[논문]KOMSAR를 이용한 실제 항공기 ISAR 영상 제작

김경태; 정호령

doi:10.5515/kjkiees.2007.18.7.717

KOMSAR를 이용한 실제 항공기 ISAR 영상 제작
ISAR Imaging of a Real Aircraft Using KOMSAR 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.18 no.7 = no.122, 2007년, pp.717 - 722

김경태 (영남대학교 전자공학과) , 정호령 (포항공과대학교 전자전기공학과)

초록
AI-Helper

표적에 대한 레이더 영상 중의 하나인 ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상은 표적에 대한 전자파 산란 특성에 대한 2차원 공간 분포를 나타낸다. 이러한 ISAR 영상은 원거리에서 레이더를 이용한 표적 식별에 주로 사용된다. 본 논문에서는 움직이는 실제 항공기에 대한 ISAR 영상을 얻기 위하여, 국방과학연구소에서 제작 및 운용하고 있는 KOMSAR(Korea Miniature Synthetic Aperture Radar) 장비를 이용하여 측정을 수행하였다 이렇게 얻어진 측정된 데이터에 포함되어 있는 표적의 움직임에 의한 위상 오차를 제거하기 위하여, 엔트로피 기반 ISAR 자동 초점 기법(autofocusing technique)을 사용하였다. 실험 결과, 실제 움직이는 항공기에 대한 ISAR 영상을 성공적으로 얻을 수 있었으며, 이는 향후 레이더를 이용한 표적식별에 중요한 기술적 토대가 마련되었음을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Inverse synthetic aperture radar(ISAR) images represent two-dimensional(2-D) spatial distribution of electromagnetic scattering phenomenology against a target. Hence, they are usually used in the areas of automatic target recognition (ATR) or non-cooperative target recognition(NCTR), identifying a target using radar in a long distance. This paper makes use of Korea Miniature Synthetic Aperture Radar(KOMSAR) to generate ISAR images of a real and maneuvering aircraft. The data obtained from KOMSAR are processed to eliminate phase errors due to motion of a target, with the use of entropy-based ISAR autofocusing technique. Results show that we can successfully obtain ISAR images of a real aircraft, and the success of experiments implies that a significant step toward ATR using radar has been established.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 국내 최초로 KOMSAR를 이용하여 실제로 비행 하는 항공기에 대한 ISAR 측정 실험을 수행한 결과를 기술하였다. 특히, 관련 실험 절차 및 얻어진 ISAR 영상을 제시하고 이를 분석하였다.
이와는 달리, 본 논문에서는 KOMSAR를 지상에 고정시키고 실제 비행하는 항공기에 대한 ISAR 영상을 제작하기 위한 실험을 수행하였다. 앞에서 언급한 것처럼, 선진국의 경우, ISAR 영상 획득을 위한 전용 레이더 시스템을 구축 운용하고 있으나, 국내에서는 이러한 시스템이 없는 관계로 KOMSAR를 ISAR 영상 제작을 위한 영상 레이더로 이용하였다.

제안 방법

이동하는 항공기에 대한 위상 오차 제거를 위하여 이미 발표된 엔트로피 기반 ISAR 자동 초점 기법 刖5]을 이용하였다. ISAR 영상 획득을 위한 수학적인 모델 링 과 자동 초점 기 법 관련 내용은 2006년 12 월에 한국전자파학회논문지에 이미 발표된 논문'句 ("엔트로피 기반의 ISAR 자동 초점 기법에 대한 성능 분석”)에 자세히 기술되어 있으므로, 본 논문에서는 관련 실험 절차 및 실험 결과 얻어진 ISAR 영상에 대한 분석만을 주로 기술한다.
사진에서 중간 왼쪽에 있는 하늘색 사각형이 ISAR 측정을 위한 KOMSAR의 위치이다. 그림 1과 같이 KOM- SAR를 고정시키고 비행하는 여객기 및 군용기에 대한 측정을 실시하였다. 측정에 사용된 KOMSAR 관련 레이더 변수들은 표 1에 정리되어 있다.
실제로 비행 하는 항공기에 대한 ISAR 측정 실험을 수행한 결과를 기술하였다. 특히, 관련 실험 절차 및 얻어진 ISAR 영상을 제시하고 이를 분석하였다. 실험 결과, 100 MHz의 주파수 대역폭을 가지는 영상 레이더로도 여객기같이 큰 항공기의 경우에는 세부적인 산란 현상을 확인할 수 있는 좋은 품질의 영상을 얻었다.
따라서, 안테나의 메인 빔(main beam) 방향에서 지속적으로 신호를 얻게 되므로, 측정 데이터의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)가 매우 높다. 하지만, KOMSAR의 경우 안테나 추적이 불가능하므로 안테나를 미리 항공기의 비행경로에 지향하여 고정시켜 놓고 측정을 수행하였다. 결과적으로 KOMSAR의 수신 신호는 펄스별로 신호대 잡음비가 달라지게 된다.

대상 데이터

그림 1에서 B737 여객기의 경우, 항공기가 이륙하여 항로 변경을 위하여 왼쪽 방향으로 선회하는 동안 측정이 수행되었다. C-130 수송기의 경우, KOMSAR 전방의 약 1 km 거리에서 고도 약 600 m로 직선 비행시에 측정하였다. 이렇게 비행하는 항공기에 대하여 안테나 빔을 고정시키고 PRF를 2 kHz 로 측정을 수행하면 표적의 속도에 따라서 10, 000~ 20, 000여 개의 수신 펄스를 얻게 된다.
KOMSAR를 이용한 ISAR 영상 측정 실험은 2006 년 1월 31일과 2월 1일 양일간 김해공항에서 군부대의 협조를 얻어 수행되었다. 그림 1에는 김해공항에 대한 구글 어스에서 제공하는 사진 위에 KOMSAR 의 위치 및 측정에 사용된 두 표적인 B737 여객기 및 C-130 수송기의 비행 경로가 나타나 있다.
ISAR 자동초점 기법은 크게 거리 정렬(range ali卽ment) 과정과 위상 보정 (phase adjustment) 과정으로 이루어진다. 앞에서 언급한 것처럼 KOMSAR 실험 결과, 얻어진 측정 데이터는 이미 개발된 엔트로피 기반 자동 초점 기법【시构을 사용하여 신호처리한 후 ISAR 영상을 획득하였다.
이렇게 비행하는 항공기에 대하여 안테나 빔을 고정시키고 PRF를 2 kHz 로 측정을 수행하면 표적의 속도에 따라서 10, 000~ 20, 000여 개의 수신 펄스를 얻게 된다. 이렇게 많은 펄스를 한꺼번에 신호처리하여 ISAR 영상을 얻는 것이 아니라, 거리 직각 방향(cross-range) 해상도가 약 1 m 정도가 되도록 400개의 펄스만을 선택하여 신호처리 하였다.

이론/모형

앞에서 언급한 것처럼, 선진국의 경우, ISAR 영상 획득을 위한 전용 레이더 시스템을 구축 운용하고 있으나, 국내에서는 이러한 시스템이 없는 관계로 KOMSAR를 ISAR 영상 제작을 위한 영상 레이더로 이용하였다. 이동하는 항공기에 대한 위상 오차 제거를 위하여 이미 발표된 엔트로피 기반 ISAR 자동 초점 기법 刖5]을 이용하였다. ISAR 영상 획득을 위한 수학적인 모델 링 과 자동 초점 기 법 관련 내용은 2006년 12 월에 한국전자파학회논문지에 이미 발표된 논문'句 ("엔트로피 기반의 ISAR 자동 초점 기법에 대한 성능 분석”)에 자세히 기술되어 있으므로, 본 논문에서는 관련 실험 절차 및 실험 결과 얻어진 ISAR 영상에 대한 분석만을 주로 기술한다.

성능/효과

2) KOMSAR의 중심 주파수 및 안테나 빔 폭은 보안상의 문제로 기술할 수 없음을 양해하여 주시기 바랍니다.
물론, 표적이 메인 빔 내에 들어오는 구간 내에 약 수천에서 수만 개의 수신 신호 펄스를 얻을 수 있지만, 펄스별로 신호 대 잡음비가 달라진다. 따라서, 측정 데이터를 신호처리하여 ISAR 영상을 얻을 때, 신호 대잡음비가 낮은 펄스 부분은 제거하고 신호 대 잡음 비가 높은 펄스 부분만을 신호 처리하는 것이 유리하다. 그림 1에서 B737 여객기의 경우, 항공기가 이륙하여 항로 변경을 위하여 왼쪽 방향으로 선회하는 동안 측정이 수행되었다.
특히, 관련 실험 절차 및 얻어진 ISAR 영상을 제시하고 이를 분석하였다. 실험 결과, 100 MHz의 주파수 대역폭을 가지는 영상 레이더로도 여객기같이 큰 항공기의 경우에는 세부적인 산란 현상을 확인할 수 있는 좋은 품질의 영상을 얻었다. 그러나, 수송기의 경우에는 상대적으로 작은 크기로 인하여 그리 좋은 품질의 영상은 얻지 못하였다.

후속연구

하지만 향후 국내에서 개발되는 영상레이더의 경우, 지속적으로 주파수 대역폭이 확대될 것이므로 전투기 같이 상대적으로 크기가 작은 항공기 표적에 대해서도 고품질의 ISAR 영상을 획득할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구 결과는 향후 레이더를 사용하여 전장의 전술 정보를 획득할 수 있는 자동 표적 식 별 기 법 인 ATR 또는 NCTR 기술개발에 필요한 특성 벡터를 획득할 수 있는 중요한 기술적 토대를 마련한 것으로 사료된다.
그러나, 수송기의 경우에는 상대적으로 작은 크기로 인하여 그리 좋은 품질의 영상은 얻지 못하였다. 하지만 향후 국내에서 개발되는 영상레이더의 경우, 지속적으로 주파수 대역폭이 확대될 것이므로 전투기 같이 상대적으로 크기가 작은 항공기 표적에 대해서도 고품질의 ISAR 영상을 획득할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구 결과는 향후 레이더를 사용하여 전장의 전술 정보를 획득할 수 있는 자동 표적 식 별 기 법 인 ATR 또는 NCTR 기술개발에 필요한 특성 벡터를 획득할 수 있는 중요한 기술적 토대를 마련한 것으로 사료된다.

참고문헌 (5)

유지희, 권경일, 이용희, 'Matrix pencil 방법을 이용한 비행기 모형의 ISAR 영상화', 한국전자파학회논문지, 12(2), pp. 299-307, 2001년 2월

원문보기 상세보기
유지희, 'PFA와 CDT 알고리즘을 이용한 2차원 ISAR 영상 생성', 한국전자파학회논문지, 15(9), pp. 906-913, 2004년 9월

원문보기 상세보기
김경태, 박종일, 신영남, '극사상법을 이용한 효율적인 ISAR 영상 구분', 한국전자파학회논문지, 16(3), pp. 335-343, 2005년 3월

원문보기 상세보기
배준우, 김경태, 이진호, 임정흠, '엔트로피 기반의 ISAR 자동초점기법에 대한 성능 분석', 한국전자파학회논문지, 17(12), pp. 1249-1258, 2006년 12월

원문보기 상세보기
Li Xi, Liu Guosui, and Jinlin Ni, 'Autofocusing of ISAR images based on entropy minimization', IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 35, issue 4, pp. 1240-1252, Oct. 1999

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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