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KR100613491B1 - 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법 - Google Patents

안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법 Download PDF

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KR100613491B1
KR100613491B1 KR1020040052878A KR20040052878A KR100613491B1 KR 100613491 B1 KR100613491 B1 KR 100613491B1 KR 1020040052878 A KR1020040052878 A KR 1020040052878A KR 20040052878 A KR20040052878 A KR 20040052878A KR 100613491 B1 KR100613491 B1 KR 100613491B1
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강금실
김성현
최준호
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 안테나 배열 구조체는 물체로부터 방사되는 복사에너지에 감응할 수 있는 복수개의 단위 안테나 소자가 설정된 패턴으로 어레이 된 서브 안테나와, 서브 안테나 들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세방향을 따라 상호 이격되게 배열되어 "Y"자 구조로 형성된다. 이러한 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법에 의하면, 배열되는 단위 안테나 소자 수를 줄이면서도 높은 해상도의 영상을 생성할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법{antenna array structure and radiometer imaging system and method thereof}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라디오미터 영상 획득 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 안테나 배열 구조체를 확대 도시해 나타내 보인 도면이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 배열 구조체를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 안테나 배열 구조체를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 안테나 배열 구조체를 나타내 보인 도면이고,
도 6은 도 2의 안테나 배열 구조체의 서브그룹 안테나의 간격을 가변시켰을 때의 빔폭 축소율을 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 2의 안테나 배열 구조체의 서브그룹 안테나의 간격을 가변시켰을 때의 메인빔 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 도 1의 수신부 및 상관처리기의 실시예를 두개의 수신기에 대해 나타내 보인 도면이고,
도 9는 본 발명에 따른 상관치 산출방식과 종래의 상관치 산출방식에 대한 표준편차를 비교해 나타내 보인 그래프이고,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영상획득 과정을 나타내 보인 순서도이고,
도 11은 도 2의 안테나 배열 구조체에 대응하여 산출된 픽셀맵(Visibility Coverage)을 나타내 보인 그래프이고,
도 12는 도 11의 픽셀맵에 대해 주축방향을 나타내 보인 그래프이고,
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 배열 구조체를 적용하여 취득한 픽셀 영상을 나타내 보인 사진이고,
도 14는 종래의 Y자형 안테나 배열 구조체를 적용하여 취득한 픽셀 영상을 나타내 보인 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 안테나 배열 구조체 150: 수신부
170: 상관처리기 180: 영상획득처리부
본 발명은 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배열되는 단위 안테나 소자의 수를 줄일 수 있고, 해상도를 높일 수 있는 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상 획득 시스템 및 방법에 관한 것이다.
라디오미터 영상획득 시스템은 마이크로파 또는 밀리미터파 대역에서 물체로부터 자연적으로 방사되는 복사에너지를 신호를 수신하여 영상을 획득하는 시스템이다.
이러한 라디오미터 영상획득 시스템에서 안테나의 배열 구조는 영상 획득 성능을 좌우하는 주요한 요소이다.
일반적으로 라디오미터 영상획득 시스템에 적용되는 안테나 배열 구조로는, 단위 안테나 소자를 등간격으로 배치하되 배치된 단위 안테나 소자의 전체 배열 형상이 "Y"자형, "삼각형(△)", "T"자형 등이 있다.
이러한 안테나 배열 구조 중 Y자 형태의 안테나 배열 구조가 좁은 합성 개구 빔폭과 넓은 영역의 얼라이어스 프리 에프오브이(Alias free FOV(field of view))를 획득할 수 있다고 알려져 있다.
그런데 종래의 Y자형 안테나 배열 구조는 고해상도의 영상을 획득하기 위해서 요구되는 단위 안테나 소자가 많이 소요되는 단점이 있다. 즉, 1도(˚) 정도의 합성 개구 빔폭을 얻기 위해서는 130개의 단위 안테나 소자가 필요하다. 이와 같이 단위 안테나 소자의 개수가 많아지면 구조가 복잡해질 뿐만아니라 단위 안테나 소자 각각의 채널로부터 수신된 신호 상호간의 상관치를 산출하기 위한 연산부담이 가중되고, 소비전력이 증가하며 시스템이 대형화되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서 적용되는 단위 안테나 소자의 수를 줄일 수 있고, 해상도를 높일 수 있는 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 안테나 배열 구조체는 라디오미터 영상 획득 시스템용 안테나 배열 구조체에 있어서, 물체로부터 방사되는 복사에너지에 대응하는 방사파에 감응할 수 있는 복수개의 단위 안테나 소자가 설정된 패턴으로 어레이 된 서브 안테나와, 상기 서브 안테나 들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세 방향을 따라 상호 이격되게 배열되어 Y자 구조로 형성된다.
바람직하게는 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자들은 Y자, 삼각형(△), T자 또는 선형 배열 구조 중 어느 하나의 패턴으로 배열된다.
또한, 상기 서브 안테나가 복수 개 배열되어 그룹핑된 서브 그룹안테나 상호간의 간격은 상기 서브 그룹 안테나에 속하는 서브 안테나 상호간의 간격과 다르게 배열된다.
더욱 바람직하게는 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자 상호간의 간격(d1)과, 상기 서브 그룹 안테나에 속하는 각 서브 안테나 상호간의 간격(d2)과, 상기 서브그룹 안테나 상호간의 간격(d3)은 설정된 중심 파장(λ)에 대해 0.5λ < d1 < λ, 4d1 < d2 < 8d1, 4d1 < d3 < 20d1 의 관계를 만족하게 결정된다.
또한, 상기 서브그룹 안테나는 적어도 2개 이상의 서브 안테나를 포함한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 라디오 미터 영상획득 시스템은 물체로부터 방사되는 복사에너지에 대응하는 방사파에 감응할 수 있는 복수개의 단위 안테나 소자가 소정 패턴으로 어레이 된 서브 안테나가 복수개 마련되어 있고, 상기 서브 안테나들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세방향을 따라 상호 이격되어 Y자 구조로 배열된 안테나 배열 구조체와; 상기 단위 안테나 소자 각각으로부터 수신된 신호로부터 영상을 생성하는 영상획득처리부;를 구비한다.
상기 영상획득 처리부는 상기 각 단위 안테나 소자로부터 출력되는 신호로부터 설정된 대역에 대해 추출한 제1신호(I)와 상기 제1신호(I)에 대해 90도 위상차이를 갖는 제2신호(Q)를 상기 각 단위 안테나 소자별로 생성하여 출력하는 수신부와; 상기 수신부에서 각 단위 안테나 소자에 대응되어 출력되는 제1신호(I)와 제2신호(Q)로부터 각 단위 안테나 소자에 대응되는 채널 상호간의 상관치를 산출하는 상관처리기와; 상기 상관처리기에서 처리된 데이터로부터 영상을 획득처리하는 영상획득처리기;를 구비한다.
더욱 바람직하게는 상기 상관처리기는 상호 다른 두 채널(n,m, n≠m)에 대해
Sn,m=E[In×Im]+ E[Qn×Qm] + j{E[Qn×Im]-E[In×Qm]}에 의해 복소 상관치(Sn,m)를 구하여 출력하고, 여기서, E는 평균값 산출을 말하고, In과 Im은 상호 다른 채널 각각의 상기 제1신호이고, 상기 Qn, Qm은 상호 다른 채널 각각의 상기 제2신호이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 라디오 미터 영상획득시스템의 영상획득 방법은 가. 상기 단위 안테나 소자 각각의 배열 위치 정보로부터 픽셀맵 좌표를 산출하고, 상기 상관처리기에서 산출된 상관치를 상기 픽셀맵 좌표에 대응되게 맵핑하여 2차원 픽셀 데이터를 생성하는 단계와; 나. 상기 2차원 픽셀 데이터에 대해 어느 하나의 차원 방향에 대응되는 제1 픽셀맵 좌표 방향을 따라 FFT처리한 제1 FFT 프로파일과, 상기 2차원 픽셀 데이터 중 제1주축에 대해 추출된 성분에 대해 FFT처리한 제1FFT주축성분 프로파일을 설정된 승산식에 의해 상호 승산처리하여 제1보정 FFT프로파일을 산출한 후, 산출된 제1보정 FFT프로파일을 IFFT 처리하여 제1보정 픽셀데이터를 생성하는 단계와; 다. 상기 제1보정 픽셀데이터에 대해 상기 제1 픽셀맵 좌표 방향과 직교하는 제2픽셀맵 좌표 방향을 따라 FFT처리한 제2 FFT 프로파일과, 상기 제1보정 픽셀데이터 중 상기 제1주축과 다른 제2주축에 대해 추출된 성분에 대해 FFT처리한 제2FFT주축성분 프로파일을 설정된 승산식에 의해 상호 승산처리하여 제2보정 FFT프로파일을 산출한 후, 산출된 제2보정 FFT프로파일을 IFFT 처리하여 제2보정 픽셀데이터를 생성하는 단계와; 라. 상기 제2보정 픽셀데이터로부터 2차원 영상을 획득하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 라디오미터 영상 획득 시스템을 나타내 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 라디오미터 영상 획득 시스템(100)은 안테나 배열 구조체(110a), 수신부(150), 상관처리기(170) 및 영상획득처리기(180)를 구비한다.
안테나 배열 구조체(110a)는 단위 안테나 소자(111)가 다수 어레이 되어 있고, 각 단위 안테나 소자(111)는 대응되는 채널의 수신부(150)의 각 수신기(151)와 접속되어 있다. 이하에서는 각 단위 안테나 소자(111)에 대응되는 신호 처리 계통을 채널이라고 한다.
안테나 배열 구조체(110a)는 복수개의 단위 안테나 소자(111)가 배열되어 하나의 서브 안테나(113a)를 형성하고, 서브 안테나(113a) 상호 간이 설정된 중심위치를 기준으로 세방향으로 이격되게 배치된 Y자형 패턴으로 배열된 구조로 되어 있다.
바람직하게는 서브안테나(113a)는 설정된 중심위치를 기준으로 120도 간격으로 세방향으로 배열된다.
안테나 배열 구조체(110a)는 안테나 설치 대상체에 단위 안테나 소자(111)를 앞서 설명된 구조로 배열 시키거나, 베이스판에 단위 안테나 소자를 앞서 설명된 구조로 배열시켜 형성할 수 있다.
단위 안테나 소자(111)는 밀리미터파 또는 마이크로파 대역의 신호를 수신할 수 있는 공지된 소재로 형성하면 된다.
단위 안테나 소자(111) 각각은 수신된 신호를 신호 전송선을 통해 수신부(150)의 대응되는 수신기로 전송한다.
이러한 안테나 배열 구조체(110a)의 단위 안테나 소자(111)의 배열 구조의 바람직한 실시 예를 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 안테나 배열 구조체를 확대도시하여 나타내 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 안테나 배열 구조체(110a)는 4개의 단위 안테나 소자(111)가 'Y'자 형태로 배열된 서브 안테나(113a)들이 상호 이격되어 전체적으로 "Y"자 형태로 배열된 구조로 되어 있다.
여기서 참조부호 115a, 115b는 복수개의 서브 안테나(113a)로 된 서브그룹 안테나이다.
서브그룹 안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)은 일정하다.
또한, 서브그룹 안테나(115a)(115b)는 중앙부분에 4개의 서브 안테나로 형성된 중앙 서브그룹 안테나(115a)와, 중앙 서브그룹 안테나(115a)로부터 120도씩 등간격으로 분할된 가지선을 따라 두 개씩의 서브 안테나(113)로 이루어진 가지 서브그룹안테나(115b)로 되어 있다.
각 서브 그룹 안테나(115a)(115b)에 속하는 서브 안테나(113a) 상호간의 이격간격(d2)은 동일하다.
서브 안테나(113a)에 속하는 단위 안테나 소자(111)의 배열 패턴은 예시된 Y자 형태 이외에도 다양한 패턴으로 전체적으로 Y자형태가 되게 배열할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 T자형 서브 안테나(113b)가 적용되어 전체적으로 Y자형태로 배열된 안테나 배열구조체(110b), 도 4에 도시된 바와 같이 삼각형 서브 안테나(113c)가 적용되어 전체적으로 Y자형태로 배열된 안테나 배열구조체(110c), 도 5에 도시된 바와 같이 선형 서브 안테나(113d)가 적용되어 전체적으로 Y자형태로 배열된 안테나 배열구조체(110d)로 형성될 수 있다.
이러한 안테나 배열 구조체(110a)(110b)(110c)(110d)에 있어서 서브안테나(113a)(113b)(113c)(113d)에 속하는 단위 안테나 소자(111) 상호간의 간격(d1)과 서브그룹 안테나(115a)(115b)에 속하는 서브 안테나(113a)(113b)(113c)(113d) 상호간의 간격(d2) 및 서브그룹 안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)은 적절하게 결정된다.
여기서 서브 안테나(113a)(113b)(113c)(113d) 상호간의 간격(d2) 및 서브그룹 안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 패턴 형상과 관련하여 대응되는 위치에 있는 단위 안테나소자(111) 상호간의 간격을 말한다.
먼저, 단위 안테나 소자(111) 상호간의 간격(d1)은 얻고자 하는 얼라이어스 프리 시야에 따라 선택하면 되고 바람직하게는 중심파장(λ) 보다는 짧고 중심파장(λ)의 0.5배(0.5×λ) 이상이 되게 결정한다.
서브안테나(113a)(113b)(113c)(113d) 상호간의 간격(d2)과 서브그룹 안테나(115) 상호간의 간격(d3)은 원하는 합성 개구 폭과 메인빔 효율을 고려하여 결정하면 된다.
일 예로서 도 2의 안테나 배열 구조체(110a)에 대해 d1=0.89λ, d2=4d1으로 적용하고, d3간격을 가변시켰을 때 안테나 빔폭축소율(R)에 대해 시뮬레이션한 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 통해 이해될 수 있는 바와 같이 서브그룹안테나(115a)(115b)의 간격(d3)에 따라 빔폭 축소율이 가변된다. 따라서, 원하는 빔폭 축소율에 따라 서브그룹안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)을 결정하면 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 서브그룹안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)에 따라 메인빔 효율(main beam efficiency)이 달라질 수 있다. 즉, 메인빔 효율은 서브그룹안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)이 단위 안테나 소자(111) 상호간의 간격(d1)의 8배(8d1) 이상이 될 때 급속하게 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 서브그룹안테나(115a)(115b) 상호간의 간격(d3)은 단위 안테나 소자(111) 상호간의 간격(d1)의 8배(8d1)이하로 결정되는 것이 바람직하다.
여기서 메인빔 효율은 안테나에 입사된 전체 에너지 중 메인빔에 의해 입사된 에너지에 대한 비율을 말한다. 메인빔은 안테나에서 에너지가 최대로 방사되는 방향의 빔을 말한다.
한편, 수신부(150)는 각 단위 안테나 소자(111)와 대응되는 채널별로 접속된 복수의 수신기(151)(152)가 마련되어 있다. 참고로 도면의 복잡성을 피하기 위해 두개의 수신기(151)(152)에 대해서만 부재번호를 부여하였다.
수신기(151)(152)는 각 단위 안테나 소자(111)에서 출력되는 신호로부터 설정된 대역의 신호를 추출하여 동위상신호(in phase signal)인 제1신호(I)와, 제1신호(I)에 대해 90도 위상 지연된 신호(quadrature phase signal)인 제2신호(Q)를 생성하여 출력한다.
이러한 수신기(151)(152) 각각은 동일 요소로 형성되어 있고, 제1수신기(151) 및 제2수신기(152)에 대해서 도 8를 참조하여 설명하면, 도시된 바와 같이 저잡음 증폭기(151a)(152a), 대역폭필터(151b)(152b), 믹서(151c)(152c), 중간대역 폭필터(IF 필터)(151d)(152d), IQ복조기(151e)(152e) 및 국부 발진기(150a)(150b)를 구비한다. 국부 발진기(150a)(150b)는 각 수신기(151)(152)에 대해 공용으로 사용된다.
저잡음 증폭기(151a)(152a)는 단위 안테나 소자(111)로부터 수신된 신호를 설정된 이득으로 증폭시킨다.
대역폭필터(151b)(152b)는 저잡음 증폭기(151a)(152a)에서 출력된 신호에 대해 설정된 대역의 신호를 통과시킨다.
믹서(151c)(152c)는 대역폭필터(151b)(152c)를 통과한 신호를 국부발진기(150a)에서 출력되는 신호에 실어 설정된 주파수 대역으로 하향 변환시킨다.
중간 대역폭필터(151d)(152d)는 믹서(151c)(152c)에서 출력된 신호에 대해 설정된 중간 주파수 대역의 신호를 통과시킨다.
I/Q 복조기(151e)(152e)는 중간 대역폭 필터(151d)(152d)에서 출력된 동위상 신호인 제1신호(I)와, 제1신호(I)에 대해 90도 위상 차이를 갖는 제2신호(Q)를 생성하여 출력한다.
상관처리기(170)는 각 수신기(151)(152)에서 각 단위 안테나 소자(111)에 대응되는 채널별로 출력되는 제1신호(I)와 제2신호(Q)를 이용하여 상호 다른 채널 상호 간에 대한 상관치(Sn,m)를 산출한다. 여기서 n, m은 수신부(150)의 수신기 각각의 채널번호이다.
상관치 산출 방법은 조합 가능한 상호 다른 두 개의 수신기(151)(152)(n,m, n≠m )에 대해 이하의 수학식 1에 기재된 산출식에 의해 산출한다.
Sn,m=E[In×Im] + E[Qn×Qm] + j{E[Qn×Im] - E[In×Qm]}
여기서, E는 평균값산출을 말하고, In과 Im은 상호 다른 채널 각각의 제1신호이고, Qn, Qm은 상호 다른 채널의 제2신호이고, j는 복소수에서 허수부분을 의미한다.
따라서, 제1수신기(151)와 제2수신기(152) 상호간에 대한 상관치는
S1,2=E[I1×I2] + E[Q1×Q2] + j{E[Q1×I2 ] - E[I1×Q2]}로 구해진다.
상관처리기(170)는 이러한 상관치 산출을 앞서 설명된 바와 같이 상호 조합가능한 수신기 상호간에 대해 모두 구한다.
이러한 상관처리기(170)의 구현예가 도 8에 도시되어 있다. 참고로 도 8에서는 도면의 복잡성을 피하면서 상관치 산출과정을 쉽게 이해할 수 있도록 두 개의 수신기(151)(152)를 예로 하여 신호 처리 과정을 도시하였다.
상관처리기(170)는 A/D 변환기(171), 제1 내지 제4 승산 평균기(172 내지 175), 제1 및 제2 합산기(176)(177)를 구비한다.
A/D 변환기(171)는 수신부(150)의 각 수신기(151)(152)에서 출력된 제1 및 제2 신호(I)(Q)를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
제1승산평균기(172)는 제1수신기(151)의 제1신호(I1)와 제2수신기(152)의 제1신호(I2)를 승산하고 평균값을 산출한다.
제2승산평균기(173)는 제1수신기(151)의 제2신호(Q1)와 제2수신기(152)의 제 2신호(Q2)를 승산하고 평균값을 산출한다.
제3승산 평균기(174)는 제1수신기(151)의 제2신호(Q1)와 제2수신기(152)의 제1신호(I2)를 승산하고 평균값을 산출한다.
제4승산 평균기(175)는 제1수신기(151)의 제1신호(I1)와 제2수신기(152)의 제2신호(Q2)를 승산하고 평균값을 산출한다.
제1합산기(176)는 제1승산 평균기(172)의 출력신호와 제2승산기(173)의 출력신호를 가산하여 출력한다.
제1합산기(176)의 출력신호(μr)는 앞서 설명된 상관치(Sn,m) 중 실수부분값인 E[In×Im] + E[Qn×Qm]을 표시한다.
제2합산기(177)는 제3승산평균기(174)의 출력신호에서 제4승산평균기(175)의 출력신호를 차감하여 출력한다.
제2합산기(177)의 출력신호(μi)는 앞서 설명된 상관치(Sn,m) 중 허수부분값인 j{E[Qn×Im] - E[In×Qm]}을 표시한다.
참조부호 178 및 179는 저역통과필터(LPF)이다.
이러한 상관처리기(170)의 상관치 산출방식에 의한 성능을 확인해보기 위해 종래의 상관치 산출방식(S*n,m=E[In×In] + j{E[Qn×Im]}과 비교해본 결과 도 9에 도시된 바와 같이 표준 편차의 값이 작아져저 온도 해상도의 특성이 30 내지 42%정도 향상됨을 확인 할 수 있었다.
영상획득처리기(180)는 상관기(170)에서 출력되는 채널 상호간의 상관치를 이용하여 2차원 영상을 생성하여 출력한다.
바람직한 영상획득 처리기(180)의 영상획득 처리과정을 도 10을 참조하여 설명한다.
먼저, 적용된 안테나 배열 구조체(110a)(110b)(110c)(110d)의 단위 안테나 소자(111)의 배열위치정보를 이용하여 단위 안테나 소자(111) 상호간의 상관관계에 각각 대응되는 픽셀맵(Visibility Coverage) 좌표(u,v) 값을 산출한다(단계 210).
여기서 픽셀맵 좌표는 이하의 수학식 2를 통해 산출된다.
u = Xm-Xn/λ, v= Ym-Yn/λ
여기서, Xm, Ym 은 m채널의 단위 안테나소자(111)의 X 및 Y 좌표값이고, Xn, Yn은 n채널의 단위 안테나소자(111)의 X 및 Y 좌표값이다.
일 예로서 도 2의 안테나 배열구조체(110a)에 대해 산출한 픽셀맵 좌표가 도 11에 도시되어 있다.
다음은 상관처리기(170)에서 채널 상호간에 대해 측정된 상관치(Sn,m)를 픽섹맵 좌표에 대응되게 맵핑하여 2차원 픽셀 데이터를 생성한다(단계 220).
생성된 2차원 픽셀 데이터에 대해 제1 픽셀맵 좌표 방향을 따라 추출된 값들을 FFT(Fast Fourier Transformation)를 적용하여 제1 FFT 프로파일을 산출한다(단계 230).
여기서 제1픽셀맵 좌표방향은 u방향 또는 v방향 중 어느 하나가 적용되면 되 고 이하의 설명에서는 제1픽셀맵 좌표방향을 u방향으로 적용한 경우로 설명한다.
단계 220에서 생성된 2차원 픽셀 데이터 중 선택된 어느 하나의 제1주축에 대해 추출된 값을 FFT를 적용하여 제1 FFT 주축성분 프로파일을 산출한다(단계 240).
여기서 주축은 얼라이어스 성분이 발생되지 않는 좌표축으로 안테나 배열구조체(110a)(110b)(110c)(110d)의 Y자 구조에서 대칭의 중심이 되는 각 가지방향에 해당하고 도 12에 얼라이어스 프리(alias free profile)로 표기된 축을 말한다.
제1주축은 도 12에 도시된 축 중 수직한 방향으로 표시된 축을 적용한다.
다음은 단계 230에서 산출된 제1 FFT 프로파일과 단계 240에서 산출된 제1FFT 주축성분 프로파일을 이용하여 제1픽셀맵 좌표방향(u)에 대해 얼라이어스 성분을 제거한 제1보정 FFT프로파일을 생성한다(단계 250).
여기서 제1보정 FFT 프로파일은 일 예로서 아래의 수학식 3에 의해 산출한다.
Figure 112006029902383-pat00017
여기서 P*는 얼라이어스 성분이 제거된 제1보정 FFT 프로파일이고, P~는 제1FFT 프로파일이고, P0 ~는 제1FFT주축성분 프로파일이다.
다음은 제1보정 FFT 프로파일을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation)를 적용하여 제1보정 픽셀데이터를 산출한다(단계 260). 여기서 제1보정 픽셀데이터는 도 11의 각 픽셀맵 좌표에 대응되게 보정된 값이 적용된 데이터이다.
단계 260에서 산출된 제1보정 픽셀데이터에 대해 제1 픽셀맵 좌표 방향(u)과 직교하는 제2픽셀맵 좌표방향(v)을 따라 추출된 값과 제2주축에 대한 값으로부터 앞서 단계 230 내지 260에 대응되는 처리를 수행하여 제2픽셀맵 좌표방향에 대한 얼라이어스 성분을 제거한다.
즉, 단계 260에서 산출된 제1보정 픽셀데이터에 대해 제1 픽셀맵 좌표 방향(u)과 직교하는 제2픽셀맵 좌표방향(v)을 따라 추출된 값들을 FFT를 적용하여 제2 FFT 프로파일을 산출한다(단계 270).
또한, 제1보정 픽셀데이터에 대해 제1주축과 다른 제2주축에 대해 추출된 값을 FFT를 적용하여 제2 FFT 주축성분 프로파일을 산출한다(단계 280). 여기서 제2주축은 도 12에서 사선방향으로 표기된 축을 적용한다.
다음은 제2 FFT 프로파일과 제2FFT 주축성분 프로파일을 이용하여 얼라이어스 성분을 제거하여 제2보정 FFT프로파일을 생성한다(단계 290).
단계 290에서의 제2보정 FFT프로파일 산출은 앞서 단계 250을 통해 설명된 방식을 적용하면 된다.
앞서 수학식 3에서 P~는 제2 FFT 프로파일을 적용하고, P0 ~는 제2FFT주축성분 프로파일을 적용하면 P*는 얼라이어스 성분이 제거된 제2보정 FFT 프로파일이 생성된다.
제2보정 FFT 프로파일을 IFFT를 적용하여 제2보정 픽셀데이터를 산출한다(단계 300).
단계 300에서 생성된 제2보정 픽셀 데이터는 단계 220에서 생성된 픽셀데이터에 대해 u, v 방향 각각에 대해 얼라이어스 성분을 제거한 픽셀 데이터가 된다.
이후, 얼라이어스 성분이 제거된 제2보정 픽셀데이터에 대해 가중치를 부여하여 영상신호를 보정한다(단계 310).
여기서 가중치의 적용방식은 공지된 다양한 방식 예를 들면, 사각 윈도우(rectangular window), 해밍 윈도우(hamming window), 해닝 윈도우(hanning window), 가우시안 윈도우(gaussian window) 등이 적용될 수 있다.
가중치 적용방식은 생략될 수 도 있다.
그리고 나서 단계 310에서 생성된 데이터에 대해 2차원 FFT를 적용하여 2차원 영상을 획득하고(단계 320), 획득된 2차원 영상은 표시장치를 통해 표시한다(단계 330).
이러한 본 시스템과 종래의 시스템의 영상획득 실험결과가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
도 13은 40개의 단위 안테나 소자를 도 2에 도시된 구조로 배열한 안테나 배열 구조체를 적용하여, 중심주파수 37 GHz, 대역폭 100 MHz, 측정거리 4 M, 측정시간 0.65 ㎲를 적용하여 얻은 단위 픽셀영상이다.
도 14는 52개의 단위 안테나 소자를 등간격으로 Y자형태로 배열한 종래의 안 테나 배열 구조체를 적용하여 중심주파수 37 GHz, 대역폭 100 MHz, 측정거리 4 M, 측정시간 0.65 ㎲를 적용하여 얻은 단위 픽셀영상이다.
도 13과 도 14에 도시된 단위 픽셀 영상화면의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 영상획득 시스템은 종래의 시스템 보다 12개의 적은 수의 단위 안테나 소자를 적용하면서도 같은 크기의 단위 픽셀 영상 사이즈를 얻을 수 있다. 결론적으로 같은 수의 안테나 개수를 사용할 경우 종래보다 훨씬 증가된 픽셀 해상도를 얻을 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 안테나 배열 구조체 및 이를 적용한 라디오미터 영상획득 시스템 및 방법에 의하면, 배열되는 단위 안테나 소자 수를 줄이면서도 높은 해상도의 영상을 생성할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (9)

  1. 라디오미터 영상 획득 시스템용 안테나 배열 구조체에 있어서,
    물체로부터 방사되는 복사에너지에 대응하는 방사파에 감응할 수 있는 복수개의 단위 안테나 소자가 설정된 패턴으로 어레이 된 서브 안테나와, 상기 서브 안테나 들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세방향을 따라 상호 이격되게 배열되어 Y자 구조로 형성되되 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자 상호간의 간격과 상기 서브 안테나 상호 간의 간격이 다른 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상 획득 시스템용 안테나 배열 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자들은 Y자, 삼각형, T자 또는 선형 배열 구조 중 어느 하나의 패턴으로 배열된 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상 획득 시스템용 안테나 배열 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 서브 안테나가 복수개 배열되어 그룹핑된 서브 그룹안테나 상호간의 간격은 상기 서브 그룹 안테나에 속하는 서브 안테나 상호간의 간격과 다르게 배열된 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템용 안테나 배열 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자 상호간의 간격(d1)과, 상기 서브 그룹 안테나에 속하는 각 서브 안테나 상호간의 간격(d2) 과, 상기 서브그룹 안테나 상호간의 간격(d3)은 설정된 중심 파장(λ)에 대해 0.5λ < d1 < λ, 4d1 < d2 < 8d1, 4d1 < d3 < 20d1 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템용 안테나 배열 구조체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 서브그룹 안테나는 적어도 2개 이상의 서브 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템용 안테나 배열 구조체.
  6. 물체로부터 방사되는 복사에너지에 대응하는 방사파에 감응할 수 있는 복수개의 단위 안테나 소자가 소정 패턴으로 어레이 된 서브 안테나가 복수개 마련되어 있고, 상기 서브 안테나들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세방향을 따라 상호 이격되어 Y자 구조로 배열되되 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자 상호간의 간격과 상기 서브 안테나 상호 간의 간격이 다른 안테나 배열 구조체와;
    상기 단위 안테나 소자 각각으로부터 수신된 신호로부터 영상을 생성하는 영상획득처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 라디오미터영상획득 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 영상획득 처리부는
    상기 각 단위 안테나 소자로부터 출력되는 신호로부터 설정된 대역에 대해 추출한 제1신호(I)와 상기 제1신호(I)에 대해 90도 위상차이를 갖는 제2신호(Q)를 상기 각 단위 안테나 소자별로 생성하여 출력하는 수신부와;
    상기 수신부에서 각 단위 안테나 소자에 대응되어 출력되는 제1신호(I)와 제2신호(Q)로부터 각 단위 안테나 소자에 대응되는 채널 상호간의 상관치를 산출하는 상관처리기와;
    상기 상관처리기에서 처리된 데이터로부터 영상을 획득처리하는 영상획득처리기;를 구비하고,
    상기 상관처리기는
    상호 다른 두 채널(n,m, n≠m)에 대해
    Sn,m=E[In×Im]+ E[Qn×Qm] + j{E[Qn×Im]-E[In×Qm]}에 의해 복소 상관치(Sn,m)를 구하여 출력하고,
    여기서, E는 평균값산출을 말하고, In과 Im은 상호 다른 채널 각각의 상기 제1신호이고, 상기 Qn, Qm은 상호 다른 채널 각각의 상기 제2신호 인 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템.
  8. 복수개의 단위 안테나 소자가 설정된 패턴으로 어레이 된 서브 안테나와 상기 서브 안테나 들이 설정된 중심 위치를 기준으로 방사상으로 세방향을 따라 상호 이격되어 Y자 구조로 배열되되 상기 서브 안테나에 속하는 각 단위 안테나 소자 상호 간의 간격과 상기 서브 안테나 상호 간의 간격이 다른 안테나 배열 구조체와, 상기 단위 안테나 소자 각각의 신호를 수신하는 수신부와, 상기 수신부의 각 단위안테나의 채널별 신호의 상관치를 산출하는 상관처리기와, 상기 상관처리기에서 산출된 상관치를 이용하여 영상을 획득하는 영상획득 처리기를 구비하는 라디오 미터 영상획득시스템의 영상획득 방법에 있어서,
    가. 상기 단위 안테나 소자 각각의 배열 위치 정보로부터 픽셀맵 좌표를 산출하고, 상기 상관처리기에서 산출된 상관치를 상기 픽셀맵 좌표에 대응되게 맵핑하여 2차원 픽셀 데이터를 생성하는 단계와;
    나. 상기 2차원 픽셀 데이터에 대해 어느 하나의 차원 방향에 대응되는 제1 픽셀맵 좌표 방향을 따라 FFT처리한 제1 FFT 프로파일과, 상기 2차원 픽셀 데이터 중 제1주축에 대해 추출된 성분에 대해 FFT처리한 제1FFT주축성분 프로파일을 설정된 승산식에 의해 상호 승산처리하여 제1보정 FFT프로파일을 산출한 후, 산출된 제1보정 FFT프로파일을 IFFT 처리하여 제1보정 픽셀데이터를 생성하는 단계와;
    다. 상기 제1보정 픽셀데이터에 대해 상기 제1 픽셀맵 좌표 방향과 직교하는 제2픽셀맵 좌표 방향을 따라 FFT처리한 제2 FFT 프로파일과, 상기 제1보정 픽셀데이터 중 상기 제1주축과 다른 제2주축에 대해 추출된 성분에 대해 FFT처리한 제2FFT주축성분 프로파일을 설정된 승산식에 의해 상호 승산처리하여 제2보정 FFT프로파일을 산출한 후, 산출된 제2보정 FFT프로파일을 IFFT 처리하여 제2보정 픽셀데이터를 생성하는 단계와;
    라. 상기 제2보정 픽셀데이터로부터 2차원 영상을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템의 영상획득 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 나단계 및 상기 다단계에서 상기 승산식은
    Figure 112006029902383-pat00018
    이고,
    여기서 P*는 얼라이어스 성분이 제거된 제1 또는 제2 보정 FFT프로파일이고, P~는 제1 또는 제2 FFF 프로파일이고, P0 ~는 제1 또는 제2FFT주축성분 프로파일인 것을 특징으로 하는 라디오미터 영상획득 시스템의 영상획득 방법.
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