위성 Synthetic Aperture Radar (SAR)를 활용하는 주요 기술 중 하나는 이동 물체를 탐지하고 그 이동 속도를 분석하는 것이다. 해상에서 이동하는 선박의 속도를 복원하는 경우 대상체 및 주변 신호의 특성이 육상의 경우와는 크게 다르다. 선박의 크기가 지상 물체보다 크고 signal-to-clutter ratio (SCR)이 높으며, 항적이 존재하기 때문에 그 방향을 결정하는 것이 지상 물체에 비하여 더 용이하다. 반면 선박의 이동 속도는 느리며, 주변 해수면이 지속적으로 움직이기 때문에 선박의 이동에 의한 신호와 배경의 신호를 구분하는 것이 어렵고, 대상체의 산란 중심이 움직이는 것도 무시할 수 없다. 이 연구에서는 ...
위성 Synthetic Aperture Radar (SAR)를 활용하는 주요 기술 중 하나는 이동 물체를 탐지하고 그 이동 속도를 분석하는 것이다. 해상에서 이동하는 선박의 속도를 복원하는 경우 대상체 및 주변 신호의 특성이 육상의 경우와는 크게 다르다. 선박의 크기가 지상 물체보다 크고 signal-to-clutter ratio (SCR)이 높으며, 항적이 존재하기 때문에 그 방향을 결정하는 것이 지상 물체에 비하여 더 용이하다. 반면 선박의 이동 속도는 느리며, 주변 해수면이 지속적으로 움직이기 때문에 선박의 이동에 의한 신호와 배경의 신호를 구분하는 것이 어렵고, 대상체의 산란 중심이 움직이는 것도 무시할 수 없다. 이 연구에서는 도플러 주파수 분석을 통해 이동 선박을 탐지하고 주변 신호를 보정 후 선박의 거리방향 이동 속도를 추정하는 방법을 제안하고자 한다. 선박을 포함하는 영역과 포함하지 않는 영역에 대한 각각의 도플러 주파수 분석을 통해 이동하는 선박을 탐지하고 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 더 정확한 잔여 도플러 중심 주파수를 추정한다. 또한, 배경 해수면에 의한 영향과 선박의 이동 외에 추가적인 상하, 좌우 움직임에 의한 영향을 보정하기 위해 이동창 및 이동 평균을 적용하여 복원 속도의 정확성을 높이고자 하였다. 서해안의 태안 지역에서 2017년 및 2018년에 촬영한 KOMPSAT-5 자료를 이용하여 영상 내 선박을 탐지하고 거리방향 이동 속도를 복원하는 작업을 수행하였다. 현장 실험에 이용된 GPS가 탑재된 두 선박을 포함하여 총 13대의 선박을 이용하여 검증이 실시되었으며, 나머지 배들은 Auto Identification System (AIS) 시스템으로부터 검증을 위한 선박 속도가 획득되었다. SCR 및 선박의 크기가 크며 이동속도가 클수록 복원 속도의 정밀도가 좋아지는 경향을 보였다. 특히, SCR이 9 dB 이상, 선박의 크기가 30 m 이상, 또한 속력이 5 km/h 이상일 때 1.4 km/h 이하의 절대오차 및 15 % 이하의 상대오차를 가지는 것으로 분석되었다. 향후 2차원 속도 복원까지 수행된다면 SAR 영상을 이용한 선박 탐지 및 감시 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
위성 Synthetic Aperture Radar (SAR)를 활용하는 주요 기술 중 하나는 이동 물체를 탐지하고 그 이동 속도를 분석하는 것이다. 해상에서 이동하는 선박의 속도를 복원하는 경우 대상체 및 주변 신호의 특성이 육상의 경우와는 크게 다르다. 선박의 크기가 지상 물체보다 크고 signal-to-clutter ratio (SCR)이 높으며, 항적이 존재하기 때문에 그 방향을 결정하는 것이 지상 물체에 비하여 더 용이하다. 반면 선박의 이동 속도는 느리며, 주변 해수면이 지속적으로 움직이기 때문에 선박의 이동에 의한 신호와 배경의 신호를 구분하는 것이 어렵고, 대상체의 산란 중심이 움직이는 것도 무시할 수 없다. 이 연구에서는 도플러 주파수 분석을 통해 이동 선박을 탐지하고 주변 신호를 보정 후 선박의 거리방향 이동 속도를 추정하는 방법을 제안하고자 한다. 선박을 포함하는 영역과 포함하지 않는 영역에 대한 각각의 도플러 주파수 분석을 통해 이동하는 선박을 탐지하고 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 더 정확한 잔여 도플러 중심 주파수를 추정한다. 또한, 배경 해수면에 의한 영향과 선박의 이동 외에 추가적인 상하, 좌우 움직임에 의한 영향을 보정하기 위해 이동창 및 이동 평균을 적용하여 복원 속도의 정확성을 높이고자 하였다. 서해안의 태안 지역에서 2017년 및 2018년에 촬영한 KOMPSAT-5 자료를 이용하여 영상 내 선박을 탐지하고 거리방향 이동 속도를 복원하는 작업을 수행하였다. 현장 실험에 이용된 GPS가 탑재된 두 선박을 포함하여 총 13대의 선박을 이용하여 검증이 실시되었으며, 나머지 배들은 Auto Identification System (AIS) 시스템으로부터 검증을 위한 선박 속도가 획득되었다. SCR 및 선박의 크기가 크며 이동속도가 클수록 복원 속도의 정밀도가 좋아지는 경향을 보였다. 특히, SCR이 9 dB 이상, 선박의 크기가 30 m 이상, 또한 속력이 5 km/h 이상일 때 1.4 km/h 이하의 절대오차 및 15 % 이하의 상대오차를 가지는 것으로 분석되었다. 향후 2차원 속도 복원까지 수행된다면 SAR 영상을 이용한 선박 탐지 및 감시 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Detection of ground moving objects and retrieval of their velocity is one of the useful applications of satellite-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) system. Compared with SAR applications to on-land ground objects, it is necessary to account for the characteristics of sea surface and targets when ...
Detection of ground moving objects and retrieval of their velocity is one of the useful applications of satellite-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) system. Compared with SAR applications to on-land ground objects, it is necessary to account for the characteristics of sea surface and targets when the SAR is applied to ship’s velocity retrieval in the sea. First, the size of ship is usually larger than that of ground moving vehicles. Second, the signal-to-clutter ratio (SCR) of ships in the sea is larger than vehicles on land. Third, a ship wake pattern is frequently observed as a ship moves on the sea surface. These features make it relatively easier to detect the moving ships and determine their heading direction. On the contrary, it is often difficult to clearly distinguish the target signals from the clutters mainly because of their slow speed and constantly moving sea surface. In addition, the fact that the scattering center of targets continuously moves by roll, pitch and yaw of a ship during SAR observation. This study aims at proposing a method detecting moving ships and estimating their range velocity by Doppler frequency analysis. The ship detection is conducted by comparison of frequency spectra of target and background sea surface. An accurate residual Doppler centroid is estimated through an eigenvector decomposition of the sample covariance matrix. Sliding windows are employed to correct the effect of unstable sea surface and unnecessary movement such as roll and pitch. KOMPSAT-5 SAR single-look complex (SLC) data acquired on the Taean region, Korea, in 2017 and 2018 ware used for this study. On KOMPSAT-5 SAR data acquisition, two experimental ships were also deployed with a pre-defined velocity and direction as well as GPS measurement. A total of 13 ships including the two ships with an on-board GPS were used as reference ships whose velocities were mostly measured by Auto Identification system (AIS) when GPS is not available. The estimation accuracy increases with a SCR especially higher than 9 dB, the size of ship longer than 30 m, and speed over 5 km/h. Under such conditions, the estimated velocity errors were less than 1.4 km/h in absolute velocity or, 15 % in percentage error. To achieve higher precision of retrieved range velocity, it is necessary to account for sea state. If the two-dimensional velocity retrieval of ships is accomplished in the near future, the proposed method can be widely used for ship detection and surveillance using SAR images.
Detection of ground moving objects and retrieval of their velocity is one of the useful applications of satellite-borne Synthetic Aperture Radar (SAR) system. Compared with SAR applications to on-land ground objects, it is necessary to account for the characteristics of sea surface and targets when the SAR is applied to ship’s velocity retrieval in the sea. First, the size of ship is usually larger than that of ground moving vehicles. Second, the signal-to-clutter ratio (SCR) of ships in the sea is larger than vehicles on land. Third, a ship wake pattern is frequently observed as a ship moves on the sea surface. These features make it relatively easier to detect the moving ships and determine their heading direction. On the contrary, it is often difficult to clearly distinguish the target signals from the clutters mainly because of their slow speed and constantly moving sea surface. In addition, the fact that the scattering center of targets continuously moves by roll, pitch and yaw of a ship during SAR observation. This study aims at proposing a method detecting moving ships and estimating their range velocity by Doppler frequency analysis. The ship detection is conducted by comparison of frequency spectra of target and background sea surface. An accurate residual Doppler centroid is estimated through an eigenvector decomposition of the sample covariance matrix. Sliding windows are employed to correct the effect of unstable sea surface and unnecessary movement such as roll and pitch. KOMPSAT-5 SAR single-look complex (SLC) data acquired on the Taean region, Korea, in 2017 and 2018 ware used for this study. On KOMPSAT-5 SAR data acquisition, two experimental ships were also deployed with a pre-defined velocity and direction as well as GPS measurement. A total of 13 ships including the two ships with an on-board GPS were used as reference ships whose velocities were mostly measured by Auto Identification system (AIS) when GPS is not available. The estimation accuracy increases with a SCR especially higher than 9 dB, the size of ship longer than 30 m, and speed over 5 km/h. Under such conditions, the estimated velocity errors were less than 1.4 km/h in absolute velocity or, 15 % in percentage error. To achieve higher precision of retrieved range velocity, it is necessary to account for sea state. If the two-dimensional velocity retrieval of ships is accomplished in the near future, the proposed method can be widely used for ship detection and surveillance using SAR images.
주제어
#선박 탐지 SAR 지상 이동물체 탐지(GMTI) 속도 복원 도플러 주파수 KOMPSAT-5 ship detection ground moving target indication (GMTI) velocity retrieval Doppler frequency
학위논문 정보
저자
백민영
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
지구시스템과학과
지도교수
원중선
발행연도
2019
총페이지
viii, 79장
키워드
선박 탐지 SAR 지상 이동물체 탐지(GMTI) 속도 복원 도플러 주파수 KOMPSAT-5 ship detection ground moving target indication (GMTI) velocity retrieval Doppler frequency
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