The target can be automatically recognized by analyzing the ISAR image of the target. It is called SAR ATR. SAR ATR requires a massive database of ISAR images of numerous CAD models for all observation angles. A fast ISAR image simulation method is necessary to rapidly build this multi-view database. And image quality is important issue because image quality affects the accuracy of target recognition.
To quickly simulate ISAR image, Bhalla derived an image-domain ray-tube integration formula based on the SBR technique. This formula directly calculates the contribution of each ray to the ISAR image in the image-domain through a one-time ray tracing process at the central observation angle.
Bhalla’s method, which is the previous fast ISAR imaging method, has a limitation that the ray tracing process must be performed at each central angle of the images. It is insufficient to rapidly build the multi-view database for SAR ATR because ray tracing process is performed at each central angle. To solve this limitation of previous method, fast ISAR image formation method over multi-aspect angles using the SBR technique was proposed. An enhanced image-domain ray-tube integration formula that calculates the ISAR image through the ray tracing process at an arbitrary angle, not at the central angle was derived in a closed form. Using this proposed formula, multiple ISAR image with different central angles can be generated through just one-time ray tracing process. Simulation results for a tank CAD model is used to verify the performance of the proposed method in this dissertation. Simulation results show that the proposed method reduces the computation time by 74% compared with Bhalla’s method.
Bhalla’s method has another limitation that only FFT-based ISAR image is obtained. A FFT-based ISAR image has a restricted range resolution, and the scattering center has sidelobes in the FFT-based ISAR image domain. These restrictions make it difficult to analyze scattering properties of the CAD model. Thus, fast scattered field prediction method for super-resolution ISAR image formation was proposed in this dissertation. For this method, a FFT-based ISAR image formula is derived in a closed form. However, the field data obtained using the closed form formula have high error term. To suppress errors in the field data, the field truncation method is proposed. Simulation results for a helicopter CAD model and a tank CAD model is used to verify the performance of the proposed method in this dissertation. The field data and super-resolution ISAR image obtained by using the proposed method are in good agreement with the results for the conventional method, while the computation times are tremendously reduced. Especially, simulation results show that the field truncation method is essential for the proposed fast field prediction algorithm.
In this dissertation, fast ISAR imaging methods to solve the two limitations of the previous fast ISAR imaging method using SBR technique were introduced. The first one is fast ISAR imaging method over multi-aspect angles using the SBR technique, and the second one is fast scattered field prediction method for super-resolution ISAR image formation using the SBR technique. Simulation results for complex PEC CAD models are used to verify the performance of the proposed methods.
고전적인 ISAR 영상 시뮬레이션에서는 여러 주파수와 관측 각도에 대해 산란파를 계산하고 이를 FFT함으로써 ISAR 영상을 획득할 수 있다. SBR 기법을 이용하여 산란파를 계산할 경우, 광선 추적 과정이 각각의 관측 각도에서 수행되어야 한다. 따라서 FFT를 이용하는 고전적인 방법은 높은 계산량을 가진다. 발라 (Bhalla)는 이러한 FFT 방법의 높은 계산량을 극복하기 위해, image-domain ray-tube integration formula를 유도하였다. 이 수식은 각 광선이 영상 도메인에서 가지는 ISAR 영상에 대한 기여분을 직접적으로 계산한다. 여러 주파수와 관측 각도에 대한 산란파 계산을 생략하고, 중심 각도에서의 단 한 번의 광선 추적 과정을 통해서 ISAR 영상을 직접적으로 계산할 수 있다.
기존의 고속 ISAR 영상 생성 방법인 발라의 방법은 영상의 중심 각도에 대한 광선 추적 과정이 반드시 수행되어야 한다는 한계점을 가진다. 이는 SAR ATR을 위한 여러 각도에서의 ISAR 영상을 포함하는 multi-view database를 고속으로 구축하기에는 충분하지 않다. 이러한 한계점을 극복하기 위하여, 본 논문에서는 SBR 기법을 이용하는 여러 각도에 대한 고속 ISAR 영상 생성 기법을 제안하였다. 영상의 중심 각도가 아닌, 임의의 각도에서 수행된 광선 추적 과정을 통해서 ISAR 영상을 계산하기 위한 enhanced image-domain ray-tube integration formula를 유도하였으며, 제안된 수식은 단 한 번의 광선 추적 과정을 통해서 서로 다른 중심 각도를 가지는 여러 영상들을 계산할 수 있다.
발라의 방법은 FFT기반 ISAR 영상만을 획득할 수 있다는 또 다른 한계점을 지니고 있다. FFT기반 ISAR 영상은 제한된 영상 해상도를 가지며, 영상에서 산란점이 부엽을 가지게 된다. 이러한 제약 조건들은 CAD 모델의 산란 특성 분석을 어렵게 만드는 요인이 된다. MUSIC과 ESPRIT와 같은 파라미터 추정 알고리즘은 고해상도에서 정확한 산란점을 추출하며, FFT기반 ISAR 영상 기법들이 가지는 문제점을 해결할 수 있다. 발라의 방법이 가지는 한계점을 극복하기 위해, 본 논문에서는 고해상도 ISAR 영상 생성을 위한 고속 산란파 예측 기법을 제안하였다. 이를 위해 고속으로 산란파를 예측하기 위한 수식을 유도하였으며, 이 수식을 사용함으로써 발생하는 오차를 최소화하기 위한 방법 또한 제안하였다.
본 논문에서는 발라의 방법의 제한점을 해결하기 위한 고속 ISAR 영상 생성 기법들에 대해서 다루었다. 첫 번째는 SBR 기법을 이용하여 여러 각도에서 고속 ISAR 영상을 생성하는 기법이며, 두 번째는 고해상도 ISAR 영상 생성을 위한 고속 산란파 예측 기법이다. PEC CAD 모델들에 대한 시뮬레이션 결과를 이용하여 제안하는 방법들을 성능을 검증하였다.
