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데이터 손실이 있는 RCS 데이터에서 압축 센싱 이론을 적용한 ISAR 영상 복원 알고리즘 연구
A Study on the ISAR Image Reconstruction Algorithm Using Compressive Sensing Theory under Incomplete RCS Data 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.9, 2014년, pp.952 - 958  

배지훈 (포항공과대학교 전자공학과) ,  강병수 (포항공과대학교 전자공학과) ,  김경태 (포항공과대학교 전자공학과) ,  양은정 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 불완전한 radar-cross-section(RCS) 데이터로부터 inverse synthetic aperture radar(ISAR) 영상 복원과 동시에 표적의 회전각도를 추정하기 위한 compressive sensing(CS) 기반의 레이더 신호 모델을 적용한 parametric sparse 복원 알고리즘을 제안하고자 한다. Sparse 복원 알고리즘으로는 iteratively-reweighted-least-square(IRLS) 기법을 이용하여 각도 방향(cross-range)에서 모르는 처프 비율(chirp rate)의 처프 성분을 포함하는 레이더 신호 모델과 결합한다. 그리고, particle swarm optimization(PSO) 최적화 알고리즘을 이용하여 표적의 회전각도와 연관된 파라미터들을 추출한다. 따라서, RCS 데이터 샘플에 데이터 손실이 발생하더라도 본 논문의 IRLS 기반 parametric sparse 복원 알고리즘에 따라 효율적으로 ISAR 영상을 복원할 수 있고, 동시에 표적의 회전각도를 추정할 수 있다. 또한, 불완전한 RCS 데이터 샘플에 대하여 영상의 엔트로피 관점에서 본 논문에서 제안한 방법의 성능과 전통적인 보간법의 성능을 서로 비교 관찰한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a parametric sparse recovery algorithm(SRA) applied to a radar signal model, based on the compressive sensing(CS), for the ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar) image reconstruction from an incomplete radar-cross-section(RCS) data and for the estimation of rotation rate of...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 상기 IRLS 기법은 sparse 해를 구하는 최적화 처리 조건인 lp - norm을 매 반복 회수마다 가중치의 최소자승법(weighted least square)으로 대치하여 최적화를 수행한다. 따라서, 데이터 손실이 있는 RCS 데이터로부터 ISAR 영상을 복원하고, 이와 동시에 표적의 회전각도 추정을 위하여 본 논문에서 제안하는 방법은 spare 복원 알고리즘으로 상기 IRLS 기법과 ISAR 영상의 처프 신호를 구성하는 최적의 파라미터들을 구하기 위한 particle swarm optimization(PSO) 최적화 알고리즘과 서로 결합하여 상기 목적들을 달성하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
  • 따라서, 본 연구의 목적은 압축 센싱(compressive sensing: CS) 기반의 sparse 복원 알고리즘을 이용하여 데이터 손실이 있는 RCS 데이터 샘플로부터 ISAR 영상을 복원함과 동시에 표적의 회전각도를 추정하고자 한다. 이를 위하여 ISAR 영상을 위한 레이더 수신신호가 각 레인지 빈(range bin)에서 산란점 개수에 해당하는 여러 개의 처프(chirp) 신호의 합으로 모델링이 가능하고, 이를 sparse 복원 알고리즘의 기저 함수(basis functions)로 설정하여 ISAR 영상을 복원한다.
  • 본 절에서는 상기 식 (3)의 레이더 신호 모델로부터 ISAR 영상을 복원하는 알고리즘을 소개하고자 한다. 그림 2와 같이 각도 방향의 총 N개의 버스트(burst) 중에서 데이터 손실에 의하여 Na개만 수신한 경우, 식 (3)은 다음과 같은 sparse 신호 표현을 위한 행렬 및 벡터 곱으로 표현이 가능하다.

가설 설정

  • 또한, 표적의 회전 운동은 ISAR 영상을 형성하는데 도움이 되는 성분이나 레이더의 총 표적 관찰 시간인 coherent processing interval(CPI)가 길면, migration through resolution cell(MTRC) 및 시변(time-varying) 도플러 주파수 성분 때문에 표적의 회전비율이 일정하지 않아 ISAR 영상의 품질을 저해하거나 왜곡되는 현상이 발생할 수 있다[2]. 따라서, 본 연구에서는 ISAR 영상 형성을 위하여 표적의 병진 운동은 이미 보상되었다고 가정하고, CPI가 상대적으로 짧아서, CPI 구간 동안 표적의 회전비율(rotation rate)이 일정하다고 가정한다. 한편, 다표적 추적 및 식별을 위한 능동 위상 배열 안테나를 탑재한 최신 ISAR 시스템에 따르면, 여러 표적을 동시에 연달아 추적할 경우, 각 표적에 대한 완전한 RCS 데이터를 수집하지 못할 수 있다[3].
  • 먼저, ISAR 영상을 형성하기 위한 시뮬레이션 조건은 상기 표 1과 같이 주어진다. 이때, ISAR 영상을 위한 표적은 비행기 모양을 갖는 88개의 이상적인 점산란체(point-scatterer)로 구성되어 있다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실제 표적의 운동성분은 무엇을 포함하고 있나? Inverse synthetic aperture radar(ISAR) 영상은 표적의 2차원 산란점 분포들을 보여주는 진단 기법으로, 다양한 레이더 신호처리 분야에 응용되어 왔다. 일반적으로 실제 표적의 운동성분은 표적의 병진 운동(translational motion) 과 회전 운동(rotational motion)을 포함하고 있으며, 상기 표적의 병진 운동은 ISAR 영상을 왜곡시키는 성분으로, 이를 보상하기 위한 여러 가지 기법들이 연구되어 왔다[1]. 또한, 표적의 회전 운동은 ISAR 영상을 형성하는데 도움이 되는 성분이나 레이더의 총 표적 관찰 시간인 coherent processing interval(CPI)가 길면, migration through resolution cell(MTRC) 및 시변(time-varying) 도플러 주파수 성분 때문에 표적의 회전비율이 일정하지 않아 ISAR 영상의 품질을 저해하거나 왜곡되는 현상이 발생할 수 있다[2].
본 연구에서 고려하는 sparse 복원 알고리즘으로 iteratively-rewei- ghted-least-squares(IRLS) 기법을 사용하는 이유는? 이를 기반으로 본 연구에서 고려하는 sparse 복원 알고리즘으로 iteratively-rewei- ghted-least-squares(IRLS) 기법을 사용하고자 한다. 상기 IRLS 기법은 sparse 해를 구하는 최적화 처리 조건인 lp - norm을 매 반복 회수마다 가중치의 최소자승법(weighted least square)으로 대치하여 최적화를 수행한다. 따라서, 데이터 손실이 있는 RCS 데이터로부터 ISAR 영상을 복원하고, 이와 동시에 표적의 회전각도 추정을 위하여 본 논문에서 제안하는 방법은 spare 복원 알고리즘으로 상기 IRLS 기법과 ISAR 영상의 처프 신호를 구성하는 최적의 파라미터들을 구하기 위한 particle swarm optimization(PSO) 최적화 알고리즘과 서로 결합하여 상기 목적들을 달성하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
Inverse synthetic aperture radar(ISAR) 영상은 어떤 기법인가? Inverse synthetic aperture radar(ISAR) 영상은 표적의 2차원 산란점 분포들을 보여주는 진단 기법으로, 다양한 레이더 신호처리 분야에 응용되어 왔다. 일반적으로 실제 표적의 운동성분은 표적의 병진 운동(translational motion) 과 회전 운동(rotational motion)을 포함하고 있으며, 상기 표적의 병진 운동은 ISAR 영상을 왜곡시키는 성분으로, 이를 보상하기 위한 여러 가지 기법들이 연구되어 왔다[1].
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참고문헌 (9)

  1. Ganer Ozdemir, ISAR Imaing with MATLAB Algorithm, John Wiley & Sons, Inc., 2012. 

  2. G. Y. Lu, Z. Bao, "Compensation of scatterer migration through resolution cell in inverse synthetic aperture radar imaging", IEE Proc.-Radar, Sonar Navig. vol. 147, no. 2, pp. 80-85, 2000. 

  3. J. Herd, et al., "Low cost multifunction phased array radar concept", 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (ARRAY) Conf., USA, pp. 457-460, 2010. 

  4. 배지훈, 김경태, 양은정, "Sparse 복원 알고리즘을 이용한 HRRP 및 ISAR 영상 형성에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 25(4), pp. 467-475, 2014년. 

  5. J. M. Munoz-Ferreras, F. Perez-Martinez, "Uniform rotational motion compensation for inverse synthetic aperture radar with non-cooperative targets", IET Radar Sonar Navig., vol. 2, no. 1, pp. 25-34, 2008. 

  6. W. Rao, G. Li, and X. Wang, "A novel parametric sparse recovery method for ISAR image formation", 1st International Workshop on Compressed Sensing Applied to Radar (CoSeRa 2012), Bonn, Germany, 2012. 

  7. Michael Elad, Sparse and Redundant Representation, Springer, 2010. 

  8. J. Kennedy, R. Eberhart, "Particle swarm optimization", IEEE International Conference on Neural Networks, vol. 4, pp. 1942-1948, 1995. 

  9. J. Wang, X. Liu, "Measurement of sharpness and its application in ISAR imaging", IEEE Trans. on Geosci. and Remote Sens., vol. 51, no. 9, pp. 4885-4892, 2013. 

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