플랫폼의 변속을 고려한 합성개구소나 신호처리기법 연구

Abstract

합성개구소나(Synthetic Aperture Sonar)는 저주파임에도 고해상도의 소나 영상을 획득할 수 있다는 점에서 매우 유용한 소나 이미징 기술이지만, 모든 DPCA (Displaced Phase Center Antenna)가 등간격으로 배치되도록 합성개구를 형성하는 것이 수월하지 않고 또한 플랫폼 자체의 운동에 따른 모든 채널의 위상변화정보를 정확하게 모니터링하는 것에 큰 어려움이 존재한다. 본 연구에서는 매 핑을 발신하는 순간의 플랫폼의 정확한 위치에 대한 정보를 알고 있다는 가정하에서 일직선 변속 운동으로부터 발생하는 합성개구소나의 영상왜곡을 보정하는 신호처리를 수행하였다. 합성개구소나 신호처리에 쓰이는 여러 영상처리 알고리즘 중 시간영역 빔포밍 (Time domain Beam forming)의 경우는 타겟 영역으로부터 변속으로부터 발생하는 플랫폼의 위치까지의 정확한 경로 거리만 계산한다면 수월하게 영상왜곡을 보정 할 수 있다는 장점이 있으나 상대적으로 영상처리에 걸리는 시간은 느리다는 단점이 존재하였다. 상용 합성개구소나의 경우에는 대부분 영상처리의 신속성을 위해 파수영역 (ω-k) 알고리즘 기반으로 처리를 수행한다. 파수영역 알고리즘에서는 DPCA를 기반으로 연속된 핑에서 서로 겹치는 부분 (RPC: Redundant Phace Center) 중 한쪽만 선택하여 합성개구를 구성한다. DPCA를 구성할 경우에는 신호처리적으로 발신과 수신이 구분이 되어 있는 양상태 시스템이 서로 하나로 합쳐진 단상태 시스템으로 바뀌므로 이 경우 발생하는 시간 지연을 보상해 주어야 한다. 그러나 대부분이 원거리 영상이며 거리가 멀어질수록 시간 지연이 극히 적어지며 위상 보정만으로도 충분하다. 위상 보정이 완료된 신호는 파수 영역에서 영상에 관한 필요한 파수 성분만 보간법 (interpolation)으로 추출되어 푸리에 변환을 거쳐 최종적인 합성개구영상을 형성하게 된다. 그런데 파수영역 알고리즘의 경우 플랫폼이 이동할 때 추가적인 위상 틀어짐이 발생하게 되는데 영상 개선을 위해 이를 DPCA에서 위상만 보정하는 방법과 파수영역에서의 보간법으로 보정하는 방법이 존재한다. 플랫폼의 속도가 일정하지 않고 매 핑마다 변하는 경우에는 DPCA가 등간격으로 배치되지 않으므로 이를 보정하는 방법은 더 복잡하여 몇 번에 걸친 위상 보정이나 보간법을 거치게 되는데, 이는 신호 중첩에 있어서도 오차율을 높이고 영상처리 속도를 지연시킬 뿐만 아니라 최종적인 합성개구소나 영상 해상도를 저해하는 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 플랫폼의 변속을 고려하여 위상보정이나 보간법을 최소한으로 줄일수 있는 방법을 제시하고 영상 시뮬레이션을 통하여 제시된 방법에 대한 검증을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 영상 개선을 확인할 수 있었으며 2차원 플랫폼 운동에 대해서도 추후 제시된 방법을 확장하여 합성개구소나 영상 개선 적용 가능할 것으로 기대된다.