[논문]모노스태틱 등가 모델을 활용한 바이스태틱 SAR 영상 형성에 관한 연구

유보현; 강병수; 이명준; 김경태

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.9.693

모노스태틱 등가 모델을 활용한 바이스태틱 SAR 영상 형성에 관한 연구
Bistatic Synthetic Aperture Radar Imaging Using a Monostatic Equivalent Model 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.9, 2018년, pp.693 - 700

유보현 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 강병수 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 이명준 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 김경태 (포항공과대학교 전자전기공학과)

초록
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본 논문에서는 송신 레이다와 수신 레이다가 분리된 바이스태틱(bistatic) 환경에서 합성 개구면 레이다(synthetic aperture radar: SAR) 영상을 형성하는 기법에 관하여 서술한다. 바이스태틱 SAR는 모노스태틱(monostatic) SAR에 비해 다양한 SAR 영상 획득 시나리오를 형성할 수 있기 때문에 기존의 모노스태틱 SAR의 한계를 극복할 수 있다. 그러나 현재까지 국내에서 바이스태틱 SAR 영상 형성과 관련된 연구가 매우 미진한 상황이다. 이에 따라 본 논문에서는 바이스태틱 기하구조에서의 레이다 수신 신호를 모델링하고, 이를 모노스태틱 등가 모델(equivalent model)을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성하는 방법에 관하여 서술한다. 본 논문에서는 바이스태틱 기하구조에서의 모의시험을 통해 본 논문에서 서술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법의 효용성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a method to generate SAR(synthetic aperture radar) images for bistatic radar. The bistatic SAR can overcome several limitations of monostatic SAR, because the former can be applied to a variety of scenarios, compared to the latter. However, no study has been conducted on bistatic SAR imaging so far. In this paper, we propose a method to generate bistatic SAR images using the monostatic equivalent model and conventional monostatic SAR imaging algorithms. Simulations using airborne SAR in the bistatic geometry validated the efficacy of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 증명하기 위하여 바이스태틱 각도, 송/수신 레이다의 속도 및 초기 위치가 다른 바이스태틱 SAR 기하구조를 설정하고, 상기 기하구조 하에서의 모의시험을 수행하여 기술된 기법이 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성함을 확인하였다. 또한 본 논문에서는 상기 방식으로 형성된 바이스태틱 SAR 영상과 일반적인 모노스태틱 SAR 영상을 비교하였으며, 이를 통해 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 검증하였다. 이와 더불어 향후 상기 기술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법을 기반으로 다양한 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법에 대한 연구를 수행할 예정이다.
본 논문에서는 바이스태틱 기하구조에서 SAR 수신 신호를 분석하고, 이를 모노스태틱 SAR 수신 신호로의 변환하는 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성하는 연구를 수행하였다. 현재까지 SAR 신호처리 연구는 모노스태틱 기반으로 수행되어 왔으나, 모노스태틱 SAR는 이의 기하구조 및 안테나 빔 폭의 제한으로 좁은 관측 영역 및 제한된 지표 정보를 가져 응용 분야에 한계가 발생한다.
모의시험에서 사용한 상세 변수는 표 1에 기술되어 있다. 본 논문에서는 서로 다른 바이스태틱 각도 및 송/수신 레이다의 속도를 갖는 기하구조에서의 모의시험을 수행하고, 각 기하구조에서 형성된 바이스태틱 SAR 영상의 품질을 분석하여 서술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법의 효용성을 검증한다.
이에 따라, 바이스태틱 기하구조에서 수신된 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 SAR 신호로 변환하고, 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성한다. 본 논문에서는 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 증명하기 위하여 바이스태틱 각도, 송/수신 레이다의 속도 및 초기 위치가 다른 바이스태틱 SAR 기하구조를 설정하고, 상기 기하구조 하에서의 모의시험을 수행하여 기술된 기법이 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성함을 확인하였다. 또한 본 논문에서는 상기 방식으로 형성된 바이스태틱 SAR 영상과 일반적인 모노스태틱 SAR 영상을 비교하였으며, 이를 통해 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 검증하였다.
본 절에서는 앞서 기술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 과정과 관련한 모의시험에 대하여 서술한다. 본 모의시험에서는 바이스태틱 기하구조에서 표적에 해당하는 점 산란원에 반사되어 수신되는 SAR 신호를 모델링하고, 상기 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 변환한 후 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성기법인 RDA를 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성하였다.
그러나 이러한 장점에도 불과하고 현재까지 국내에서의 바이스태틱 SAR 영상 형성에 관한 연구가 매우 미진한 상황이었다. 이에 따라 본 논문에서는 모노스태틱 등가 모델을 활용한 효과적인 바이스태틱 SAR 영상을 형성 기법에 관하여 서술하였다.
또한 상기 참고문헌 [9]의 논문에서는 고정된 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 갖는 물리적 배열 구조를 가정하여 바이스태틱 기하구조를 설정하였으나, 이는 송/수신 레이다가 분리되어 이동하는 일반적인 바이스태틱 SAR 기하구조와 달라 일반적인 바이스태틱 SAR 영상 형성에 적용되기 어렵다는 단점을 갖는다. 이에 본 논문에서는 송/수신 안테나가 분리되어 이동하는 일반적인 바이스태틱 SAR 기하구조에서의 바이스태틱 SAR 영상 형성에 관한 연구를 수행하였다.

가설 설정

본 논문에서 서술된 모노스태틱 등가 모델은 바이스태틱 SAR 시스템이 레이다 모노스태틱 SAR 시스템에 대응 될 수 있다고 가정한다. 이에 따라, 바이스태틱 기하구조에서 수신된 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 SAR 신호로 변환하고, 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성한다.

제안 방법

상기 바이스태틱 SAR 기하구조의 상세변수는 표 5에 기술되어 있다. 본 논문에서 서술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법은 표 5의 바이스태틱 SAR 시스템을 표 6의 등가의 모노스태틱 SAR 시스템으로 변환한다. 그림 4는 표 5의 바이스태틱 기하구조에서 수신된 SAR 신호에 본 논문에서 서술된 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 형성한 바이스태틱 SAR 영상의 결과이다.
본 모의시험에서는 바이스태틱 기하구조에서 표적에 해당하는 점 산란원에 반사되어 수신되는 SAR 신호를 모델링하고, 상기 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 변환한 후 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성기법인 RDA를 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성하였다.
본 절에서는 바이스태틱 각도 16.47° 가 형성되는 바이스태틱 SAR 기하구조에서 송/수신 레이다의 속도가 VT= 200 m/s, VR= 150 m/s로 서로 다른 환경에서 모의시험을 수행하였다.
본 논문의 2장에서는 바이스태틱 기하구조에서 수신되는 레이다 신호를 정의하고, 바이스태틱 SAR 수신 신호를 등가의 모노스태틱 SAR 수신 신호로 변환한다. 이어 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상 형성 과정을 수행한다. 3장에서는 모의시험을 수행하고, 바이스태틱 기하구조에서 수신된 바이스태틱 SAR 수신 신호를 이용하여 형성된 바이스태틱 SAR 영상과 모노스태틱 SAR 영상을 비교 분석한다.
본 논문에서 서술된 모노스태틱 등가 모델은 바이스태틱 SAR 시스템이 레이다 모노스태틱 SAR 시스템에 대응 될 수 있다고 가정한다. 이에 따라, 바이스태틱 기하구조에서 수신된 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 SAR 신호로 변환하고, 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성한다. 본 논문에서는 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 증명하기 위하여 바이스태틱 각도, 송/수신 레이다의 속도 및 초기 위치가 다른 바이스태틱 SAR 기하구조를 설정하고, 상기 기하구조 하에서의 모의시험을 수행하여 기술된 기법이 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성함을 확인하였다.
상기 모노스태틱 등가 모델은 바이스태틱 기하구조의 SAR 시스템을 레이다 모노스태틱 기하구조에서의 SAR 시스템으로 변환한다^[8]. 즉, 바이스태틱 SAR 수신 신호를 등가의 모노스태틱 SAR 수신 신호로 변환하고, 이어 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 활용하여 바이스태틱 SAR 영상을 형성한다.

대상 데이터

본 모의시험에서 수행한 SAR 운용모드는 스팟라이트(spotlight) SAR이며, 송신 파형은 LFM 신호이다. 모의시험에서 사용한 상세 변수는 표 1에 기술되어 있다.
본 절에서는 바이스태틱 각도 14.67°가 형성되는 바이스태틱 SAR 기하구조에서, 송/수신 레이다의 속도가 VT=VR=100 m/s로 일치하는 환경에서 모의시험을 수행하였다.

이론/모형

본 논문에서 수행한 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법은 모노스태틱 등가 모델(equivalent model)을 활용한다. 모노스태틱 SAR 영상과 마찬가지로, 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성하기 위해선 바이스태틱 기하구조에서의 송/수신 레이다와 표적 사이의 거리 변화를 적절히 보상하는 과정이 필요하다.

성능/효과

그림 4는 표 5의 바이스태틱 기하구조에서 수신된 SAR 신호에 본 논문에서 서술된 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 형성한 바이스태틱 SAR 영상의 결과이다. 상기결과에 따라 표적이 초기위치(x₀= 7,643km, y=0)에 올바로 위치하며, 초점이 맞는 SAR 영상이 형성됨을 확인할 수 있다.
식 (9)의 결과에 따라 모노스태틱 등가 모델을 활용하여 바이스태틱 SAR 신호를 모노스태틱 SAR 신호로 변환하고, RDA와 CSA와 같은 기존의 모노스태틱 SAR 영상 형성 기법을 수행하여 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성함을 확인할 수 있다.
48°,송/수신 레이다의 속도가 다른 환경에서도 바이스태틱 SAR 신호는 실제 모노스태틱 SAR 신호와 매우 유사한 품질을 보임을 확인할 수 있다. 즉, 3-1과 3-2의 서로 다른바이스태틱 기하구조의 모의시험 결과에 따라 본 논문에서 서술된 모노스태틱 등가 모델을 활용한 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법이 다양한 바이스태틱 기하구조에서 고품질 바이스태틱 SAR 영상을 형성함으로 상기 모노스태틱 등가 모델이 바이스태틱 SAR 영상 형성에 활용됨을 확인할 수 있다.
3장에서는 모의시험을 수행하고, 바이스태틱 기하구조에서 수신된 바이스태틱 SAR 수신 신호를 이용하여 형성된 바이스태틱 SAR 영상과 모노스태틱 SAR 영상을 비교 분석한다. 최종적으로 상기 모의시험 결과를 통해 서술된 기법으로 초점이 맞는 바이스태틱 SAR 영상을 형성함을 확인한다.

후속연구

또한 본 논문에서는 상기 방식으로 형성된 바이스태틱 SAR 영상과 일반적인 모노스태틱 SAR 영상을 비교하였으며, 이를 통해 서술된 모노스태틱 등가 모델의 효용성을 검증하였다. 이와 더불어 향후 상기 기술된 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법을 기반으로 다양한 바이스태틱 SAR 영상 형성 기법에 대한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAR의 장점은?	합성 개구면 레이다(synthetic aperture radar: SAR)는 저궤도 위성이나 항공기, 무인기 등의 탑재체에 장착되어 표적 혹은 관심 영역의 반사도(reflectivity map)를 형성하는 레이다이다[1]. SAR는 기존의 광학 센서와 달리 주야에 관계없이 관측 가능하고, 기상 환경에 영향을 받지 않으므로 국방 및 민수 분야에서 다양하게 활용되고 있다. SAR는 영상 획득 시나리오에 따라 송/수신 레이다가 일치하는 모노스태틱(monostatic)과 송/수신 레이다가 분리된 바이스태틱(bistatic) 및 멀티스태틱(multistatic) SAR로 구분된다.
	SAR 신호처리 연구에 사용된 모노스태틱 SAR의 단점은?	현재까지의 SAR 신호처리 연구는 모노스태틱 기반으로 수행되었다[1]～[4]. 그러나 모노스태틱 SAR의 경우, 송/수신 레이다가 일치하는 모노스태틱 기하구조와 안테나 빔 폭의 제한으로 관측 영역이 제한적이다. 또한 모노스태틱 SAR는 레이다 가시선 방향으로의 반사 신호가 작은 저피탐(stealth) 표적 혹은 관심 영역에 대한 SAR 영상 형성이 어렵다는 단점이 있다[5]. 따라서 모노스태틱 SAR는 좁은 관측 영역 및 제한된 지표 정보로 인하여 응용 분야의 확대에 한계가 발생한다.
	합성 개구면 레이다란?	합성 개구면 레이다(synthetic aperture radar: SAR)는 저궤도 위성이나 항공기, 무인기 등의 탑재체에 장착되어 표적 혹은 관심 영역의 반사도(reflectivity map)를 형성하는 레이다이다[1]. SAR는 기존의 광학 센서와 달리 주야에 관계없이 관측 가능하고, 기상 환경에 영향을 받지 않으므로 국방 및 민수 분야에서 다양하게 활용되고 있다.

참고문헌 (9)

M. Soumekh, Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms, John Wiley & Sons, 2005.
I. G. Cumming, F. H. Wong, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar, Artech House, 2005.
C. H. Gierull, "Bistatic synthetic aperture radar," Defence R&D Canada, Ottawa, ON, Tech. Rep. DRDC-OTTAWA-TR-2004-190, pp. 31-41, 2004.
G. Krieger, "Advanced bistatic and multistatic SAR concepts and applications," in European Conferece on Synthetic Aperture Radar(EUSAR), May 2006, pp. 1-100.
강병수, 유보현, 김경태, "바이스태틱 ISAR 영상 형성을 위한 회전운동보상 기법 연구," 한국전자파학회논문지, 28(8), pp. 670-677, 2017년 8월.

원문보기 상세보기
G. Krieger, H. Fiedler, and A. Moreira, "Bi-and multistatic SAR: Potentials and challenges," in Proceedings in EUSAR, 2004, vol. 34, pp. 365-370.
최지환, 신한섭, 김대오, 김태형, "최근 바이스태틱 레이더 기술동향," 항공우주산업기술동향, 13(1), pp. 160-165, 2015년.
X. Weijie, Z. Jianjiang, "A raw signal simulator for bistatic SAR," Chinese Journal of Aeronautics, vol. 22, no. 4, pp. 434-443, 2009.

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조병래, 선선구, 이정수, 박규철, 하종수, "파수 영역에 서 모노스태틱 변환을 이용한 바이스태틱 개구합성 레이다 영상화기법 연구," 한국전자파학회논문지, 24(2), pp. 207-213, 2013년 2월.

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저자의 다른 논문 :

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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