스퀸트 모드 SAR 영상 형성을 위한 역투영 알고리즘에서의 자동초점 기법 적용 연구 A Study on Autofocus Method for Back-Projection Algorithm under the Squint Mode in Synthetic Aperture Radar원문보기
요동이 존재하는 환경에서, 요동 측정 오차에 의한 성능 저하를 극복하기 위한 신호처리 방식의 자동초점(Autofocus, AF) 기법의 적용은 필수적이다. 본 논문에서는 스퀸트 모드에서 획득한 합성 개구면 레이다 데이터에 역투영 알고리즘(back-projection algorithm, BPA)으로 영상을 형성하고, AF를 효과적으로 적용하기 위한 방식을 연구하였다. 자동 초점 기법의 효과적인 적용을 위해 BPA 영상을 회전한 상태로 형성하는 방식을 제안하며, 이때 필요한 후처리 도플러 위치 정렬 함수를 유도하였으며, 비행시험을 통해 획득한 SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR) 원시 데이터에 적용하여 성능 개선을 확인함으로써, 실 데이터에서도 유효한 방식임을 확인하였다.
요동이 존재하는 환경에서, 요동 측정 오차에 의한 성능 저하를 극복하기 위한 신호처리 방식의 자동초점(Autofocus, AF) 기법의 적용은 필수적이다. 본 논문에서는 스퀸트 모드에서 획득한 합성 개구면 레이다 데이터에 역투영 알고리즘(back-projection algorithm, BPA)으로 영상을 형성하고, AF를 효과적으로 적용하기 위한 방식을 연구하였다. 자동 초점 기법의 효과적인 적용을 위해 BPA 영상을 회전한 상태로 형성하는 방식을 제안하며, 이때 필요한 후처리 도플러 위치 정렬 함수를 유도하였으며, 비행시험을 통해 획득한 SAR(Synthetic Aperture Radar, SAR) 원시 데이터에 적용하여 성능 개선을 확인함으로써, 실 데이터에서도 유효한 방식임을 확인하였다.
Autofocus(AF) Method is essential to overcome the performance degradation due to motion measurement errors under airborne SAR environment. In this paper, back-projection algorithm(BPA) is applied to SAR raw data acquired under the squinted mode, and preprocessing algorithm of AF for BPA is investiga...
Autofocus(AF) Method is essential to overcome the performance degradation due to motion measurement errors under airborne SAR environment. In this paper, back-projection algorithm(BPA) is applied to SAR raw data acquired under the squinted mode, and preprocessing algorithm of AF for BPA is investigated. To apply AF to SAR image effectively, image backplane rotation method and doppler location alignment function for BPA are proposed. The proposed method is applied to SAR raw data acquired in a flight test and shows excellent performance improvement in real data.
Autofocus(AF) Method is essential to overcome the performance degradation due to motion measurement errors under airborne SAR environment. In this paper, back-projection algorithm(BPA) is applied to SAR raw data acquired under the squinted mode, and preprocessing algorithm of AF for BPA is investigated. To apply AF to SAR image effectively, image backplane rotation method and doppler location alignment function for BPA are proposed. The proposed method is applied to SAR raw data acquired in a flight test and shows excellent performance improvement in real data.
이 논문에서는 스퀸트가 존재하는 spotlight 모드에서 획득한 SAR 원시데이터를 BPA로 형성 하고 PGA 기반의 AF를 적용하는 방법을 새롭게 제안하고자 한다. 먼저 스퀸트 모드로 획득한 영상에 AF를 적용하기 위해서 영상 형성 면(image backplane)의 회전을 통해 영상을 형성하며, BPA에 PGA를 적용하기 위해서는 반드시 도플러 정렬 함수를 구하여 SAR 영상에 먼저 적용하고 나서 PGA를 적용해야만, AF에 의한 성능 개선이 가능함을 비행 시험을 통해 획득한 SAR 원시 데이터를 활용해 입증하도록 한다.
가설 설정
즉 하나의 표적에 대하여 방위 방향 펄스 압축하기 위해서 위와 같은 연산을 수행하게 되며, 표적 지역을 거리 방향으로 M개, 방위 방향으로 N개 만큼의 표적이 존재한다고 정의한다면, N × M개의 표적에 대해서 위 수식 (4)를 이용하여 동일한 연산을 반복 수행할 경우, 영상 형성이 가능 하다. 실제로 획득한 데이터에 BPA를 적용할 경우에는, 그 표적 지역의 DEM (Digital Elevation Model) 정보를 활용 할 수 있다면, 비행체 방사 위치와 표적 지역 사이의 거리를 좀 더 정확히 알 수 있게 되어, 정확한 영상 형성이 가능하나, 이 논문에서 표적 지역은 영상 중심 지역을 기준으로 관측폭 내에서 편평하다고 가정(flatness assumption)하였다. 거리 방향 샘플링 주파수에 의해서 이산적인 수신 신호를 획득하게 되는 데, BPA에서는 안테나 위상 중심점 위치와 표적들 사이의 거리와 SRc 사이의 거리차가 샘플링 위치 사이의 값으로 표현해야 하는 경우가 대부분이므로, 반드시 거리 방향 내삽 (interpolation) 연산을 충분히 크게 수행해서 거리 압축 신호를 정밀하게 이동시켜야 샘플링에 의한 오차를 줄일 수 있다.
요동이 존재하는 환경에서, 요동 측정 오차에 의한 성능 저하가 필연적인 항공기 탑재용 SAR의 경우, 이를 신호처리로 보상하는 기법인 AF의 적용은 필수적이다. Broadside 모드와 달리 스퀸트 모드에서는 동일 해상도를 위해 필요한 SAL이 증가하게 되므로, 더 많은 요동을 경험하게 되고, 이로 인해 요동 측정 오차에 의한 열화가 심각하게 발생할 수 있다.
제안 방법
이 논문에서는 스퀸트가 존재하는 spotlight 모드에서 획득한 SAR 원시데이터를 BPA로 형성 하고 PGA 기반의 AF를 적용하는 방법을 새롭게 제안하고자 한다. 먼저 스퀸트 모드로 획득한 영상에 AF를 적용하기 위해서 영상 형성 면(image backplane)의 회전을 통해 영상을 형성하며, BPA에 PGA를 적용하기 위해서는 반드시 도플러 정렬 함수를 구하여 SAR 영상에 먼저 적용하고 나서 PGA를 적용해야만, AF에 의한 성능 개선이 가능함을 비행 시험을 통해 획득한 SAR 원시 데이터를 활용해 입증하도록 한다.
대상 데이터
우리는 제안한 방식의 성능을 입증하기 위해, 비행시험을 통해 획득한 SAR 원시 데이터를 활용하였다. 그림 8에 보는 것처럼 PIPER(PA31-350) 항공기를 선정 하여, 배면에 SAR 장비를 장착하였다.
데이터처리
비행체의 고도는 약 3 km 이며, 경사거리 33 km, 스퀸트 각도 43 deg에서 획득한 SAR 원시데이터에 BPA를 적용하여 서브 미터급 영상 형성을 수행 하였다. 거리, 방위 윈도우로 Taylor 윈도우를 적용 하였고, 이를 통해 영상 해상도와 PSLR (Peak Side Lobe Ratio), ISLR (Integrated Side Lobe Ratio)등의 부엽 성능 사이를 trade-off 하게 된다.
우리는 제안한 방식의 성능을 입증하기 위해, 비행시험을 통해 획득한 SAR 원시 데이터를 활용하였다. 그림 8에 보는 것처럼 PIPER(PA31-350) 항공기를 선정 하여, 배면에 SAR 장비를 장착하였다. 비행체의 고도는 약 3 km 이며, 경사거리 33 km, 스퀸트 각도 43 deg에서 획득한 SAR 원시데이터에 BPA를 적용하여 서브 미터급 영상 형성을 수행 하였다. 거리, 방위 윈도우로 Taylor 윈도우를 적용 하였고, 이를 통해 영상 해상도와 PSLR (Peak Side Lobe Ratio), ISLR (Integrated Side Lobe Ratio)등의 부엽 성능 사이를 trade-off 하게 된다.
성능/효과
Broadside 모드와 달리 스퀸트 모드에서는 동일 해상도를 위해 필요한 SAL이 증가하게 되므로, 더 많은 요동을 경험하게 되고, 이로 인해 요동 측정 오차에 의한 열화가 심각하게 발생할 수 있다. 본 논문에서는 스퀸트모드에서 AF의 직접 적용이 가능한 형태의 BPA 영상형성 방식을 제안하고, 또 효과적으로 PGA를 적용하기 위한 BPA용 전처리 함수를 유도하였고, 제안한 방식의 필요성 및 성능 개선 효과를 자체 비행 시험을 통해 획득한 실제 SAR 원시데이터에 적용하여 입증하였다.
후속연구
향후에는, 연산량이 많은 Standard BPA 대신 Fast BPA 등의 연산량 개선 알고리즘에 제안한 방식을 적용할 예정이며, DEM 적용 등도 고려하여, 영상 품질 개선과 연산 성능 개선 등을 지속적으로 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합성 개구면 레이다 또는 영상 레이다의 특징은?
합성 개구면 레이다 또는 영상 레이다는 전자파를 이용하여 영상을 형성하는 기술로서, 주야간 및 날씨에 상관없이 운용 가능하며, 광대역 신호 발생 기술 및 디지털 H/W의 비약적인 발전으로 서브 미터 급 고해상도 영상 획득 또한 가능하게 되어, 최근 민간/군사적 목적으로 그 활용도가 크게 주목받고 있다. SAR 탑재체를 탑재한 비행체가 방위 해상도 및 부엽 성능 측면에서 성능 저하 없는 SAR 영상 획득을 위해서는 이상적인 직선 비행을 해야 하나, 유/무인 비행체에 탑재하는 경우, 난기류나, 바람의 영향 등으로 인해 비행체는 이상적인 직선 궤적에서 벗어나는 요동을 경험하게 되며, SAR 안테나 위상 중심점 위치(Antenna Phase Center, APC)를 정확히 측정하여 요동을 보상하지 않을 경우, 심각한 성능 저하가 발생하게 된다[1].
요동이 존재하는 환경에서, 요동 측정 오차에 의한 성능 저하를 극복하기 위해 필수적인 기법은?
요동이 존재하는 환경에서, 요동 측정 오차에 의한 성능 저하를 극복하기 위한 신호처리 방식의 자동초점(Autofocus, AF) 기법의 적용은 필수적이다. 본 논문에서는 스퀸트 모드에서 획득한 합성 개구면 레이다 데이터에 역투영 알고리즘(back-projection algorithm, BPA)으로 영상을 형성하고, AF를 효과적으로 적용하기 위한 방식을 연구하였다.
AF 접근 방식에서 잔여 RCM에 의한 성능 저하를 보상하지 않는 이유는?
위의 수식 (6)에서처럼 요동 측정 오차는 방위 위상 오차와 잔여 RCM(Range Cell Migration)에 의한 위치 오차로 나타나게 된다. 잔여 RCM에 의한 성능 저하는 방위 방향 도플러 신호가 거리 방향 해상도 셀 간격 이내로만 위치한다면, 실제 방위 압축 성능 저하에 미치는 영향이 매우 작게 된다. 따라서 이를 보상하지 않는 것이 대부분의 AF 접근 방식에서 하는 가정이며, PGA에서도 성능 저하에 예민한 영향을 미치는 방위 위상 오차만 보상하게 된다.
참고문헌 (11)
Walter G. Carrara, Ron S. Goodman and Ronald M. Majewski, Spotlight Synthetic Aperture Radar Signal Processing Algorithms, Artech House, 1995.
C.V. Jakowatz, et al, Spotlight-Mode Synthetic Aperture Radar: A Signal Processing Approach, KUWER ACDEMIC PUBLISHIERS, 1996.
Mehrdad Soumekh, Synthetic Aperture Radar Signal Processing with Matlab Algorithms, JOHN WILEY & SONS, INC, 1999
Ali F. Yegulalp, "Fast Backprojection Algorithm for Synthetic Aperture Radar", In Proceedings 1999 IEEE Radar Conference, Waltham, MA, pp. 60-65, April 20-22, 1999.
LARS M. H. ULANDER, HANS HELLSTEN and GUNNAR STENSTROM, "Synthetic-Aperture Radar Processing Using Fast Factorized Back-Projection", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, Vol. 39, no. 3, pp. 760-776, July, 2003
Karlus A. Camara de Macedo and Rolf Scheiber, "Precise Topography- and Aperture-Dependent Motion compensation for Airborne SAR", IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 2, No. 2, pp. 172-176, April, 2005
Lei Ran, et al, "Multiple Local Autofocus Back-Projection Algorithm for Space-Variant Phase-Error Correction in Synthetic Aperture Radar", IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 13, No. 9, pp. 1241-1245, September, 2016.
WeiXian TAN, DaoJing LI and Wen HONG, "Airborne Spotlight SAR Imaging with Super High Resolution based on Back-Projection and Autofocus Algorithm", in Proc. IEEE IGARSS, boston, MA, USA, vol. 4, pp. IV-1300-IV-1303 July, 2008.
Hian Lim Chan and Tat Soon Yeo, "Noniterative Quality Phase-Gradient Autofocus (QPGA) Algorithm for Spotlight SAR Imagery", IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, Vol. 36. No. 5, pp. 1531-1539, September, 1998.
W. L. Van Rossum, M. P. G. Otten and R. J. P. Van Bree, " Extended PGA for Range Migration Algorithms", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, Vol. 42. No. 2, pp. 478-488, April, 2006.
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