KR101783776B1 - 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법 - Google Patents

초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법 Download PDF

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Abstract

초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법은, 송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거하는 지표면 반사 신호 제거 단계; 상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링하는 가우시안 필터링 단계; 및 상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용하는 주파수 이동 단계를 포함한다.

Description

초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법{Method for converting into visible image in Ultra Wide Band Ground Penetrating Radar based land mine detection}
본 발명은 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 시스템의 탐지 정보 추출 신호처리에 관한 것으로서, 상세하게는 초광대역 지면 투과 레이더에서 획득한 데이터의 탐지 정보를 추출하기 위한 신호처리 및 영상가시화 변환 방법에 관한 것이다.
초광대역 지면 투과 레이더(Ultra-wideband Ground Penetrating Radar, GPR)는 지면 위 근접거리에 송수신기를 위치시키고 지면 아래 땅속으로 전자기파를 송신기로부터 송신한 후, 수신기에서 땅속에 매설된 지뢰로부터 응답 신호를 수신하는 방식으로 데이터를 획득한다. GPR의 수신된 신호는 지뢰에 반사된 신호 이외에 시스템과 주변 환경에 의하여 주기적으로 나타나는 신호, 공기와 땅속의 매질 구성 성분의 차이로 인하여 생기는 신호와 시스템 구조적 잡음 등이 포함된다. 즉, 탐지하고자 하는 지뢰의 신호와 그 이외의 잡음 신호들이 존재한다. GPR을 활용하여 획득한 데이터를 그대로 사용한다면 지뢰 이외의 신호(즉, 주변 환경 및 시스템 구조적 잡음) 때문에 지뢰 탐지 성능이 낮아지는 문제가 발생한다. 탐지 성능을 높이기 위해 지뢰에서 반사된 이외의 신호를 제거할 필요성이 대두된다.
지뢰가 없는 위치에서 수신된 신호를 영상으로 나타내면 도 1과 같다. 도 1은 전자기파가 통과하는 공기 중과 땅 속의 신호를 모두 포함하고 있으며, 지뢰에 의한 신호와 더불어 잡음 및 지뢰 이외의 신호들이 포함한다. 그 중 신호의 세기가 가장 큰 신호는 공기와 땅속의 매질 구성 성분의 차이로 나타나는 지표면 반사 신호이다. 지표면 반사 신호를 제거하여도 지표면 반사 신호에 의해 상대적으로 약하게 나타났던 시스템관련 잡음이 존재한다. 또한, 시스템관련 잡음 신호를 제거하여도 다른 형태의 일정 주기를 갖는 신호가 발생할 수 있다. 이러한 변동(fluctuation) 신호가 나타나는 이유는 다음과 같다. 일반적으로 전자기파 신호는 AC성분과 DC성분으로 구성되어 있지만, GPR에서 사용한 전자기파는 미분을 통해 DC성분이 제거되고, AC성분만 남은 신호를 이용한다. 이러한 AC성분 때문에 땅속으로부터 획득한 신호에서 주기적인 신호가 나타나게 된다. 상술한 바와 같이 잡음신호로 인하여 지뢰신호가 상대적으로 약해져 탐지 확률이 낮아진다는 문제가 발생하게 된다.
이와 관련하여, 도 1은 종래 기술에 따른 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다. 여기서, A scan은 거리나 시간을 나타내는 횡축과 진폭을 나타내는 종축을 이용하여 자료를 1차원으로 표현하는 방법이고, B scan은 신호의 단면적을 나타내는 데이터의 2차원 표현 방법을 의미한다. 또한, C-D는 깊이(depth)에 따른 신호의 세기, Downtrack은 센서 이동 방향, depth는 땅의 깊이 방향 및 magnitude는 신호의 세기를 나타낸다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 상기 지뢰신호는 상기 잡음신호를 인하여 약해져 상기 지뢰가 매설된 깊이를 판단할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따라 새로운 기술 요구에 의하여 안출된 것으로, 초광대역 지면 투과 레이더로부터 획득한 데이터에서 탐지하고자 하는 지뢰신호 이외의 잡음 신호를 제거하고 정보추출을 위하여 다양한 영상 가시화 신호 처리 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 매설된 지뢰탐지 정보 추출을 위하여 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 지면 위 근접거리에 송수신기를 위치시키고 지면 아래 땅속으로 전자기파를 송신기로부터 송신한 후, 수신기에서 땅속에 매설된 지뢰로부터 응답 신호를 수신하는 방식으로 데이터를 획득한다. 이 후 획득한 신호에 지표면 반사 신호 제거, 가우시안 필터링과 영상 가시화 주파수 이동 기법을 적용하여 지뢰에서 반사된 신호 이외의 주변 환경 및 시스템 구조적 잡음 신호를 제거하는 방법이다. 본 방법을 매설된 지뢰탐지를 위하여 초광대역 지면 투과 레이더 시스템의 전처리 신호처리기 구조로 활용함으로써 탐지 성능을 높인다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법은, 송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거하는 지표면 반사 신호 제거 단계; 상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링하는 가우시안 필터링 단계; 및 상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용하는 주파수 이동 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 이동 단계는, 시간 영역에서 상기 가우시안 필터링된 응답신호인 제1신호와 위상 천이된 응답신호인 제2신호를 각각 특정 주파수의 정현파와 곱하는 단계; 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 단계; 및 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 이동 단계는, 상기 가우시안 필터링된 응답신호를 주파수 영역에서 주파수 변환하고 특정 주파수만큼 천이된 신호들과 컨볼루션하여 제1신호 및 상기 제1신호와 위상차를 갖는 제2신호를 생성하는 단계; 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 단계; 및 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지뢰가 매설된 깊이에서 상기 합성된 제1 및 제2신호의 크기(magnitude)가 피크값(peak value)으로 나타날 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 다른 측면에 따른 초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 장치는, 송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거하는 지표면 반사 신호 제거부; 상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링하는 가우시안 필터링부; 및 상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용하는 주파수 이동부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 이동부는, 시간 영역에서 상기 가우시안 필터링된 응답신호인 제1신호와 상기 제1신호를 위상 천이기를 통해 위상 천이한 제2신호를 각각 특정 주파수의 정현파와 곱하는 곱셈기; 상기 곱셈기로부터 출력된 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터; 및 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 합성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 주파수 이동부는, 상기 가우시안 필터링된 응답신호를 주파수 영역에서 주파수 변환하고 특정 주파수만큼 천이된 신호들과 컨볼루션하여 제1신호 및 상기 제1신호와 위상차를 갖는 제2신호를 생성하는 주파수 이동 신호 생성부; 상기 신호 생성부로부터의 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터; 및 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 합성부를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 장치는 초광대역 지면 투과 레이더에서 획득한 데이터에서 나타나는 지뢰 탐지의 성능을 저하시키는 잡음 신호와 잡음을 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 획득한 데이터에 영상 가시화를 위하여 주파수 이동 기법을 적용하여 지뢰 탐지성능을 저하시키는 잡음 신호를 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른, 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 영상 가시화 변환 장치의 구성을 도시한다.
도 4는 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서 지표면 반사 신호를 제거한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
도 5는 지표면 반사 신호를 제거한 후, 가우시안 필터링을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
도 6은 가우시안 필터링을 적용한 후, 주파수 이동 기법을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 시간 영역에서 구현되는 주파수 이동부의 세부 구성도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 주파수 영역에서 구현되는 주파수 이동부의 세부 구성도를 도시한다.
도 9는 지뢰가 묻혀 있는 위치에서 GPR을 이용하여 획득한 신호에 지표면 반사 신호를 제거한 신호를 나타낸다.
도 10은 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서 가우시안 필터링과 주파수 이동 기법을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간(지뢰 위치)에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "블록" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명은 초광대역 지면 투과 레이더를 통해 획득한 데이터에서 나타나는 지뢰 이외의 잡음 신호를 제거하기 위해 영상 가시화를 위한 주파수 이동기법의 사용을 제안한다. 주파수 이동기법을 이용하여 지뢰 의외의 잡음 신호를 효과적으로 제거하기 위해 기존에 쓰이는 Ground bounce removal과 Gaussian filtering을 신호처리 앞단에 적용하여 도 2와 같은 순서로 신호처리를 수행한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법 및 영상 가시화 변환 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 전술한 방법과 관련하여, 본 발명에서의 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법이 제시된다. 즉, 도 2는 본 발명에 따른, 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법의 흐름도를 도시한다.
상기 영상 가시화 변환 방법은 지표면 반사 신호 제거 단계(S100), 가우시안 필터링 단계(S200) 및 주파수 이동 단계(S300)를 포함한다. 한편, 상기 주파수 이동 단계(S300)는 시간 영역 또는 주파수 영역에서의 주파수 이동에 따른 잡음 제거가 가능하다.
즉, GPR을 지면 위 근접거리에 송수신기를 위치시키고 지면아래 땅속으로 전자기파를 송신기로부터 송신한 후, 수신기에서 땅속에 매설된 지뢰로부터 응답 신호를 x(t)라 한다. 상기 지표면 반사 신호 제거 단계(S100), 가우시안 필터링 단계(S200) 및 주파수 이동 단계(S300)에서 각각 획득한 신호에 지표면 반사 신호 제거(Ground bounce removal), 가우시안 필터링(Gaussian filtering) 그리고 영상 가시화 주파수 이동 기법(Frequency shifting)을 적용한다.
상기 지표면 반사 신호 제거 단계(S100)는 송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거한다.
상기 가우시안 필터링 단계(S200)는 상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링한다.
상기 주파수 이동 단계(S300)는 상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용한다.
한편, 전술된 단계들을 수행하는 방법은 본 발명에 따른 초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 장치에 의해 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 도 3은 본 발명에 따른 영상 가시화 변환 장치의 구성을 도시한다. 도 3을 참조하면, 상기 영상 가시화 변환 장치(1000)는 수신부(10), 지표면 반사 신호 제거부(100), 가우시안 필터링부(200) 및 주파수 이동부(300)을 포함한다.
상기 수신부(10)는 송신기로부터의 신호에 응답하여 지뢰로부터의 응답신호를 수신한다.
상기 지표면 반사 신호 제거부(100)는 상기 수신된 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거한다.
상기 가우시안 필터링부(200)는 상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링한다.
상기 주파수 이동부(300)는 상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용한다.
한편, 다시 도 2를 참조하여, 상기 지표면 반사 신호 제거 단계(S100)에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
전술한 문제점과 관련하여, 도 1에서 공기와 땅속의 매질 구성 성분의 차이로 인하여 지표면 반사 신호의 세기가 가장 큼을 확인하였다. 지표면 반사 신호로 인해 땅 속에서의 신호가 상대적으로 작게 나타나는 현상이 발생하여 지뢰의 신호를 탐지하는데 어려움이 발생한다. 따라서 지표면 반사 신호를 제거하는 hair cutting 기법을 적용한다.
Hair cutting 기법은 도 1의 A-scan 신호에서 절대값의 최대값을 나타내는 위치(깊이)에서 이전 신호는 제거한 후, 다음 신호만 이용하는 방법을 말한다. 즉, 공기 중의 응답과 지표면의 응답을 제거하는 역할을 한다. 해당 과정을 수행한 신호를 x'(t)라 하며 도 4와 같이 나타난다. 즉, 도 4는 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서 지표면 반사 신호를 제거한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다. 도 3을 살펴보면, 도 1에서 나타난 지표면 반사 신호가 제거되고 상대적으로 약하게 나타났던 땅속의 신호들이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다.
다음으로, 상기 가우시안 필터링 단계(S200)에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
지표면 반사 신호를 제거한 후의 신호(도 4)를 살펴보면, 시스템 구조적 잡음이 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 신호를 제거하기 위하여 가우시안 필터링을 수행한다. 주파수 영역에서의 가우시안 필터는 아래의 수학식1과 같다.
Figure 112016035234794-pat00001
위의 수학식 1은 중심 주파수(fs)에서의 가우시안 필터를 나타낸다. σ2 f는 가우시안 필터의 대역폭을 의미한다. 신호 x'(t)에 대하여 가우시안 필터링을 적용한 신호는 x''(t)로 표시된다. 가우시안 필터링을 적용한 영상은 도 5와 같다. 즉, 도 5는 지표면 반사 신호를 제거한 후, 가우시안 필터링을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다. 도 5를 참조하면, 기존 신호에 존재하던 시스템 구조적 잡음이 줄어들어 땅속 신호가 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있다.
마지막으로, 상기 주파수 이동 단계(S300)에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 5에서는 기존 신호에 존재하던 지표면 반사 신호와 시스템 구조적 잡음을 제거하였지만, 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동(fluctuation)이 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 신호가 여전히 남아있기 때문에 지뢰 탐지의 어려움이 발생한다. 따라서 본 발명에서는 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 영상 가시화 주파수 이동 기법을 적용하여 해당 신호를 제거한다.
가우시안 필터링에서 사용한 중심 주파수 성분(fs)을 DC성분으로 이동함으로써 주기적으로 나타나는 신호를 제거한다. 가우시안 필터링을 적용한 신호 x''(t)에 대하여 주파수 이동 기법을 적용한 신호는 x'''(t)로 나타내고, 영상은 도 6과 같이 나타낸다. 즉, 도 6은 가우시안 필터링을 적용한 후, 주파수 이동 기법을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다. A-scan 신호에서 주기적으로 나타났던 신호가 제거되어 완만하게 변했음을 확인할 수 있다. 주파수 이동 기법은 시간 영역과 주파수 영역에서 각각 구현이 가능하다.
한편, 상기 시간 영역에서의 상기 주파수 이동 단계(S300)에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 주파수 이동 단계(S300)는 시간 영역에서 상기 가우시안 필터링된 응답신호인 제1신호와 위상 천이된 응답신호인 제2신호를 각각 특정 주파수의 정현파와 곱하는 단계; 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 단계; 및 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 단계를 포함한다.
이와 관련하여, 시간 영역에서의 주파수 이동은 도 7과 같은 장치에 의해 수행된다. 즉, 도 7은 본 발명에 따른 시간 영역에서 구현되는 주파수 이동부의 세부 구성도를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 이동부(300)는 곱셈기(310), 저역 통과 필터(320) 및 합성부(330)를 포함한다.
상기 곱셈기(310)는 시간 영역에서 상기 가우시안 필터링된 응답신호인 제1신호와 상기 제1신호를 위상 천이기를 통해 위상 천이한 제2신호를 각각 특정 주파수의 정현파와 곱한다.
상기 저역 통과 필터(320)는 상기 곱셈기(310)로부터 출력된 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링한다.
상기 합성부(330)는 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성한다.
한편, 상기 주파수 이동부에서 수행되는 주파수 이동과 관련하여, fs는 앞서 가우시안 필터링에서 사용한 중심 주파수와 같으며 이동 주파수(shifting frequency)가 된다. 가우시안 필터링을 통과한 신호(x''(t))에 cos(2πfst)를 곱하고 low pass filter(LPF)를 통과시키면 구하고자 하는 신호(x'''(t))의 Real part 신호가 만들어진다. 이와 비슷하게 x''(t)에 sin(2πfst)를 곱하고 LPF를 통과하면 Imaginary part 신호가 생성된다. 이 두 신호를 합치면 x'''(t)=x'''re(t)+jx'''im(t) 와 같이 나타내며, 이는 시간 영역에서 주파수 이동 기법을 적용한 신호가 된다.
다음으로, 도 8은 본 발명에 따른 주파수 영역에서 구현되는 주파수 이동부의 세부 구성도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 이동부(400)는 신호 생성부(410), 저역 통과 필터(420) 및 합성부(430)를 포함한다.
상기 신호 생성부(410)는 상기 가우시안 필터링된 응답신호를 주파수 영역에서 주파수 변환하고 특정 주파수만큼 천이된 신호들과 컨볼루션하여 제1신호 및 상기 제1신호와 위상차를 갖는 제2신호를 생성한다.
상기 저역 통과 필터(420)는 상기 신호 생성부(410)로부터의 상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링한다.
상기 합성부(430)는 상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성한다.
이와 관련하여, 주파수 영역에서의 주파수 이동은 다음과 같은 방법으로 구현된다. 즉 도 7에서의 곱셈 연산이 컨볼루션(Convolution) 연산으로 변경되고, cos(2πfst) 및 sin(2πfst) 연산은 델타(Delta) 함수 연산의 형태로 변경되게 된다. 이를 Fourier transform의 관계식으로 나타내면 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112016035234794-pat00002
도 8을 참조하면, 컨볼루션(convolution)을 통과한 신호에 LPF를 통과함으로써 주파수 영역에서 주파수 이동 기법이 적용된 X'''(f) 신호를 생성한다.
한편, 도 6을 참조하면, 지뢰가 묻혀 있지 않은 위치에서의 신호를 살펴보았기 때문에 지뢰 위치에서는 신호를 살펴보면 도 9와 같다. 즉, 도 9는 지뢰가 묻혀 있는 위치에서 GPR을 이용하여 획득한 신호에 지표면 반사 신호를 제거한 신호를 나타낸다. 즉, 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서 지표면 반사 신호를 제거한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간(지뢰 위치)에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다.
도 9의 왼쪽 B-scan 영상에서 포물선 형태로 나타나는 곳이 지뢰가 존재하는 위치이다. 지뢰가 묻혀있는 위치에서의 A-scan신호를 살펴보면, 주변 환경 및 시스템 구조적 잡음으로 인하여 변동(fluctuation)이 섞여있는 것을 확인할 수 있다. 해당 신호에 가우시안 필터링과 주파수 이동 기법을 적용하여 나타낸 그림이 도 10이다. 즉, 도 10은 초광대역 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터에서 가우시안 필터링과 주파수 이동 기법을 적용한 신호의 B-scan(왼쪽)과 B-scan에서 C-D구간(지뢰 위치)에서의 A-scan(오른쪽)의 신호를 도식한 그림이다. 같은 위치(A-B 구간)에서의 신호를 살펴보면, 앞서 나타났던 잡음과 주기적인 신호가 제거 되고 지뢰의 신호가 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 지뢰가 매설된 깊이에서 상기 합성된 제1 및 제2신호의 크기(magnitude)가 피크값(peak value)으로 나타난다.
한편, 전술된 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 초광대역 지면 투과 레이더에서 획득한 데이터에서 나타나는 지뢰 탐지의 성능을 저하시키는 잡음 신호와 잡음을 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 따르면, 획득한 데이터에 영상 가시화를 위하여 주파수 이동 기법을 적용하여 지뢰 탐지성능을 저하시키는 잡음 신호를 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.
10: 수신부 100: 지표면 반사 신호 제거부
200: 가우시안 필터링부 300: 주파수 이동부
1000: 영상 가시화 변환 장치

Claims (7)

  1. 초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 방법에 있어서,
    송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 공기 중의 응답과 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거하는 지표면 반사 신호 제거 단계;
    상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링하는 가우시안 필터링 단계; 및
    상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용하는 주파수 이동 단계를 포함하고,
    상기 주파수 이동 단계는,
    상기 가우시안 필터링된 응답신호(x''(t))를 주파수 영역에서 주파수 변환하여 주파수 변환 신호(X''(f))를 획득하고, 상기 획득된 주파수 변환 신호(X''(f))를 특정 주파수(fs)만큼 천이된 신호들과 컨볼루션하여 제1신호 및 상기 제1신호와 위상차를 갖는 제2신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 단계; 및
    상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 단계를 포함하는, 영상 가시화 변환 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지뢰가 매설된 깊이에서 상기 합성된 제1 및 제2신호의 크기(magnitude)가 피크값(peak value)으로 나타나는, 영상 가시화 변환 방법.
  5. 초광대역 지면투과 레이더 기반 지뢰탐지 정보추출용 영상 가시화 변환 장치에 있어서,
    송신기로부터의 신호에 응답하여 수신기에서의 지뢰로부터의 응답신호로부터 지표면 반사 신호를 제거하는 지표면 반사 신호 제거부;
    상기 지표면 반사 신호가 제거된 응답신호에서 상기 송신기 및 상기 수신기를 포함하는 시스템의 구조적 잡음을 가우시안 필터링하는 가우시안 필터링부; 및
    상기 가우시안 필터링된 응답신호에서 일정 주기를 갖는 신호가 반복적으로 변동됨에 따라 주기적으로 나타나는 잡음 신호를 제거하기 위하여 주파수 이동(frequecy shifting) 기법을 적용하는 주파수 이동부를 포함하고,
    상기 주파수 이동부는,
    상기 가우시안 필터링된 응답신호(x''(t))를 주파수 영역에서 주파수 변환하여 주파수 변환 신호(X''(f))를 획득하고, 상기 획득된 주파수 변환 신호(X''(f))를 특정 주파수(fs)만큼 천이된 신호들과 컨볼루션하여 제1신호 및 상기 제1신호와 위상차를 갖는 제2신호를 생성하는 주파수 이동 신호 생성부;
    상기 제1 및 제2신호를 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터; 및
    상기 저역 통과 필터링된 제1 및 제2신호를 합성하는 합성부를 포함하는, 영상 가시화 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지뢰가 매설된 깊이에서 상기 합성된 제1 및 제2신호의 크기(magnitude)가 피크값(peak value)으로 나타나는, 영상 가시화 변환 장치.
  7. 삭제
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