계 S330). 이에 대하여는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

도 3을 계속 참조하면, 다중 표적 분류가 끝나고 나면 각 표적에 대한 레이더 영상 획득 과정을 적용한다(단계 S340,S350,S360). 여기에서는 두 가지 기법을 제안한다. 제 1 기법은 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법으로, 각 산란점의 직선 거리(cross range)에 의해 다음 회전에서 산란점 사이의 간격이 결정된다는 것을 이용한다(단계 S340). 이러한 제 1 기법을 개념적으로 보여주는 도면이 도 6 및 도 7에 도시된다. 이해 대해서는 후술하기로 한다.

도 3을 계속 참조하면, 제 2 기법은 산란점 정보를 이용한 data 생성 및 영상 획득 기법으로, 획득한 수신 신호로부터 추출된 표적의 산란점 정보를 이용하여 보이지 않는 영역에서의 수신 신호를 생성하고, 추적 레이더의 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 움직임 보상 기법으로 이를 보상해주어 영상을 획득하는 기법이다(단계 S350).

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 도 3에 도시된 다중 표적에 대한 수신신호로부터 각각의 표적을 분류하는 단계(S330)를 세분화하여 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 수신신호의 분류는 크게 네 가지 단계로 이루어진다.

탐색 레이더에서는 일반적으로 다중표적을 관측하는 상황에 놓이게 된다. 따라서 다중 표적에 대한 신호를 각각의 표적에 대해서 분류하는 것이 필요하다. 먼저 첫 단계로는, 다중 표적이 존재하는 상황에 대해서 탐색 레이더를 통해 얻은 수신신호는 다중 표적의 데이터가 한 데이터 내에 존재하여 나타나게 된다(단계 S410).즉 레이더가 수신하는 신호인 원본 데이터를 획득한다.

두 번째 단계로는, 수신한 데이터를 산란점 추출에 의해서 고 해상도의 정보를 갖는 데이터로 변환한다(단계 S420). 세 번째 단계로는, 산란점들의 위치정보의 변화를 휴-트랜스폼(Hough-transform) 기법을 이용하여 저장한다(단계 S430). 휴-트랜스폼(Hough-transform)이란 임의의 영상 데이터 내에 형성되는 직선을 직선의 거리와 기울기의 새로운 도메인으로 옮겨서 영상 데이터 내에 형성되는 직선들의 특징을 추출하는 기법이다. Hough-transform 기법을 두 번째 단계에서 산란점 추출을 통해 얻어진 고해상도 데이터에 적용하게 되면 각 표적의 움직임에 의해 생성되는 직선들의 특성을 추출하고 이를 통해서 다중 표적의 특성을 알아낼 수 있다.

추출된 산란점은 각 표적별로 동일한 경로상(Hough-transform시 나타나는 직선)에 놓이게 되는 특성이 있는데, 이 특성을 이용하면 추출된 산란점의 정보들을 각 표적별로 분류할 수 있다(단계 S440).

도 5는 도 4를 이해하기 쉽도록 개념적으로 보여주는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 원본 데이터(510)로부터 산란점들(520)이 추출되고, 산란점들의 위치 정보(530)를 추출하고, 이 위치 정보로부터 휴 트랜스폼을 이용하여 피크 검출(540)을 수행한 후 표적별로 분류된 데이터(550)가 생성된다.

도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 단계 S340의 제 1 기법에 따른 탐색 레이더에서 표적의 산란점간 거리차이를 결정하는 요인을 보여주는 개념도이고, 도 7은 일반적으로 탐색 레이더에서 산란점의 수직 거리(cross range)와 산란점간 거리차이의 관계를 규명하는 개념도이다.

도 6a, 도 6b 및 도 7을 참조하면, 제 1 기법은 수신 신호를 추정하는 과정 없이 두 번의 회전 관측에서 얻어진 표적의 산란신호로부터 레이더 영상을 얻는 기법이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 탐색 레이더(610-1)와 제 2 탐색 레이더(610-2)를 이용하여 제 1 회전과 제 2 회전의 차수가 생성된다.

이때 제 1 및 제 2 탐색 레이더(610-1,610-2)가 표적을 관측하는 상황에서 회전의 차수가 바뀔수록 각 산란점들 사이의 간격차이가 변하는 것을 관측 할 수 있는데, 이는 각 산란점들의 직선 거리(cross range)에 의해 발생하는 차이이다.

각 산란점들의 cross range와 회전의 차수에 따른 산람점들 사이의 관계를 규명한 것이 도 7과 같다. 도 7은 일반적으로 탐색 레이더에서 산란점의 수직 거리(cross range)와 산란점간 거리차이의 관계를 규명하는 개념도이다.

도 7에서 나타난 변수들을 이용하여 수학식 2에서는 산란점(c1,c2,c3)의 직선 거리(cross range)와 회전의 차수에 따른 산란점들 사이의 관계식을 나타낸 것이다. 수학식 2를 이용하면 첫 번째 회전과 두 번째 회전에서 획득한 거리 프로파일(range profile)로부터 각산란점들 사이의 간격을 계산하고 이들 간격의 변화량으로부터 모든 산람점의 직선 거리(cross range)를 계산할 수 있다.

여기서, 각 변수들은 도 7에 명시된 것과 같이, c2는 두번째 산란점의 cross-range 거리, d는 각 산란점들간의 down-range 거리, △θ는 제 1 회전에서의 입사빔 방향과 제 2 회전에서의 입사빔 방향의 사잇각을 나타낸다.

위 수학식에서는 산란점 c2에서 대해서만 정의하였으나, 이와 유사하게 c1, c3도 정의된다.

도 8a 및 도 8b는 7점 표적에 대한 산란점간 거리차이를 이용한 표적영상획득의 예를 보여주는 도면이다. 특히, 도 8a는 도 5, 550에서 명기된 바와 같이 하나의 표적에 대해 얻은 수신신호로 구성한 신호이다. 또한 도 8b는 예시로 제시된 비행체의 레이더 영상을 모사하고 있다.

도 9는 도 3에 도시된 단계 S350의 제 2 기법에 따라 산란점 정보를 이용하여 데이터를 생성하고 영상을 획득하는 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 10은 도 9에 도시된 흐름도를 개략적으로 보여주는 개념도이다. 부연하면, 제 2 기법은 표적이 보이지 않는 영역의 수신 신호를 추정하여 추적 레이더에서 얻은 수신 신호와 동일하게 만들어주고 이를 기존의 추적 레이더에서 사용하는 움직임 보상 기법을 적용하여 영상을 획득하는 기법이다.

도 9를 참조하면, 산란점 추출 과정(단계 S910), 안테나 이득 보상 과정(단계 S920), 관측되지 않는 영역에서의 수신 신호 추정 과정(단계 S930), 마지막으로 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 움직임 보상 과정(단계 S940) 총 4가지 과정으로 이루어져 있다.

첫 번째 과정으로 표적이 관측되지 않는 시간에서의 수신신호를 얻기 위해 1차원 산란점 추출 기법을 통해서 표적의 산란점들(도 10의 1010)을 추출하게 된다. 이 때, 수신 신호에 잡음이 섞여 있으면 표적의 정확한 산란점 개수를 파악하기 어렵게 된다. 따라서, 우선 압축 센싱(compressed sensing) 기법을 이용하여 도 11과 같이 산란점의 개수를 추정한 후, 1차원 산란점 추출을 통해 표적의 산란점을 추출한다(단계 S910).

이후, 추적 레이더에서는 표적의 움직임에 따라 빔 조향을 하여 빔의 중심에 표적이 존재하도록 하는 반면, 탐색 레이더는 표적의 위치나 움직임에 상관없이 회전을 하고 있으므로 표적이 빔의 중심에 존재하지 않을 수 있다. 그러므로 빔 내 표적의 위치에 따라서 해당 방향으로 빔의 이득이 다르게 된다. 따라서, 도 12와 같은 안테나 이득 보상 과정(도 10의 1020)을 통해서 이를 해결한다(단계 S920).

도 9를 계속 참조하면, 안테나 이득 보상 과정의 완료이후, 산란점 추출 과정에서 구한 각 거리 프로파일(range profile)에서의 산란점 위치들을 이용하여 보이지 않는 영역에서의 산란점들의 위치(도 10의 1030)를 추정한다(단계 S930). 먼저, 첫 번째, 두 번째 관측되는 영역에서 산란점 위치 정보를 이용하여 표적의 평균 속도를 구한다. 이를 속도와 가속도 관계식을 통해서 두 관측되는 영역 사이의 관측되지 않는 영역에서의 가속도를 구하고, 두 번째 관측되는 영역에서의 정확한 표적의 위치를 파악한다. 이 위치는 첫 번째 관측되는 영역에서의 표적 위치에 상대적인 위치이다.

두 번째로 각 산란점들의 첫 번째, 두 번째 관측되는 영역에서의 속도를 구하고 이를 가속도 운동할 때의 위치 변화 식에 대입하여 관측되지 않는 영역에서의 산란점들의 위치를 추정한다. 여기서 구한 산란점의 위치 정보와 앞서 구한 산란강도를 GTD(Generalized Triangular Decomposition) 기반의 신호 모델에 대입하여, 관측되지 않는 영역에서의 수신 신호를 추정한다.

앞의 과정을 통해 추적 레이더의 신호와 유사한 수신 신호가 획득되면, 기존의 ISAR 움직임 보상 기법을 이용하여 최종적으로 ISAR 영상(도 10의 1040)을 획득한다(단계 S940). 여기서 움직임 보상 기법으로는 최소 엔트로피법(minimum entropy method)을 기반으로 하는 SSA(stage-by-stage approach) 기법을 이용한다.

도 11은 도 9에 도시된 산란점 추출 단계(S910)를 더 상세하게 보여주는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 일부 버스트(펄스 레이더(pulse radar)는 여러 개의 pulse 신호를 송신하고, 표적에 맞고 그 표적에 관한 정보를 싣고 돌아오는 pulse 신호를 수신하게 되는데, 이때 수신된 한 pulse 신호를 버스트(burst)라고 한다)를 위해 압축 센싱을 하고(단계 S1110), 산란점의 개수를 추정한 후(단계 S1120), 1차원 산란점 추출을 통해 각 버스트에 대해 표적의 산란점을 추출한다(단계 S1130).

도 12는 도 9에 도시된 안테나 이득 보상 단계(S920)를 더 상세하게 보여주는 흐름도이다. 도 12를 참조하면, 모든 거리 프로파일(range profile)에서 구한 산란강도의 최대값을 각 산란점별로 구한다(단계 S1210). 다음으로, 각 거리 프로파일(range profile)에서 각 산란점들의 산란강도를 앞서 구한 최대값들로 만들어 주기 위하여 각각의 스케일링 팩터(scaling factor)들을 구한다(단계 S1220).

구한 거리 팩터(range profile)에서 각 산란점들의 스케일링 팩터(scaling factor)에 대해 평균을 내어 최종적으로 해당 거리 프로파일(range profile)의 스케일링 팩터(scaling factor)의 평균을 구한다(단계 S1230). 마지막으로, 이를 해당 신호에 곱해줌으로써, 안테나 이득 보상 과정을 마치게 된다(단계 S1240).

도 13은 도 9에 도시된 SSA(stage-by-stage approach) 기법의 개념을 보여주는 흐름도이다. 도 13을 참조하면, SSA 기법은 거리 정렬(range alignment) 과정(단계 S1320)과 위상 보정 (phase adjustment) 과정(단계 S1330)으로 이루어져 있다. 물론, 거리 정렬 과정 이전에 데이터 압축 해제 과정(단계 S1310)이 있으며, 위상 보정 과정 이후에는 ISAR 영상으로 압축하는 과정(단계 S13410)이 있다.

거리 정렬 과정(단계 S1320)은 표적의 이동에 따라서 산란점들이 다른 거리 빈(range bin)으로 이동하는 것을 보상해주는 과정으로 두 인접한 거리 프로파일(range profile)의 크기의 합의 엔트로피(entropy)가 최소가 되도록 보상한다.

위상 보정 과정은 거리 정렬 후 여전히 남아 있는 위상 오차들을 보상해주기 위해 수행하는 과정으로 전체 ISAR 영상의 entropy가 최소가 되도록 각 range profile에 위상을 더해준다. 거리 정렬 과정과 위상 보정 과정을 모두 거치면 최종적으로 표적에 대한 ISAR 영상을 획득한다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 탐색 레이더에서 영상을 획득하는 레이더 영상 획득 시스템의 구성도이다. 도 14를 참조하면, 표적(10)을 추적하는 탐색 레이더(1410), 이 탐색 레이더(1410)로부터 수신 신호를 받아 처리하여 ISAR 영상을 생성하는 신호 처리 장치(1420) 등으로 구성된다.

탐색 레이더(1410)는 제 1 탐색 레이더와 이 제 1 탐색 레이더로부터 일정 간격으로 배치되는 제 2 탐색 레이더로 구성될 수 있다. 물론, 한 쌍 보다 더 많은 탐색 레이더가 구성될 수도 있다.

신호 처리 장치(1420)는 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 입력받아, 상기 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 이용하여 탐색 레이더의 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 모듈(1421), 상기 다중 표적의 각 표적에 대한 상기 수신 신호를 분류하는 분류부(1423), 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법 또는 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법을 이용하여 각 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 생성부(1425) 및, 획득된 레이더 영상을 처리하여 저장 및/또는 디스플레이하는 영상 처리부(1427) 등으로 포함하여 구성된다.

명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

10: 표적
1410: 레이더
1420: 신호 처리 장치
1421: 수신 신호 생성 모듈
1423: 분류부
1425: 생성부
1427: 영상 처리부

Claims

(a) 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 입력받는 단계;
(b) 상기 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 이용하여 360도 회전하면서 모든 방향에서 표적을 탐지하는 탐색 레이더의 수신 신호를 생성하는 단계;
(c) 상기 다중 표적의 각 표적에 대한 상기 수신 신호를 분류하는 단계; 및
(d) 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법 또는 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법을 이용하여 각 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계는,
상기 수신 신호를 갖는 다중 표적의 원본 데이터를 획득하는 단계;
상기 다중 표적의 데이터로부터 산람점들을 추출하여 고해상도 데이터로 변환하는 단계;
휴-트랜스폼(Hough-transform) 기법을 이용하여 상기 고해상도 데이터로부터 각 표적의 움직임에 의해 생성되는 직선들의 특성들을 추출하여 저장하는 단계; 및
상기 직선들의 특성들을 이용하여 상기 산란점들 모두에 대해 표적별로 분류하고, 상기 원본 데이터 내에 데이터를 표적별로 분류하는 단계;포함하는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 탐색 레이더의 수신 신호는 수학식
(여기서, s(v,w)는 탐색 레이더의 수신신호이고, v는 시간을 나타내는 파라미터이며, w는 광대역 주파수에 대해 주파수를 나타내는 파라미터이며, G_v는 안테나의 이득이며, A_k와 R_vk는 각각 산란점의 산란강도와 탐색 레이더간 거리이고, K는 표적을 이루는 산란점의 수이고, c는 빛의 속도이며, f_w는 주파수 샘플이고, u(v)는 탐색 레이더가 바라보는 방향에 따라 표적이 보이면 1의 값을 가지고 보이지 않으면 0의 값을 갖는다)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법은, 한 쌍의 탐색 레이더의 2회 관측에서 획득되는 각 산란점들의 직선 거리(cross range)와 회전 차수에 따른 각 산람점들 사이의 관계를 이용하여 각 산란점들 사이의 간격이 결정되는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법은, 획득한 수신 신호로부터 추출된 표적의 산란점 정보를 이용하여 보이지 않는 영역에서의 수신 신호를 생성하고, 추적 레이더의 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 움직임 보상 기법으로 상기 수신 신호를 보상하여 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 산란점 정보는 압축 센싱 기법을 이용하여 산란점의 개수를 추정한 후 상기 산란점의 개수를 이용하여 1차원 산란점을 추출하여 생성되는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 보이지 않는 영역에서의 수신 신호는 일정거리로 이격되는 한 쌍의 탐색 레이더에 의해 첫 번째 관측되는 제 1 관측 영역과 두 번째 관측되는 제 2 관측 영역 사이의 관측되지 않은 영역에서의 속도 및 가속도 관계식을 이용하여 추정되는 산란점들의 위치 정보 및 산란 강도를 GTD(generalized triangular decomposition) 기반의 신호 모델에 대입하여추정되는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 ISAR 움직임 보상 기법은 최소 엔트로피법(minimum entropy method)을 기반으로 하는 SSA(stage-by-stage approach) 기법이며,
상기 SSA 기법은 인접한 2개의 거리 프로파일의 크기의 합의 엔트로피가 최소가 되도록 보상하는 거리 정렬 및 상기 거리 정렬 후에도 여전히 남아 있는 위상 오차들을 보상해주기 위해 전체 ISAR 영상의 엔트로피가 최소가 되도록 각 거리 프로파일에 위상을 더해주는 위상 보정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 방법.
360도 회전하면서 모든 방향에서 표적을 탐지하는 탐색 레이더 및 상기 탐색 레이더로부터 수신 신호를 받아 처리하여 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상을 생성하는 신호 처리 장치를 포함하는 레이더 영상 획득 시스템에 있어서,
상기 신호 처리 장치는,
다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 입력받아, 상기 다중 표적 정보 및 레이더 시스템 사양 정보를 이용하여 탐색 레이더의 수신 신호를 생성하는 수신 신호 생성 모듈;
상기 다중 표적의 각 표적에 대한 상기 수신 신호를 분류하는 분류부; 및
산란점간 거리차를 이용한 영상 획득 기법 또는 산란점 정보를 이용한 데이터 생성 및 영상 획득 기법을 이용하여 각 표적에 대한 레이더 영상을 획득하는 생성부;를 포함하며,
상기 분류부는,
상기 수신 신호를 갖는 다중 표적의 원본 데이터를 획득하고, 상기 다중 표적의 데이터로부터 산람점들을 추출하여 고해상도 데이터로 변환하고, 휴-트랜스폼(Hough-transform) 기법을 이용하여 상기 고해상도 데이터로부터 각 표적의 움직임에 의해 생성되는 직선들의 특성들을 추출하여 저장하고, 상기 직선들의 특성들을 이용하여 상기 산란점들 모두에 대해 표적별로 분류하고, 상기 원본 데이터 내에 데이터를 표적별로 분류하는 것을 특징으로 하는 탐색 레이더를 이용한 레이더 영상 획득 시스템.