ISAR imaging is a target imaging method based on estimating the 2-D range-Doppler spectrum of a target, and is one of the most important technique for the area of non-cooperative target recognition. In order to recognize target accurately, improving image quality is very significant issue.
To improve target radar image quality, a lot of high-resolution techniques and image focusing techniques were reported. However, a fast target recognition technique is also important as well as both high image resolution technique and image focusing technique, and studies of the fast target recognition were insufficient. Thus, in this paper, an ISAR imaging method with short-term target observation was presented. However, using a target scattering signal of short-term observation encounters critical problem of resolution in cross-range due to lack of samples on the aspect angle and the limitation of target observing angle. To overcome cross-range resolution problem, first we modeled target scattering signal for short-term observing scenario, and then we obtained range profiles at each target aspect angle by conventional FFT method. After that, cross-range of each scatterers are extracted by ESPRIT-based method from each range bin. To improve computation efficiency, ESPRIT method is just perform to selected range bin which is discriminated to signal region by adopting threshold. A set of simulated and measured data of aircraft target is used to validate the proposed imaging method in this paper. By adopting the proposed method, required observation time of tar-get can be reduced to 12.5%.
Generally, ISAR image is attained from continuous target scattered signal, which is measured by tracking radar system with uniform time interval. In comparison with search radar system, tracking radar system costs more than search radar system, and it also has low penetration rate. Moreover, tracking radar system can detect and track the target only in the limited volume search area. However, by using the search radar system, volume search area can be extended since the search radar system adopts rotating antenna. Moreover, it can easily manage the multiple target due to the simplicity of separation of target signal. Thus, in this paper, an ISAR imaging method with search radar system was proposed. Due to the consistent movement of target, search radar system measured target scattered signal with non-uniform time interval. In order that, first we proposed target scattering signal considering the radar specification and target movement. The range profiles of target aspect angle were obtained by Fourier based method, and then the Doppler spectrums of each range bin were estimated by compressed sensing method.
In this paper, ISAR imaging methods for two types of restricted target scattering signals were introduced. The first one is, ISAR imaging method with short-term observing target scattered signal, and the second one is search radar ISAR imaging method. The performance of each proposed methods were shown with a set of data as an aircraft target.
ISAR 영상기법은 일반적으로 추적레이더를 이용하여 표적의 움직임을 추적하면서, 표적을 향하여 광대역 펄스 신호를 송출하고 표적에 의해 산란된 신호를 수신하여 수평방향(Down range)과 수직방향(Cross range)으로 표적의 각 부분들의 산란된 전계강도를 구분해 냄으로서, 표적의 물리적인 형상을 2차원 영상으로 표현하는 기법이다. ISAR 영상은 비협조표적인식 (Non-cooperative target reconition) 분야에 있어 HRRP (High Resolution Range Profile)와 JEM (Jet Engine Modulation) 등과 더불어 가장 중요한 연구 분야 중 하나이다. 본 연구에서는 추적레이더를 이용하여 ISAR 영상 형성에 필요한 전체의 표적산란신호 중 일부 신호인 section data를 이용한 ISAR 영상 형성법과 탐색레이더를 이용하여 불충분하고 불균일한 sample data를 이용한 ISAR 영상 형성법을 다룬다.
ISAR 영상을 이용하여 비협조표적 인식을 하는데 있어, 가장 중요한 것은 ISAR 영상의 품질을 개선하는 것으로, 이를 위해 레이더 시스템과 표적관측시간에 의해 제한되는ISAR 영상의 해상도를 개선하는 연구와 표적의 움직임에 의한 ISAR 영상의 focusing 문제를 개선하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 하지만, 기존의 해상도 문제와 focusing 문제와 더불어 중요한 것은, 빠른 표적인식이라 할 수 있다. 따라서 이를 위해 보다 짧은 관측 시간 동안 측정된 신호를 이용한 ISAR 영상법을 본 논문의 2장에서 제안하였다. 하지만 짧은 관측 시간 동안 획득한 표적산란신호를 이용하여 ISAR 영상을 획득할 경우, 레이더 영상에서 수직방향(Cross range)의 해상도 저하 문제에 직면하게 된다. 이를 해결하기 위해 우선 짧은 관측시간동안 획득한 표적산란신호를 모델링하고, 수평방향(Down range)의 1차원 레이더 영상은 기존의 퓨리에 기반의 기법으로 구하고, 파라미터 추정기법 중 하나인 ESPRIT 기법을 이용하여 2차원 레이더 영상을 획득하였다. 또한 연산의 효율성을 높이기 위해 threshold를 도입하여 2차원 data matrix 형태로 이뤄진 표적산란신호를 noise 영역과 signal 영역으로 구분하여 signal 영역에만 ESPRIT 기법을 적용하여 효율적으로 2차원 ISAR 영상을 획득하였다. 제안된 기법과 기존의 기법을 동일한 표적에 각각 적용하여 이들을 비교함으로써, 제안된 기법의 성능을 검증하였다.
한편, ISAR 영상은 추적레이더를 이용하여 표적에 의해 산란된 신호를 연속적으로 획득하여 이들로부터 레이더 영상을 획득하게 되는데, 추적레이더는 탐색레이더와 비교했을 때 상대적으로 가격이 비싸고 보급률 또한 떨어진다. 또한 추적레이더는 제한된 탐색 영역(search volume) 내에서만 표적을 추적하기 때문에 표적이 이 영역을 벗어날 경우 표적의 산란신호를 획득하지 못하는 문제가 발생한다. 하지만 탐색레이더를 이용할 경우 이러한 탐색 영역을 확장할 수 있고, 다중 표적에 대한 신호 구분이 쉬워진다는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 논문의 3장에서는 탐색레이더를 이용한 ISAR 영상 획득 기법을 제안하였다. 하지만 탐색레이더를 이용할 경우 일정한 측정 시간간격을 가지는 연속적인 표적산란신호를 획득할 수 없다. 그 이유는 레이더 안테나가 회전을 거듭할 때마다 표적은 지속적으로 움직이기 때문에 동일한 시간간격을 가지면서 표적의 산란신호를 측정할 수 없다. 따라서 이를 해결하기 위해, 표적의 움직임과 레이더 시스템을 고려한 표적산란신호를 모델링하고, 수평방향(Down range)의 1차원 레이더 영상은 기존의 퓨리에 기반의 기법으로 구하고, 불균일한 sample data로부터 원하는 파라미터를 추출하기위해 압축센싱 (compressed sensing) 기법과 MUSIC 기법을 적용하여 2차원 레이더 영상을 획득하였다. 제안된 기법을 측정 및 시뮬레이션된 표적산란신호에 적용하여 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 두 가지 형태의 제한된 표적산란신호에 대한 레이더 영상기법에 대해 다루었다. 첫 번째는 짧은 관측 시간 동안 획득한 신호인 section data를 이용하여 이에 대한 레이더 영상기법은 2장에서 다루었고, 두 번째는 일정하지 않은 시간 동안 획득한 신호인 불균일한 sample data를 이용하여 이에 대한 레이더 영상기법은 3장에서 다루었다. 각각의 단원에서 제안된 기법들을 이상적인 산란점 표적 모델뿐만 아니라 측정된 신호에도 적용하여 레이더 영상을 무리 없이 획득할 수 있음을 보였고, 본 논문의 연구결과들이 이와 같은 제약 조건이 따르는 레이더 영상 분야에 기여하기를 기대한다.
