KR100710691B1 - 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧 - Google Patents

밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧 Download PDF

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채연식
김순구
이진구
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Abstract

본 발명은 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧에 관한 것으로써, 밀리미터파를 수신하는 밀리미터파 안테나 어레이, 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키는 저잡음 증폭기(LNA), 필요한 영상 신호만을 검출하는 검출기, 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하는 빔포밍기, 각각의 안테나와 저잡음 증폭기에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막는 위상 천이기, 저잡음 증폭기와 위상 천이기 및 검출기 사이를 연결하는 전송선로, 영상 신호 처리와 빔포밍 제어용 디지털 신호처리 프로세서로 이루어진 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈; 밀리미터파 수동 영상을 소방관이 볼 수 있도록 출력하는 액정 (LCD) 모니터; 화재 현장의 영상을 수집하는 CCD카메라; 밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하는 라디오 안테나로 구성된 밀리미터파 수동 영상 시스템을 헬멧의 전방에 구비하여, 화재의 뜨거운 열기에도 사람 및 사물이 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 수신하여 영상 및 공간을 형성하여 소방관의 시계를 확보함으로써 화재 진압 및 인명 구조가 신속하고 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
소방관, 헬멧, 영상헬멧, 밀리미터파 수동 영상 시스템.

Description

밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧{helmet for firemen having millimeter-wave passive imaging system}
도 1은 본 발명의 밀리미터파 수동 영상 시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 밀리미터파 수동 영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 작동 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 헬멧 11 : 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈
12 : 액정모니터(LCD)
13 : CCD(charged coupled device)카메라
14 : 라디오 안테나 211 : 밀리미터파 안테나 어레이
212 : 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)
213 : 전송선로 214 : 검출기 (detector)
215 : 빔포밍(beam forming)기 216 : 위상 천이기 (phase shifter)
217 : 디지털 신호처리 프로세서 217a : 영상 처리 프로세서
217b : 빔포밍 프로세서
본 발명은 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀리미터파 영상 시스템을 소방관용 헬멧의 전방에 부착하여 자욱한 연기 속에서도 소방관의 시야를 확보함으로써 진화 및 인명 구조 작업에 도움을 주기 위한 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧이다.
오늘날 많은 산업의 발전을 이루면서 인간의 삶의 질이 향상됨과 동시에 자연적인 혹은 인위적인 위험에도 많이 노출되어왔다. 특히 화재는 짧은 시간에도 많은 인명 손실과 재산 손실을 앗아가 가장 큰 위험이라 할 수 있다. 이러한 화재에 의한 손실을 막기 위해 소방관들은 뜨거운 열기와 위험할 수도 있는 연기에 맞서 온갖 노력을 다하고 있다. 그러나 소방관들의 노력에도 불구하고 화재는 많은 인명과 재산을 순식간에 앗아가곤 한다. 특히 화재에서 많은 인명을 앗아가는 주원인은 화재시 동반되는 연기가 질식을 초래하기 때문인 것으로 많은 언론들이 발표하고 있다. 또 이러한 연기는 소방관의 시계 확보를 어렵게 하여 순간적인 대체 행동을 저지하기도 하여 일반 민간인들의 피해뿐만 아니라 소방관의 생명도 앗아가기도 한다.
그래서 화재발생시 소방관들의 시계 확보를 위한 기술들이 많이 발명되어 왔으며, 이러한 대표적 기술의 일례로서 센서를 이용한 입력장치와 표시 시스템 (한국 특허 10-0399803) 등을 들 수 있다. 이기술에서는, 과거 3차원 마우스 혹은 3차원 포인터 등의 입력장치를 사용하는 가상현실 세계의 인공적인 공간을 형성하려면 장치를 현실 공간에 적용하였을 경우, 공간 영상을 형성하기 위해 입력장치를 광범위하게 움직여야 하며, 또 이를 손으로 움직여야하기 때문에 조작성이 나쁘고, 사용 장소도 제한된다는 문제를 해결하고 있다. 즉 한국 특허 10-0399803호의 발명은 입력장치 본체의 현실공간에 있어서의 위치와 방향을 검지하고 그 입력장치 본체의 위치와 방향을 변화시키지 않고 조작 가능한 현실공간에 존재하는 조작체의 조작량을 검지하여 그 입력장치 본체의 위치와, 그 입력장치 본체의 방향 및 그 조작체의 조작량에 대응하여 화면 내에 지시화상을 생성시켜 그 입력장치 본체의 위치의 변화와 그 입력장치 본체의 방향의 변화, 그리고 그 조작체의 조작량의 변화에 따라서 그 화면 내에서의 지시화상에 의한 지시위치를 변화시킴으로써 3차원 마우스 등의 입력장치에서의 단점을 해결한 것이다.
그러나, 이러한 기술에 적용되는 센서로는 열 혹은 적외선을 사용하는 센서가 적용되고 있는데 이들은 화재의 강한 열기 안에서 공간 형성에 오류를 일으킬 수 있으며, 사람과 사물간의 구별이 어려운 문제가 있다. 또한 일반 가시광선 혹은 적외선은 연기나 수증기를 투과하지 못함으로 인해 일반 카메라 또는 적외선 카메라를 입력장치로 사용하는 기술은 정확한 현실 공간 형성이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 화재의 뜨거운 열기에 관계없이 사람 및 사물이 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 수신하여 영상 및 공간 형성이 가능한 밀리미터파 수동 영상 시스템 을 소방관들이 착용하는 헬멧에 부착함으로써 소방관의 시계 확보를 도모하여 뜨거운 불길 속에서도 화재 진압이 용이하며 신속하게 인명을 구조할 수 있다. 즉 연기 혹은 수증기에 대해서 투과성이 좋기 때문에 양질의 온도 영상을 얻을 수 있고, 얻어진 온도 영상을 헬멧에 부착된 소형 모니터에 투사하여 한쪽 눈으로는 화재 현장을 살펴보고 다른 한쪽 눈으로는 온도 영상을 보면서 불길을 살피거나 진화가 덜 된 곳을 파악하여 집중적인 진화를 할 수 있으며, 화재 현장 내 구조되지 않은 인명을 구조할 수 있고, 특히 자욱한 연기 속에서도 소방관의 시야를 확보함으로써 진화 및 인명 구조 작업이 매우 용이한 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 사람과 사물의 온도 영상 형성을 위해 사람 혹은 사물의 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하기 위한 밀리미터파 안테나 어레이, 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA), 필요한 영상 신호만을 검출하기 위한 검출기, 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하기 위한 빔포밍기, 각각의 안테나와 저잡음 증폭기에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막기 위한 위상 천이기, 저잡음 증폭기와 위상 천이기 및 검출기 사이를 연결하기 위한 전송선로와, 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위한 디지털 신호처리 프로세서로 이루어진 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈; 밀리미터파 수동 영상을 소방관이 볼 수 있도록 출력하기 위한 액정 (liquid crystal display, LCD) 모니터; 화재 현장의 영상을 수 집하기 위한 CCD카메라; 밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 라디오 안테나로 구성된 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧을 제공한다.
이하, 대표적인 일례로서 도시된 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 특징적인 구성과 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 구조를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 구성요소간의 작동 블록도이다.
본 발명의 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧은 도 1에 도시된 바와 같이, 헬멧(10) 전면 상부에 밀리미터파 수동 영상을 형성하기 위한 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈 (11)를 부착하고, 밀리미터파 수동 영상을 출력하기 위한 액정모니터 (12)를 수동영상을 소방관이 잘 볼 수 있도록 소방관의 눈 위치에 알맞게 헬멧(10)의 전방에 설치한다. 또 화재 현장의 영상을 수집하기 위한 CCD카메라(13)와 밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 라디오 안테나(14)를 대략 헬멧(10)의 전방에 구비하고 있다.
본 발명에 따른 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 주요 구성요소로서의 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈 (11)은 사람 혹은 사물이 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파를 각기 수신하고, 수신된 밀리미터파 신호를 신호처리 과정을 통하여 영상신호로 변환하는 역할을 한다.
또, 액정 모니터(12)는 상기 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(11)에서 수신 및 신호처리 된 영상 신호를 소방관이 볼 수 있도록 화상으로 출력하는 역할을 한다. 상기 액정 모니터(12)는 도 1에 도시된 바와 같이, 소방관의 왼쪽 또는 오른족 눈으로 영상신호를 볼 수 있도록 소방관용 헬멧(10)의 안면 보안기의 왼쪽 혹은 오른쪽으로 치우쳐서 설치될 수 있으며, 밀리미터파 수동 영상 시스템에서 변환된 온도 영상과 실제 화재 현상을 동시에 볼 수 있도록 하여, 진화가 덜 된 곳을 파악하여 집중적으로 진화할 수 있도록 한다. 특히, 본 발명에 의하면 액정모니터(12)에 화재로 인한 열기와 사람의 체온에 의한 온도가 구분되어 온도 영상이 나타나므로 인명 구조에 많은 도움을 줄 수 있다.
CCD카메라(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 좌측 또는 우측 단부에 설치되나, 이에 한정되지 않고 헬멧(10)의 전방 어느 쪽에서도 설치될 수 있으며, 화재 현장의 실시간 영상을 수집하여 지휘본부에 전달하고 지휘본부에서 현장 소방관에게 적합한 지시를 내려 조속한 시간 내에 화재를 진압하는데 도움을 주는 역할을 한다.
그리고 상기 CCD카메라(13)에 인접하여 라디오 안테나(14)가 장착됨으로써, 상기의 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(11)로부터 얻어진 온도 영상과 CCD 카메라(13)로부터 수집된 현장 영상은 상기 라디오 안테나(14)를 통해 지휘본부로 전송되어 진다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧의 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈 (11)은 사람 혹 은 사물의 각기 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하기 위한 밀리미터파 안테나 어레이 (211); 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA)(212); 필요한 영상 신호만을 검출하기 위한 검출기(214); 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하기 위한 빔포밍기(215); 각각의 안테나와 저잡음 증폭기에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막기 위한 위상 천이기(216); 저잡음 증폭기(212)와 위상 천이기(216) 및 검출기(214) 사이를 연결하기 위한 전송선로 (213);와 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위한 디지털 신호처리 프로세서(217)로 구성된다.
밀리미터파 안테나 어레이(211)는 사람 혹은 사물에서 각기 내뿜어지는 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하는 역할을 하며, 소형화가 가능한 패치 안테나 형태로 이루어진다. 또한 수신된 신호의 정확도를 높이기 위하여 다수의 안테나가 어레이 형태를 이루고 있다.
저잡음 증폭기(212)는 상기 밀리미터파 안테나 어레이(211)에 수신된 밀리미터파의 잡음을 걸러내어 필요한 신호만을 증폭시켜 더욱 정확한 영상 신호를 검출할 수 있도록 한다.
또한, 검출기 (214)는 상기 밀리미터파 안테나 어레이(211)에서 수신되고 저잡음 증폭기(212)에서 증폭된 밀리미터파 신호(218)에 있어서, 저잡음 증폭기(212)에서 걸러지지 않은 일부 잡음 신호로부터 필요로 하는 영상 신호만을 검출하는 역할을 한다. 이러한 검출기(214)로는 다이오드 혹은 트랜지스터 등을 사용한 능동 검출기와 유도기(inductor) 혹은 용량기(capacitor) 등을 사용한 수동 검출기 등이 적용될 수 있다.
빔포밍기(215)는 사람 혹은 사물을 제대로 감지할 수 있도록 안테나 어레이(211)에서 수신되는 밀리미터파 신호의 폭을 제어하는 빔포밍(beam forming) 신호를 발생하여 위상 천이기(216)로 전달하는 역할을 한다.
위상 천이기(216)는 빔포밍기로부터 입력된 빔포밍 신호의 위상을 변화시켜 안테나 어레이의 각각의 안테나에서 수신된 밀리미터파 신호가 서로 간섭을 일으키지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 위상 천이기는 각각의 안테나와 일대일로 연결되어 있어서 안테나에서 수신된 각각의 신호들이 같은 위상을 갖지 않도록 하여 상호간의 간섭을 방지한다.
전송선로(213)는 저잡음 증폭기(212)로부터 출력된 신호를 검출기(214)로 전송하고 위상 천이기(216)로부터 제어된 빔포밍 신호를 안테나로 전송하는 역할을 하며, 신호의 전송 손실을 최소화하도록 저잡음 증폭지(212)와 위상 천이기(216), 나아가 검출기(21) 사이를 적절히 연결한다.
디지털 신호처리 프로세서(217)는 검출기(214)에서 최종적으로 검출된 밀리미터파 신호를 화면에 출력할 수 있도록 영상 신호로 처리하는 역할과 최적의 영상을 검출하기 위해 안테나에서 수신되는 신호의 폭을 제어하는 빔포밍 신호를 발생할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 디지털 신호처리 프로세서(217)는 밀리미터파 신호를 영상 신호로 변환시키는 영상 처리 프로세서(217a); 빔포밍 신호를 발생할 수 있도록 하고 신호처리 된 영상신호로부터 정확한 밀리미터파 신호를 수신하기 위해 빔포밍기 신호를 제어하는 빔포밍 프로세서(217b)로 이루어져 있다.
이러한 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(11)은 상기 구성요소들이 상호간 작용이 원활하게 이루어지도록 일체적으로 결합되며, 고온에서도 동작할 수 있도록 단열 케이스(case)내에 단단히 봉합되어야한다.
이와 같은 구조로 이루어지는 본 발명에 의한 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧은 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(11)에서 수신 및 신호처리된 영상신호를 안면 보안기의 왼쪽 혹은 오른쪽으로 치우쳐서 설치된 액정 모니터(12)를 통하여 소방관이 볼 수 있도록 화상으로 출력하여, 밀리미터파 수동 영상 시스템에서 변환된 온도 영상과 실제 화재 현상을 동시에 볼 수 있으므로 진화작업과 인명 구조작업을 신속하고 정확하게 진행할 수 있다.
더욱이, CCD 카메라(13)에 의하여 화재 현장의 실시간 영상을 수집하여 라디오 안테나(14)를 통해 지휘본부로 전송됨에 따라, 지휘본부에서는 상기의 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈로부터 얻어진 온도 영상과 CCD 카메라로부터 수집된 현장 영상을 참고하여 현장 소방관에게 적합한 지시를 내릴 수 있어서 조속한 시간 내에 화재를 효율적으로 진압할 수 있다.
본 발명의 밀리미터파 수동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧은 화재의 뜨거운 열기도 불구하고 관계없이 사람 및 사물이 각기 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 수신하여 영상 및 공간 형성이 가능하므로 소방관의 시계 확보를 도모하여 정확하고 신속한 화재 진압 및 인명 구조가 가능하도록 한다.
특히 본 발명의 밀리미터파 수동 영상 시스템에 의해 수신되는 밀리미터파는 연기 혹은 수증기에 대해서 투과성이 좋기 때문에 양질의 온도 영상을 얻을 수 있고, 얻어진 온도 영상을 헬멧에 부착된 소형 모니터에 투사하여 한쪽 눈으로는 화재 현장을 살펴보고 다른 한쪽 눈으로는 온도 영상을 보면서 불길을 살피거나 진화가 덜 된 곳을 파악하여 집중적인 진화를 할 수 있으며, 화재 현장 내 구조되지 않은 인명을 구조할 수 있으며, 또한 사람과 사물의 구별이 가능하여 건물의 붕괴 등의 재앙의 현장에서 생존자의 구출 작업을 가능케 하는 매우 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명에서의 밀리미터파 수동 영상 시스템은 사람 혹은 사물이 내뿜은 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 이용하는 것이므로 안개 또는 구름과 같은 기상악화 상황에서도 적외선을 이용한 영상획득 보다 우수한 성능을 나타내므로 넓은 시계 확보가 가능하기 때문에 화재 현장뿐 만 아니라 다양한 긴급 사항 및 비행기 조종, 자동차 운전등에도 적용이 가능하다.

Claims (1)

  1. 화재 진압 또는 단체작업시 착용하는 소방관용 헬멧(10)에 있어서,
    상기 헬멧의 일측에 구성되어, 사람과 사물의 온도 영상 형성을 위해 사람 혹은 사물의 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하기 위한 밀리미터파 안테나 어레이 (211), 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA)(212), 필요한 영상 신호만을 검출하기 위한 검출기(214), 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하기 위한 빔포밍기(215), 각각의 안테나와 저잡음 증폭기에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막기 위한 위상 천이기(216), 저잡음 증폭기(212)와 위상 천이기(216) 및 검출기(214) 사이를 연결하기 위한 전송선로 (213)와, 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위한 디지털 신호처리 프로세서(217)로 이루어진 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈 (11);
    상기 헬멧(10)의 전면부에 고정되어, 밀리미터파 수동 영상을 출력하는 액정 모니터 (12);
    화재 현장의 영상을 수집하기 위한 CCD카메라(13);
    밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 라디오 안테나(14);로 구성된 밀리미터파 수동영상시스템을 갖추고 있어서, 사람 및 사물이 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 수신하여 온도 영상을 헬멧에 부착된 액정 모니터(12)에 투사하여 전송된 온도 영상을 보면서 불길을 살피거나 진화가 덜 된 곳을 파악하여 진화를 할 수 있는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 수 동영상시스템을 갖춘 소방관용 영상 헬멧.
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