KR100997817B1 - 초대역폭 음향 신호의 도움으로 이동 물체를 검출하기 위한센서 - Google Patents

초대역폭 음향 신호의 도움으로 이동 물체를 검출하기 위한센서 Download PDF

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Abstract

제1실시 예에서 본 발명은 센서는 제1 및 제2 안테나, 및 2개의 출력을 구비하고, 그 제1출력이 제1안테나의 입력/출력에 접속되며, 또한 제2출력이 제2안테나의 입력/출력에 접속되어 있는 펄스 발생기로 구성되어 있다. 센서의 출력회로는 2개의 탐지기로 이루어지며, 또한 제1탐지기의 입력은 제1안테나의 입력/출력에 접속됨과 아울러 제2탐지기의 입력은 제2안테나의 입력/출력에 접속되어 있다. 상기 제1탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제1입력에 접속되며, 또한 제2탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제2입력에 접속된다. 차동 증폭기의 출력은 저주파 필터 및 피드백장치에 접속되며, 또한 상기 피드백장치는 그의 출력이 차동 증폭기 입력 중 하나에 접속된다. 저주파 필터의 출력은 비교기의 입력에 접속된다. 제2변형예에서 센서의 입력회로는 각각 2개의 입력을 갖는 2개의 탐지기로 이루어진다. 펄스 발생기의 제1출력은 제1안테나의 입력/출력 및 제1탐지기의 제2입력에 접속된다. 제1안테나의 입력/출력이 제2탐지기의 제1입력에 접속되며, 또한 펄스 발생기의 제2출력이 지연회로를 통해 제2탐지기의 제2입력에 접속된다.
초대역폭 음향 신호,이동 물체 검출, 센서, 감지기, 물체 검출

Description

초대역폭 음향 신호의 도움으로 이동 물체를 검출하기 위한 센서{SENSOR FOR DETECTING MOVING OBJECT WITH THE AID OF A ULTRABANDWIDTH SOUNDING SIGNAL}
본 발명은 무선 엔지니어링 분야에 관한 것이며, 또한 발명된 센서에 의해 모니터링되는 영역 내에서 이동 물체, 예를 들어 인간을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
중요한 타입의 이동 탐지기로는 적외선 센서, 초음파 탐지기, 물체 이동 커패시턴스 센서, 이동 무선 탐지기 및 결합 탐지기가 있다.
이동 무선 탐지기는 마이크로파 대역에서 동작된다. 방사와 수신이 하나 또는 두 개의 안테나에 의해 수행된다. 무선 송신기 (Radio annunciators)는 에너지 재반사로 인해 검출 볼륨 영역 (detection volume zone)을 형성한다. 어넌시에이터의 감지 구역은 실제로 (만약 폐쇄된 건물에 설치되는 경우) 침입자가 검출되지 않을 수 있는 어떤 공간도 남기지 않는다. 이러한 탐지기의 동작은 센치미터 대역(centimetric band)에서의 도플러 효과 또는 무선 전파의 간섭에 기반을 두고 있다.
발명 솔루션에 가장 근접한 것은 초광대역(UWB) 신호를 이용하여 이동하는 물체를 검출하는 센서이며, 이에 대한 특허는 McEwan(미합중국 특허 제5,361,070 호)에게 허여되었다. 이 센서는 인간을 모니터링하기 위한 초광대역 레이더이다. 이 레이더는 구동 발진기, 랜더마이저(randomizer), 기준 및 조정된 지연 유닛, 2개의 안테나, 초광대역(UWB) 신호 발생기, 및 감지 신호 탐지기로 구성되어 있다. 인간을 검출/모니터링 하기 위하여, 전송 안테나는 UWB 펄스 신호를 방사하며, 또한 수신 안테나는 인간으로부터 반사된 신호를 감지한다. 기준 및 조정된 지연은 반사된 신호가 기록되는 거리에 따라 어떤 영역을 선택하기 위해 사용된다.
이러한 센서의 이점은 다음과 같다:
- 낮은 레벨의 방사를 사용할 수 있도록 해주는 음향 신호의 넓은 스펙트럼;
- 펄스 방사 및 긴 펄스 지속시간에 기인한 낮은 전력 소모;
- 날씨와 계절 요인이 신호 전파의 조건에서 낮은 관계를 갖는 경우 비교적 저주파 대역의 사용.
그러나, 주지된 솔루션은 일정한 단점도 가지고 있다.
무선 주파수 대역폭의 사용이 많으며, 또한 HF 주파수 대역 및 UHF 주파수 대역에서 전자기 간섭의 레벨이 크다. 공지된 센서는 외부 필드에 대한 높은 감도를 가지며 또한 모든 외부 간섭 신호를 수신하며, 이는 종종 잘못된 응답으로 나타나며 또한 다양한 날씨 상태에서 실제 동작 조건에서 효과적으로 그것을 사용할 수 없게 된다. 더욱이, 공지된 센서는 다른 전자 장치에 대한 간섭원이 될 수 있는 광대역 전자기 펄스를 방사한다.
본 발명의 목적은 개선된 간섭 내성 및 심플한 디자인을 갖는 센서를 제공하는 데 있으며, 또한 주위의 전자 기기에 대한 어떤 간섭도 발생하지 않아서, 성능 특성을 향상할 수 있으며 또한 작은 탐지거리-약 1 내지 5m에서 동작성을 보장한다.
상기한 목적을 달성하며 또한 상기한 기술적 효과에 도달하기 위해서, 제1실시예에 따른 초광대역 음향신호를 이용하여 이동 물체를 검출하기 위한 본 발명 센서는 제1 및 제2 안테나, 2개의 출력을 구비하며 또한 각각 제1출력이 제1안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 제2출력이 제2안테나의 입력/출력에 접속되는 펄스 발생기, 2개의 탐지기로 이루어지며 또한 제1탐지기의 입력은 제1안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 제2탐지기의 입력은 제2안테나의 입력/출력에 접속되는 입력회로, 차동 증폭기, 피드백장치, 저주파 필터, 및 비교기로 구성되고, 상기 제1탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제1입력에 접속되고, 제2탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제2입력에 접속되고, 차동 증폭기의 출력은 저주파 필터의 입력 및 피드백장치의 입력에 접속되고, 상기 피드백장치는 센서의 외부 잡음을 억제하는 한편 그 출력이 차동 증폭기 입력 중 하나에 접속되고, 저주파 필터의 출력이 다른 제어 입력에 센서 동작 임계 전압이 공급되는 비교기의 입력에 접속되며, 또한 비교기의 출력이 센서 알람 신호를 발생시키도록 되어있다.
본 발명 장치의 다른 실시예가 가능하며, 이 실시예에서 상기 피드백 장치는 연산 증폭기로 구성되며, 연산 증폭기의 피드백 회로에 대한 시정수(Toc)는 S가 탐지의 볼륨 존에 이동 물체가 통과한 거리인 한편 Vmin가 이러한 물체가 이동을 기록하면서 이동할 수 있는 최소 속도인 경우에 Toc ≥ S/Vmin 비를 만족하도록 선택되는 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하며 또한 상기한 기술적 효과에 도달하기 위하여, 초광대역 음향신호를 이용하여 이동 물체를 검출하기 위한 본 발명 센서는 제1 및 제2 안테나, 2개의 출력을 구비하는 펄스 발생기, 2개의 탐지기로 이루어지는 한편 각각 2입력을 구비하고, 펄스 발생기의 제1출력이 제1안테나의 입력/출력에 접속되고, 제1탐지기의 제2입력에 접속되고, 제1안테나의 입력/출력이 제1탐지기의 제1입력에 접속되고, 제2안테나의 출력이 제2탐지기의 제1입력에 접속되며, 또한 펄스 발생기의 제2출력이 지연회로를 통해 제2탐지기의 제2입력에 접속되는 입력회로, 차동 증폭기, 피드백장치, 저주파 필터, 및 비교기로 구성되고, 상기 제1탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제1입력에 접속되고, 제2탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제2입력에 접속되며, 차동 증폭기의 출력은 저주파 필터의 입력 및 피드백장치의 입력에 접속되고, 상기 피드백장치는 센서의 외부 잡음을 억제하도록 되어 있는 한편 그 출력이 차동 증폭기의 하나의 입력에 접속되고, 저주파 필터의 출력이 다른 제어 입력에 센서 동작 임계 전압이 공급되는 비교기의 입력에 접속되며, 또한 비교기의 출력이 센서 알람 신호를 발생시키도록 되어있다.
본 발명 장치의 다른 실시예가 가능하며, 이 실시예에서
- 상기 입력회로에서 탐지기 각각은 다이오드, 3개의 저항 및 3개의 커패시터로 구성되고, 다이오드의 캐소드는 제1커패시터를 통해 펄스 발생기에 접속되는 한편 제1저항을 통해 몸체에 접속되고, 다이오드의 애노드는 제2커패시터를 통해 안테나에 접속되는 한편 제2저항 및 제3저항과 제3커패시터로 이루어진 병렬회로를 통해 차동 증폭기 입력 중 하나에 접속되며, 또한 제3커패시터의 일측 핀은 제2저항과 차동 증폭기의 입력 사이에 접속되는 한편 다른 측 핀은 몸체에 접속되고;
- 펄스 발생기의 제1출력은 다이오드를 통해 제1안테나의 입력/출력에 접속되며, 또한 상기 다이오드의 애노드는 제1안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 그 캐소드는 제1탐지기의 제2입력에 접속되며; 또한
- 상기 피드백 장치는 부궤환을 갖는 연산 증폭기로 구성되며, 또한 연산 증폭기의 피드백 회로에 대한 시정수(Toc)는 S가 탐지의 볼륨 존에 이동 물체가 통과한 거리인 한편 Vmin가 이러한 물체가 이동을 기록하면서 이동할 수 있는 최소 속도인 경우에 Toc ≥ S/Vmin 비를 만족하도록 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체적인 특징뿐만 아니라 상기한 이점들은 첨부 도면을 참조하여 특정한 바람직한 실시예를 기술하는 방식으로 아래에 설명된다.
도 1은 제1실시예에 따른 센서의 기능적 배치도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 펄스 발생기의 개략도를 도시한다.
도 3은 도 2의 펄스 발생기에 의해 형성된 출력 비디오 펄스의 차트를 도시한다.
도 4는 도 2의 펄스 발생기에 대한 출력 비디오 펄스를 도시한다.
도 5는 도 1에 도시된 입력회로의 개략도를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 입력회로의 커패시터에 대한 충전 및 방전 절차의 챠트를 도시한다.
도 7은 안테나의 외관도를 도시한다.
도 8은 도 7의 안테나에 대한 방향성 챠트를 도시한다.
도 9는 도 7의 안테나에 의해 방사된 신호의 근사 형태를 도시한다.
도 10은 도 1에 도시된 차동증폭기의 개략도를 도시한다.
도 11은 도 10에 도시된 차동증폭기의 입력 및 출력에서 신호의 형태를 도시한다.
도 12는 도 1에 도시된 저주파 필터의 개략도를 도시한다.
도 13은 도 12에 도시된 저주파 필터의 주파수 특성을 도시한다.
도 14는 도 1에 도시된 피드백 장치의 개략도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따라 제1 및 제2 안테나로부터 1m 거리에서 움직이는 사람에 대하여 얻어진 시간에 따른 센서 출력 전압의 변화를 도시한다.
도 16은 2m 거리에서 도 15와 동일한 실험을 실시한 센서 출력 전압의 변화를 도시한다.
도 17은 제2실시예에 따른 본 발명 센서의 개략도를 도시한다.
도 18은 도 17에 도시된 입력회로의 개략도를 도시한다.
도 19는 도 17에 도시된 지연회로의 개략도를 도시한다.
도 20은 도 19의 지연회로에 의해 형성되는 신호 시간 지연에 대한 챠트를 도시한다.
제1실시예에 따른 센서는 제1안테나(1) 및 제2안테나(2)를 포함하고 있다. 펄스 발생기(3)(PG)는 2개의 출력을 갖도록 구성되어 있으며, 또한 그 제1출력은 각각 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속되며 또한 그 제2출력은 제2안테나(2)의 입력/출력에 접속되어 있다. 입력회로(4)는 2개의 탐지기(5,6)로 구성되어 있다. 제1탐지기(5)의 입력은 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속되며, 또한 제2탐지기(6)의 입력은 제2안테나(2)의 입력/출력에 접속되어 있다. 센서는 또한 차동증폭기(7)(DA), 피드백 장치(8)(FBD), 저주파 필터(9)(LFF), 및 비교기(10)(C)를 포함하고 있다. 제1탐지기(5)의 출력은 DA(7)의 제1입력에 접속되며, 또한 제2탐지기(6)의 출력은 DA(7)의 제2입력에 접속되어 있다. DA(7)의 출력은 LFF(9)의 입력과 FBD(8)의 입력에 접속되어 있다. FBD(8)는 외부 간섭을 억제하기 위한 것이고, 그 출력은 DA(7)의 입력 중 하나, 예를 들어 제1입력 또는 제2입력에 접속된다. LFF(9)의 출력은 C(10)의 입력에 접속되어 있다. 동작 임계 제어전압은 비교기(10)의 제어입력에 공급되며, 또한 C(10)의 출력은 센서 알람 신호를 발생시키기 위해 사용된다.
제2실시예(도 17)에 따른 센서는 제1안테나(1) 및 제2안테나(2)를 포함하고 있다. 펄스 발생기(3)(PG)에는 2개의 출력이 구비된다. 입력회로(4)는 2개의 탐지기(5,6)로 구성되어 있다. 탐지기(5,6) 각각은 2개의 입력을 구비하고 있다. PG(3)의 제1출력은 제1안테나(1)의 입력/출력 및 제1탐지기(5)의 제2입력에 접속되어 있다. 제1안테나(1)의 입력/출력은 제1탐지기(5)의 제1입력에 접속되어 있다. 제2안테나(2)의 출력은 제2탐지기(6)의 제1입력에 접속되어 있으며, 또한 PG(3)의 제2출력은 부가적으로 도입된 지연회로(11)를 통해 제2탐지기(6)의 제2입력에 접속되어 있다. 센서는 또한 차동증폭기(7)(DA), 피드백 장치(8)(FBD), 저주파 필터(9)(LFF), 및 비교기(10)(C)를 포함하고 있다. 또한, 제1실시예에서, 제1탐지기(5)의 출력은 DA(7)의 제1입력에 접속되며, 또한 제2탐지기(6)의 출력은 DA(7)의 제2입력에 접속되어 있다. DA(7)의 출력은 LFF(9)의 입력과 FBD(8)의 입력에 접속되어 있다. FBD(8)는 외부 간섭을 억제하기 위한 것이고, 그 출력은 DA(7)의 입력 중 하나, 예를 들어, 제1입력 또는 제2입력에 접속된다. LFF(9)의 출력은 C(10)의 입력에 접속되어 있다. 동작 임계 제어전압은 비교기(10)의 제어입력에 공급되며, 또한 C(10)의 출력은 센서 알람 신호를 발생시키기 위해 사용된다.
결합 안테나(combined antennas)(1,2)가 사용되는 제1실시예와 비교하면, 본 발명의 제2실시예는 단지 하나의 결합 안테나(combined antennas)(1)를 사용하며, 또한 제2안테나(2)는 단지 수신을 위하여 사용된다. 더욱이, 입력회로(4)는 다소 상이하게 될 것이다.
입력회로(4)(도 18)의 탐지기(5,6) 각각은 하나의 다이오드, 3개의 저항 및 3개의 커패시터로 구성되어 있다. 각 다이오드(VD1 또는 VD2)의 캐소드는 제1커패시터(C1 또는 C2)를 통해 PG(3)에 접속되며 또한 제1저항(R1 또는 R2)을 통해 바디에 접속되어 있다. 각 다이오드(VD1 또는 VD2)의 애노드는 제2커패시터(C5 또는 C6)를 통해 각각의 안테나(1 또는 2)에 접속되어 있다. 더욱이, 각 다이오드(VD1 또는 VD2)의 애노드는 제2저항(R5 또는 R6), 제3저항(R3 또는 R4) 및 제3커패시터(C3 또는 C4)로 이루어진 병렬회로를 통해 또한 DA(7)의 각각의 입력 중 하나에 접속되며, 또한 각 핀은 한편으로는 제2저항(R5 또는 R6)과 DA(7)의 입력 사이에 접속됨과 아울러 다른 한편으로 바디에 접속된다.
PG(3) 및 제1안테나(1)(도 18)를 디커플링하기 위한 목적으로 PG(3)의 제1출력은 그 애노드가 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속되어 있는 다이오드(VD3)를 통해 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속될 수 있다.
안테나(1,2)로서 프레임 안테나를 사용하는 것이 적당하다. 그러나, 본 발명 장치는 다른 타입의 안테나를 사용할 가능성을 배제하지 않는다. 본 발명 센서(도 1)는 다음과 같이 동작한다.
2개의 출력을 갖는 PG(3)는 안테나(1,2)에 의해 방사된 나노초 단위의 비디오 펄스를 발생시키며 또한 동시에 제1 및 제2 탐지기(5,6)의 다이오드를 차단하지 않는다. PG(3)에 의해 발생된 펄스의 지속시간은 제1 및 제2 탐지기(5,6)의 다이오드를 개시하기 위한 시간 간격을 결정하며, 그 결과 센서가 떨어진 물체로부터 반사된 신호를 수신하는 거리 영역을 결정한다. 다른 한편으로 PG(3)의 최대 발생 주파수와 최소 펄스율은 각각 펄스 선단 시간(leading-edge time)과 펄스 그 자체의 지속시간에 의해 결정된다. 제1 및 제2 탐지기(5,6)의 다이오드를 개시하는 데 필요한 어느 정도의 작은 시간은 안테나(1,2)로부터 나와 수신기 입력회로(4)의 입력으로 들어가는 작은 레벨의 간섭을 보증한다. 제1 및 제2 탐지기(5,6)는 게이트 다이오드 믹서를 형성하며, 그 브랜치에서 전압차가 DA(7)에 의해 증폭된다. 제1 및 제2 탐지기(5,6)에 의해 수신 체인 사이에 있을 수 있는 온도 불평형을 제거하기 위한 목적으로 FBD(8)가 사용된다. 어떤 외부 물체도 제1 및 제2 안테나(1,2)의 영역에 존재하지 않을 때 자동적인 피드백의 도입은 DA(7)의 출력에 제로의 출력 신 호를 유지한다. FBD 시정수는 제1 및 제2 안테나(1,2)와 제1 및 제2 탐지기(5,6) 사이에 날씨 조건(눈, 얼음, 온도)에 의해 야기될 수 있는 느린 불평형을 제거하도록 선택된다. 날씨 조건의 변화는 신호의 느린 변화를 유도하며, 이러한 변화는 10초 이상 시간간격 동안 발생한다. 동시에 살아있는 인간의 움직임에 의해 야기되는 신호의 급격한 변화는 0.1 내지 1Hz의 주파수에서 발생하며, 이러한 급격한 신호 변화는 DA(7)의 출력으로 적절하게 전달된다.
DA(7)의 출력으로부터 얻어진 증폭된 신호 차는 약 1Hz의 통과 대역을 가지며 또한 약 3dB의 이득을 갖는 LFF(9)에 의해 필터링된다. LFF(9)로부터의 신호는 고속 비교기(10)로 공급되며, 또한 고속 비교기(10)는 LFF(9)로부터 입력신호가 프리셋 임계 레벨에 도착될 때 TTL(transistor-transistor logic) 레벨로 신호를 발생한다.
만약 어떤 움직이는 물체가 제1 및 제2 안테나(1,2)의 영역 내에 나타나는 경우 그로부터 반사된 신호는 제1 및 제2 안테나(1,2)에 의해 수신되어 입력회로(4)에 의해 검출될 것이다. 안테나들이 간격을 가지고 있으므로, 안테나에 의해 수신된 신호는 그들의 형태, 진폭 및 지연에서 달라지게 되고, 출력신호가 DA(7)의 출력에 나타나며, 이는 C(10)에서 미리 설정된 임계치와 비교된 후 알람신호를 발생시키기 위해 사용된다.
초광대역 음향신호가 본 발명 장치에 사용된다. PG(3)의 펄스 지속시간은 10 나노초이며, 이는 한편으로 어느 정도 저전력 소모(수 KHz 또는 수십 KHz의 반복률로)를 결정하며, 또한 다른 한편으로 방사된 극 저-파워 신호에 대한 다양한 날씨 조건에서 양호한 간섭 내성을 보장해주는 한편 10 내지 300MHz의 넓은 주파수 범위로 동작할 수 있게 한다. 방사된 신호의 레벨은 매우 낮으며, 이는 센서를 둘러싸는 다른 전자장비에 대한 간섭을 발생시키지 않고 사용할 수 있도록 해준다.
예를 들어, 전압 진폭 V = 1.5V 또한 부하 R = 50 Ohm일 경우, 본 발명 센서에 의해 소모되는 순간 전력(Wp)은
Figure 112008087286845-pct00001

펄스 반복 주기 T=100 및 펄스 지속시간 t=30 ns일 때 PG(3)의 평균 전력(Wav):
Figure 112008087286845-pct00028
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실제로, 안테나 시스템이 단지 PG(3) 에너지의 일부만을 방사하며 또한 제1 및 제2 안테나(1,2)로 구성되는 안테나 시스템에 의해 형성되는 필드는 부분적으로 보상되기 때문에 방사된 전력은 더욱 적게 될 것이다.
도 1에 도시된 개별적인 기능적 요소들의 구성을 이하에 더욱 상세하게 설명한다.
PG(3)(도 2)는 RS-트리거 및 D-트리거에 기반을 둔 RC-멀티바이브레이터이다. RS-트리거(D1)는 진폭 A = 3 V, 주파수 10kHz, 펄스 에지 지속시간 1ns 및 A/2 = 1.5 V로 동등한 일정한 성분을 갖는 구형파를 발생하는 멀티바이브레이터이다. 논리 “1” 및 “0”을 설정하기 위해 입력에 있는 일련의 저장 커패시터와 피드백회로의 저항(R1,R2)은 미앤더(meander) 1/2 주기의 대응하는 지속시간과 출력 펄스 반복률을 형성한다. 다이오드(VD1,VD2)는 각각 커패시터(C1,C2)의 충전과 방전의 진행을 가속화하는 역할을 한다.
D-트리거(D2)는 프리셋 파라미터를 갖는 비디오 펄스를 형성하기 위해 사용되며, 그의 지속시간은 피드백 길이, 특정 집적회로에서 신호의 내부지연 및 커패시터(C3)의 용량에 의해 결정된다. 병렬로 설치된 트랜지스터(VT1,VT2)에 기반을 둔 2개의 에미터 폴로워는 입력장치 브랜치의 절연에 사용된다.
PG(3)(도 2)는 다음과 같이 동작한다.
파워가 ON으로 절환된 후, 트리거(D1)는 예를 들어 논리 “1”에 대응하는 상태로 리세트된다. 커패시터(C1)는 느리게 충전을 시작하고(도 3), 충전동안 논리 0 회로의 입력은 논리 “0”이 되며, 따라서 트리거(D1)를 제로가 되게 한다. 트리거(D1)을 위한 논리 0 회로(R)의 입력에서 커패시터(C1)의 충전/방전의 차트가 도 3A에 도시되어 있다. 이 때 커패시터(C2)가 충전을 시작하여, 커패시터(C2)가 완전히 충전된 후 논리 1 회로의 입력이 논리 제로로 되며, 트리거(D1)는 논리 “1”의 상태로 설정된다. 트리거(D1)에 대한 논리 1 회로(S)의 입력에서 커패시터(C2)의 충전/방전의 차트가 도 3B에 도시되어 있다. 따라서, 프리셋 주파수를 갖는 미앤더는 트리거(D1)의 비반전 출력(Q1)으로부터 트리거(D2)의 타이밍 입력으로 되며, 이에 대한 차트가 도 3C에 도시되어 있다. 커패시터(C1,C2)의 충전 및 방전 지속시간은 미앤더 1/2 주기의 지속시간과 발생기의 출력펄스에 대한 반복률을 결정한다. 트리거(D2)는 미앤더 전단에 응답하여 피드백회로를 따른 신호 경로와 트리거 내부지연에 동등한 시간동안 논리 “1”의 값을 취한다. 트리거(D2)의 비반전 출력(Q2)에서 전압 변화가 도 3D에 표시되어 있다.
결과적으로 PG(3)는 지속시간 약 30ns, 진폭 1.55V, 펄스 에지 1ns 및 반복률 10kHz의 2 출력 펄스를 발생하며, 이는 도 4에 표시된 형태를 갖는다.
센서의 입력회로(4)는 2-다이오드 믹서이다(도 5). PG(3)로부터 스트로브 펄스(strobe pulse)가 없는 경우 다이오드(VD1,VD2)는 100mV의 양의 오프셋 전압에 의해 봉쇄된다. 정격 오프셋은 저항(R1,R2)에 근거한 공급전압 저항성 L-분배기를 사용하여 설정된다. 볼륨 감소의 값(Ared)은
Figure 112008085043439-pct00004
여기서, Es는 공급전압(V)이며, 또한
Eoff는 오프셋 전압(V)이다.
봉쇄 오프셋은 간섭 내성을 개선하며 또한 잘못된 응답 비율을 줄이기 위한 목적으로 회로에 도입된다. 스트로보 펄스는 다이오드(VD1,VD2)의 애노드에 공급되어 그들의 봉쇄를 해제하며, 동시에 제1 및 제2 안테나(1,2)에 의해 방사된다. 스트로보 펄스의 인가시간 동안 제1 및 제2 안테나(1,2)는 신호를 수신하며, 스트로보 펄스가 인가되지 않은 경우 어떤 수신도 이루어지지 않는다. 커패시터(C1,C2)는 각각 다이오드(VD1,VD2)를 통해 펄스에 의해 충전된다. 커패시터를 충전 및 방전하는 절차가 도 6에 도시되어 있다.
센서 응답은 물체로부터 반사된 펄스의 수신에 의해 야기되는 커패시터(C1,C2)에서의 전압 불균형에 기인하여 발생한다. 이러한 경우 브랜치, 즉 입력회로(4)의 제1 및 제2 출력 사이의 전압 차는 수 밀리볼트이며, 이 전압 차는 그 후 DA(7)에서 증폭된다.
센서에 대하여 제1 및 제2 안테나(1,2)로서 대응하는 지향성 다이어그램(도 8)을 갖는 프레임 안테나(도 7)를 사용하는 것이 적당하다.
프레임 안테나는 사각 프레임을 형성하는 와이어의 1권선으로 이루어진다. 진폭과 전류 발진 위상은 안테나의 전체 주변을 따라 실질적으로 일정하다. 송신 프레임 안테나에서 프레임의 대향한 소자에서의 전류 방향은 반대이므로, 그들에 의해 방사된 전자기파는 정확하게 180도 위상-시프트 되어 있다. 따라서, 프레임 평면에 직각인 방향으로 전체적인 방사 보상이 이루어지고, 다른 방향에 대한 보상은 불충분하게 이루어지지만 안테나로부터 멀어질수록 증가된다. 방사 세기 최대값은 프레임 평면이 놓인 방향에 대응한다. 프레임 안테나는 구리 와이어로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 120cm의 길이를 갖는 와이어(정사각형의 한변이 30cm)는 200MHz의 방사 신호 중심 주파수에 대응한다. 결국, 제1 및 제2 안테나(1,2)는 도 9에 도시된 신호를 방사한다.
프레임 안테나는 다양한 빌딩 구조물, 예를 들어 빌딩 입구 위쪽의 콘크리트 커버 위, 벽면 위, 흙 아래, 아스팔트층 아래, 또는 벽 뒤에 근접되어 위치될 수 있다. 빌딩 구조 표면의 영향에 따라 안테나 저항은 10 내지 120Ω으로 넓게 변한다. 따라서, 프레임 안테나를 설치하기 위한 파라미터는 실험적으로 선택될 수 있 다. 그래서, 예를 들어 지면 상부에 프레임 안테나를 매다는 최적의 높이는 상기 센서의 동작 모드에 대한 파장의 0.12 내지 0.22가 될 수 있다는 것이 실험적으로 밝혀졌다.
3개 연산 증폭기에 기반을 둔 2단 증폭기(도 10)는 차동 증폭기(7)(도 1)로서 사용된다. 제1단은 25배 만큼 센서 입력회로(4)의 커패시터로부터 전압을 증폭하기 위해 사용되며, 부궤환을 갖는 연산 증폭기들 위에 전압 리피터(voltage repeater)의 병렬접속으로 이루어진다. 도 11에 파형이 도시된 신호(Uin)는 입력회로의 제1 및 제2 탐지기(5,6)의 출력으로부터 DA(7)의 입력으로 인가된다.
제1단의 각 증폭기의 이득율(K)은
Figure 112008085043439-pct00005
저항(R2,R4) 각각은 10KΩ의 저항을 가지며, 또한 저항(R1)은 800Ω이다. 증폭기(A1,A2)는 입력회로(4)의 상이한 브랜치-출력으로부터 신호를 증폭한다.
DA(7)의 제2단은 제1단의 채널에서 전압 차를 40배 만큼 증폭하기 위해 사용된다. 개략적으로 제2단은 부궤환을 갖는 연산 증폭기(A3)이다. 2단 증폭기의 이득률은
Figure 112008085043439-pct00006
이러한 회로의 구현에 있어서 저항(R3,R5) 각각은 500Ω, 저항(R7,R8)은 22KΩ, 그리고 저항(R6)은 100KΩ이다. 결국, 신호(Uout)가 DA(7)의 출력에서 얻어지며, 그 출력의 파형은 도 11에 도시되어 있다.
DA(7)의 출력으로부터 얻어진 신호는 FBD(8) 및 LFF(9)의 입력에 공급된다(도 1).
LFF(9)는 부궤환을 가진 연산 증폭기(도 12) 및 버터워스(Butterworth) 주파수 특성(도 13)에 기초하여 구성된다. 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 저주파 필터(9)는 3Hz 주파수에서 억제율 16dB 뿐 아니라 대역폭 ~ 1Гц 및 이 대역폭에서 이득률 ~ 3dB를 갖는다.
주변 온도의 변화 및 제1 및 제2 안테나(1,2)를 둘러싸는 강력한 전자 간섭의 영향으로 인하여 비교기(10)의 출력에 일정한 전압이 나타나며, 이는 공급전압과 동일하며 센서의 부정확한 동작을 야기한다. 이러한 영향을 억제하기 위한 목적으로 피드백장치(8)(도 1)가 회로에 도입되며, 그 입력에는 DA(7)의 출력으로부터 신호가 공급되며, 또한 출력은 DA(7)의 (제1 또는 제2) 입력중 하나에 접속된다.
피드백장치(8)(도 14)는 부궤환을 갖는 연산 증폭기로 구성된다.
연산 증폭기 피드백회로의 시정수(RC)는 센서에 의해 기록되는 이동 물체의 최저 속도를 결정하며 다음의 비에 의해 결정될 수 있다:
Figure 112008085043439-pct00007
여기서, Tfb는 피드백회로의 시정수(단위: 초)이고,
S는 센서에 의해 탐지의 볼륨 존에 물체가 통과한 거리(단위: 미터)이며, 또한
Vmin는 센서에 의해 기록될 이동물체의 최소 속도(단위: m/sec)이다.
장치의 실제 실시예에서 시정수는 예를 들어 12초로 될 수 있으며, 이는 이동 물체의 최소 속도에 대응한다. DA(7)의 입력 중 하나에 신호가 없는 경우 FBD(8)는 자동적으로 DA(7)의 출력 신호를 설정하여, 따라서 비교기(10)의 출력도 제로로 설정된다.
임의의 주지된 집적 비교기, 예를 들어 MAX922 칩을 기본으로 제작된 비교기는 비교기(10)(도 1)로서 사용될 수 있다. 상기 칩이 사용될 때, 센서 봉쇄해제 임계 전압이 150mV인 저항성 L-분배기에 의해 C(10)의 제어입력에 공급된다. C(10)의 출력으로부터 센서 알람 신호를 발생시키기 위해 사용되는 신호가 얻어지며, 센서 알람 신호는 그 후 필요에 따라 처리될 수 있다(예를 들어, 센서 알람 신호는 빛 또는 소리 알람을 ON으로 전환하기 위하여 증폭될 수 있다). 비교기(10) 출력의 대표적인 신호 형태가 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
이들 의존성에서 첫 번째 2개의 펄스(도 15, 도 16)는 인간의 빠른 걸음에 대응하며, 또한 마지막 2개의 펄스는 런닝에 대응한다. 센서로부터 1m의 거리에서 상기 장치의 신호/잡음비는 걸을 때 약 20이었고 런닝시에 약 140이었다. 제1 및 제2 안테나(1,2)로부터 2m 거리에서 신호/잡음비는 걸을 때 3-5이었으며 또한 런닝시에 7-11이었다. 이들 예는 이동 물체를 탐지하기 위한 본 발명 센서를 효과적으로 사용할 수 있는 것을 나타낸다.
가장 근접한 유사한 솔루션(US 특허 제5,361,070호)과 비교할 때, 본 발명 장치는 차동 증폭기(4)에서 동기 외부 간섭(평면파)을 보상할 수 있는 2개 안테나의 대칭적인 접속을 이용한다. PG(3)에 대한 제1 및 제2 안테나(1,2)의 접속은 반 대 방향으로 전류가 흐르는 것을 보장하여, 따라서 원격지까지 어떤 방사도 이루어지지 않으며, 이는 발생되는 간섭의 레벨을 크게 줄이는 것을 돕는다. 센서 수신장치의 입력회로에 대한 다른 개략적인 솔루션은 방사된 신호 스펙트럼의 폭과 거리에 의한 감지 영역을 자동적으로 조절할 수 있도록 하는 것이다. 초광대역 음향 신호가 방사를 위해 그리고 스트로보 신호로서 사용된다. 펄스 지속시간은 센서 동작에 대한 범위와 대역폭을 결정한다. 상기 연구에서 나타난 바와 같이 본 발명 센서는 안테나로부터 1 내지 5m의 거리에서 이동물체를 탐지하는데 적합하다.
센서 간섭 내성은 PG(3)로부터 센서 입력회로(4)(도 17)의 채널로 비동기 펄스 공급에 의해 부가적으로 증가될 수 있다. 이러한 배치에서 제1안테나(1)는 원하는 신호와 간섭신호를 방사 및 수신하기 위해 사용되며, 또한 제2안테나는 단지 간섭신호를 수신하기 위해 사용된다. 입력회로(4)에 의해 제1 및 제2 안테나의 출력으로부터 이러한 신호를 탐지한 후 간섭신호는 DA(7)에서 제거된다.
본 발명의 제2실시예는 지연회로가 도입되며 또한 입력회로(4)가 다르게 실현된다는 점에서 제1실시예와 다르다.
입력회로(4)는 각각 2개의 입력을 갖도록 이루어진 2개의 탐지기로 구성되어 있다. PG(3)로부터 비디오 펄스는 그 다이오드를 봉쇄해제하기 위하여 입력회로(4)의 제1탐지기(5)의 제2입력에 공급되며, 또한 펄스 지속시간(30ns)과 동등한 지연을 갖는 신호 지연회로(11)(도 17)를 통해 그 다이오드를 봉쇄해재하기 위하여 제2 탐지기의 제2 입력(6)에 지연을 가지고 공급된다. 또한 PG(3)의 펄스는 방사를 위해 제1안테나(1)에 직접 인가된다. 제1실시예와 대조할 때 스트로보 펄스는 본 발 명의 제2실시예에서 제1 및 제2 안테나(1,2)를 통해 어떤 방사도 이루어지지 않는다. 안테나(1,2)는 각각 탐지기(5,6)(도 17 및 도 18 참조)의 제1입력에 접속된다. 입력회로의 각 검출기는 1 다이오드, 3 저항 및 3커패시터로 구성되어 있다. 다이오드(VD1,DV2)의 캐소드는 제1커패시터(C1 또는 C2)를 통해 PG(3)에 접속되며 또한 제1저항(R1,R2)을 통해 몸체에 접속된다. 다이오드(VD1 또는 VD2)는 제2커패시터(C5 또는 C6)를 통해 각각 안테나(1,2)에 접속된다. 또한, 다이오드(VD1 또는 VD2)의 애노드는 제2저항(R5 또는 R6) 및, 제3저항(R3 또는 R4)과 제3커패시터(C3 또는 C4)로 이루어진 병렬회로를 통해 각각의 DA(7) 입력 중 하나에 접속되어 있으며, 제3커패시터(C3 또는 C4)의 일측 핀은 제2저항(R5 또는 R6)과 DA(7) 입력 사이에 접속되는 한편 다른 측 핀은 몸체에 접속되어 있다. 제1안테나는 수신-전송을 하며, 또한 제2커패시터(C5) 및 입력회로(4)의 제1 입력/출력에 접속되어 있다. 제2안테나는 수신을 하며 제2커패시터(C6)와, 입력회로(4)의 제1입력에 접속되어 있다. 입력회로(4)의 제2입력은 각각 제1커패시터(C1,C2)에 스트로보 펄스를 공급하기 위해 사용된다.
부(Negative) 스트로보 펄스는 차단 커패시터의 기능을 수행하는 제1커패시터(C1,C2)를 통해 다이오드(VD1,VD2)의 캐소드에 공급되며, 따라서 제1커패시터(C1,C2)는 다이오드(VD1,VD2)를 봉쇄해제한다. 제1저항(R1,R2)의 저항 뿐 아니라 제1커패시터(C1,C2)의 커패시턴스는 펄스 그 자체의 형태를 왜곡시키지 않으면서 전압 일정 부품의 제거를 보장하도록 선택된다. 예를 들어, 본 발명 장치의 실제적인 구현시에 커패시터(C1,C2)는 1nF의 커패시턴스를 가지며 또한 저항(R1,R2)은 50 Ω의 저항을 갖는다. 제3커패시턴스(C3,C4)는 10nF의 커패시턴스를 가지며 또한 도래하는 스트로보 펄스에 의해 충전된다. 스트로보 펄스는 비동기적으로 공급되므로 스트로보 펄스 지속시간에 대한 제1탐지기(5)(제1채널)의 제3커패시터(C3)에 신호와 간섭이 축적되며, 제2탐지기(6)(제2채널)의 제3커패시터(C4)에는 단지 간섭만이 축적된다. 그 후 차동 증폭기(7)는 제3커패시터(C3,C4)로부터의 전압을 감산하며, 이는 원하는 신호를 분리하며 간섭 내성을 증가시킬 수 있게 한다. 펄스 지속시간과 지연은 동일하게 되도록(예를 들어, 30ns) 선택되기 때문에, 이 입력회로(4)는 30ns 이상의 지속시간을 갖는 간섭을 걸러낼 수 있게 한다. 하나의 펄스를 포함하며 더 높은 고주파인 간섭은 제1커패시터(C1,C2)에서 걸러진다. 이러한 실시예 장치에서, 커패시터(C5,C6)는 220pF의 커패시턴스를 가지고, 저항(R5,R6)은 10KΩ의 저항을 가지며, 또한 저항(R3,R4)은 500KΩ의 저항을 가진다. 다이오드(VD3)는 PG(3)와 제1안테나(1)를 디커플링하기 위해 사용된다. 펄스 발생기의 제1출력은 애노드가 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속되고 캐소드가 제1탐지기(5)의 제2입력에 접속된 다이오드(VD3)를 통해 제1안테나(1)의 입력/출력에 접속된다.
지연회로(11)(도 17)는 인버터와 커패시턴스 적분기(integrator)(도 19)에 기초한 2단으로 이루어져 있다. 제1인버터를 통과할 때 비디오 펄스는 반대의 극성으로 변경된다. 커패시터 적분기(R1C1)는 비디오 펄스 전단 지속시간을 증가시킨다. 이 논리 소자-커패시턴스 적분기의 판별 레벨은 일정하므로, 제2인버터의 출력에서의 비디오 펄스는 입력(도 20)에서 조건과 관련하여 지연-이동되며, 여기서 Uc는 제1단의 출력 신호이다. 지연회로(11)에서 제2단의 동작은 상기와 아주 유사하 다. 이러한 지연회로의 실시예에서, 커패시터(C1,C2)는 39pF의 커패시턴스를 가지고, 저항(R1)은 510Ω의 정격 저항을 가지며, 또한 저항(R2)은 1KΩ을 가진다. 대응하는 논리 소자, 예를 들어 KP1554LN1이 인버터로 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 제2실시예에 따른 본 발명 센서는 본 발명의 제1실시예에 대하여 앞에서 설명한 것과 매우 동일하게 동작한다. 제2실시예는 외부 필드에 대하여 증가된 간섭 내성을 가지지만, 초광대역 음향 신호가 단지 제1안테나(1)에 의해 방사되며 또한 잡음이 신호의 감산동안 증가되기 때문에 제1실시예와 비교하여 다소 낮은 감도를 갖는다.
양 발명 센서 실시예의 이점으로는 그들의 구조적 및 구현적 단순화, 낮은 전력 소모, 낮은 가격, 오히려 높은 감도, 센서를 둘러싸는 전자장비에 대한 전자기 방사 효과의 부족, 임의의 날씨 조건에서 동작 가능성, 및 임의의 표면 아래에 안전하게 설치될 가능성 등이 있다.
본 발명 센서의 상기한 실시예는 철저하지 않으고, 수많은 변경과 수정이 이루어질 수 있으며, 이 변경과 수정은 첨부된 청구범위 및 도 1 내지 도 17에 도시된 설계에 따라 실현될 수 있다는 것을 당업자는 이해될 것이다.
초대역폭 음향 신호를 이용하여 이동하는 물체를 검출하기 위한 본 발명 센서의 설명된 실시예는 다양한 보안 시스템에서 약 1-5m의 작은 거리에서 이동 물체를 검출하는 산업분야에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 초대역폭 음향 신호의 사용으로 이동 물체를 검출하기 위한 센서에 있어서, 제1 및 제2안테나, 2개의 출력을 구비하며 또한 제1출력이 제1 안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 제2출력이 제2안테나의 입력/출력에 접속되는 펄스 발생기, 2개의 탐지기를 포함하며 또한 제1탐지기의 입력은 제1안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 제2탐지기의 입력은 제2안테나의 입력/출력에 접속되는 입력회로, 차동 증폭기, 피드백장치, 저주파 필터, 및 비교기로 구성되고, 상기 제1탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제1입력에 접속되고, 제2탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제2입력에 접속되고, 차동 증폭기의 출력은 저주파 필터의 입력 및 피드백장치의 입력에 접속되고, 상기 피드백장치는 센서의 외부 잡음을 억제하는 한편 그 출력이 차동 증폭기 입력 중 하나에 접속되고, 저주파 필터의 출력이 다른 제어 입력에 센서 동작 임계 전압이 공급되는 비교기의 입력에 접속되며, 또한 비교기의 출력이 센서 알람 신호를 발생시키도록 되어있는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피드백 장치는 부궤환을 갖는 연산 증폭기로 구성되며, 또한 연산 증폭기의 피드백 회로에 대한 시정수(Toc)는 S가 탐지의 볼륨 존에 이동 물체가 통과한 거리인 한편 Vmin가 이러한 물체가 이동을 기록하면서 이동할 수 있는 최소 속도인 경우에 Toc ≥ S/Vmin 비를 만족하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
  3. 초대역폭 음향 신호의 사용으로 이동 물체를 검출하기 위한 센서에 있어서, 제1 및 제2 안테나, 2개의 출력을 구비하는 펄스 발생기, 2개의 탐지기로 이루어지는 한편 각각 2입력을 구비하고, 펄스 발생기의 제1출력이 제1안테나의 입력/출력에 접속되고, 제1탐지기의 제2입력에 접속되고, 제1안테나의 입력/출력이 제1탐지기의 제1입력에 접속되고, 제2안테나의 출력이 제2탐지기의 제1입력에 접속되며, 또한 펄스 발생기의 제2출력이 지연회로를 통해 제2탐지기의 제2입력에 접속되는 입력회로, 차동 증폭기, 피드백장치, 저주파 필터, 및 비교기로 구성되고, 상기 제1탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제1입력에 접속되고, 제2탐지기의 출력은 차동 증폭기의 제2입력에 접속되며, 차동 증폭기의 출력은 저주파 필터의 입력 및 피드백장치의 입력에 접속되고, 상기 피드백장치는 센서의 외부 잡음을 억제하도록 되어 있는 한편 그 출력이 차동 증폭기의 하나의 입력에 접속되고, 저주파 필터의 출력이 다른 제어 입력에 센서 동작 임계 전압이 공급되는 비교기의 입력에 접속되며, 또한 비교기의 출력이 센서 알람 신호를 발생시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
  4. 제3항에 있어서, 입력회로에서 탐지기 각각은 다이오드, 3개의 저항 및 3개의 커패시터로 구성되고, 다이오드의 캐소드는 제1커패시터를 통해 펄스 발생기에 접속되는 한편 제1저항을 통해 몸체에 접속되고, 다이오드의 애노드는 제2커패시터를 통해 안테나에 접속되는 한편 제2저항 및 제3저항과 제3커패시터로 이루어진 병 렬회로를 통해 차동 증폭기 입력 중 하나에 접속되며, 또한 제3커패시터의 일측 핀은 제2저항과 차동 증폭기의 입력 사이에 접속되는 한편 다른 측 핀은 몸체에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
  5. 제3항에 있어서, 펄스 발생기의 제1출력은 다이오드를 통해 제1안테나의 입력/출력에 접속되며, 또한 상기 다이오드의 애노드는 제1안테나의 입력/출력에 접속되는 한편 그 캐소드는 제1탐지기의 제2입력에 접속되는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
  6. 제3항에 있어서, 상기 피드백 장치는 부궤환을 갖는 연산 증폭기로 구성되며, 또한 연산 증폭기의 피드백 회로에 대한 시정수(Toc)는 S가 탐지의 볼륨 존에 이동 물체가 통과한 거리인 한편 Vmin가 이러한 물체가 이동을 기록하면서 이동할 수 있는 최소 속도인 경우에 Toc ≥ S/Vmin 비를 만족하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 이동 물체를 검출하기 위한 센서.
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