본 논문은 임펄스 초광대역 레이다를 이용한 ISAR 영상의 기하보정 방법에 대해 서술하였다. 임펄스 초광대역 레이다는 시간영역에서 신호처리를 하므로 다중 경로, 간섭 문제 등이 일어나지 않는 장점이 있다. 안테나와 대상체 사이의 송수신 신호를 평면파라고 가정하면, ISAR기하 모델에서 회전축의 중심을 점표적을 이용하여 계산한다. 수신 데이터에서 합성을 수행하기 전, 점표적은 최대 점의 위치를 최소 자승법으로 근사하여 회전축의 중심을 알아낼 수 있다. 이 방법은 대조비가 더 뛰어난 영상을 얻을 수 있었고, 엔트로피도 가장 큰 값을 가질 수 있었다. 이러한 방법은 장비를 최초 작동하거나 주기적으로 사용되어서 회전축의 중심을 보상하여 영상 합성을 할 것이다. 의료나 보안 감시와 같은 고정된 기하를 가지는 영상화 장비에서 유용하게 사용될 것이다.
본 논문은 임펄스 초광대역 레이다를 이용한 ISAR 영상의 기하보정 방법에 대해 서술하였다. 임펄스 초광대역 레이다는 시간영역에서 신호처리를 하므로 다중 경로, 간섭 문제 등이 일어나지 않는 장점이 있다. 안테나와 대상체 사이의 송수신 신호를 평면파라고 가정하면, ISAR 기하 모델에서 회전축의 중심을 점표적을 이용하여 계산한다. 수신 데이터에서 합성을 수행하기 전, 점표적은 최대 점의 위치를 최소 자승법으로 근사하여 회전축의 중심을 알아낼 수 있다. 이 방법은 대조비가 더 뛰어난 영상을 얻을 수 있었고, 엔트로피도 가장 큰 값을 가질 수 있었다. 이러한 방법은 장비를 최초 작동하거나 주기적으로 사용되어서 회전축의 중심을 보상하여 영상 합성을 할 것이다. 의료나 보안 감시와 같은 고정된 기하를 가지는 영상화 장비에서 유용하게 사용될 것이다.
In this paper, a method of ISAR geometric calibration is represented by using impulse-radio UWB radar. The ir-UWB is good for using a signal processing in time domain, so, it does not occur a multi-path or coupling problem. If a signal that between antennas and target is assumed a plane wave, a cent...
In this paper, a method of ISAR geometric calibration is represented by using impulse-radio UWB radar. The ir-UWB is good for using a signal processing in time domain, so, it does not occur a multi-path or coupling problem. If a signal that between antennas and target is assumed a plane wave, a center of rotation in ISAR geometry model can be estimated by using point target. Before image is reconstructed with sinogram, the center of rotation can be calculated by using least square fitting. This method can be obtained a more contrast image, and a maximum value of entropy of image. The method, that estimates a center of rotation in received data, will be used a initial setup of instruments or a periodic compensation to reconstruct image. It would be useful in medical, security and surveillance imaging equipments that have a fixed geometry.
In this paper, a method of ISAR geometric calibration is represented by using impulse-radio UWB radar. The ir-UWB is good for using a signal processing in time domain, so, it does not occur a multi-path or coupling problem. If a signal that between antennas and target is assumed a plane wave, a center of rotation in ISAR geometry model can be estimated by using point target. Before image is reconstructed with sinogram, the center of rotation can be calculated by using least square fitting. This method can be obtained a more contrast image, and a maximum value of entropy of image. The method, that estimates a center of rotation in received data, will be used a initial setup of instruments or a periodic compensation to reconstruct image. It would be useful in medical, security and surveillance imaging equipments that have a fixed geometry.
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문제 정의
본 논문에서는 임펄스 초광대역 레이다를 이용한 ISAR 영상에서 기하 보정하는 방법에 대해서 소개하였다. 보정을 위해서 점표적을 생성하였고, 기하적인 회전축의 중심을 찾아 보상함을 통해서 영상 품질이 향상되는 것을 보였다.
. 본 논문에서는 점표적을 관측하여 기하적인 변수를 계산하여 ISAR 영상 합성과정에서 자동 초점 조정(auto-focusing) 방법을 제안하고, 영상을 통해서 결과를 확인한다.
ISAR에서 움직이는 표적의 위상 오차를 제거하기 위해서 엔트로피 기반의 자동초점 기법을 연구가 시도되었다[7]. 본 연구에서는 정적인 표적이 턴테이블의 회전축을 중심으로 회전하면서 일어나는 위상의 변화를 정확하게 기하를 계산하여 합성하는 방법을 제안한다.
가설 설정
회전판의 반지름보다 안테나와 대상체 사이의 거리가 멀어서 수신되는 펄스를 그림 1과 같은 평면파(plane wave)로 가정한다. 대상체의 3차원적인 효과를 2차원으로 가정한다.
델타 함수보다 펄스 폭이 넓어지게 된다. 본 연구에서 수신된 신호의 높이가 가장 높은 지점을 표적의 위치라고 가정하겠다. 각각의 각도 θi에 따른 표적의 위치를 mi라고 하면 아래의 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 일정 각도를 회전하는 판을 이용한다. 회전판의 반지름보다 안테나와 대상체 사이의 거리가 멀어서 수신되는 펄스를 그림 1과 같은 평면파(plane wave)로 가정한다. 대상체의 3차원적인 효과를 2차원으로 가정한다.
제안 방법
2차원의 영상을 얻기 위해서 도플러 이동이 다른 1차원의 영상을 합성해야 된다. 본 연구에서는 일정 각도를 회전하는 판을 이용한다. 회전판의 반지름보다 안테나와 대상체 사이의 거리가 멀어서 수신되는 펄스를 그림 1과 같은 평면파(plane wave)로 가정한다.
대상 데이터
ISAR 영상을 얻기 위해서 표 1과 같은 ir-UWB 레이다를 구성하였다. 시스템은 약 30 ps의 펄스폭을 같은 신호 생성기와 이를 3 ns에 1,024번 샘플링을 할 수 있는 고속으로 샘플링 유닛, 회전축을 일정 각도씩 회전시키는 제어기로 구성된다.
. 본 연구에서는 수십 피코초의 펄스폭을 가지는 임펄스 초광대역 레이다(impulse-radio UWB) 신호를 사용한다[9]～[11]. 대개, UWB(Ulatra WIde Band) 신호는 500 MHz 이상, 수 GHz의 광대역신호를 일컫는데, ir(impulse-radio)는 짧은 펄스 폭을 가지는 신호를 송수신하여 광대역의 장점을 갖고, 시간 영역에서 신호 처리가 가능하여 다양한 장점을 가진다[10].
ISAR 영상을 얻기 위해서 표 1과 같은 ir-UWB 레이다를 구성하였다. 시스템은 약 30 ps의 펄스폭을 같은 신호 생성기와 이를 3 ns에 1,024번 샘플링을 할 수 있는 고속으로 샘플링 유닛, 회전축을 일정 각도씩 회전시키는 제어기로 구성된다. 또한, 각각의 장비를 윈도우 기반의 PC로 연결하였다.
이론/모형
2-2절에서 언급한 것과 같이 각각의 회전각도에서 최대 지점의 인덱스를 추출한다. 계산된 인덱스와 식 (7)의 주어진 함수 사이의 차이의 제곱을 최소화하는 변수 B를 찾는 곡선적합(curve fitting)을 수행하였다. 극좌표에서 점표적의 초기위치를 나타내는 C와 0는 미지수로 두었다.
영상 합성방법에는 일반적인 ISAR와 다르게 0도부터 360도의 모든 각도를 관측하는 경우이기 때문에 반사 토모그래피(reflection tomography)의 방법을 이용해서 FBP(Filtered Back Projection) 방법으로 영상을 합성하도록 하겠다[13],[14].
성능/효과
본 논문에서는 임펄스 초광대역 레이다를 이용한 ISAR 영상에서 기하 보정하는 방법에 대해서 소개하였다. 보정을 위해서 점표적을 생성하였고, 기하적인 회전축의 중심을 찾아 보상함을 통해서 영상 품질이 향상되는 것을 보였다. 하지만 ISAR 영상 합성하는 과정에서 적용되는 윈도우, 필터와 FBP 알고리즘에 따라서 결과가 달라질 수 있을 것으로 예상된다.
이 결과는 그림 8과 같이 얻을 수 있는데, 식 (7)에 의해 계산된 값을 실선으로 나타내었고, 계산된 인덱스를 점으로 표시하였다. 전체적으로 모델의 실선이 주어진 데이터를 잘 따라가는 것을 확인할 수 있다.
회전축의 중심의 위치를 어긋났을 경우 영상의 초점이 잘 맞지 않는 것을 볼 수 있다. 회전축의 중심을 얻어진 데이터를 기반으로 기하학적인 관계를 이용하여 보정하고, 이 값을 이용하여 영상을 합성하는 것은 영상 품질에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
잡음이나 부엽에 의한 영향이 크다면 다양한 밝기의 값을 가지므로 엔트로피 값이 작아지게 된다. 회전축의 중심을 제안한 알고리즘으로 계산한 결과에서 가장 큰 엔트로피가 나왔다. 엔트로피는 영상 품질의 지표로서 어떠한 밝기의 값이 많이 분포하는 좋은 영상이 합성되었다고 볼 수 있다.
후속연구
앞으로 ISAR가 의료 영상에 사용된다면 시스템의 구성이 바뀌지 않으면 회전축의 중심과 안테나 간의 거리가 달라지지 않을 것이지만, 주기적으로 이와 같은 기하보정을 수행하여야 할 것이므로, 기하 보정에 대한 연구는 매우 중요하다. 또, 본 연구에서는 근사적으로 근거리에 대한 연구를 하였지만, 실제 대상 물체와 안테나가 가깝다면 원거리에 대해서 연구를 수행하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ISAR이란?
최근 전자기파를 이용하여 2차원의 영상을 합성(recon- struction)하는 다양한 방법들이 제안되고 있다[1]. ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar)는 전자기파를 이용하여 움직이는 물체에 대한 2차원 영상을 얻을 수 있는 방법 중의 하나이다. ISAR는 SAR와 대조적으로 레이다가 고정 되어 있고, 방위(azimuth) 방향의 해상도는 표적의 회전운동과 관련이 있다.
거리(range) 방향의 해상도는 무엇에 비례하는가?
ISAR는 SAR와 대조적으로 레이다가 고정 되어 있고, 방위(azimuth) 방향의 해상도는 표적의 회전운동과 관련이 있다. 공통적으로는 거리(range) 방향의 해상도가 송신 주파수의 대역폭에 비례한다[2]. 표적의 운동을 인위적으로 생성하기 위해서 일정하게 회전하는 턴테이블(turn table)을 이용하는 방법들이 제안되어왔다[3]～[5].
수십 피코초의 펄스폭을 가지는 임펄스 초광대역 레이다의 장점은?
본 연구에서는 수십 피코초의 펄스폭을 가지는 임펄스 초광대역 레이다(impulse-radio UWB) 신호를 사용한다[9]～[11]. 대개, UWB(Ulatra WIde Band) 신호는 500 MHz 이상, 수 GHz의 광대역신호를 일컫는데, ir(impulse-radio)는 짧은 펄스 폭을 가지는 신호를 송수신하여 광대역의 장점을 갖고, 시간 영역에서 신호 처리가 가능하여 다양한 장점을 가진다[10]. 이를 요약하면, 무반사 챔버(anechoic chamber)가 필요하지 않고, 거리방향 압축(range compression)이 필요 없고, 물체의 투과성이 뛰어나다.
참고문헌 (14)
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이성현, 강민석, 박상홍, 신승용, 양은정, 김경태, "계단 첩 파형(Stepped Chirp Waveform)을 이용한 ISAR 영상 형성", 한국전자파학회논문지, 25(9), pp. 930-937, 2014년 9월.
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B. Levitas, J. Matuzas, "UWB radar high resolution ISAR imaging", Second International Workshop Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, pp. 228-230, 2004.
F. -C. Chen, W. C. Chew, "Time-domain ultra-wideband microwave imaging radar system", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 17, pp. 313-331, 2003.
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