[논문]실시간 영상형성 및 원시데이터 획득용 SAR 테스트 베드

신현익; 권경일; 윤상호; 김형석; 황정훈; 고영창; 유응노; 김진우

doi:10.9766/kimst.2017.20.2.181

Abstract ▼ AI-Helper

Synthetic aperture radar(SAR) has been widely used for reconnaissance. It provides high-resolution, day-and-night and weather-independent images for a multitude of applications. Because SAR coherently combines many viewing angles to effectively create a large aperture(narrow beam) radar, the test-be...

Synthetic aperture radar(SAR) has been widely used for reconnaissance. It provides high-resolution, day-and-night and weather-independent images for a multitude of applications. Because SAR coherently combines many viewing angles to effectively create a large aperture(narrow beam) radar, the test-bed should be capable of moving straightly SAR sensor for the integration angle to meet resolution. This paper describes the test-bed developed to test and evaluate the SAR performance. It forms high-quality images in real time and saves the raw data for the purpose of post processing on the ground.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 PIPER 항공기의 개조 및 승인을 통해 SAR 장비와 SAR 장비를 시험하기 위해 필요한 각종 장비들을 탑재할 수 있는 테스트 베드를 구축하고,반복적인 비행시험을 통해 개발 중인 SAR 장비의 성능을 확인하였다.

가설 설정

GPS 수신기로부터 획득된 비행체의 위치정보는 RS232 통신을 통해 노트북에 저장되며, 지상의 고정된 지점 또는 정확한 위치를 알고 있는 기준국에서 획득한 GPS 수신기 정보와 결합하여 CDGPS(Carrier Phase Differential GPS) 기능을 수행함으로써 수 cm의 정확도로 비행체 위치를 계산할 수 있다. 따라서 이와 같이 계산된 결과를 비행체의 실제 비행경로로 가정하고,직선비행에서 얼마나 벗어나 비행했는지의 지표로 사용하였다.

제안 방법

EGI는 SAR의 실시간 영상형성 시, 요동보상 알고리즘 수행에 필요한 비행체의 위치, 속도 및 자세정보 등을 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 전자/처리세트로 제공하며, 전자/처리세트의 처리부는 실시간으로 형성된 영상은 물론 원시(Raw) 데이터와 영상형성에 필요한 관련 정보들까지 동시에 저장함으로써 지상에서의 후(Post) 처리를 통해 실시간 처리의 문제점 확인 및 개선을 쉽게 할 수 있도록 하여준다. 또한EGI와 전자/처리세트간의 CAN 통신상에서의 문제를 확인할 수 있도록 1553B 통신을 통한 EGI 데이터 저장 기능도 추가하였다.
SAR 장비 및 기타 시험장비에 필요한 전력은 배터리 및 비행체의 DC28V 전원을 사용하여 공급된다. 신뢰성 있는 항법데이터 이용을 위해 사전 정렬(Align)이 요구되는 EGI와 상대적으로 전력소모가 적은 GPS 수신기에는 배터리 전원을, 점검장비 및 점검장비 제어기에 필요한 AC220V는 비행체의 DC28V를 변환하여사용하였으며, SAR 장비 운용에 필요한 DC28V는 고출력 송신 시에도 안정적인 전력이 공급될 수 있도록 UPS(Uninterruptible Power Supply)와 AC/DC 변환기를 거쳐 공급되도록 구성하였다.
개발된 SAR 장비의 성능확인을 위한 비행시험은 인가된 공역 내에서 사전 항공촬영 허가를 득하고 Fig. 6과 같이 장주(Race Track) 형태의 비행을 하면서 촬영중심점(P1~P12) 전후 구간에서 원하는 표적지역(T2~T6)을 촬영하는 방식으로 수행되었다. 시험결과로 제시된 10,00 ft 영상은 P10 중심점 전후 구간에서 T3 지역을 촬영한 영상이다.
비행시험에서 획득된 SAR 영상의 촬영위치 정확도는 MDF에서 설정한 촬영지역의 중심점 좌표와 SAR에서 형성된 영상의 중심점 좌표를 비교하여 확인하였으며, 영상에 대한 해상도는 촬영영역에 Fig. 7의 CR(Corner Reflector) 또는 LR(Luneberg Reflector)을 설치하고 이에 대한 IRF(Impulse Response Function) 특성을 통해 확인하였다. LR은 360° 전 방향에 대해 일정한 RCS(Radar Cross Section) 값을 나타내기 때문에 고해상 모드의 스퀸트(Squint) 영상 품질분석에 매우 유용하게 활용되었다.
MDF 상에서의 영상 중심과 획득된 영상에서의 중심은 수십 m 이하의 오차를 나타내었으며, 영상품질 면에서도 양호한 결과를 확인할 수 있었다. 특히 SAR에 있어서 가장 중요한 요구규격 가운데 하나인 해상도는 영상형성 지역에 설치한 표준 표적인 CR의 IRF 분석을 통해 규격 만족을 확인하였다. 또한 CR 영상에 대한 SNR(Signal-toNoise Ratio) 분석을 통해 SAR 체계설계(SAR System Design)에 대한 타당성도 확인하였다.
특히 SAR에 있어서 가장 중요한 요구규격 가운데 하나인 해상도는 영상형성 지역에 설치한 표준 표적인 CR의 IRF 분석을 통해 규격 만족을 확인하였다. 또한 CR 영상에 대한 SNR(Signal-toNoise Ratio) 분석을 통해 SAR 체계설계(SAR System Design)에 대한 타당성도 확인하였다.
SAR 장비의 기능 및 성능을 확인하기 위한 테스트베드를 구성하고, PIPER 항공기를 이용한 개조/승인을 통해 이를 구현하였다.

대상 데이터

따라서 안테나/김발세트는 동체 중앙 배면에 돌출하여 장착되는 것이 운용 측면에서 가장 효율적이다. 이러한 이유로 하여 광학영상 촬영목적으로 항공기 중앙에 사각 홀이 뚫어져 있는 PIPER(PA31-350)를 SAR 테스트 베드용 항공기로 선정하였다.
6과 같이 장주(Race Track) 형태의 비행을 하면서 촬영중심점(P1~P12) 전후 구간에서 원하는 표적지역(T2~T6)을 촬영하는 방식으로 수행되었다. 시험결과로 제시된 10,00 ft 영상은 P10 중심점 전후 구간에서 T3 지역을 촬영한 영상이다.
9에서 훨씬 길게 나타남을 확인할 수 있다. 성능 확인을 위하여 Fig 8의 CR 위치 영역에 Fig. 7 (a)의 CR 2개를 논둑에 위치시켰으며, Fig.8의 CR 위치 영역을 확대한 Fig. 11 영상에서 2개의 CR을 확인할 수 있다. 또한 영상의 음영 방향에서 확인할 수 있듯이 가로축이 거리방향, 세로축이 비행(방위)방향 이다.

이론/모형

10은 인터넷 포탈에서 제공된 동일 지역의 광학영상이다. 표준영상 형성은 RDA(Range Doppler Algorithm)와 PGA(Phase Gradient Autofocus) 알고리즘이 적용되었다. MDF 상에서의 영상 중심과 획득된 영상에서의 중심은 수십 m 이하의 오차를 나타내었으며, 영상품질 면에서도 양호한 결과를 확인할 수 있었다.

성능/효과

GPS 수신기로부터 획득된 비행체의 위치정보는 RS232 통신을 통해 노트북에 저장되며, 지상의 고정된 지점 또는 정확한 위치를 알고 있는 기준국에서 획득한 GPS 수신기 정보와 결합하여 CDGPS(Carrier Phase Differential GPS) 기능을 수행함으로써 수 cm의 정확도로 비행체 위치를 계산할 수 있다. 따라서 이와 같이 계산된 결과를 비행체의 실제 비행경로로 가정하고,직선비행에서 얼마나 벗어나 비행했는지의 지표로 사용하였다.
동체 하단에 돌출하여 장착된 안테나/김발세트를 보호하고, 비행 역학적 안정성을 보장하기 위해 설치된 레이돔은 안테나의 빔 패턴 및 전력 손실을 초래할 수 있다. 이에 따른 안테나 빔 패턴 영향성은 근접전계(Near Field) 측정을 통해 사전에 확인하였으며, 전력손실은 실제 사용하는 레이돔 보다 큰 값을 보였으나 테스트 베드용으로 사용하기에는 무리가 없는 정도로 확인되었다.
표준영상 형성은 RDA(Range Doppler Algorithm)와 PGA(Phase Gradient Autofocus) 알고리즘이 적용되었다. MDF 상에서의 영상 중심과 획득된 영상에서의 중심은 수십 m 이하의 오차를 나타내었으며, 영상품질 면에서도 양호한 결과를 확인할 수 있었다. 특히 SAR에 있어서 가장 중요한 요구규격 가운데 하나인 해상도는 영상형성 지역에 설치한 표준 표적인 CR의 IRF 분석을 통해 규격 만족을 확인하였다.
25도 이다. 즉, Fig. 9가 Fig. 8에 비해 낮은 고도의 먼 거리에서 촬영된 관계로 영상의 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 차이를 확인할 수 있으며 산들에 의한 음영(Shadow) 영역이 Fig. 9에서 훨씬 길게 나타남을 확인할 수 있다. 성능 확인을 위하여 Fig 8의 CR 위치 영역에 Fig.
구현된 테스트 베드의 효용성을 확인하기 위하여,개발 장비를 탑재하고 비행시험을 수행하였으며 양호한 영상을 획득할 수 있었다, 촬영된 영상의 품질은 CR의 IRF 특성을 통해 확인하였으며, 획득된 표준영상의 해상도가 설계규격을 만족하였다.

후속연구

본 시험에서 사용된 전자/처리세트는 실시간 영상처리뿐만 아니라 원시데이터 또한 동시에 획득할 수 있기 때문에 SAR 알고리즘 개발은 물론 지상 및 해상 이동표적 탐지 알고리즘 개발에 필요한 데이터 획득용으로도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거리에 무관한 해상도를 얻기 위해 필요한 조건은?	SAR의 이러한 방위방향 해상도는 레이다가 공간상에서 직선 비행을 하면서 전자파를 송신하고 반사 신호를 획득하면, 특정 지점에서 반사된 신호의 도플러주파수가 선형적으로 변화하는 원리를 이용하여 구현된다[3]. 이러한 원리를 이용하여 거리에 무관한 해상도를 얻기 위해선, 경사거리(Slant Range)에 관계없이 항상 방위방향 누적 각(Integration Angle)을 동일하게 유지해야 한다. 따라서 표적이 멀어질수록 데이터 수신을 위한 비행거리 또한 늘어나야 하며,원하는 해상도에 따라서는 수 km 이상을 비행하여야 한다.
	SAR 장비는 무엇으로 구성되어있는가?	성능확인을 위해 탑재되는 SAR 장비는 전자/처리 세트(Electronic and Processing Set)와 안테나/김발 세트(Antenna and Gimbal Set)로 구성되어 있다. 전자/처리 세트는 광대역의 고출력 송신신호를 생성하고 안테나에서 수신한 미약한 신호를 증폭/변조하는 송수신부,수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 신호처리 및 영상형성 알고리즘을 수행하는 처리부 및 SAR 운용을 제어하는 통제부로 구성되어 있으며, 안테나/김발 세트는 RF 신호를 공간상에 방사하고 반사되어온 신호를 획득하는 안테나와 고각(Elevation) 및 방위(Azimuth) 방향의 2축 구동기로 안테나가 원하는 방향을 지향하도록 하는 김발부로 구성되어 있다.
	네트워크 중심의 현재 전장에서 고해상도 영상정보 획득을 위한 대표적 수단은 무엇인가?	네트워크 중심의 현대전에서 전장의 주도권을 선점하기 위해서는 우주 및 항공 감시정찰체계를 활용한 고해상도 영상정보 획득이 필수적이다. 이를 위한 대표적인 수단이 정찰위성 및 유·무인 항공기 체계이며,SAR(영상레이다)는 주·야간 구름 등의 영향을 받지 않고 높은 해상도의 영상을 획득할 수 있는 장점 때문에 군사용으로 그 역할이 증가하고 있을 뿐만 아니라 해상도 또한 지속적으로 향상되고 있다[2].

참고문헌 (6)

A. Moreira, "A Tutorial on Synthetic Aperture Radar," IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, pp 6-42, March, 2013
G. R. Benitz, "Synthetic Aperture Radar(SAR) Tutorial," MTI Lincoln Laboratory, October, 2009.
J. C. Curlander and R. N. McDonough, "Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing," John Wiley and Sons, Inc. New York, 1991.
Peter Hoogeboom, et. al., “The PHHRUS Project, Results of the Definition Study Including the SAR Testbed PHARS,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 30, No. 4, pp. 723-735, July, 1992.

상세보기
Bruce Walker, et. al., "A High-Resolution, Four-Band SAR Testbed with Real-Time Image Formation," International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 1881-1885, 1996.
B. J. Smith, W. Gramer and R. Cannon, "Precision Dynamic SAR Testbed for Tactical Missiles," 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings, pp. 2220-2224, 2004.

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