KR101574960B1

KR101574960B1 - 지뢰탐지용 휴먼바디 안테나장치

Info

Publication number: KR101574960B1
Application number: KR1020140047363A
Authority: KR
Inventors: 김치욱
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-12-08
Also published as: KR20150121470A

Abstract

본 발명에서는 종래의 지뢰탐지 장치가 지뢰탐지를 실시한 곳과 탐지를 실시하지 않은 지역을 구분할 수 없으므로, 많은 인력 및 시간이 낭비되는 문제점과, 사용자가 센서 헤드부를 일정한 속도로 움직이지 않거나 너무 빨리 움직이는 경우, 지뢰를 정확히 탐지하지 못하는 문제점, 단방향 초음파 센싱신호를 통한 지뢰탐지오류 문제점을 개선하고자, 신체에 탈부착식으로 설치되어 초고주파 RF빔을 통해 지뢰를 탐지하는 휴먼바디안테나장치(1)가 구성됨으로서, 전투복을 입은 상태에서 신체에 탈부착식으로 장착할 수 있어, 기존의 전투복과 호환성이 우수하고, 지뢰의 금속과 비금속이 아닌 지뢰의 기폭제를 식별하면서 지뢰를 탐지할 수 있으며, 지상 및 지하에 매설된 지뢰를 전방위(360°)로 탐지할 수 있고, 기폭제탐지데이터를 원격지 전투지휘서버로 전송시켜 데이터를 공유할 수 있으며, 플렉시블 루프방사형 안테나구조로 초고주파 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 복수개로 방사시키고, 기폭제전처리부를 통해 전처리시키며, 비선형 회귀모델알고리즘엔진부를 통해 초고주파 RF 방사빔에 수신되는 신호의 세기가 지연 시간에 따라 비선형적으로 감쇄하는 특성을 반영하여, 지연 시간에 따른 초고주파 RF 방사빔 응답신호의 세기를 기반으로 지뢰 및 폭약일 가능성이 높은 신호를 검출할 수 있어, 기존보다 지뢰탐지 정확률을 90% 향상시킬 수 있는 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

지뢰탐지용 휴먼바디 안테나장치{THE APPARATUS OF HUMAN BODY ANTENNA IN MINE DETECTION}

본 발명에서는 신체에 탈부착식으로 부착되어, 초고주파 RF빔을 통해 지뢰를 탐지하는 휴먼바디안테나부를 적용하여 지상 및 지하에 매설된 지뢰를 전방위(360°)로 탐지할 수 있는 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치에 관한 것이다.

현재 세계 64 개국에 1억2천만 여개의 지뢰가 살포되어 있으며, 매년 만여명 이상이 팔다리에 상해를 당하고 있다.

지하에 매설된 지뢰에 대한 획기적인 탐지 및 제거기술이 미흡한 상태이며, 현장에서는 1차 대전 당시의 금속탐지기와 개인 탐침봉에 의한 재래식 방법이 아직까지 그대로 사용되고 있다.

따라서, 최근에서야 지뢰를 탐지하고 제거하는 기술에 많은 관심이 집중되어 연구개발되고 있으며, 현재 국내외에서 실용화되어 운용 중이거나 또는 연구개발 중인 주요 지뢰탐지 센서 기술은 금속탐지기, 지반침투형레이더, 적외선 탐지, 전자기유도방식, 중성자기법, 화학 및 생물학적 탐지 기법 등이 있다.

그리고, 탐지 방법에 따라 휴대형 지뢰탐지 장치 및 차량형 지뢰탐지 장치로 구분되며, 휴대형 지뢰탐지 장치와 달리 차량형 지뢰탐지 장치는 사람이 직접 지뢰를 탐지하는 것이 아니라 로봇이나 차량에 탐지장치를 장착하여 지뢰를 탐지할 수도 있어, 지뢰를 탐지하는 과정에서 발생되는 피해를 최소화할 수 있게 되었다.

그러나, 지뢰 매설 지형은 수목이 우거진 산악지형, 바위, 모래, 흙, 개활지, 숲 등 실로 다양해서 로봇이나 차량용 탐지 장비의 운용이 불가한 경우가 대부분이므로, 아직도 많은 현장에서는 휴대용 탐지기를 이용해 사람이 직접 지뢰를 탐지해야만 한다.

특히, 바위, 자갈이 많은 산과 논, 강 등의 습지들이 존재하는 지형에서 지뢰를 탐지하는 경우에 낮은 탐지확률과 높은 오경보율(Constant False Alarm Rate, CFAR)등의 많은 취약점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 선행특허로서, 국내등록특허공보 제10-1329090호에서는 모션캡쳐를 이용한 휴대형 지뢰탐지장치 및 그 방법이 제시된 바 있으나, 이는 표식부, 촬상부, 측정부로 이루어져 전투중이 아닌, 평화로울때 음성과 좌표표식, 그리고, 좌표신호 이미지를 통해 지뢰를 탐지할 뿐, 실제 전투 상황에서는 전혀 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

또 다른 선행특허로서, 국내등록특허공보 제10-1348989호에서는 전투화에 탈부착이 가능한 지뢰탐지장치가 제시된 바 있으나, 이는 전투화에 지뢰탐지용 탐지부가 구성되어 탐지만 할 뿐, 전투자에 알려주는 인식장치의 구성이 없고, 전투화에 부착된 흙과 이물질로 인해 잡음이 많이 발생되며, 정확한 지뢰탐지가 어려운 문제점이 있다.

이처럼, 종래의 지뢰탐지 장치는 지뢰를 정확히 탐지하지 못하거나, 지뢰를 탐지했다 하더라도 이를 바로 제거하지 않아 피해가 발생하는 문제가 있다.

또한, 지뢰탐지를 실시한 곳과 탐지를 실시하지 않은 지역을 구분할 수 없으므로, 많은 인력 및 시간이 낭비되었다.

특히, 종래의 휴대형 지뢰탐지 장치는 사용자가 센서 헤드부를 일정한 속도로 움직이지 않거나 너무 빨리 움직이는 경우, 지뢰를 정확히 탐지하지 못하는 문제가 있다.

1. 국내등록특허공보 제10-1329090호 2. 국내등록특허공보 제10-1348989호

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 전투복을 입은 상태에서 신체에 탈부착식으로 장착할 수 있고, 지뢰의 금속과 비금속이 아닌 지뢰의 기폭제를 식별하면서 지뢰를 탐지할 수 있으며, 지상 및 지하에 매설된 지뢰를 전방위(360°)로 탐지할 수 있고, 기폭제탐지데이터를 원격지 전투지휘서버로 전송시켜 데이터를 공유할 수 있는 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는

초고주파 RF 방사빔을 방사시키고, 수신시키는 RF방사빔 안테나부(10)와,

각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(20)로 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 전투복을 입은 상태에서 신체에 탈부착식으로 장착할 수 있어, 기존의 전투복과 호환성이 우수하고, 지상 및 지하에 매설된 지뢰를 전방위(360°)로 탐지할 수 있고, 기폭제탐지데이터를 원격지 전투지휘서버로 전송시켜 데이터를 공유할 수 있으며, 플렉시블 루프방사형 안테나구조로 초고주파 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 복수개로 방사시키고, 기폭제전처리부를 통해 전처리시키며, 비선형 회귀모델알고리즘엔진부를 통해 초고주파 RF 방사빔에 수신되는 신호의 세기가 지연 시간에 따라 비선형적으로 감쇄하는 특성을 반영하여, 지연 시간에 따른 초고주파 RF 방사빔 응답신호의 세기를 기반으로 지뢰 및 폭약일 가능성이 높은 신호를 검출할 수 있어, 지뢰의 금속과 비금속이 아닌 지뢰의 기폭제를 식별하면서 지뢰를 탐지할 수 있으며, 이로 인해 기존보다 지뢰탐지 정확률을 90% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)의 구성요소를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 기폭제 전처리부(12a)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 제어부(20)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 비선형 회귀모델알고리즘엔진부(21)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 시공간적 상관성 분석모드(21c)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)가 스마트 웨어러블 지뢰탐지장치(100)와 근거리무선통신망으로 연결된 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 RF방사빔 송신안테나부를 통해 이중융기 혼합형(Double-Ridged)으로 초고주파 방사빔패턴이 형성되어 지뢰를 탐지하는 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치를 신체에 탈부착식으로 부착되어 전방과 측면에 위치한 지뢰의 기폭제를 초고주파 RF방사빔을 통해 360°전방위로 탐지하는 것을 도시한 것을 도시한 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 비선형 특정보정모드의 결과를 도시한 그래프.

먼저, 본 발명에서는 플렉시블 루프방사형 안테나구조로 초고주파 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 복수개로 방사시키고, 기폭제전처리부를 통해 전처리시키며, 비선형 회귀모델알고리즘엔진부를 통해 초고주파 RF 방사빔에 수신되는 신호의 세기가 지연 시간에 따라 비선형적으로 감쇄하는 특성을 반영하여, 지연 시간에 따른 초고주파 RF 방사빔 응답신호의 세기를 기반으로 지뢰 및 폭약일 가능성이 높은 신호를 검출할 수 있도록 구성되는 것을 주요 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)의 구성요소를 도시한 사시도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도에 관한 것으로, 이는 신체에 탈부착식으로 설치되어 초고주파 RF빔을 통해 지뢰를 탐지하도록 구성된다.

상기 휴먼바디안테나장치(1)는 둥근 부채꼴형상으로 돌출형성되어 외압으로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 안테나몸체(5)가 형성된다.

이는 무릎을 기준으로 전단, 측단방향으로 둥근 부채꼴형상으로 돌출형성되어, RF방사빔 송신안테나부를 통해 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 방사시키도록 구성된다.

상기 안테나몸체(5)는 전반적으로 형상합금형태로 이루어지고, RF방사빔 송신안테나부쪽으로 엎드릴 경우에 휘어지는 플렉시블 소재의 플라스틱 수지로 형성된다.

또한, 상기 안테나몸체(5)는 신체에 탈부착식으로 설치되도록 하기 위해, RF방사빔 송신안테나부와 RF방사빔 수신안테나부 후단 일측에 지지판(5a)을 형성시키고, 지지판(5a) 일측에 고리형상의 벨크로테잎 또는 체결벨트를 구성시킨다.

본 발명에 따른 휴먼바디안테나장치(1)는 구체적으로, RF방사빔 안테나부(10), 제어부(20)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 RF방사빔 안테나부(10)에 관해 설명한다.

상기 RF방사빔 안테나부(10)는 초고주파 RF 방사빔을 방사시키고, 수신시키는 역할을 한다.

이는 RF방사빔 송신안테나부(11), RF방사빔 수신안테나부(12)로 구성된다.

첫째, 본 발명에 따른 RF방사빔 송신안테나부(11)에 관해 설명한다.

상기 RF방사빔 송신안테나부(11)는 초고주파 RF 방사빔을 방사시키는 역할을 한다.

이는 초고주파 RF 방사빔 생성부(11a)가 포함되어 구성되어, 발진주파수 대역폭 300MHz~500MHz 전자파유동방식을 적용시키고, 지뢰탐지메시지 발생 가청주파수를 1000Hz~2000Hz로 설정한 후, 플렉시블 루프방사형 안테나구조로 초고주파 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 복수개로 방사시킨다.

즉, 도 8에서 도시한 바와 같이, 신체 중 양쪽 무릎에 설치되어, 전단, 측단방향으로 둥근 부채꼴형상으로 돌출형성되고, 무릎과 허벅지 사이에 이중융기 혼합형(Double-Ridged)으로 초고주파 방사빔패턴이 형성되어 전방최대 150cm 범위까지 탐지되고, 측방최대 100cm 범위까지 탐지되도록 구성된다.

이로 인해, 본 발명에서는 도 9에 도시한 바와 같이, 지면에서 평균높이 60cm인 상태에서, 5cm~20cm의 지면 속에 위치한 지뢰의 기폭제를 이동하면서 실시간으로 탐지할 수가 있다.

둘째, 본 발명에 따른 RF방사빔 수신안테나부(12)에 관해 설명한다.

상기 RF방사빔 수신안테나부(12)는 방사된 초고주파 RF방사빔이 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 신호를 감지하는 역할을 한다.

이는 도 2에서 도시한 바와 같이, RF방사빔 송신안테나부와 직각구조를 이루는 타원형상으로 구성되어, 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 초고주파 RF 방사빔을 수신받도록 구성된다.

상기 RF 방사빔 수신안테나부는 기폭제 전처리부(12a)가 포함되어 구성된다.

상기 기폭제 전처리부(12a)는 지뢰와 유사한 물체인 쇠붙이, 깡통, 나무뿌리, 돌, 굳은 흙덩이의 형상에서 반사된 초고주파 RF방사빔을 전처리시켜 지뢰의 금속과 비금속이 아닌, 기폭제가 포함된 지뢰 및 폭약의 신호를 선정하기 위해 오차 요인을 제거시키는 역할을 한다.

이는 도 3에 도시한 바와 같이, 데이터 정렬 작업모드(12a-1), 지표면 신호 제거모드(12a-2), 적응필터링모드(12a-3)로 구성된다.

상기 데이터 정렬 작업모드(12a-1)는 보행시, 충격으로 인해 안테나본체가 흔들리는 경우에 지표면 신호가 여러 겹으로 겹쳐서 보이는 현상을 보정하여 깨끗하게 지표면 신호로 형성시키는 역할을 한다.

이는 트리거신호부와 벡터분석기가 구성되어, 하나의 센서에서 송수신한 1차원 신호들의 최대치에 해당하는 값들을 지표면 신호로 가정하여 동일 깊이 값에 정렬시켜 구성한다.

여기서, 트리거신호부는 각 기기에 동작 시작의 계기를 주는 신호를 펄스 상태의 파형으로 형성시킨다.

상기 벡터분석기는 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 초고주파 RF 방사빔 신호, 지뢰와 유사한 물체인 쇠붙이, 깡통, 나무뿌리, 돌, 굳은 흙덩이로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 초고주파 RF 방사빔 신호, 지표면 신호를 정렬시켜 검사하는 역할을 한다.

상기 지표면 신호 제거모드(12a-2)는 정렬된 지표면 신호를 기준으로 헤어커팅방식을 적용하여 제거시키는 역할을 한다.

이는 포지션검출기(Position Detection)와 스캔오브젝터(X,Y Stage Scan Objector)를 통해 정렬된 지표면 신호와 그 주변 신호를 일정 범위 내에서 함께 제거시킨다.

이때, 지표면 신호와 지표면 근처의 지뢰신호가 함께 사라지는 위험이 있으나, 초고주파 RF방사빔이 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 신호가 머물면, 시공간에 대한 상관성이 있기 때문에 링 형태로 울려 퍼지는 신호가 남아, 이것을 지뢰 및 폭약에 대한 신호로서 설정시키는 역할을 한다.

상기 적응필터링모드(12a-3)는 토양에 대한 신호를 공간적으로 모델링하여 이를 기반으로 모델링된 신호와, 초고주파 RF방사빔이 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 수신신호와의 차이를 비교하여 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 지점을 추출한다.

이는 필터링(Filtering)부가 포함되어 구성된다.

즉, 깊이에 따른 신호 크기의 감쇄 현상이 발생하기 때문에 3차원 시공간 데이터에 대하여 오직 공간적으로만 토양신호를 모델링한다.

토양신호를 공간적으로 모델링하는 과정은 다음과 같다.

즉, 기폭제가 포함된 지뢰가 있는 토양에 대한 데이터로서 입력신호 x와 원하는 신호 d가 들어오게 된다.

입력신호 x에 대하여 적응 필터링을 수행한 후, 산출결과로 출력된 값 y와 원하는 신호 d 사이의 차이를 계산함으로써 오차 e를 연산한다.

그리고 이러한 오차가 최소값을 가지도록 적응 알고리즘을 통해 적응 필터의 계수를 업데이트시킨다.

일예로, 필터의 크기가 5*8이라고 한다면, 가장 중심 픽셀이 원하는 신호가 되고, 중심 픽셀을 전투자 진행 방향 전후로 1*9 픽셀을 제외한 나머지 신호들이 입력신호 x가 된다.

제외한 영역을 차단막이라 부르는데, 신호들이 공간적으로 상관관계가 있을 수 있기 때문에 이러한 효과를 미리 차단하고자 설정된다.

이처럼, 데이터 정렬 작업모드(12a-1), 지표면 신호 제거모드(12a-2), 적응필터링모드(12a-3)로 이루어진 기폭제 전처리부(12a)가 RF방사빔 수신안테나부(12)에 포함되어 구성됨으로서, RF방사빔 수신안테나부(12)에서 지뢰와 유사한 물체인 쇠붙이, 깡통, 나무뿌리, 돌, 굳은 흙덩이의 형상에서 반사된 초고주파 RF방사빔을 전처리시켜 1차로, 지뢰의 금속과 비금속이 아닌, 기폭제가 포함된 지뢰 및 폭약일 가능성이 높은 신호를 기폭제탐지데이터로 선정할 수가 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 제어부(20)에 관해 설명한다.

상기 제어부(20)는 각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다.

이는 마이크로컨트롤러 유닛으로 구성된다.

즉, 입력단자 일측에 지뢰탐지명령구동버튼이 연결되어, 지뢰탐지명령신호를 입력받고, 출력단자 일측에 RF방사빔 송신안테나부가 연결되어, RF방사빔 송신안테나부의 구동시기, 발진주파수 대역폭, 지뢰탐지메세지 발생 가청주파수를 설정시키도록 제어하고, 또 다른 출력단자 일측에 RF방사빔 수신안테나부가 연결되어, RF방사빔 수신안테나부의 구동시기를 제어하며, RF방사빔 수신안테나부로부터 전처리된 기폭제탐지데이터를 수신받아 메모리부에 전달시키고, 또 다른 출력단자 일측에 무선데이터송수신부가 연결되어, 무선데이터송수신부를 통해 원격지의 전투지휘서버쪽으로 기폭제탐지데이터를 전송시키도록 제어하며, 또 다른 출력단자 일측에 근거리무선통신부가 연결되어, 근거리무선통신부(22)를 통해 신체에 탈부착식으로 설치된 또 다른 스마트 웨어러블 지뢰탐지장치쪽으로 기폭제탐지데이터를 전송시키도록 구성된다.

상기 제어부(20)는 RF방사빔 송신안테나부로부터 방사된 초고주파 RF 방사빔이 매질의 유전적 특성이 달라지는 경계면으로부터 반사되거나 산란되어 돌아오는 신호를 RF방사빔 수신안테나부에 감지하여 이를 처리하고 분석하는 과정을 통해 지뢰를 탐지하도록 제어한다.

그래서 금속탐지기와는 다르게 지뢰의 재질에 관계없이 지뢰의 기폭제탐지가 가능하다는 장점을 지닌다. 하지만, 유전적 특성이 다른 경계면에서 반사되어 돌아오는 신호가 무엇이든 탐지하기 때문에 지뢰가 아닌 물체임에도 불구하고 지뢰라고 판단하는 오검출율이 높은 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해 본 발명에 따른 제어부(20)는 도 4에 도시한 바와 같이, 비선형 회귀모델알고리즘엔진부(21)가 포함되어 구성된다.

상기 비선형 회귀모델알고리즘엔진부(21)는 수신되는 초고주파 RF방사빔에서 감지되는 신호의 세기를 송수신되는 깊이에 따라 지수적으로 감쇄하는 현상을 반영하여 토양신호와 잡음으로부터 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 신호를 검출하는 역할을 한다.

이는 도 5에 도시한 바와 같이, 비선형특성보정모드(21a), 이상치 추출모드(21b), 시공간적 상관성 분석모드(21c)로 구성된다.

첫째, 본 발명에 따른 비선형 특성보정모드(21a)에 관해 설명한다.

상기 비선형 특성보정모드(21a)는 토양의 특성이 균일하다는 가정 아래 수신되는 초고주파 RF방사빔에서 감지되는 신호의 세기를 송수신되는 깊이에 따라 지수적으로 감쇄하는 현상을 반영하여 로그변환 회귀모형(Log Transformed regression model)을 추정하고, 이를 기반으로 기폭제탐지데이터가 갖는 고유 특성의 왜곡 없이 비선형 특성을 보정하는 역할을 한다.

여기서, 로그변환 회귀모형은 다음과 같은 과정을 통해 추정된다.

즉, 기폭제탐지데이터를 지연 시간과 초고주파 RF방사빔 수신 신호의 세기를 각각 독립변수와 종속변수로 하는 산점도로 표현하면 종속변수와 독립변수는 비선형적 관계를 갖는다.

독립변수에 로그 변환을 취하면 두 변수의 관계는 선형적으로 변환된다.

먼저, 종속변수와 로그-독립 변수간의 상관관계를 다음의 수학식 1과 같은 로그변환 회귀모형을 이용하여 추정한다.

여기서, t와 y는 각각 지연 시간과 초고주파 RF방사빔 수신 신호의 세기를 의미하고,

는 지표면에서의 수신 신호의 세기값을 뜻하고,

은 매질의 손실 정도에 따라 달라지는 감쇄 상수를 말한다.

즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 비선형 특정보정모드의 결과를 도시한 그래프에 관한 것이다.

여기서, 토양 신호는 주로 회귀 직선의 근처에 밀집해 있고, 지뢰탐지신호(target signal)는 회귀 직선으로부터 멀리 떨어져서 분포되는 특성을 보였다.

그 이유는 토양 신호와 지뢰탐지신호의 크기가 다르고, 기폭제탐지데이터를 구성하는 신호 중 가장 많은 비중을 차지하는 신호가 토양신호이기 때문이다.

상기 수학식 1의

,

는 매질에 따라 달라지는 값이므로 입력되는 기폭제탐지데이터를 이용하여 추정한다.

로그변환 회귀모형을 통해 추정한 신호세기(

)는 다음의 수학식 2와 같다.

여기서,

는 기폭제탐지데이터에서 각각 i번째 지연시간 샘플과 i번째 지연시간에서의 안테나 측정 잡음 신호를 의미한다.

안테나 측정 잡음은 평균이 0, 표준편차가 σ인 정규 분포를 따르므로 추정신호의 세기는 다음의 수학식 3과 같은 정규분포를 따른다.

둘째, 본 발명에 따른 이상치 추출모드(21b)에 관해 설명한다.

상기 이상치 추출모드(21b)는 유사 지뢰 신호들을 추출하기 위해, 로그변환 회귀모형의 회귀 곡선으로부터 멀리 떨어져 분포하는 신호들에 대해 이상치를 설정하고 해당 픽셀들을 반복적인 과정을 통해 지뢰탐지신호를 검출하는 역할을 한다.

이는 스튜던트 추정오차알고리즘엔진부(Studentized residual)가 포함되어 구성된다.

상기 스튜던트 추정오차알고리즘엔진부(Studentized residual)는 기폭제탐지데이터 중 로그변환회귀모형의 회귀 곡선으로부터 멀리 떨어진 거리를 연산시키는 역할을 한다.

이는 다음의 수학식 4와 같이 표현된다.

여기서,

와

는 각각 i번째 시간 슬라이스의 j번째 기폭제탐지데이터 신호의 세기와 i번째 시간 슬라이스의 기폭제탐지데이터 신호 세기의 추정 값을 말하고,

는 기폭제탐지데이터의 표준오차에 대한 비편향 추정치에 관한 것이다.

는 ln(t)의 평균값이고,

는 i번째 지연 시간 샘플의 값이며,

스튜던트 추정오차알고리즘엔진부(Studentized residual)를 통한 스튜던트 추정오차(

)는 다음의 수학식 5과 같이 표현된다.

이때, 스튜던트 추정오차(

)의 값이 특정 값(threshold)보다 작다면 토양신호로 판단하여 제거하고 그렇지 않다면 다시 로그변환 회귀모형의 입력 신호로 넣고 앞서 설명한 과정을 반복한다.

이 반복 과정에서 수렴하는 신호들을 지뢰탐지신호(=target signal)로서 검출한다.

셋째, 본 발명에 따른 시공간적 상관성 분석모드(21c)에 관해 설명한다.

상기 시공간적 상관성 분석모드(21c)는 잡음과 지뢰탐지신호를 구별하기 위해 지뢰탐지신호가 지니는 시공간적 특징에 기반한 상관성 척도를 활용하여 최종적으로 기폭제탐지데이터를 검출하는 역할을 한다.

이는 도 6에 도시한 바와 같이, 3차원 레이블링부(21c-1), 시간적 중심일관성부(21c-2), 원형도검사부(21c-3), 기폭제탐지데이터검출부(21c-4)로 구성된다.

상기 3차원 레이블링부(21c-1)는 추출된 복수개의 지뢰탐지신호들에 대하여 3차원 레이블링을 수행시키는 역할을 한다.

이는 공간적으로 뭉쳐져 있는 신호들을 하나의 객체로 분리하고 고유번호를 부여시킨다.

상기 시간적 중심일관성부(21c-2)는 하나의 레이블에 포함된 시간 슬라이스들의 중심 좌표와 레이블 전체 공간 중심 좌표 사이의 차이를 통해 잡음을 필터링시키는 역할을 한다.

이는 임의의 레이블에 포함된 시간 슬라이스들의 중심좌표와 레이블 전체의 공간 중심 좌표의 차이가 미리 설정된 기준치보다 크다면 잡음신호로 판단하여 제거시키도록 구성된다.

상기 원형도검사부(21c-3)는 시간적 중심일관성부를 통해 수행한 결과 남아 있는 레이블들에 대하여 원형도를 레이블단위로 실시한 후, 하나의 레이블에 포함된 시간 슬라이스들을 모두 합산하여 0과 255만으로 이루어진 한장의 슬라이스로 만들어 수행시키는 역할을 한다.

여기서, 원형도(R)은 형상의 모양이 얼마나 원에 가까운가를 나타내는 척도로써, 이상적인 원에 대해 1의 값이 나오며, 원형에서 떨어질수록 값이 작아지게 된다.

이때, 원형도(R)의 계산식은 다음의 수학식 6과 같이 표현된다.

여기서, L은 레이블의 고유번호, A(L)은 L번째 레이블의 면적, l(L)은 L번째 레이블의 둘레 또는 형상의 경계 길이이다.

동일한 면적에서 형상이 복잡해질수록 경계의 길이가 늘어나므로 원형도는 떨어지게 된다.

상기 기폭제탐지데이터검출부(21c-4)는 상기 시간중심일관성부와 원형도검사부를 통해 수행한 결과를 기준으로, 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 위치를 나타내는 기폭제탐지데이터를 검출시키는 역할을 한다.

이처럼, 비선형특성보정모드(21a), 이상치 추출모드(21b), 시공간적 상관성 분석모드(21c)로 이루어진 비선형 회귀모델알고리즘엔진부(21)가 제어부(20)에 포함되어 구성됨으로서, 제어부(20)를 통해, 2차로 수신되는 초고주파 RF방사빔에서 감지되는 신호의 세기를 송수신되는 깊이에 따라 지수적으로 감쇄하는 현상을 반영하여 로그변환 회귀모형(Log Transformed regression model)을 추정하고, 이를 기반으로 기폭제탐지데이터가 갖는 왜곡없는 비선형감쇄특성을 보상시킨 후, 포물면 특성을 지닌 지뢰탐지신호의 시간적 중심일관성과 원형성을 활용하여 토양신호와 잡음으로부터 최종적으로 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 신호를 검출할 수가 있다.

또한, 본 발명에 따른 휴먼바디안테나장치(1)는 RF방사빔 안테나부(10), 제어부(20)에다가, 전원배터리부(30)가 포함되어 구성된다.

상기 전원배터리부(30)는 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다.

이는 휴대용 배터리로 구성된다.

즉, 정격 출력 3.6 V, 0.8 A인 Li/SOCl₂전지를 요구 전력에 따라 직, 병렬한 PACK 전지로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 휴먼바디안테나장치(1)는 RF방사빔 안테나부(10), 제어부(20), 전원배터리부(30)에다가, 무선데이터송수신부(40)가 포함되어 구성된다.

상기 무선데이터송수신부(40)는 원격지 전투지휘서버와 WiFi 무선통신망으로 연결되어 양방향 데이터 통신을 하는 역할을 한다.

이는 WiFi 무선통신모듈로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치(1)는 도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(20)의 근거리무선통신부(22)를 통해 벨트형 전원공급부(110), 메인 마이크로프로세서유닛부(120), 스마트안경부(130), 블랙박스형 카메라부(140), 바디장착형 LCD 모니터부(150), 보안통신헤드셋(160)으로 이루어진 스마트 웨어러블 지뢰탐지장치(100)와 근거리무선통신망으로 연결되어, 메인 마이크로프로세서유닛부로 기폭제탐지데이터를 전송시켜주도록 구성된다.

이로 인해, 신체에 탈부식으로 부착되어 전방과 측면에 위치한 지뢰의 기폭제를 초고주파 RF 방사빔 신호를 통해 360°전방위로 탐지한 후, 전투자에게 알려주어 지뢰를 회피하면서 전투를 수행할 수 있도록 실시간 데이터를 전송시켜줄 수가 있다.

이하, 본 발명에 따른 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

먼저, RF방사빔 송신안테나부를 통해 플렉시블 루프방사형 안테나구조로 초고주파 RF 방사빔을 전방지면, 측방지면으로 복수개로 방사시킨다.

다음으로, RF방사빔 수신안테나부에서 RF방사빔 송신안테나부를 통해 방사된 RF방사빔이 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 신호를 감지한다.

다음으로, 제어부에서 수신되는 초고주파 RF방사빔에서 감지되는 신호의 세기를 송수신되는 깊이에 따라 지수적으로 감쇄하는 현상을 반영하여 로그변환 회귀모형(Log Transformed regression model)을 추정하고, 이를 기반으로 기폭제탐지데이터가 갖는 왜곡없는 비선형감쇄특성을 보상시킨다.

다음으로, 제어부에서 포물면 특성을 지닌 지뢰탐지신호의 시간적 중심일관성과 원형성을 활용하여 최종적으로 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 위치를 검출한 기폭제탐지데이터를 생성시킨다.

끝으로, 제어부의 근거리무선통신부를 통해 벨트형 전원공급부, 메인 마이크로프로세서유닛부, 스마트안경부, 블랙박스형 카메라부, 바디장착형 LCD 모니터부, 보안통신헤드셋으로 이루어진 스마트 웨어러블 지뢰탐지장치와 근거리무선통신망으로 연결되어, 메인 마이크로프로세서유닛부로 기폭제탐지데이터를 전송시킨다.

또한, 무선데이터송수신부를 통해 원격지 전투지휘서버와 WiFi 무선통신망으로 연결되어, 원격지 전투지휘서버쪽으로 기폭제탐지데이터를 전송시킨다.

1 : 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치 5 : 안테나몸체
10 : RF방사빔 안테나부 20 : 제어부
30 : 전원배터리부 40 : 무선데이터송수신부

Claims

초고주파 RF 방사빔을 방사시키고, 수신시키는 RF방사빔 안테나부(10)와,
각 기기의 전반적인 동작을 제어하도록 비선형 회귀모델알고리즘엔진부(21)가 포함되어 구성되는 제어부(20)로 이루어지고;,
상기 RF방사빔 안테나부(10)는
지뢰와 유사한 물체인 쇠붙이, 깡통, 나무뿌리, 돌, 굳은 흙덩이의 형상에서 반사된 초고주파 RF방사빔을 전처리시켜 1차로, 지뢰의 금속과 비금속이 아닌, 기폭제가 포함된 지뢰 및 폭약의 가능성이 높은 신호를 기폭제탐지데이터로 선정하기 위해 오차요인을 제거시키는 기폭제 전처리부(12a)가 포함되어 구성되는 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치에 있어서,
상기 기폭제 전처리부(12a)는
보행시, 충격으로 인해 안테나본체가 흔들리는 경우에 지표면 신호가 여러 겹으로 겹쳐서 보이는 현상을 보정하여 깨끗하게 지표면 신호로 형성시키는 데이터 정렬 작업모드(12a-1)와,
정렬된 지표면 신호를 기준으로 헤어커팅방식을 적용하여 제거시키는 지표면 신호 제거모드(12a-2)와,
토양에 대한 신호를 공간적으로 모델링하여 이를 기반으로 모델링된 신호와, 초고주파 RF방사빔이 지뢰의 기폭제로부터 반사되거나 산란되어 되돌아오는 수신신호와의 차이를 비교하여 지뢰 및 폭약이 존재할 가능성이 높은 지점을 추출하는 적응필터링모드(12a-3)가 더 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지뢰탐지용 휴먼바디안테나장치.
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