KR101348691B1 - 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템 - Google Patents

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Abstract

복수의 음향센서를 이용하여 이동체를 탐지하고 그것의 위치를 추적하며, 더 나아가 그 정보를 대응수단 운용장치에 전송하고, 탐지 및 추적된 이동체가 적국의 공격을 감행하는 것으로 추정되는 경우에는 대응수단 운용장치가 그 이동체에 대하여 방어태세를 갖추거나 선제공격을 가할 수 있도록 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등의 대응수단을 그 이동체를 향하여 재정렬하게 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템이 개시된다. 이러한 시스템에서 상기 복수개의 음향센서로부터 음향신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 주변 잡음신호의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 상기 음향신호로부터 상기 주변 잡음신호를 제거하는 단계, 상기 주변 잡음신호가 제거된 상기 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 해당하는 이동체의 음향신호를 추출하는 단계, 상기 추출된 이동체의 음향신호에 의거하여 상기 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 단계, 및 상기 이동체의 위치 및 속도를 출력하게 하는 단계가 수행된다.

Description

이동체 탐지 및 위치 추적 시스템{System for Detecting Moving Vehicle and Identifying Its Location}
본 발명은 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 음향센서를 이용하여 이동체를 탐지하고 그것의 위치를 추적하며, 더 나아가 그 정보를 대응수단 운용장치에 전송하고, 탐지 및 추적된 이동체가 적국의 공격을 감행하는 것으로 추정되는 경우에는 대응수단 운용장치가 그 이동체에 대하여 방어태세를 갖추거나 선제공격을 가할 수 있도록 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등의 대응수단을 그 이동체를 향하여 재정렬하게 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템에 관한 것이다.
주권을 가진 국가는 적국의 침략적 도발을 방지하기 위하여 군사적 방어태세를 갖추고 있다. 즉, 전투기, 전차 등과 같은 이동체에 의한 적국의 침략 내지 침투를 탐지하고 추적하며, 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등의 대응수단을 운용하여 적국의 도발을 방어하는 체계, 즉 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템을 갖추고 있다.
종래에는 광학장비, 레이더 등을 이용하여 이동체를 탐지 및 추적하였다. 광학장비를 이용한 추적 방식은 먼저 대응수단 운용자가 청음 및 시각으로 침투하는 이동체를 확인하고 조준기를 통하여 이동체를 탐지 및 추적하는 방식으로 사람의 감각에 의존함으로써 신속성 및 정확도가 떨어진 방식이거나, 광학장비의 화면 내에서 움직임 화소의 변화를 감지하여 이동체를 감지 경고하는 방식을 사용함으로써 안개, 황사, 연기 등의 기상요소에 의해 제한되었다.
또한 레이더에 의한 추적은 신속, 정확하게 탐지 및 추적할 수 있으나 시스템이 크고 고가(高價)여서 전투기를 제외한 헬기, 저속항공기, 무인기 등의 비교적 저가인 침투 이동체를 탐지 및 추적하는 장비로의 효용성이 떨어지고 사각지대에서 침투하는 이동체는 탐지가 불가능하다. 따라서 사각지대에서 접근, 침투하는 이동체도 탐지가 가능하고 상대적으로 비교적 저가인 탐지 및 추적 시스템이 필요하다.
이에 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출되었다. 따라서, 본 발명의 목적은 적은 비용으로 효과적으로 이동체를 탐지 및 추적할 수 있고 또한 레이더 장치로는 탐지할 수 없는 사각지대에 있는 이동체도 탐지 및 추적할 수 있는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 적국의 침략 내지 도발로 추정되는 이동체의 침입을 탐지 및 추적하고 이와 연계하여 적국의 도발을 방지하는 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등과 같은 대응수단을 효과적으로 운용할 수 있게 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템은 음향을 검출하는 복수개의 음향센서, 상기 음향센서로부터 수신된 음향신호를 처리하여 이동체를 탐지하고 그것의 위치 및 속도를 산출하는 제어부, 상기 제어부의 처리에 필요한 데이터를 저장하는 메모리부, 상기 제어부의 처리결과를 출력하는 출력부를 포함하는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치를 포함한다.
상기 제어부는 상기 복수개의 음향센서로부터 음향신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 주변 잡음신호의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 상기 음향신호로부터 상기 주변 잡음신호를 제거하는 단계, 상기 주변 잡음신호가 제거된 상기 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 해당하는 이동체의 음향신호를 추출하는 단계, 상기 추출된 이동체의 음향신호에 의거하여 상기 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 단계, 및 상기 이동체의 위치 및 속도를 출력하게 하는 단계를 수행한다.
상기 이동체의 위치를 산출할 때, 상기 음향이 상기 이동체로부터 상기 음향센서에 도달하는데 걸리는 시간 동안에 상기 이동체가 이동한 거리를 고려하여 보정된 이동체의 위치를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 제1 이동체의 음향신호를 추출한 후에는 상기 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼이 상기 메모리부에 저장되고, 상기 제1 이동체의 음향신호가 현재 검출되고 있는 상태임을 상기 메모리부에 저장하며, 그러한 상태에서 제1 이동체의 음향신호와 제2 이동체의 음향신호가 함께 검출되는 경우에, 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거한 후 얻은 제1 이동체와 제2 이동체의 합성 음향신호의 주파수 함수로부터 상기 메모리부에 현재 검출되고 있음이 파악된 상기 제1 이동체의 주파수 함수를 뺌으로써 상기 제2 이동체의 음향신호의 주파수 함수를 추출하는 과정을 수행하는 것이 바람직하다.
주파수 함수가 이미 파악된 이동체가 없는 상태에서 상기 수신된 음향신호 중에서 2개의 서로 다른 종류의 이동체의 음향신호가 혼합되어 있는 경우에는, 제1 이동체의 주파수 함수에 대한 제1 계수 및 제2 이동체의 주파수 함수에 대한 제2 계수를 조정하여 그것들에 의하여 합성된 결과가 추출된 이동체들의 합성 주파수 함수와 일치하게 하는 제1 계수 및 제2 계수를 결정하고, 그에 따라 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호를 추출하는 것이 바람직하다.
상기 이동체 탐지 및 위치 추적 장치는 통신부를 더 포함하고, 상기 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템은 대응수단 운용 장치를 더 포함하며, 상기 이동체 탐지 및 위치 추적 장치의 상기 제어부는 상기 이동체의 위치 및 속도를 상기 통신부를 통하여 상기 대응수단 운용 장치로 전송하고, 상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체의 위치 및 속도를 수신한 후 상기 이동체를 향하여 대응수단을 재정렬하는 것이 바람직하다.
상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체를 적기 또는 적의 공격무기가 탑재된 차량으로 간주하고 적의 공격에 대한 방어 또는 적의 공격 전에 선제 공격을 수행하는 군사적 목적의 대응수단을 운용하는 장치이고, 상기 대응수단은 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포 및 대포로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체의 위치 및 속도를 출력하는 디스플레이를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템은 적은 비용으로 효과적으로 이동체를 탐지 및 추적할 수 있고 또한 레이더 장치로는 탐지할 수 없는 사각지대에 있는 이동체도 탐지 및 추적할 수 있다. 따라서, 적국의 침략 내지 도발로 추정되는 이동체의 침입을 탐지 및 추적하고 이와 연계하여 적국의 도발을 방지하는 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등과 같은 대응수단을 효과적으로 운용할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템의 개략적 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템에 적용되는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치에서 수행되는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에서 사용되는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치에서 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호가 제거되는 과정을 설명하기 위한 도표이다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치에서 2개의 이동체의 음향신호가 분리 및 추출되는 과정을 설명하기 위한 도표이다.
도 5는 본 발명에서 사용되는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치에서 이동체의 위치 산출시에 그것을 보정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에서 사용되는 대응수단 운용장치에서 수행되는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에서 사용되는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치의 출력 화면에 이동체의 위치 및 속도 현황이 출력된 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에서 사용되는 대응수단 운용장치의 출력 화면에 이동체의 위치 및 속도 현황이 출력된 예를 도시한 도면이다.
도 9 내지 11은 본 발명에서 시간의 흐름에 따른 이동체의 탐지 및 추적 과정을 설명하기 위한 도표이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이동체 탐지 및 추적 시스템은 이동체 탐지 및 추적 장치(100) 및 대응수단 운용장치(200)로 구성된다.
이동체 탐지 및 추적 장치(100)는 적기 또는 적 차량과 같은 이동체의 출현을 탐지하고 그것의 위치를 추적하여 그 정보를 대응수단 운용장치(200)로 전송하는 것이다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 이동체 탐지 및 추적 장치(100)는 복수개의 음향센서(110), 제어부(120), 메모리부(130), 출력부(140) 및 통신부(150)를 포함한다.
음향센서(110)는 음향을 검출하여 제어부(120)로 전송하는 역할을 한다. 음향센서(110)에 의하여 검출되는 음향은 아날로그 신호로서 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 변환되어 전송된다. 이때 아날로그 음향신호는 A/D 컨버터에 의하여 디지털신호로 변환되어 제어부로 전송된다. 제어부(120)는 복수의 음향센서(110)로부터 수신된 복수의 음향신호를 처리하여 이동체를 탐지하고 그것의 위치 및 속도를 산출하며, 그 외의 역할도 수행한다. 복수의 음향센서로부터 수신된 복수의 음향신호를 처리하여 이동체의 위치를 산출하는 방법은 통상적으로 알려져 있다. 메모리부(130)에는 제어부(120)의 처리에 필요한 데이터가 저장되며 또한 제어부(120)의 처리를 위한 프로그램이 저장되기도 한다. 제어부(120)의 처리결과는 출력부(140)에 출력되는데, 출력부(140)는 통상적으로 디스플레이로 구현된다. 통신부(150)는 이동체의 위치 및 속도를 대응수단 운용장치(200)로 전송하는데 사용된다.
대응수단 운용장치(200)는 이동체를 적기 또는 적의 공격무기가 탑재된 차량으로 간주하고 적의 공격에 대한 방어 또는 적의 공격 전에 선제 공격을 수행하는 군사적 목적의 대응수단을 운용하는 장치이다. 즉, 이동체의 위치 및 속도를 수신하여 그것을 화면에 출력하고 또한 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포, 대포 등과 같은 대응수단을 구동하는 것이다. 이를 위하여, 대응수단 운용장치(200)는 제어부(210), 통신부(220), 메모리부(230), 출력부(240) 및 대응수단 구동부(250)를 포함한다. 대응수단 구동부(250)는 제어부(210)의 명령에 따라 대응수단이 탐지된 이동체의 위치로 향하도록 대응수단을 재정렬하는 구동수단이다.
도 2를 참조하여 이동체 탐지 및 위치 추적 장치(100)의 제어부(120)에 의하여 수행되는 절차를 설명하면 다음과 같다. 제어부(120)는 먼저 복수개의 음향센서(110)로부터 음향신호를 수신한다(단계 S100).
그런 후 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거한다(단계 S200). 여기에서 주변 잡음신호라 함은 이동체 탐지 및 위치 추적 장치(100)의 주변으로부터 항상 발생하여 음향센서(110)에 의하여 항상 검출되는 음향신호를 의미하는 것으로서, 본 발명에서 탐지하고자 하는 이동체의 음향신호의 정확한 탐지를 위하여 제거되어야 하는 음향신호를 의미한다. 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하는 과정은 다음과 같다.
도 3에는 이동체의 음향신호와 주변 잡음신호를 주파수 영역에서의 주파수 스펙트럼, 즉 주파수 함수로 각각 도시하였고(상부 그래프), 또한 이것들이 합성된 주파수 함수를 도시하였다(하부 그래프). 도면 및 본 명세서에서 이동체의 음향신호의 주파수 함수는 YM(f)로 표시하였고, 주변 잡음신호의 주파수 함수는 YN(f)로 표시하였다. 여기에서 M은 이동체를 의미하고, N은 잡음을 의미한다. 도 3에는 개략적 설명을 위하여 주파수 함수가 연속적 함수로 도시되어 있지만, 실제로 제어부가 처리하는 것은 이산적 함수임은 자명한 사실이다.
도 3의 하부 그래프에서 보는 바와 같이, 음향센서(110)로부터 수신된 음향신호는 이동체의 음향신호와 주변 잡음신호가 합성된 상태로 있어 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.
수학식 1
수신된 음향신호 Y(f) = YM(f) + YN(f)
이러한 수신된 음향신호 Y(f)로부터 주변 잡음신호 YN(f)를 빼면 이동체의 음향신호 YM(f)를 얻을 수 있게 된다.
주변 잡음신호 YN(f)는 본 발명에서 탐지하고자 하는 이동체가 없는 상황에서 음향센서가 검출한 음향신호로 간주할 수 있으며, 그러한 신호는 메모리에 저장하여 본 발명에서 사용할 수 있다. 이러한 주변 잡음신호를 수집할 때 주변 잡음신호가 시간대에 따라 약간씩 달라질 수 있으므로, 메모리에 저장된 주변 잡음신호의 스펙트럼 패턴은 수시로 업데이트할 수 있다. 즉, 미리 정해진 시간 간격으로 주변 잡음신호에 대한 수집을 수행하여 주변 잡음신호의 스펙트럼 패턴을 수시로 업데이트하는 것이다.
한편, 주변 잡음신호를 수집하는 상황에 따라 주변 잡음신호의 패턴이 달라질 수 있는데 이것은 항상적으로 발생하는 음향신호가 아닌 일시적으로 발생하는 음향신호가 혼합되어 있는 것에 기인할 수 있다. 따라서, 이러한 오류를 제거하기 위해서는 주변 잡음신호의 수집을 여러번 반복하여 수행하고 그것들 중에서 공통된 음향신호만을 취함으로써 일시적으로 발생한 음향신호가 주변 잡음신호로 정의되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 일시적으로 발생한 음향신호는 이동체의 음향신호로 오인될 수 있으나, 이에 대한 처리는 아래에서 설명한다.
상기 수학식 1에서 수신된 음향신호는 주변 잡음신호와 이동체 음향신호로 구성된다고 설명하였으나, 그러한 경우 이외에도 다음 수학식 2와 같이 수신된 음향신호[Y(f)]는 주변 잡음신호[YN(f)]와 본 발명에서 정의된 이동체의 음향신호가 아닌 일시적으로 발생하는 음향신호[YO(f)]로 구성될 수 있다.
수학식 2
수신된 음향신호 Y(f) = YO(f) + YN(f)
따라서, 수신된 음향신호 Y(f)로부터 주변 잡음신호 YN(f)를 제거하면 그것이 이동체의 음향신호 YM(f)에 해당하는지 아니면 다른 일시적으로 발생하는 음향신호 YO(f)에 해당하는지를 결정하여야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 탐지하고자 하는 이동체의 주파수 스펙트럼 패턴을 미리 데이터베이스에 저장하여 둔다. 따라서, 본 발명에서 이동체라 함은 이와 같이 미리 데이터베이스에 그것의 주파수 스펙트럼 패턴이 저장된 것을 의미하며, 실제로는 이동체라 하더라도 데이터베이스에 저장되지 않은 것은 본 발명에서는 단지 일시적으로 발생하는 음향신호 YO(f)에 해당하는 것으로 간주하고, 이동체의 탐지를 위하여 주변 잡음신호 YN(f)와 마찬가지로 제거되어야 할 신호로 처리된다. 데이터베이스에 저장된 이동체의 주파수 스펙트럼은 메모리부(130)에 로드되어 제어부(120)에 의하여 사용된다.
데이터베이스에는 적국의 전투기, 전투헬기, 전차 등과 같은 이동체만을 저장할 수도 있으나, 아군의 전투기, 전투헬기, 전차 등과 같은 이동체 및 동맹국의 이동체들도 저장할 수 있다. 이 경우에는 이동체의 탐지에 의하여 그것이 아군의 전투기인지 적국의 전투기인지 구별도 가능하게 되어 상황 파악에 더욱 편리하게 이용될 수 있다.
제어부(120)는 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거한 후 얻은 주파수 스펙트럼의 패턴을 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여 일치하는 것이 있는지를 판단한다. 일치하는 것이 있으면, 그것은 해당 이동체의 음향신호인 것으로 간주하고 그 데이터를 추출하여 시간영역에서의 함수로 변환한 후 그렇게 변환된 이동체의 음향신호로부터 이동체의 위치 및 속도를 산출한다(단계 S400).
만약 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거한 후 얻은 주파수 스펙트럼의 패턴이 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴 중 어느 것과도 일치하지 않는다면 그것은 일시적으로 발생하는 음향신호 YO(f)로 간주된다. 이 경우에는 이러한 신호가 발생하는 동안 이동체가 출현하는 것을 대비하여, 그러한 일시적으로 발생한 음향신호 YO(f)는 메모리에 저장될 수 있다. 일시적으로 발생한 음향신호 YO(f)가 존재하는 중에 이동체가 출현한 경우 그 이동체를 탐지하는 과정은 제1 이동체가 출현하여 그 음향신호가 계속되는 가운데 제2 이동체가 출현한 경우와 유사하므로, 이에 대한 설명은 도 4를 참조한 제1 이동체와 제2 이동체의 순차적인 출현에 대한 설명으로 대신한다. 한편, 일시적으로 발생한 음향신호 YO(f) 중에서 자주 발생하는 것은 데이터베이스에 저장하여 둔다면 그것의 탐지시간을 줄일 수 있어 유익할 것이다.
이제, 도 4를 참조하여 서로 다른 2 종류의 이동체, 즉 제1 이동체와 제2 이동체의 순차적인 출현에 대하여 설명한다. 이동체의 종류가 동일하다면 그것의 음향신호의 주파수 스펙트럼은 도플러효과에 의한 주파수 천이를 무시한다면 동일하다. 따라서, 주파수 영역에서의 분석으로는 동일한 종류의 이동체들에 대한 구분은 불가능하다. 먼저, 수신된 음향신호 Y(f)로부터 주변 잡음신호 YN(f)를 제거한 후 그것을 데이터베이스에 저장된 이동체의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여 제1 이동체의 주파수 스펙트럼 패턴과 일치함을 확인하여 제1 이동체의 주파수 스펙트럼 , 즉 주파수 함수 YM1(f)을 추출한다. 여기에서 제1 이동체의 주파수 스펙트럼을 추출한다는 의미는 그것만을 별도로 메모리부에 저장한다는 것을 의미한다. 여기에서 주목할 것은 메모리부에 저장되는 제1 이동체의 주파수 스펙트럼은 그것의 패턴만이 아니라 실제로 검출된 신호의 세기도 포함한다는 것이다. 저장된 제1 이동체의 주파수 스펙트럼은 이러한 점에서 데이터베이스에 저장된 이동체들의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 패턴과 구별된다고 할 수 있다. 이것은 시간영역에서의 함수로 변환되어 단계 S400에서 이동체의 위치 및 속도를 산출하는데 사용된다.
다음으로 제1 이동체의 음향신호가 검출되는 가운데 제2 이동체가 출현하여 도 4에서 하부 그래프에서 보는 바와 같이 제1 이동체의 음향신호와 제2 이동체의 음향신호가 합성된 이동체의 음향신호 YM(f)가 검출되는 상황에서 제2 이동체의 음향신호 YM2(f)를 추출하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 이 상황에서 메모리부에는 제1 이동체의 음향신호 YM1(f)가 저장되어 있고 또한 제1 이동체의 음향신호가 현재 검출되고 있는 상태임이 저장되어 있다. 또한 제1 이동체의 시간영역에서의 음향신호의 분석에 의하여 제1 이동체의 위치 및 속도가 산출되어 있는 상태이다. 따라서, 제어부(120)는 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하여 얻은 음향신호 YM(f)에서 제1 이동체의 음향신호 YM1(f)를 제거하는 과정을 수행한다. 이때, 제2 이동체가 출현하기 전에는 실질적으로 의미있는 정도의 음향신호는 파악되지 않으므로, 제어부는 현재 제1 이동체만이 출현하고 있는 상태임을 인지한다. 그런데, 제2 이동체가 출현한 때에는, 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하여 얻은 음향신호 YM(f)에서 제1 이동체의 음향신호 YM1(f)를 제거하면, 제2 이동체의 음향신호 YM2(f)가 남게 된다. 이때 제어부(120)는 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교함으로써 그것이 제2 이동체의 음향신호임을 결정하게 된다.
다음으로 서로 다른 2 종류의 이동체가 동시에 출현한 경우에 그것들 각각의 음향신호를 추출하는 과정을 설명한다. 음향센서 및 제어부의 분석의 정밀도에 따라 달라지지만, 일반적으로 2 종류의 이동체의 동시 출현으로 처리되는 상황은 극히 이례적인데, 왜냐하면 사람의 인식수준에서 동시적이라 하더라도 컴퓨터의 처리수준에서는 어느 정도의 시간적 차이를 두고 사건이 발생하며, 컴퓨터는 그러한 미세한 시간적 차이를 두고 발생한 사건들을 구분하여 인지할 수 있기 때문이다.
서로 다른 2 종류의 이동체가 동시에 출현한 경우에, 수신한 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하면 제1 이동체의 음향신호 YM1(f)와 제2 이동체의 음향신호 YM2(f)가 합성된 이동체의 음향신호 YM(f)가 산출된다. 이때, 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼에 관한 정보 이외에 메모리부에는 제1 이동체 및 제2 이동체에 관한 어떠한 정보도 가지고 있지 않다.
따라서, 제어부(120)는 먼저 합성된 이동체의 음향신호 YM(f)가 데이터베이스에 저장된 이동체 각각의 주파수 스펙트럼 패턴과 일치하는지 비교하고, 그렇지 않음을 확인한다. 그러면 다음으로 데이터베이스에 저장된 이동체들 중에서 2개의 이동체를 프로그램에 의하여 정해진 순서에 따라 또는 무작위로 선택하고 하기 수학식 3에 기재된 계수 a1 및 a2를 임의로 결정하고, 수학식 3에 따라 계산하여 그 결과가 합성된 이동체의 음향신호 YM(f)와 일치하는지를 판단한다.
수학식 3
YM(f) = a1·YM1(f) + a2·YM2(f)
(여기에서, a1 + a2 = 1, a1 및 a2는 0과 1 사이의 실수)
만약 계수 a1 및 a2의 조정에 의하여 이동체의 음향신호 YM(f)와 일치하게 된다면 YM1(f) 및 YM2(f)를 각각 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호로 추출하여 메모리부에 저장한다. 이렇게 추출한 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호 YM1(f) 및 YM2(f)는 위에서 설명한 바와 같이, 시간영역에서의 함수로 변환되고, 그것은 제1 이동체 및 제2 이동체의 위치 및 속도를 산출하는데 사용된다.
다시 도 2로 돌아오면, 각 이동체의 음향신호를 추출하고 메모리부에 그것을 저장한 제어부(120)는 해당 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 과정(단계 S400)을 수행한다. 이러한 과정은 이동체의 음향신호에 대한 시간영역에서의 함수를 대상으로 이루어지는데, 복수개의 음향신호에서 검출되는 동일한 음향신호에 대한 시간적 차이에 의하여 이동체의 위치 및 속도를 산출할 수 있다. 이러한 과정은 통상적으로 알려져 있으므로, 여기에서 상세한 설명은 생략한다.
한편, 이동체로서 동일한 종류의 2대 이상의 이동체의 음향신호가 순차적으로 또는 동시적으로 검출되는 경우에는, 위에서 언급한 바와 같이, 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼으로는 동일한 종류의 이동체들을 구분할 수는 없다. 그러나, 시간영역에서의 검출 데이터를 기초하는 경우에는, 그것들 간의 구분이 가능하다. 왜냐하면, 2개의 동일 종류의 이동체와 하나의 음향센서 간의 경로 및 거리는 다르므로, 하나의 음향센서가 각각의 이동체를 검출하는 시각이 달라지게 된다. 따라서, 동일한 신호의 검출 시각의 차이에 의하여 2개 이상의 동일 종류의 이동체의 음향신호를 구분해 낼 수 있고, 그렇게 구분한 음향신호들에 의하여 동일 종류의 이동체들의 위치 및 속도를 산출할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서는 이동체가 비행체인 경우에는 비행체가 음파의 속도에 비하여 무시할 수 없는 속도로 움직이기 때문에 지상 관제소에서 음파의 검출시에 산출된 비행체의 위치는 정확하지 않게 된다. 따라서, 비행체의 속도에 기초하여 비행체의 위치는 보정되어야 한다. 이러한 과정이 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 먼저 추출된 이동체의 음향신호에 기초하여 음원(이동체)의 위치를 산출한다(단계 S410). 이때, 음원의 속도 및 음향센서(110)와 음원 간의 거리도 산출한다. 음원의 속도는 시간에 대한 위치의 변화율이므로 쉽게 산출할 수 있다. 다음으로 음파가 음원으로부터 음향센서(110)에 도달하는데 걸리는 시간을 계산한다(단계 S420). 음파 도달 시간은 음향센서(110)와 음원 간의 거리를 음파의 속도로 나누면 얻을 수 있다. 온도에 따른 음파의 속도는 일반적으로 알려져 있다.
이동체가 음파의 속도에 비하여 무시할 수 없는 속도로 움직이는 경우에는 위에서 산출한 음원의 위치는 정확하지 않게 된다. 즉, 음파 도달 시간 동안에 음원은 그 속도로 움직였기 때문에 처음 산출된 음원의 위치는 보정되어야 한다. 따라서, 음향센서(110)는 음파 도달 시간 동안 음원의 속도로 음원이 이동한 거리 벡터를 처음 산출한 위치 벡터에 더하는 보정을 수행하여 보정된 음원의 위치 벡터를 산출한다(단계 S430). 이때 산출된 위치 벡터는 음향센서(110)의 특정점을 원점으로 하는 상대적 좌표계를 기준으로 한 좌표값으로 지정될 수 있고, 이렇게 산출된 위치 벡터는 지구상에서 통상적으로 사용되는 위도, 경도 및 고도로 된 위치정보로 변환하여 표현된다.
그렇게 보정된 이동체의 위치정보 및 속도정보는 출력부(140)에 출력되고(단계 S500), 또한 이동체의 위치 및 속도는 대응수단 운용장치(200)로 전송된다(단계 S600).
대응수단 운용장치(200)의 제어부(210)는 도 6에 도시한 바와 같이, 이동체 탐지 및 추척 장치(100)로부터 이동체의 위치 및 속도를 수신하고(단계 S700), 이동체의 위치 및 속도를 출력부(240)에 화면 출력하며(단계 S800), 또한 그 이동체가 적국의 전투기, 헬리콥터, 전차 등으로서 적의 침투로 추정되는 경우에는 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포 및 대포와 같은 대응수단을 이동체의 위치로 향하게 재정렬하도록 대응수단 구동부(250)에게 지시한다.
도 7 및 8에는 이동체 탐지 및 추척 장치(100)의 출력부(140) 및 대응수단 운용장치(200)의 출력부(240)에 각각 표시되는 화면을 예시하였다.
마지막으로, 도 9 내지 도 11을 참조하여 본 발명에서 시간의 흐름에 따른 이동체의 탐지 및 추적 과정을 설명하기로 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, t1 시각에 주변 잡음신호 이외에 제1 이동체(M1)의 음향신호가 임계치(I1) 이상의 세기로 검출되는 상황이라고 가정한다. 이 경우, 제어부(120)는 위에서 설명한 바와 같이, 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하고 남은 주파수 스펙트럼을 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여 그것이 제1 이동체로부터 검출되는 음향신호임을 인식한다. 제어부(120)는 또한 그러한 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼의 크기(I1)를 메모리부에 저장한다. 또한 이러한 주파수 스펙트럼은 시간영역에서의 함수로 변환된 후 제1 이동체의 위치 및 속도가 산출됨은 위에서 설명한 바와 같다.
도 10에 도시된 바와 같이, 다음 샘플링 시각인 t2 시각에 제1 이동체(M1)의 음향신호의 크기는 임계치(I1)보다 큰 I2로 커졌고, 제2 이동체(M2)가 임계치(I1) 이상의 세기로 새롭게 검출되었다. 그러면, 위에서 설명한 바와 같이, 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거하면 제1 이동체(M1)와 제2 이동체(M2)의 음향신호가 합성된 음향신호가 남는다. 여기에서, 제1 이동체가 출현해 있음을 알고 있으므로, 제1 이동체의 음향신호를 합성 음향신호로부터 빼면 제2 이동체의 음향신호를 얻을 수 있다. 다만, 시각 t1 때의 제1 이동체 음향신호의 크기(I1)와 시각 t2 때의 제1 이동체 음향신호의 크기(I2)는 약간 다르기 때문에 시각 t1 때 얻은 제1 이동체 음향신호의 크기(I1)를 가지는 제1 이동체 음향신호의 주파수 스펙트럼을 합성 음향신호로부터 빼면 제1 이동체 음향신호의 잔분이 조금 남아있게 된다. 그러나 이러한 제1 이동체 음향신호의 잔분은 제2 이동체 음향신호의 주파수 스펙트럼의 윤곽을 인식할 수 없게 할 정도로 크지는 않다. 따라서, 제어부(120)는 남아있는 음향신호 주파수 스펙트럼을 데이터베이스에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여 그것이 제2 이동체의 주파수 스펙트럼과 일치함을 인식할 수 있고, 또한 제2 이동체의 주파수 스펙트럼의 크기(I1)도 인식할 수 있다. t2 시각에서 제2 이동체의 주파수 스펙트럼의 존재 및 그 크기(I1)를 확인하였으므로, 제어부는 메모리부에 그것을 저장한다.
한편, 메모리부에 저장된 제1 이동체(M1)의 주파수 스펙트럼의 크기(I1)는 시각 t1 때의 것이므로 이것을 시각 t2 때의 것으로 업데이트를 하여야 한다. 이를 위하여, 제어부는 제1 이동체(M1)와 제2 이동체(M2)의 합성 음향신호의 주파수 스펙트럼으로부터 t2 시각의 I1 크기를 가지는 제2 이동체(M2)의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 빼서 t2 시각의 제1 이동체(M1)의 주파수 스펙트럼의 크기(I2)를 인식할 수 있게 된다.
이와 같이 하여 t2 시각에 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼 및 제2 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 각각 추출하였고, 이것들은 각각 시간영역에서의 함수로 변환된 후 각각 제1 이동체 및 제2 이동체의 위치 및 속도를 산출하는데 사용된다.
이제, 도 11에 도시된 바와 같이, 시각 t3에서 새로운 이동체의 출현은 없고, 단지 출현한 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호의 크기만 달라졌다고 가정한다. 그러면, 제어부는 시각 t2에서 제1 이동체와 제2 이동체가 출현해 있음을 인식하고 있으므로, 먼저 시각 t3에서 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 추출하기 위하여 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호가 합성된 합성신호로부터 t2 시각에서의 제2 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 뺀다. 그러면 t3 시각에서의 제2 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼의 크기가 I2로서 t2 시각에서의 크기(I1)보다 크기 때문에 그 결과 주파수 스펙트럼에는 제2 이동체의 주파수 스펙트럼의 잔분이 약간 남아 있게 되지만, 위에서 설명한 바와 같이, 그러한 잔분은 시각 t3에서 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 인식할 수 없게 할 정도로 크지는 않다. 따라서, 제어부는 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여 I3 크기를 가지는 t3 시각에서의 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 인식할 수 있고 또한 그것을 메모리부에 저장하게 된다. 그런 후, 제어부는 합성 음향신호의 주파수 스펙트럼으로부터 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 뺌으로써 I2 크기를 가지는 t3 시각에서의 제2 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼을 인식할 수 있고 또한 그것을 메모리부에 저장하게 된다. 그렇게 저장된 t3에서의 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼은 시간영역에서의 함수로 변환되어 각각 제1 이동체 및 제2 이동체의 t3 시각에서의 위치 및 속도를 산출하는데 사용된다.
이와 같은 구성에 의하면, 본 발명의 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템은 이동체의 음향신호를 검출하여 이동체의 존재를 탐지하고 또한 그것의 위치를 추적하여, 레이더 장치로는 탐지할 수 없는 사각지대에 있는 이동체도 탐지 및 추적할 수 있게 된다. 또한 전투기, 전투 헬리콥터, 전차 등과 같은 수단에 의한 적의 도발을 조기에 탐지하고 그 위치를 정확하게 파악하며, 이러한 정보를 대응수단 운용장치와 공유함으로써 대응수단 운용장치가 신속하게 대응수단을 구동할 수 있게 해준다.
100: 이동체 탐지 및 위치 추적 장치 110: 음향센서
120, 210: 제어부 130, 230: 메모리부
140, 240: 출력부 150, 220: 통신부
200: 대응수단 운용장치 250: 대응수단 구동부

Claims (7)

  1. 음향을 검출하는 복수개의 음향센서, 상기 음향센서로부터 수신된 음향신호를 처리하여 이동체를 탐지하고 그것의 위치 및 속도를 산출하는 제어부, 상기 제어부의 처리에 필요한 데이터를 저장하는 메모리부, 상기 제어부의 처리결과를 출력하는 출력부를 포함하는 이동체 탐지 및 위치 추적 장치를 포함하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템으로서,
    상기 제어부는 상기 복수개의 음향센서로부터 음향신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 주변 잡음신호의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 상기 음향신호로부터 상기 주변 잡음신호를 제거하는 단계, 상기 주변 잡음신호가 제거된 상기 음향신호의 주파수 스펙트럼 패턴을 상기 메모리부에 저장된 이동체들의 주파수 스펙트럼 패턴과 비교하여, 해당하는 이동체의 음향신호를 추출하는 단계, 상기 추출된 이동체의 음향신호에 의거하여 상기 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 단계, 및 상기 이동체의 위치 및 속도를 출력하게 하는 단계를 수행하는 것이고,
    상기 제어부는 제1 이동체의 음향신호를 추출한 후에는 상기 제1 이동체의 음향신호의 주파수 스펙트럼이 상기 메모리부에 저장되고 또한 상기 제1 이동체의 음향신호가 현재 검출되고 있는 상태임을 상기 메모리부에 저장하고, 그러한 상태에서 제1 이동체의 음향신호와 제2 이동체의 음향신호가 함께 검출되는 경우에, 수신된 음향신호로부터 주변 잡음신호를 제거한 후 얻은 제1 이동체와 제2 이동체의 합성 음향신호의 주파수 함수로부터 상기 메모리부에 현재 검출되고 있음이 파악된 상기 제1 이동체의 주파수 함수를 뺌으로써 상기 제2 이동체의 음향신호의 주파수 함수를 추출하는 과정을 수행하는 것임을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동체의 위치를 산출할 때, 상기 음향이 상기 이동체로부터 상기 음향센서에 도달하는데 걸리는 시간 동안에 상기 이동체가 이동한 거리를 고려하여 보정된 이동체의 위치를 산출하는 것임을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    주파수 함수가 이미 파악된 이동체가 없는 상태에서 상기 수신된 음향신호 중에서 2개의 서로 다른 종류의 이동체의 음향신호가 혼합되어 있는 경우에는, 제1 이동체의 주파수 함수에 대한 제1 계수 및 제2 이동체의 주파수 함수에 대한 제2 계수를 조정하여 그것들에 의하여 합성된 결과가 추출된 이동체들의 합성 주파수 함수와 일치하게 하는 제1 계수 및 제2 계수를 결정하고, 그에 따라 제1 이동체 및 제2 이동체의 음향신호를 추출하는 것임을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동체 탐지 및 위치 추적 장치는 통신부를 더 포함하고, 상기 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템은 대응수단 운용 장치를 더 포함하며,
    상기 이동체 탐지 및 위치 추적 장치의 상기 제어부는 상기 이동체의 위치 및 속도를 상기 통신부를 통하여 상기 대응수단 운용 장치로 전송하고,
    상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체의 위치 및 속도를 수신한 후 상기 이동체를 향하여 대응수단을 재정렬하는 것임을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체를 적기 또는 적의 공격무기가 탑재된 차량으로 간주하고 적의 공격에 대한 방어 또는 적의 공격 전에 선제 공격을 수행하는 군사적 목적의 대응수단을 운용하는 장치이고, 상기 대응수단은 탐조등, 적외선 추적기, 경계용 카메라, 대공포 및 대포로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 대응수단 운용장치는 상기 이동체의 위치 및 속도를 출력하는 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 탐지 및 위치 추적 시스템.
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