단일 채널 위성 SAR 시스템을 이용한 이동물체 탐지 및 속도 복원 : 디포커싱 방법 및 시간-주파수 분석을 중심으로 = Detection and velocity retrieval of moving targets using single-channel spaceborne sar system : defocusing method and joint time-frequency analysis

국문 초록 (Abstract)

MTI(moving target indication)는 SAR(synthetic aperture radar)를 이용하여 지상의 움직이는 물체를 탐지하고 그 이동속도를 측정하는 기술이다. 이는 시스템에서 이용 가능한 채널의 수에 따라 단일 채널을 이용하는 방법과 다중 채널을 이용하는 방법이 다르며, 현재의 위성 SAR 시스템은 아직 대부분이 단일 채널 시스템을 기반으로 운용되고 있다. 이 논문에서는 단일 채널 위성 SAR 시스템을 이용하여 영상으로부터 움직이는 지상물체를 탐지하고 그 이동 속도를 복원하는 방법을 연구하였으며, 이를 위해 디포커싱 방법과 시간-주파수 분석 방법의 이론적 제안과 시험 적용 결과의 분석을 수행하였다.
이동물체의 움직임으로 인한 센서-산란체간의 상대속도 변화는 수신신호의 도플러 파라미터를 변화시킨다. 도플러 중심주파수는 range 방향의 속도에 의해 달라지며, 도플러 주파수 변화율은 azimuth 방향의 속도와 range 방향의 가속도에 의해 달라진다. 상대적으로 azimuth 신호 합성 시간이 짧은 위성 SAR에서는 도플러 주파수 변화율에 있어 range 방향의 가속도보다 azimuth 방향의 속도에 의한 영향이 크지만, 단일 채널 시스템에서 두 효과를 분리하기는 어렵다. 이동물체의 움직임으로 인한 센서-산란체간의 거리 변화는 그 궤적이 고정 산란체와 다르며, 이로 인해 발생하는 range walk와 잔여 range cell migration(RCM)은 영상에서의 smearing을 발생시킨다. 또한 도플러 주파수 천이로 인해 물체가 영상에서 azimuth 방향으로 이동된 위치에 나타나게 된다.
영상 기반의 이동물체 탐지를 위해 이 연구에서는 디포커싱에 의해 이동물체의 에너지가 분산되는 동시에 이동하는 현상을 이용하였다. 에너지 이동량은 디포커싱 필터와 이동물체 신호 사이의 도플러 주파수 차이에 비례하며, 이들 사이의 선형적인 관계를 통해 range 속도 성분을 감지할 수 있다. 에너지의 분산은 디포커싱 비율이 잔여 quadratic 위상과 같을 때 최소가 되며 contrast는 이 때를 중심으로 가우시안형으로 변하기 때문에 일정한 간격으로 디포커싱 비율을 변화시켜가며 측정한 contrast series를 가우시안 모델로 근사(fitting)하여 그 중심을 측정함으로써 azimuth 속도 성분을 감지할 수 있다. 따라서 이 두 가지 측정으로부터 영상내에 이동물체가 존재하는 패치를 구분할 수 있으며, 실험 결과 signal-to-clutter ratio(SCR)가 10 dB 이상인 경우에 이동물체의 탐지 뿐만 아니라 속도를 오차 20% 이내로 측정할 수 있었다.
탐지된 이동물체의 속도를 정밀하게 측정하기 위해 이 연구에서는 시간-주파수 변환을 통해 이동물체 신호의 도플러 파라미터를 측정하였다. 시간-주파수 공간에서 이동물체의 신호는 도플러 위상궤적 주변에 집중되어 분포하는 반면에 랜덤 노이즈는 특정한 분포를 보이지 않고 산란되는 특성을 보인다. 따라서 시간-주파수 공간에서 이동물체의 도플러 위상궤적을 포함하는 주변영역을 추출하고 aliasing을 고려하여 설정한 완충 구간 내에서의 에너지를 이용하여 도플러 위상궤적을 재구성하면 이동물체 신호의 signal-to-noise ratio(SNR)를 높일 수 있다. 재구성된 도플러 위상궤적을 시간축과 주파수축으로 투영하여 얻어지는 스펙트럼의 중심위치는 각각 이동물체의 실제 위치와 도플러 중심주파수를 나타내며, 궤적의 기울기는 도플러 주파수 변화율을 나타낸다. 시뮬레이션을 통한 실험에서 이동속도 3 m/s 이상, 30 m/s 이하 구간에서 측정의 절대오차는 1 m/s 이내, 상대오차는 5% 이내로 나타났으며, TerraSAR-X 영상을 이용한 현장 실험에서 얻어진 결과는 range 방향 측정오차가 2.8%, azimuth 방향 측정 오차가 1.8%로 시뮬레이션 결과와 유의한 수준으로 나타났다.
이 연구에서 이동물체는 크기가 작고 레이더 반사도는 높으며 고속으로 이동하는 자동차, 배, 비행기 등의 인공산란체였으며, 이들을 대상으로 제안한 방법들이 효과적으로 적용될 수 있음을 보였다. 위성 SAR를 이용한 MTI는 광범위한 지역에 대한 순간 관측만으로 지상의 이동물체들의 이동 현황을 알 수 있는 수단이며, 그 대상을 자연물산란체로 확장하였을 때 해류의 분포, 유속의 변화, 지진해일의 전파 등 자연 현상에 대한 고해상 매핑에도 활용될 수 있을 것이다. 단, 자연물산란체로의 적용을 위해서는 우선 낮은 SNR과 불균질한 신호에 대한 합성에 대한 문제를 해결해야 하며, 낮은 이동 속도에 대한 측정 민감도를 향상시키는 연구가 추가적으로 수행되어야 한다.