KR100831779B1 - 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템에 관한 것으로써, 사물의 온도 영상 형성을 위해 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 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 무선 라디오 안테나;로 구성되어, 기상 여건과 상관없이 산불을 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 이용하여 실시간적으로 감시할 수 있을 뿐만 아니라, 화재 발생 시 조기에 감지함으로써 초동진화 작업에 도움을 줄 수 있어 인명 및 재산 피해를 줄일 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
산불 감지 시스템, 밀리미터파, 수동 이미지 시스템.

Description

밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템{sensing system for a forest fire having millimeter-wave passive imaging system}
도 1은 본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템의 실시예,
도 2는 본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템 구성을 나타낸 작동 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 관리 사무소 12 : 밀리미터파 수동 이미지 시스템
13 : 화재 감시 및 감지 14 : 무선전송
15 : 안개 또는 구름 20 : 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈
21 : 밀리미터파 안테나 어레이
22 : 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)
23 : 전송선로 24 : 검출기 (detector)
25 : 빔 포밍(beamforming)기 26 : 위상 천이기(phase shifter)
27 : 디지털 신호처리 프로세서 28 : 무선 라디오 안테나
29 : 증폭된 밀리미터파 신호 271 : 영상처리프로세서
272 : 빔포밍프로세서
본 발명은 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 산불 감지 시스템에 부착하여 기상 조건에 관계없이 산불의 발생 여부 및 정확한 발생지의 추적을 할 수 있는 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템에 관한 것이다.
산림 자원은 인간 생활에 있어서 반드시 필요한 산소를 제공해줌과 동시에 각종 풍수해에 의한 자연 재난을 막아주는 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 귀중한 산림 자원은 번개 혹은 강한 바람으로 인해 나뭇가지의 마찰 등의 자연적인 원인의 화재나 담배꽁초 혹은 야영지의 모닥불 등의 인위적인 원인의 화재로 인해 소실될 수 있다. 매년 평균적으로 약 500 여건의 크고 작은 산불이 발생하는데, 이러한 산불은 대부분 사소한 부주의에 따른 인위적인 원인으로 인해 발생된다. 발생된 산불은 초동진화 작업이 제대로 이루어지지 않으면 바람으로 인해 걷잡을 수 없이 순식간에 번져나가 대형화되어 진화가 어려워지는 문제점이 있었다.
그래서 이러한 산불의 발화점과 초동진화를 돕기 위한 기술이 발명되어 왔으며, 이러한 대표적인 기술의 일례로써 산불발생 감시기를 이용한 산불 발생위치 판별장치(한국 실용신안 20-0236032) 및 카메라를 이용한 산불 관리 시스템(한국 특허 10-0227648) 등을 들 수 있다.
상기의 산불발생 감시기를 이용한 산불 발생위치 판별장치(한국 실용신안 20-0236032)는 산악지역의 도로나 등산로 등의 길고 곡선 형태로 이루어진 지형에 산불이 발생한 것을 조기에 감지하여 대처할 수 있도록 고안된 발명으로, 산불 감지 센서는 전선을 사용한다. 산불을 감지하기 위해 사용되는 전선은 전선의 양자 간(兩者 間)이 꼬여진 전선 혹은 열팽창 계수가 다른 전선 등을 사용하며, 상기의 산불을 감시하기 위한 구역에 설치하고, 산불이 발생하면 불로 인해 전선의 피복이 타면서 양자 간의 전선이 합성되는 것을 감지하여 산불이 발생하였다는 것을 판별하며, 센서로 이용하는 전선이 합선되게 되면 합선된 구간에 따라 양단자간의 저항 값은 다르게 나타나게 되는데 이 값을 측정하여 산불로 인해 센서로 이용하는 전선이 합선된 구간을 산출하게 하였으며, 전선의 도체저항이 적은 점을 감안하여 임의 구간별로 저항을 직렬로 연결함으로써 센서로 사용하는 전선의 합선된 구간에 따라 저항 값의 변화를 크게 할 수 있어 전선이 합선된 구간이 명확하게 나타나도록 하여, 또한 산불발생 위치를 산출한 값을 산불발생을 감시하는 사람이 알아 볼 수 있게 표시해 주도록 한 기술이다. 그러나 이러한 산불 감지 시스템은 전선 피복을 녹일 수 있을 만큼의 고온이 발생하여야 하고 이러한 고온의 열이 발생된 화재는 초동진화 작업이 늦어져서 대형 화재로 번질 수 있는 문제점이 있었다.
또한, 카메라를 이용한 산불 관리 시스템(한국 특허 10-0227648)은 폐쇄회로 텔레비전(closed-circuit television, CCTV)을 산 정상부에 설치하고, 통제소에서 상기 모니터로 이를 감시 및 확인하는 방법으로 산불을 관리해온 종래의 산불 관리 체제의 산불 발생장소의 정확한 위치 파악이 어렵다는 단점을 극복하기 위해 산 정상부에 특수 영상장비와 방향감지기 등을 설치하고 촬영되는 영상과 카메라의 각도 를 종합상황실에서 영상으로 표시함과 아울러 각도를 인지토록 하고 삼각구도 위치판독 방법에 의해 산불이 난 지점을 정확히 파악토록 함으로써 산불 발생시 신속한 대처가 가능토록 하여 산불로 인한 피해를 줄이도록 한 산불 관리 시스템이다. 정확한 산불 발생 위치를 파악하기 위해 산 정상에 일반 폐쇄회로 텔레비전 카메라 대신에 줌(zoom) 기능을 갖는 카메라를 사용하고 있으며, 카메라의 이동 각도 및 촬영 각도를 파악함으로써 정확한 산불 발생 지점을 알 수 있는 발명이다.
그러나 상기 산불발생 감시기를 이용한 산불 발생위치 판별장치(한국 실용신안 20-0236032)는 감시기 센서로 전선을 사용하기 때문에, 전선의 피복을 녹이기 위해서는 그만큼의 많은 열을 동반한 화재가 발생되어야 하고, 피복을 녹일 만큼의 고열이 발생된 화재는 걷잡을 수 없을 만큼의 대형 화재로 번져있을 가능성이 있는 문제점이 있었다.
또한, 카메라를 이용한 산불 관리 시스템(한국 특허10-0227648)은 감시용 카메라로 사용되는 폐쇄회로 텔레비전은 안개나 구름 등의 기상 조건에 영향을 받으며, 특히 야간에는 화재의 불꽃으로 산불의 발생 여부를 판별할 수 있기 때문에 자칫 대형 화재로도 번질 수 있다. 또한 비나 눈이 올 경우에도 획득한 영상을 가지고 정확한 판단이 어려우며, 새벽에 기온 차이에 의해 이슬이나 서리가 카메라 렌즈에 발생하게 되면 영상을 획득하기 어려워지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 산불 감지에 사용되는 폐쇄회로 텔레비전 대신에 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 부착하여 안개 혹은 구름 등의 기상 조건과 야간의 시계확보 불가능한 시간 조건에 관계없이 효율적인 산불 감시가 가능한 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
사람 혹은 건물이나 나무 등의 사물들은 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역을 전파를 발산한다. 이러한 온도 전파는 30 GHz에서 300 GHz의 밀리미터파 대역 주파수 전반에 걸쳐서 발산되며, 특히 94 GHz 대역의 온도 전파는 대기 및 수증기에 대한 흡수가 적고 전송 거리가 길다. 이러한 밀리미터파 대역의 온도 전파는 안개 혹은 구름 등의 기상 조건과 일몰 후의 야간 시계확보 등의 시간 조건에 관계없이 동일한 감지가 가능하며, 이러한 특성을 갖는 밀리미터파 대역의 온도 전파는 수동 이미지 시스템을 사용하여 감지되고, 일반 영상과 비슷한 온도 영상으로 변환이 가능하여 산불 예방에 탁월한 효과가 있다. 또한 밀리미터파 수동 이미지는 물체에서 방출되는 온도 영상을 검출하는 것이기 때문에 산불이 발생하면 주변 온도와 급격한 차이를 감지할 수 있기 때문에 조기 산불 감지가 가능해진다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 사물의 온도 영상 형성을 위해 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 증폭 기와 위상 천이기 및 검출기 사이를 연결하기 위한 전송선로와, 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위한 디지털 신호처리 프로세서로 이루어진 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈; 밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 무선 라디오 안테나;로 구성된 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템을 제공한다.
이하, 대표적인 일례로서 도시된 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템의 특징적인 구성과 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템의 실시예이고, 도 2는 본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템 구성을 나타낸 작동 블록도이다.
본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐쇄회로 텔레비전을 이용한 감지 시스템은 산 정상에 카메라를 설치하나, 본 발명에 따른 밀리미터파 수동 이미지 시스템(12)은 산에서 조금 떨어진 곳에 설치된다. 폐쇄회로 텔레비전 카메라는 하나의 산에 하나씩 설치되지만 밀리미터파 수동 이미지 시스템은 하나의 시스템으로 여러 개의 산을 동시에 감시가 가능하다. 그러나 하나의 밀리미터파 수동 이미지 시스템은 산의 한쪽 면에 대해 화재 감시 및 감지(13)가 가능하기 때문에 반대편에도 밀리미터파 수동 이미지 시스템(12)을 설치함으로써 산 전체에 대한 화재 감시 및 감지가 가능하다. 밀리미터파 수동 이미지 시스템(12)에서 확보된 영상은 관리 사무소(11)로 무선으로 전송(14)되기 때문에 하나의 관리 사무소에서 모든 밀리미터파 수동 이미지 시스템으로부터 전송된 영상을 확인함으로써 화재에 대해 감시 및 감지하여 초동진화 작업에 도움을 줄 수 있다. 밀리미터파 수동 이미지 시스템은 사물에서 방출되는 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하는 방식으로, 공기 중에 투과성이 좋고 안개나 구름(15), 비, 눈 등의 조건에서도 양질의 영상을 획득할 수 있기 때문에, 작은 온도 변화에 대해서도 확인이 가능하다. 따라서 어느 한 지점의 온도가 주변과의 온도 격차가 크면 그 지점에서 화재가 발생한 것을 실시간적으로 확인할 수 있으며, 빠른 진화작업을 가능케 한다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템의 밀리터리파 수동 영상 시스템 모듈(20)은 사물의 온도 영상 형성을 위해 사물의 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하기 위한 밀리미터파 안테나 어레이(21), 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA) (22), 필요한 영상 신호만을 검출하기 위한 검출기(24), 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하기 위한 빔포밍기 (25), 각각의 안테나와 저잡음 증폭기에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막기 위한 위상 천이기(26), 저잡음 증폭기(22)와 위상 천이기(26) 및 검출기(24) 사이를 연결하기 위한 전송선로 (23), 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위한 디지털 신호처리 프로세서(27)로 구성된다.
밀리미터파 안테나 어레이(21)는 사물에서 발산되는 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하는 역할을 하며, 소형화가 가능한 패치 안테나 혹은 수신되는 신호 의 집중도를 높일 수 있는 안테나의 구조를 가지고 있다. 또한 수신된 신호의 정확도를 높이기 위하여 다수의 안테나가 어레이 형태를 가진다.
저잡음 증폭기(22)는 상기 밀리미터파 안테나 어레이(21)에서 수신된 밀리미터파의 잡음을 걸러내어 필요한 신호만을 증폭시켜 더욱 정확한 영상 신호를 검출할 수 있도록 한다.
검출기(24)는 상기 밀리미터파 안테나 어레이(21)에서 수신되고 저잡음 증폭기에서 증폭된 밀리미터파 신호(29)에 있어서, 저잡음 증폭기(22)에서 걸러지지 않은 일부 잡음 신호로부터 필요로 하는 영상 신호만을 검출하는 역할을 한다. 이러한 검출기(24)는 다이오드 혹은 트랜지스터 등을 사용한 능동 검출기와 유도기(inductor) 혹은 용량기(capacitor) 등을 사용한 수동 검출기 등이 있다.
빔포밍기(25)는 사물의 온도를 제대로 감지할 수 있도록 안테나 어레이(21)에서 수신되는 밀리미터파 신호의 폭을 제어하는 빔 포밍(beam forming) 신호를 발생하여 위상 천이기(26)로 전달하는 역할을 한다.
위상 천이기(26)는 빔 포밍기로부터 입력된 빔 포밍 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(23)는 저잡음 증폭기(22)로부터 출력된 신호를 검출기(24)로 전송하고 위상 천이기(26)로부터 제어된 빔포밍 신호를 안테나로 전송하는 역할을 하 며, 신호의 전송 손실을 최소화하도록 저잡음 증폭지(22)와 위상 천이기(26), 나아가 검출기(24) 사이를 적절히 연결한다.
디지털 신호처리 프로세서(27)는 검출기(24)에서 최종적으로 검출된 밀리미터파 신호를 온도 영상 신호로 처리하는 역할과 최적의 영상을 검출하기 위해 안테나에서 수신되는 신호의 폭을 제어하는 빔 포밍 신호를 발생할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 디지털 신호처리 프로세서(27)는 밀리미터파 신호를 영상 신호로 변환시키는 영상 처리 프로세서(271); 빔 포밍 신호를 발생할 수 있도록 하고 신호처리 된 영상신호로부터 정확한 밀리미터파 신호를 수신하기 위해 빔 포밍기 신호를 제어하는 빔 포밍 프로세서(272)로 이루어져 있다.
이러한 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(20)은 상기 구성요소들이 상호간 작용이 원활하게 이루어지도록 일체적으로 결합되며, 외부의 영향을 받지 않고 동작할 수 있도록 케이스(case)내에 단단히 봉합되어야한다.
이와 같은 구조로 이루어지는 본 발명에 의한 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템은 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(20)에서 수신 및 신호처리된 영상신호를 무선 라디오 안테나(28)를 통하여 관리 사무소로 무선으로 전송시키며, 관리 사무소에서는 수집된 온도 영상을 참고하여 적합한 지시와 대처를 할 수 있어 산불의 감시, 감지 및 조기 진화에 매우 효율적이다.
본 발명에 의한 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템은 사물이 각기 내뿜는 고유 온도에 대한 밀리미터파 대역의 신호를 수신하여 영상 및 공간 형성이 가능하므로, 안개 혹은 구름 등 좋지 않은 기상 여건과 일몰 후 어두워진 야간의 시간에도 발생할 수 있는 산불을 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 이용하여 실시간적으로 감시할 수 있을 뿐만 아니라, 화재 발생시 조기에 감지함으로써 초동진화 작업에 도움을 줄 수 있어, 산림자원의 손실을 최소화 할 수 있다. 또한, 산불 발생시 발화점의 정확한 위치를 파악하여 강풍으로 인해 확산될 수 있는 지역에 사전에 대피 경보를 조기에 발령할 수 있으며, 산불에 동반될 수 있는 인명 및 재산 피해를 줄일 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 산불을 감시하는 산불 감지 시스템에 있어서,
    사물의 온도 영상 형성을 위해 사물의 고유 온도에 대한 밀리미터파를 수신하기 위한 밀리미터파 안테나 어레이(21), 수신된 밀리미터파 신호의 잡음을 걸러내고 세기를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA) (22), 전송선로(23)를 통해 연결되어 각각의 안테나 어레이(21)와 저잡음 증폭기(22)에서 수신되고 증폭된 신호간의 간섭을 막기 위한 위상 천이기(26), 필요한 영상 신호만을 검출하기 위한 검출기(24), 안테나에서 수신되는 밀리미터파 신호 빔의 폭을 제어하기 위한 빔포밍기 (25), 영상 신호 처리와 빔포밍 제어를 위하여 밀리미터파 신호를 영상 신호로 변환시키는 영상 처리 프로세서(271) 및 빔 포밍 신호를 발생할 수 있도록 하고 신호처리 된 영상신호로부터 정확한 밀리미터파 신호를 수신하기 위해 빔 포밍기 신호를 제어하는 빔 포밍 프로세서(272)를 포함하는 디지털 신호처리 프로세서(27)로 이루어진 밀리미터파 수동 영상 시스템 모듈(20)과;
    밀리미터파 영상 신호 및 현장 영상을 지휘본부로 전송하기 위한 무선 라디오 안테나(28);로 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 수동 이미지 시스템을 갖춘 산불 감지 시스템..
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