KR102174321B1 - 광역 고해상도 sar 영상 구현 방법 및 광역 고해상도 sar 영상 구현 장치 - Google Patents

광역 고해상도 sar 영상 구현 방법 및 광역 고해상도 sar 영상 구현 장치 Download PDF

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Abstract

광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법 및 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은, 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성하는 단계와, 상기 OFDM 파형에 위상 천이(Phase transition)를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성하는 단계와, 선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 단계, 및 상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수로 출력하여, SAR 영상을 구현하는 단계를 포함한다.

Description

광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법 및 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치{WIDE-SWATH HIGH-RESOLUTION SAR IMAGE GENERATING METHOD AND WIDE-SWATH HIGH-RESOLUTION SAR IMAGE GENERATING SYSTEM}
본 발명은 광역 고해상도 SAR 영상 시스템에 적용되는 잡음 OFDM 파형 생성 기술에 연관되며, 기존의 OFDM 파형에 인위적으로 노이즈를 실어 다중 OFDM 파형군의 생성 자유도를 향상시키는 것에 연관된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 다음의 문헌에 개시되어 있다.
1) 일본 등록번호: 6391054 (2018.08.31), "식별자에 의한 관측 영역의 광역화와 고분해능화를 실현하는 합성개구 레이더 장치"
2) 한국 등록번호: 10-1207220 (2012.11.27), "고해상도 ＳＡＲ 진폭 영상의 경계선 정밀 추출 방법"
3) 일본 등록번호: 6324108 (2018.04.20), "합성개구 레이더 장치"
일반적으로 합성개구 레이더(SAR, Synthetic Aperture Radar) 위성은 넓은 지역의 원격 탐사의 사용이 가능하여, 다양한 분야에서의 활용도가 증가하고 있는 추세이다. 최근 짧은 재방문 주기에 대한 광역 감시에 대한 관심이 증가하여, 광역의 고해상도 SAR 영상 획득에 관한 요구가 증가하고 있다.
위성 레이다 영상이 넓은 관측폭을 확보하기 위해서는 거리 방향의 모호성을 낮추기 위해 펄스 반복 주파수를 줄여야 하지만, 이에 따라 방위 방향으로의 해상도가 낮아져 고해상도 영상을 획득하기가 어려워진다. 또한 이를 해결하기 위해 큰 안테나를 사용하게 되면, 위성의 무게와 크기가 증가하여 제약이 있을 수 있다.
기존 연구 사례에서는 광역 고해상도 SAR 시스템에 적용하기 위한 파형으로, OFDM 파형의 주파수 대역을 변화시키거나 부분적으로 위상 천이를 적용한 사례가 있으나, 최적의 성능을 갖는 파형군을 찾기가 어려워 성능 개선이 제한되고 있다.
이처럼 광역의 고해상도 SAR 영상을 획득하기 위해, 각 안테나를 통해 독립적으로 수신한 부관측영역의 신호를 합성하여 확장된 관측폭을 확보하는 MIMO SAR의 연구가 진행되고 있으며, MIMO SAR 기술을 기반으로 광역 고해상도 영상을 획득하기 위한 효율적인 파형 운용 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 기존의 OFDM 파형에 인위적으로 노이즈를 실어 광역 고해상도 합성개구 레이더(이하, 'SAR') 영상 시스템을 구현하는데 필요한 다중 OFDM 파형군을 제약 없이 생성할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 OFDM 파형에 랜덤 위상 천이 기법을 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군의 생성 자유도를 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 다중 OFDM 파형군 중에서 성능이 우수한 잡음 OFDM 신호를 선택적으로 이용 함으로써, 광역 고해상도 SAR 영상의 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 부호율 천이 기법을 추가적으로 적용하여 다중 OFDM 파형군을 확장 함으로써 성능 개선 효과를 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은, 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성하는 단계와, 상기 OFDM 파형에 위상 천이(Phase transition)를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성하는 단계와, 선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 단계, 및 상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수로 출력하여, SAR 영상을 구현하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는, 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성하는 파형 생성부와, 상기 OFDM 파형에 위상 천이를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성하는 노이즈 발생부와, 선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 신호 선별부, 및 상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수로 출력하여, SAR 영상을 구현하는 영상 구현부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, OFDM 파형에 랜덤 위상 천이 기법을 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군의 생성 자유도를 높임으로써, 성능이 우수한 잡음 OFDM 신호를 선택할 수 있는 대상을 확장할 수 있고, 구현되는 광역 고해상도 SAR 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 OFDM 파형에 위상 천이 및 부호율 천이를 적용하여, OFDM 파형 생성의 제약 및 상호 간섭 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상호 간섭이 낮은 파형의 개수를 임의로 증가시킬 수 있어, SAR 영상의 관측폭을 임의로 확장하는 것이 용이해지고, 기존의 하드웨어 변경을 최소화하면서 소프트웨어 기반으로 광역 고해상도 SAR 영상의 생성이 가능해진다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 우수한 다중 파형군을 추출하는 방법을 적용하여 광역 SAR 영상의 품질 저하를 최소화 하면서 관측폭을 임의로 넓힐 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 다중 OFDM 파형군을 이용하여 SAR 영상을 생성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 다중 OFDM 파형군을 송출하고 수신하는 MIMO SAR 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, OFDM 파형의 생성 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 잡음 OFDM 신호를 생성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, LFM 신호와 잡음 OFDM 신호의 스펙트럼을 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 잡음 OFDM 신호를 이용해 구현한 SAR 영상의 일례를 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 기존 OFDM 파형과 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상의 성능을 비교한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 기존 OFDM 파형과 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상의 거리 방향 모호성 품질을 비교한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 파형 생성부(110), 노이즈 발생부(120), 신호 선별부(130) 및 영상 구현부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
파형 생성부(110)는 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성한다.
일례로, 파형 생성부(110)는 상기 입력되는 신호를 선형 변조(LFM)하여, 상기 OFDM 파형에 대한 기저 신호를 생성하고, 상기 기저 신호로서 생성된 LFM 신호를, 다중 직교 주파수 분할 변조(OFDM)하여, 복수의 주파수 구간으로 분할된 상기 OFDM 파형을 생성할 수 있다.
노이즈 발생부(120)는 상기 OFDM 파형에 위상 천이(예, 랜덤 위상 천이)를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성한다.
일례로, 노이즈 발생부(120)는 랜덤 행렬을 기반으로, 상기 OFDM 파형 내 상기 복수의 주파수 구간이 가지는 위상을 천이하고, 위상이 천이된 각 주파수 구간을 파형 간 간섭이 최소가 되도록 재배치하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 생성할 수 있다.
이때, 노이즈 발생부(120)는 NⅹM개의 주파수 구간 사이에 간섭이 최소가 되도록 설계된 랜덤 행렬을 이용하여, N개의 대역폭과 M개의 펄스폭을 갖는 다중 OFDM 파형군을 생성할 수 있다.
즉 노이즈 발생부(120)는 기존의 OFDM 파형에 위상 천이를 통해 인위적으로 노이즈를 발생시켜, 다수의 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성할 수 있다.
또한, 노이즈 발생부(120)는 상기 OFDM 파형에 부호율 천이(Code rate transition)를 더 적용하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 임의로 확장시킬 수 있다.
이때, 노이즈 발생부(120)는 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호가, SAR 영상의 구현에 필요한 부관측폭(sub-swath)의 수 이상이 될 때까지, 상기 위상 천이 또는 상기 부호율 천이를 반복할 수 있다.
기존 OFDM에 의해서는 주파수 분할 구간의 수가 제한되어 SAR 영상을 광역으로 구현하는 데 한계가 있을 수 있으나, 본 발명에 따르면, 부관측폭의 수에 맞춰 잡음 OFDM 신호를 자유롭게 증가시킬 수 있으므로, 광역 SAR 영상을 용이하게 구현할 수 있고, SAR 영상 구현시 선택 가능한 잡음 OFDM 신호가 많아지므로 성능이 우수한 신호를 선별하여 SAR 영상의 품질을 높일 수 있게 된다.
실시예에 따라, 노이즈 발생부(120)는 임의의 기저 신호로서 생성한 LFM 신호에, 랜덤 위상 및 부호율 천이 신호를 적용하여, OFDM 변조와, 위상 천이, 부호율 천이 및 주파수 구간의 재배치를 랜덤으로 실시하여, 노이즈를 가진 OFDM 신호(잡음 OFDM 신호)를 무제한으로 생성할 수 있다.
신호 선별부(130)는 선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별한다.
일례로, 신호 선별부(130)는 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호 각각에 대해, 도플러 내성 특성 및 상호 간섭 품질을 분석하고, 도플러 내성 특성 또는 상호 간섭 품질이 기준치 이상으로 분석된 상기 제1 잡음 OFDM 신호를, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 선별할 수 있다.
즉 노이즈 발생부(120)는 SAR 영상을 광역으로 구현을 위해 선택 가능한 다중 OFDM 파형군을 제한 없이 생성할 수 있고, 신호 선별부(130)는 생성된 다중 OFDM 파형군 중에서 실제로 SAR 영상 구현에 사용할 제1 잡음 OFDM 신호를, 도플러 내성 특성이나 상호 간섭 성능에 따라 선별할 수 있다.
이처럼 신호 선별부(130)는 도플러 내성 특성과 상호 간섭 성능이 우수한 잡음 OFDM 신호를 선택적으로 이용할 수 있어, SAR 영상을 광역으로 구현하는 경우에도, 높은 성능이 유지되도록 할 수 있다.
영상 구현부(140)는 상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수(PRF, Pulse Repetition Frequency)로 출력하여, SAR 영상을 구현한다.
일례로, 영상 구현부(140)는 상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 SAR 영상에 대한 부관측폭의 수(N) 만큼 선별되면, 펄스 발생 장치(150)를 통해, 상기 제1 잡음 OFDM 신호 각각을 상기 펄스 반복 주파수에 따라 순차적으로 출력할 수 있다.
여기서 SAR 영상 구현시 PRF는 Azimuth Sampling Frequency로 적용될 수 있고, 상기 부관측폭의 수(N)는 SAR 영상에 대한 총관측폭을, 설정된 부관측폭으로 나눈 값으로 산출될 수 있다.
또한, 영상 구현부(140)는 출력된 상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 부관측폭 마다 구비된 각 안테나(160)에 의해 각각 수신되면, 수신된 상기 제1 잡음 OFDM 신호에 의해 획득되는 각 서브 영상을 합성하여, 상기 SAR 영상을 구현할 수 있다.
일례로 영상 구현부(140)는 각 안테나(160)를 통해 독립적으로 수신된 N개의 제1 잡음 OFDM 신호를 정합 필터에 적용하여, N개로 분할된 관측 영역에 해당하는 각 서브 영상을 결합한 광역의 SAR 영상을 원하는 해상도로 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 OFDM 파형에 인위적으로 노이즈를 실어 광역 고해상도 SAR(Synthetic Aperture Radar) 영상 시스템을 구현하는데 필요한 다중 OFDM 파형군을 제약 없이 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, OFDM 파형에 랜덤 위상 천이 기법을 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군의 생성 자유도를 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 다중 OFDM 파형군 중에서 성능이 우수한 잡음 OFDM 신호를 선택적으로 이용 함으로써, 광역 고해상도 SAR 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 부호율 천이 기법을 추가적으로 적용하여 다중 OFDM 파형군을 확장 함으로써 성능 개선 효과를 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 다중 OFDM 파형군을 이용하여 SAR 영상을 생성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 다중 OFDM 파형군 중에서 N개의 상호 독립된 잡음 OFDM 신호를 선별하여, 펄스 발생 장치를 통해 순차적으로 송출하고, N개의 부관측폭 마다 구비된 각 안테나를 통해, 각각의 잡음 OFDM 신호를 독립적으로 수신하고, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 수신한 각 잡음 OFDM 신호를 신호 처리하여 광역 고해상도 SAR 영상을 구현할 수 있다.
이때 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 파형 간의 상호 간섭이 최소화된 잡음 OFDM 신호를 선별 함으로써, SAR 영상을 생성하는데 지장이 없을 정도로 우수한 도플러 내성과 해상도 성능을 유지할 수 있다.
여기서, 총 관측폭은 획득 가능한 부관측폭 수에 비례하며 이는 각 파형(N개의 잡음 OFDM 신호) 간의 상호 간섭 품질에 의해 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 다중 OFDM 파형군을 송출하고 수신하는 MIMO SAR 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 OFDM 파형 ф(n,m)에, 위상 천이 및 부호율 천이를 적용하여 인위적으로 노이즈를 발생시켜 다중 OFDM 파형군(Orthogonal Waveform Set)을 생성하고, 상기 다중 OFDM 파형군 중에서 도플러 내성 및 상호 간섭 성능이 우수한 N개의 잡음 OFDM 신호(S1_dim1~ Sn_dimN)를 선별하여, N개로 분할된 SAR 관측 영역에, 정해진 펄스 반복 주파수에 따라 순차적으로 송출할 수 있다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는, N개로 분할된 SAR 관측 영역 마다 구비된 각 안테나를 통해, 독립적으로 수신되는 잡음 OFDM 신호를, 정합필터(MF1~MFn)에 통과시켜 신호 처리 함으로써, 광역 고해상도 SAR 영상을 구현할 수 있다.
즉 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 N개의 잡음 OFDM 신호를 통해 획득한 서브 영상을 합성하여 넓은 관측 영역에 대한 SAR 영상을 고해상도로 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, OFDM 파형의 생성 일례를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 입력되는 임의의 신호를 선형 변조(LFM)하여 기저 신호를 생성하고, 상기 기저 신호로서 생성된 LFM 신호를, 다중 직교 주파수 분할 변조(OFDM)하여, 복수의 주파수 구간으로 분할된 OFDM 파형을 생성할 수 있다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 기저 신호로서 생성한 LFM 신호가 사용하는 동일한 주파수 대역을, 복수의 주파수 구간으로 분할한 후 재배치하여 OFDM 파형을 생성할 수 있다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 동일한 대역폭을 공유하는 OFDM 파형이 가지는 잡음 위상의 분포를 인위적으로 조절하여 상호 간섭의 크기가 억제되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 잡음 OFDM 신호를 생성하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 임의의 기저 신호로서 생성한 LFM 신호에, 랜덤 위상 및 부호율 천이 신호를 적용하여, 인위적으로 노이즈를 발생시킨 임의의 잡음 OFDM 신호를 생성할 수 있다.
이하에서는 임의의 잡음 OFDM 파형을 생성하는 과정을 구체적으로 설명한다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 입력되는 신호를 선형 변조하여 임의의 기저 신호로서 LFM 신호(기저 LFM 신호)를 수학식 1과 같이 생성할 수 있다.
Figure 112019040986933-pat00001
여기서 rect[ ]는 윈도우 함수, fs는 시작 주파수, kr은 주파수 변조율(chirp rate), 쎄는 전체 펄스폭을 나타낸다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 기저 LFM 신호를 시간과 주파수 영역에서 N×M개의 구간으로 분할한 후, 이를 주어진 랜덤 행렬 R을 기반으로 재배열하여 다중 OFDM 파형군을 생성할 수 있다. 이때 랜덤 행렬은 서로 다른 파형 간의 간섭이 최소가 되도록 설계된다.
N개의 대역폭과 M개의 펄스폭을 갖는 OFDM 첩 신호 파형은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019040986933-pat00002
수학식 2에서, fn,m, krn,m은 각각 n행 m열에서의 주파수 초기값과 변조율이며, Tb는 서브 첩 신호의 펄스폭으로써, 전체 Tb/M과 같다.
n행 m열에 대응하는 OFDM의 서브 첩 신호 파형 ф(n,m)군의 배열은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019040986933-pat00003
여기서 Φ(n,m)은 n번째 시간 구간과 m번째 주파수 구간의 파형을 정의하고, krn,m은 Φ(n,m)의 주파수 변조율로서 각 구간에서 독립적으로 정의된다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 ф(n,m)로 구성된 Φ 중에서, 임의의 구간을 선택적으로 추출해 조합하여 최종 OFDM 파형을 얻을 수 있다.
이를 위해 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 임의로 설계한 랜덤 행렬 R과의 행렬곱을 수학식 4와 같이 실시할 수 있다. 랜덤 행렬 R은 N×M의 크기를 가지며 0과 1로 구성된다.
Figure 112019040986933-pat00004
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, LFM 신호와 잡음 OFDM 신호의 스펙트럼을 비교한 도면이다.
도 6a는 임의의 기저 신호로 사용된 LFM 신호의 스펙트럼을 나타내고, 도 6b는 도 6a의 LFM 신호를 바탕으로 인위적으로 노이즈를 발생시켜 생성한 잡음 OFDM 신호를 시간-주파수 영역에 따라 도시한 스펙트럼을 나타낸다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 도 6a에 도시된 LFM 신호에서 사용하는 주파수 대역을, 도 6b와 같이 8개의 구간으로 분할한 후 각 구간을 임의로 재배치하여, 파형 간의 상호 간섭을 줄일 수 있다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 잡음 위상 변조를 적용 함으로써, 기존의 단순 OFDM 변조를 적용할 경우 주파수 분할 구간을 임의로 늘릴 때 성능이 저하되는 문제를 해결하여, 주파수 분할 구간을 임의로 증가시킬 수 있다.
도 6b는 주파수 구간을 8개로 분할한 것을 예시하고 있으나, 위상 천이 및 부호율 천이를 통해 인위적으로 노이즈를 발생시킬 경우, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 주파수 구간을 8개 이상, 즉 넓은 관측 영역의 SAR 영상 구현을 위한 부관측폭의 수 이상으로 증가시키면서도, 우수한 도플러 내성 특성 및 상호 간섭 성능을 유지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 잡음 OFDM 신호를 이용해 구현한 SAR 영상의 일례를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 도 5에서 생성한 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 이용하여 SAR 점표적 영상을 도 7과 같이 구현할 수 있다. 이는 기존 선형 변조 파형(LFM 신호)에 의해 구현되는 점표적 영상과 유사한 품질을 나타낼 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 기존 OFDM 파형과 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상의 성능을 비교한 도면이다.
도 8a에는 기존 OFDM 파형을 이용하여 생성한 SAR 영상에서의 거리 방향 결과가 도시되어 있고, 도 8b에는 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상 간 거리 방향 결과가 도시되어 있다.
도 8a 및 도 8b의 그래프를 비교하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 기존 OFDM 파형을 이용한 경우 광역 관측폭이 증가할수록 도플러 천이에 따른 부정합이 발생하여 성능이 저하되지만, 다중 OFDM 파형군을 이용할 경우에는 도플러 천이를 억제하여 SAR 영상의 품질을 우수하게 유지할 수 있음을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치에서, 기존 OFDM 파형과 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상의 거리 방향 모호성 품질을 비교한 도면이다.
도 9a에는 기존 OFDM 파형을 이용하여 생성한 SAR 영상이 도시되어 있고, 도 9b에는 다중 OFDM 파형군을 이용해 생성한 SAR 영상이 도시되어 있다.
도 9a 및 도 9b를 비교하면, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치는 기존 OFDM 파형을 이용한 경우 파형 간의 간섭이 증가하여 모호성이 증가하게 되지만, 다중 OFDM 파형군을 이용할 경우에는 파형 간의 간섭이 억제되어, 광역 관측 시에도 우수한 SAR 영상 품질을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 11에서는 본 발명의 실시예들에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은 상술한 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 단계(1010)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성한다.
단계(1020)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 상기 OFDM 파형에 위상 천이를 적용해 노이즈를 발생시켜 다중 OFDM 파형군을 생성한다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성할 수 있다.
단계(1030)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 선정된 기준에 따라 성능이 우수한 제1 잡음 OFDM 신호를 부관측폭의 수 만큼 선별한다.
단계(1040)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 선별한 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수(PRF)로 출력(송출)하여, 광역 고해상도 SAR 영상을 구현한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은 상술한 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 11을 참조하면, 단계(1110)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 LFM 기저 신호 파형을 생성한다.
즉 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 입력되는 임의의 신호를 선형 변조(LFM)하여, 생성하려는 OFDM 파형에 대한 기저 신호를 생성할 수 있다.
단계(1120 내지 1140)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 상기 LFM 기저 신호 파형에 랜덤 위상 천이 및 부호율 천이를 적용하고, 부반송파의 펄스폭 및 밴드폭을 재배치 하여, 잡음 OFDM 파형(이하, 다중 OFDM 파형군)을 생성한다.
즉 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 랜덤 위상 천이 및 부호율 천이를 통해 기존 OFDM 파형에 인위적으로 노이즈를 싣는 방식으로, 부반송파(잡음 OFDM 신호)의 수를 증가시킬 수 있기 때문에, 광역 SAR 영상 구현을 위해 필요한 부관측폭의 수(N)가 늘어나더라도, 그에 상응하는 잡음 OFDM 신호를 제약 없이 송출할 수 있다.
또한 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 파형 간의 상호 간섭이 억제되도록 펄스폭과 밴드폭을 재배치하여, 다중 OFDM 파형군의 상호 간섭 성능을 높일 수 있다.
단계(1150 내지 1160)에서, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는, 상기 다중 OFDM 파형군에 대한 도플러 내성 특성을 분석하고, 상기 도플러 내성 특성이 우수한 파형(제1잡음 OFDM 신호)를 선정한다.
또한, 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는, 상기 다중 OFDM 파형군에 대한 상호 간섭 성능을 분석하고, 파형 간의 간섭이 적은 제1 잡음 OFDM 신호를, 부관측폭의 수(N) 만큼 선별할 수 있다.
광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치(100)는 N개의 제1잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수(PRF)에 따라 순차적으로 송출하여 획득되는 각 서브 영상을 합성함으로써, 광역 고해상도 SAR 영상을 높은 품질로 구현할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따르면, OFDM 파형에 랜덤 위상 천이 기법을 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군의 생성 자유도를 높임으로써, 성능이 우수한 잡음 OFDM 신호를 선택할 수 있는 대상(후보군)을 확장할 수 있고, 구현되는 광역 고해상도 SAR 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치
110: 파형 생성부
120: 노이즈 발생부
130: 신호 선별부
140: 영상 구현부
150: 펄스 발생 장치
160: 안테나

Claims (15)

  1. 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성하는 단계;
    상기 OFDM 파형에 위상 천이(Phase transition)를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성하는 단계;
    선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 단계; 및
    상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수로 출력하여, SAR 영상을 구현하는 단계
    를 포함하고,
    상기 SAR 영상을 구현하는 단계는,
    상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 SAR 영상에 대한 부관측폭의 수 만큼 선별되면, 펄스 발생 장치를 통해, 상기 제1 잡음 OFDM 신호 각각을 상기 펄스 반복 주파수에 따라 순차적으로 출력하는 단계; 및
    출력된 상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 부관측폭 마다 구비된 각 안테나에 의해 각각 수신되면, 수신된 상기 제1 잡음 OFDM 신호에 의해 획득되는 각 서브 영상을 합성하여, 상기 SAR 영상을 구현하는 단계
    를 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은,
    상기 OFDM 파형에 부호율 천이(Code rate transition)를 더 적용하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 확장시키는 단계
    를 더 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법은,
    상기 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호가, 상기 SAR 영상의 구현에 필요한 부관측폭(sub-swath)의 수 이상이 될 때까지, 상기 위상 천이 또는 상기 부호율 천이를 반복하는 단계
    를 더 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 OFDM 파형을 생성하는 단계는,
    상기 입력되는 신호를 선형 변조(LFM)하여, 상기 OFDM 파형에 대한 기저 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 기저 신호로서 생성된 LFM 신호를, 다중 직교 주파수 분할 변조(OFDM)하여, 복수의 주파수 구간으로 분할된 상기 OFDM 파형을 생성하는 단계
    를 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다중 OFDM 파형군을 생성하는 단계는,
    랜덤 행렬을 기반으로, 상기 OFDM 파형 내 복수의 주파수 구간이 가지는 위상을 천이하는 단계; 및
    위상이 천이된 각 주파수 구간을 파형 간 간섭이 최소가 되도록 재배치하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 생성하는 단계
    를 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 단계는,
    상기 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호 각각에 대해, 도플러 내성 특성 및 상호 간섭 품질을 분석하는 단계; 및
    상기 도플러 내성 특성 또는 상기 상호 간섭 품질이 기준치 이상으로 분석된 상기 제1 잡음 OFDM 신호를, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 선별하는 단계
    를 포함하는 광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부관측폭의 수는,
    상기 SAR 영상에 대한 총관측폭을, 설정된 부관측폭으로 나눈 값으로 산출되는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 방법.
  9. 입력되는 신호를 변조하여, OFDM 파형을 생성하는 파형 생성부;
    상기 OFDM 파형에 위상 천이를 적용하여, 노이즈를 가지는 잡음 OFDM 신호로 이루어진 다중 OFDM 파형군을 생성하는 노이즈 발생부;
    선정된 기준에 따라, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 적어도 일부의 제1 잡음 OFDM 신호를 선별하는 신호 선별부; 및
    상기 제1 잡음 OFDM 신호를 정해진 펄스 반복 주파수로 출력하여, SAR 영상을 구현하는 영상 구현부
    를 포함하고,
    상기 영상 구현부는,
    상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 SAR 영상에 대한 부관측폭의 수 만큼 선별되면, 펄스 발생 장치를 통해, 상기 제1 잡음 OFDM 신호 각각을 상기 펄스 반복 주파수에 따라 순차적으로 출력하고,
    출력된 상기 제1 잡음 OFDM 신호가, 상기 부관측폭 마다 구비된 각 안테나에 의해 각각 수신되면, 수신된 상기 제1 잡음 OFDM 신호에 의해 획득되는 각 서브 영상을 합성하여, 상기 SAR 영상을 구현하는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 노이즈 발생부는,
    상기 OFDM 파형에 부호율 천이를 더 적용하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 확장시키는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 노이즈 발생부는,
    상기 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호가, 상기 SAR 영상의 구현에 필요한 부관측폭의 수 이상이 될 때까지, 상기 위상 천이 또는 상기 부호율 천이를 반복하는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 파형 생성부는,
    상기 입력되는 신호를 선형 변조(LFM)하여, 상기 OFDM 파형에 대한 기저 신호를 생성하고, 상기 기저 신호로서 생성된 LFM 신호를, 다중 직교 주파수 분할 변조(OFDM)하여, 복수의 주파수 구간으로 분할된 상기 OFDM 파형을 생성하는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 노이즈 발생부는,
    랜덤 행렬을 기반으로, 상기 OFDM 파형 내 상기 복수의 주파수 구간이 가지는 위상을 천이하고, 위상이 천이된 각 주파수 구간을 파형 간 간섭이 최소가 되도록 재배치하여, 상기 다중 OFDM 파형군을 생성하는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 신호 선별부는,
    상기 다중 OFDM 파형군을 이루는 잡음 OFDM 신호 각각에 대해, 도플러 내성 특성 및 상호 간섭 품질을 분석하고,
    상기 도플러 내성 특성 또는 상기 상호 간섭 품질이 기준치 이상으로 분석된 상기 제1 잡음 OFDM 신호를, 상기 다중 OFDM 파형군으로부터 선별하는
    광역 고해상도 SAR 영상 구현 장치.
  15. 삭제
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JP2017513024A (ja) * 2014-03-26 2017-05-25 シメオ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング レーダシステムの方法、レーダシステム及びレーダシステムの装置

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