SAR, 한반도를 고화질 3차원으로 훑는다! (한국형 KPU-STC)

 

美 차세대 무인정찰기 ‘RQ-4N’ http://blog.daum.net/han0114/15770642 

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SAR, 한반도를 고화질 3차원으로 훑는다! (한국형 KPU-STC)

2008년 05월 09일(금) 오후 05:44

 

 

폭우가 쏟아지는 전쟁터. 부대를 이끄는 대대장은 저 멀리 흐릿하게 보이는 작은 숲이 왠지 불안하다. 전진을 멈추고 고민하는 그에게 긴급 무전이 날아왔다. “숲 속에 적의 탱크 부대가 숨어 있다. 포격을 시작하겠다.”

 

곧 아군의 포탄이 쏟아졌고 적 부대는 괴멸됐다. 무인정찰기가 ‘고해상도 영상레이더’로 찍은 사진이 부대원들의 목숨을 살린 것이다.

현대전에서 무인정찰기와 인공위성의 고성능 관측 장비는 대단한 위력을 갖고 있다. 적 부대의 위치부터 이동, 잠복까지 손바닥 보듯 훤히 들여다본다. 특히 영상레이더(SAR)는 기존 레이더와 달리 땅 위의 물체를 3차원 사진으로 볼 수 있다. 얕은 바다를 운항 중인 잠수함까지 알아낼 수 있다.  현재 최고 수준의 SAR는 미국의 무인기 프레데터나 글로벌호크에 달려 있는 30cm급. 백과사전 크기의 큰 책까지 식별할 수 있다.

국내에서도 최근 40cm급 고해상도 SAR가 나왔다. 가민호 한국산업기술대 전자공학과 교수팀과 삼성텔레스는 7일 40cm급 합성개구레이더(KPU-STC)를 개발했다고 밝혔다. 가로 세로 40cm×1.5m 크기의 물체를 구분해 선명한 영상을 보내주는 장치다.

이 연구팀은 최근 진동이 심한 헬기에 이 레이더를 실어 강원 삼척 지역을 촬영하는 데 성공했다. 국내에서 최고 해상도의 SAR는 국방과학연구소가 2004년 개발한 가로 세로 1.5m급 레이더 ‘KOMSAR’였다.

 

전자기파로 땅 끝까지 훑는다

이 레이더는 밤에는 물론 비 또는 눈이 오는 것과 상관없이 이용할 수 있다. 아무리 구름이 많이 끼어도 사진을 찍는 데 문제가 없다. 빛 대신 전파를 이용해 지상을 보기 때문이다. 레이더에서 쏜 전파는 지상에 있는 물체에 부딪쳐 돌아오는데 이 정보를 읽어 물체의 모양을 본다. 건물의 높낮이, 나무 뒤에 숨어 있는 물체까지 알 수 있다.

가 교수는 “정찰기나 위성에 쓰는 고성능 광학카메라는 날씨 때문에 1년에 30% 정도만 이용할 수 있어 제한적”이라며 “동굴이나 콘크리트 건물에 숨지 않는 한 레이더의 눈을 피하기 어렵다”고 설명했다.

SAR는 지하자원을 찾거나 재난 현장을 파악하는 데도 쓸 수 있다. 물체의 모양뿐만 아니라 토양의 성질을 분석하고 지하수가 얼마나 많이 흐르는지도 알 수 있기 때문이다. 금속은 특히 전파를 잘 반사하기 때문에 금속 자원을 찾는 데 유리하다. 2010년 발사될 아리랑 5호 위성도 1, 2호와 달리 광학 카메??대신 SAR를 달고 우주로 갈 계획이다.

목표는 10cm급 고해상 레이더

이 레이더는 작은 레이더 안테나를 이용해 거대한 ‘가상 레이더’를 만든다. 비행기에 몇 m 크기의 작은 레이더를 싣고 날아가면서 얻은 정보를 합쳐 수백에서 수천 배 넓이의 사진으로 합성하는 것이다. 비행기가 진동하면 전파신호가 흔들려 영상에 오류가 많이 생기고 정확도도 떨어진다.

이 연구팀은 위성위치확인시스템(GPS)과 고정밀 관성항법장치(INS) 센서로 비행기의 요동을 바로잡는 기술을 개발해 레이더의 정확도를 높였다. 레이더 신호를 모아 고해상도로 합성하는 기술도 개발했다. 세계가 목표로 삼은 건 10cm급 해상도의 SAR다. 사람의 머리도 식별할 수 있다. 현재 일부 나라에서 개발돼 시험 운용되고 있다.

 

가 교수는 “1, 2년 뒤에 고속 디지털 칩이 개발되면 우리가 만든 레이더의 구조를 조금만 바꿔도 최고 12.5cm급의 영상을 얻을 수 있다”며 “앞으로 우리나라 국토를 아날로그TV에서 고화질TV로 볼 수 있을 것”이라고 기대했다.

김상연 동아사이언스 기자 dream@donga.com R>

 

 

2011년 발사 아리랑 3호는 70cm 물체도 식별… 50cm 고해상 카메라 이미 개발, 10년내 위성 장착  현재 활동하는 우리나라의 위성 중에는 2006년 발사한 아리랑 2호가 가장 좋은 눈을 가졌다. 아리랑 2호는 1m 크기의 물체를 한 점으로 인식할 수 있다. 올해 초 우주 미아가 된 아리랑 1호는 6.6m급의 해상도였다.

세계 상업용 인공위성 가운데 해상도가 가장 높은 카메라를 가진 것은 2000년 미국이 쏘아올린 아이코노스(IKONOS) 2호다. 이 위성은 가로 세로 80cm인 물체를 한 점으로 표현할 수 있다. 하지만 2011년 우리나라의 아리랑 3호가 발사되면 이 기록이 깨진다. 아리랑 3호는 70cm 크기의 물체를 한 점으로 볼 수 있다.

인공위성은 약 700km 높이에서 지구를 촬영하기 때문에 영상을 확대해야 한다. 일반 망원경처럼 유리 렌즈를 사용해도 되지만 무게를 줄이기 위해 거울을 사용한다. 오목한 거울은 반사망원경처럼 빛을 모아 물체를 크게 보이도록 한다.

이윤우 한국표준과학연구원 우주광학으로 아리랑 3호에 설치할 카메라보다 더 향상된 지름 0.9m의 거울이 달린 카메라도 이미 개발했다”며 “10년 안에 인공위성에 달아 우주에 올릴 것”이라고 말했다. 이 카메라는 고도 700km에서 50cm의 해상도를 갖는다.

그래도 미국 군사첩보위성의 해상도는 아직 넘을 수 없다. 이 위성은 지름 3.8m의 거울이 달린 대형 위성으로 15cm의 해상도를 갖고 있다.  이승훈 한국항공우주연구원 위성광학기술팀장은 “군사위성과 상용위성은 수명과 목적이 다르기 때문에 쉽게 비교할 수 없다”고 밝혔다.

군사첩보위성은 평상시 700km 상공에 있다가 목표가 정해지면 200∼300km 상공으로 내려와 촬영한 뒤 다시 올라간다. 위성이 지면과 가까워지면 영상의 해상도가 높아지지만 연료가 많이 소모돼 3년을 넘기기 힘들다. 그래서 미국은 1년에 위성 수십 대를 쏘아 올린다.

이 팀장은 “군사용 위성 개발에는 많은 예산이 들고 위성에서 얻은 영상자료는 판매는 물론 공개하기도 힘들기 때문에 활용하기 쉽지 않다”고 덧붙였다.

 

전동혁 동아사이언스 기자© 도깨비뉴스

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합성개구레이더(SAR)

합성개구레이더(SAR : Synthetic Aperture Radar)은 공중에서 지상 및 해양을 관찰하는 레이더이다.

합성개구레이더는 지상 및 해양에 대해 공중에서 레이더파를 순차적으로 쏜 이후 레이더파가 굴곡면에 반사되어 돌아오는 미세한 시간차를 선착순으로 합성해 지상지형도를 만들어내는 레이더 시스템이다. 레이더를 사용하기 때문에 주간 및 야간, 그리고 악천후를 가리지 않는다. 1960년대부터 주로 군용 정찰장비로 개발되기 시작했으며 1980년대에 들어와서 단순한 지형패턴만이 아닌 이동목표 추적(MTI : Moving Target Indicator) 능력을 가지게 되었다.

다른 많은 부분들처럼 합성개구레이더(SAR)도 군용으로 개발되었고 지금도 가장 많은 비중을 차지하고 있으나 점차 민간 분야로 영역을 넓혀가고 있는 중이다(컴퓨터도 곡사포의 탄도 계산을 위해 개발된 것이었다).

합성개구레이더(SAR)를 장착하는 플랫폼은 특별한 제한이 없다. 초기에는 제트기(주로 전투기를 개조한 정찰기)에 한정되었으나, 최근에는 F-15K와 같은 최신형 전투기에는 각 기체마다 장착되어 있으며, 헬리콥터, 대형 정찰기를 비롯하여 무인정찰기에도 장착되고 있으며, 인공위성에도 장착되고 있다.

소련과 미국이 아날로그 처리 방식의 합성개구레이더 위성을 70년대부터 수차례 쏘아 올렸고, 1990년대에 들어서 ERS-1/2 (유럽), JERS-1 (일본), RADARSAT-1 (캐나다) 등의 합성개구레이더 센서를 장착한 위성이 발사되었다. 2000년에는 부분적인 편광 관측이 가능한 ENVISAT (유럽)이 발사되었고, 2006년에는 JERS-1의 계승으로 볼 수 있는 ALOS(일본)가 발사되었다. 앞으로 TERRASAR-X (유럽)와 RADARSAT-2 (캐나다)의 발사가 계획되고 있으며, ALOS를 비롯한 이들 인공위성은 완전 편광관측이 가능하다.

장착될 때에는 기체 자체에 처음부터 내장되기도 하나(전투기가 이렇다), 별도의 정찰용 포드 형태로 개발된다. 이 방법의 장점은 포드를 달수 있는 기체라면 별도의 개조 없이 현장에서 바로 달 수 있다는 것이다. SAR기술은 미국과 이스라엘, 그리고 유럽 몇 개국이 주도했으나, 최근 한국도 국방과학연구소를 통해 한국형 SAR을 독자 개발한 바 있다.

원리

레이더는 원리적으로는 짧고 강한 펄스 전파 빔을 목표지역에 쏘아 그 반사파가 레이더 안테나로 돌아오는 시간을 측정하여 2차원 영상을 구성하는 장치이다. 그런데 이 레이더의 해상력을 높이려면 전파 빔이 가늘고 예리해서 목표지역의 좁은 부분에서 나오는 반사파만 골라 수신할수 있어야 하고(방위 해상도) 내보내는 전파 펄스 자체가 시간적으로 짧아서 반사파도 짧은 펄스로 돌아와야 한다.(거리 해상도) 전자파의 분산이나 굴절을 최소화하기위해서는 되도록 높은 주파수 즉 짧은 파장의 전파를 사용해야 한다.

방위해상도를 높이기위해 예리한 방향성을 가진 오목거울처럼 생긴 포물면 안테나(parabolic anntena)를 쓰는데 이 안테나의 직경이 전파의 파장에 비해 크면 클수록 전파의 회절이 적어져서 예리하게 빔을 한 지점으로 집속하여 보내고 있고 또 받을 수 있다. 이는 천체망원경으로 토성이나 목성같은 천체를 자세히 찍으려면 직경이 큰 렌즈나 반사경을 가진 천체망원경을 사용하여야하는 것과 같은 원리이다. 단지 배율만 높이면 빛의 회절 때문에 상이 뭉개져서 알아볼 수 없게 된다. 안테나의 직경을 전파의 파장으로 나눈 값을 안테나 개구비(開口比, Apature Ratio, AR)라고 하는데 이 개구비가 클수록 빔이 예리해지고 안테나 이득도 높아진다. 그러나 항공기에 탑재해야하는 안테나는 크기나 무게에 제한이 있고 또 큰 안테나를 빠르게 회전시키는 것도 곤란하다. 전파의 파장을 짧게 하는 데도 기술적 한계나 감쇠가 심해지는 등 실용적 문제가 있으므로 종래의 레이더로는 그 해상도에 제한이 있을 수밖에 없다.

그래서 안테나의 직경을 크게 하지 않으면서도 높은 방위해상도를 얻을수 있도록 개발한 것이 합성개구 레이더이다. 합성개구 레이더에서 사용하는 전파 빔은 비교적 펄스폭도 넓고 안테나 직경도 작아서 빔의 각도 범위도 넓은 편이다. 그 대신 레이더를 비행기나 인공위성에 싣고서 빠르게 이동을 하면서 레이더 반사파를 연속적으로 수신한다. 이렇게 하면 전파가 반사되는 돌아오는 동안 이동한 거리만큼 마치 레이더 안테나의 직경이 길어지는 효과가 나타나므로 보다 예리하게 반사파를 수신할 수 있게된다. 그러므로 공중에서 넓은 범위의 지상의 고해상도의 영상을 획득하는데 아주 효과적이다.

고속으로 이동하며 위상이 일치하는(coherent) 전파 빔을 방사하면 전파 빔을 방사한 안테나의 위치와 반사되어 돌아온 반사파를 수신하는 안테나의 위치가 상당한 차이가 나고 이 위치 차이가 수신된 전파의 도플러 편이(Doppler Shift)로 나타난다. 이 도플러 편이의 상대적 편이 특성을 이용해서 대상물과 레이더 안테나 사이의 거리차에 대한 위상보정 방식을 쓰거나 수신지점은 다르지만 위상이 같은 신호를 더하여 합성된 안테나 신호를 획득한다. 즉 레이더가 이동한다는 것을 이용하여 개구면이 작은 안테나로 수신된 연속적인 여러 개의 레이더 신호들을 합성하여 개구면이 큰 안테나의 개구면을 수학적 방법으로 합성한다는 것이다. 그래서 합성개구(合性開口)(synthetic aperture radar, SAR) 레이더라는 이름이 붙은 것이다. 실제로는 빠르게 이동하며 수신한 여러 신호들을 정지한 레이더의 영상처럼 선명하게 보이게 하려면 복잡한 신호처리가 필요하다.

각국의 SAR

EL/M-2055 : 이스라엘 IAI 사

KPU-STC : 대한민국 삼성탈레스

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KPU-STC

 

KPU-STC는 대한민국에서 개발된 초고해상도 합성개구레이더(SAR)이다.

2008년 5월 7일, 대한민국의 가민호 한국산업기술대학교 전자공학과 교수팀과 삼성탈레스가 공동으로 글로벌 호크급의 SAR인 KPU-STC를 개발하는데 성공했다.

무인 정찰기 글로벌 호크와 유인 정찰기 U-2기에 탑재되는 SAR의 해상도는 1개의 점이 30cm*30cm 크기이다. KPU-STC의 해상도는 40cm급으로서, 1개의 점이 40cm*40cm 크기이다.

가민호 교수는 "1, 2년 뒤에 고속 디지털 칩이 개발되면 우리가 만든 레이더의 구조를 조금만 바꿔도 최고 12.5cm급의 영상을 얻을 수 있다"고 밝혔다.[2]

이전에는, 대한민국 최고 해상도의 SAR는 국방과학연구소가 2004년에 개발한 해상도 1.5m급 레이더 KOMSAR였다. KPU-STC의 해상도는 KOMSAR보다 약 14배(150*150/40/40) 향상되었다.[위키백과]

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40㎝급 초고해상도 국토 관측시대 개막! ...한국산업기술대 전자공학과 가민호 교수 연구팀 전격 개발

(시흥=뉴스와이어) 2008년 05월 07일

무인항공기나 인공위성에 탑재하여 최고 40㎝급(40㎝☓1.5m) 크기의 물체를 식별해 선명한 영상정보를 제공해주는 국내 최고 해상도의 영상레이더(SAR·합성개구레이더)가 국내 기술진에 의해 개발됐다.

한국산업기술대학교(총장 崔俊濚) 전자공학과 가민호 교수 연구팀은 방산업체인 삼성탈레스와 공동으로 3년간의 연구 끝에 국방과학연구소가 지난 2004년 국내 최초로 개발한 ‘KOMSAR(해상도 1.5m ☓ 1.5m급)’보다 해상도가 월등히 높은 고해상도 SAR 개발에 성공했다고 발표했다.

SAR(Synthetic Aperture Radar)은 항공기나 인공위성 등에 탑재해 이동하면서 목표물에 부딪쳐 반사되는 레이더 신호를 컴퓨터 등을 이용해 분석, 합성한 뒤 영상으로 구현해 주는 최첨단 관측 장비다.

'KPU-STC’로 명명된 한국형 SAR의 이번 개발은 30㎝ 해상도를 갖는 미국의 무인기 프레데터(Predator)나 글로벌호크(Global Hawk)의 초고해상도 영상레이더 핵심기술에 근접, 세계적 수준의 SAR 기술 구현을 향해 한 발 더 다가섰다는 점에서 높은 평가를 받고 있다.

이번에 개발된 ‘KPU-STC’의 명칭은 한국산업기술대(Korea Polytechnic Univ.)와 삼성탈레스(Samsung Thales Corp.)의 영문 첫 글자를 딴 것으로, 그동안 고난도 기술로 여겨지던 요동보상(Motion Compensation) 기술과 고해상도 신호생성ㆍ합성기술의 두 가지 핵심기술을 산학협력을 통해 극복했다는데 큰 의미가 있다.

이 두 기술은 초고해상도 SAR 구현에 필수적이나 아직 국내에서 개발되지 못하고 있었다.

요동보상기술은 항공기 탑재 시 발생하는 진동으로 불규칙해진 레이더 수신 신호를 바로잡아 번짐 없이 고해상도 영상을 얻을 수 있는 핵심기술이다. 연구팀은 이 기술을 구현하기 위해 국내에서는 처음으로 위치정보시스템(GPS)과 고정밀 관성항법장치(INS) 센서를 사용, 기술적 난제를 풀었다.

실제로 최근 연구팀은 진동이 심한 헬기를 이용한 항공기 탑재 운용 시험에서 선명한 고화질 영상을 성공적으로 구현한 것으로 확인됐다.

또 하나의 핵심기술인 고해상도 신호생성 및 합성기술은 최적의 하드웨어 구조설계를 통해 해상도 업그레이드 기능을 대폭 향상시키는데 적용됐다. 이 기술이 적용된 KPU-STC SAR는 향후 1 ~ 2년 내 고속 디지털 칩이 개발될 것에 대비해 간단한 하드웨어 변경만으로 최고 12.5㎝급(1.2GHz 대역폭 신호)의 초고해상도 영상을 구현할 수 있도록 설계됐다.

가민호 교수는 “이번 개발로 우리나라도 차세대 초고해상도 SAR을 구현할 수 있는 기술적 토대가 마련됐다”며 “이 기술을 상용화할 경우 이전보다 훨씬 정밀한 국토 관측이 가능해져 민간분야의 재난·재해 모니터링, 국토측량, 자원탐사는 물론 군사용 장비로 활용돼 큰 효과를 얻을 수 있을 것”이라고 기대했다.

SAR의 특징

이론상으로는 광학 영상과 같은 수준의 고해상도의 영상을 얻을 수 있으며, 야간이나 흐린 날 등 광학 카메라를 사용할 수 없는 상황에서도 지상의 물체를 정밀 분석, 영상을 얻을 수 있는 기능이 뛰어나다.

한국산업기술대학교 소개: 1998년 산업자원부의 지원으로 설립된 한국산업기술대학교는 산학이 협력하여 기술경쟁력을 높이고 기업에서 필요로 하는 우수한 전문기술인력을 양성할 목적으로 국내에서는 유일하게 국가산업단지내(국내 최대 中企밀집단지인 반월시화산업단지)에 설립된 산학협력 중심대학이다. 설립 이래 대학이 보유한 고급두뇌와 최첨단 연구장비를 기업과 함께 공유하여 산업체의 기술경쟁력을 높여주고 산업현장에서 필요로 하는 현장적응력이 뛰어난 고급엔지니어를 양성함으로써 국가 산업경쟁력을 제고해 나가고 있다. 특히 ‘국내 최대 中企단지의 중심’이라는 산업입지를 최대한 활용하여 대학 자체를 'Industrial Park화'하고, 대학은 산업현장을 캠퍼스로, 산업체는 대학을 연구개발실로 활용하는 적극적인 산업체 지향정책을 펴 나가고 있는 산학협력의 모델로 평가받고 있다.

출처: 한국산업기술대학교