KR102041198B1 - 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지뢰 매설을 인지한 상태에서 지뢰가 매설되지 않은 영역과 지뢰가 매설된 영역의 데이터를 수집하여 배경 신호 모델을 생성하는 훈련 과정과, 지뢰 매설을 인지하지 못한 상태에서 훈련 과정을 통해 획득한 배경 신호 모델을 이용하여 지뢰를 탐지하는 탐지 과정을 포함하는 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 제시한다.

Description

초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법 및 장치{Signal processing method and apparatus for ultra wide band ground penetrating radar based land mine detection}

본 발명은 지뢰 탐지 방법에 관한 것으로, 특히 초광대역 지면 투과 레이더(Ground Penetrating Radar; GPR)를 이용하여 획득한 데이터에서 지중에 매설된 지뢰를 탐지하기 위한 신호 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

지하 매설물 탐지는 지하에 매설된 광물, 문화재, 지뢰, 미폭발 위험물 등을 탐지 대상으로 하여 민간 분야, 산업 분야 및 군사 분야 등 다양한 분야에서 요구되고 있다. 일반적으로 지하 매설물을 탐지하기 위한 장비로서 금속 탐지기(MD: Metal Detector)가 이용된다. 금속 탐지기는 전자 유도 방식으로 구현이 간단하고 탐지 성능이 좋은 장점이 있지만, 비금속 물체를 탐비하는데는 한계가 있다. 따라서, 비금속 물체도 탐지 가능한 전자기파 기반의 탐지 레이더가 최근에 각광을 받고 있다.

탐지 레이더는 지면을 투과하여 지하에 매설된 물체, 예를 들어 지뢰를 탐지하기 때문에 지면 투과 레이더(Ground Penetrating Radar; GPR)로 불린다. 지면 투과 레이더를 이용한 탐지 장치의 예가 한국등록특허 제10-0365141호, 한국등록특허 제10-1241313호, 한국등록특허 제10-1267016호 및 한국등록특허 제10-1267017호 등에 제시되어 있다. 이러한 지면 투과 레이더는 일정 깊이의 땅속을 투과하여 반사되는 신호를 이용하여 지뢰를 탐지해야 하므로 대략 100㎒∼1㎓의 초광대역(Ultawide Band; UWB) 주파수를 이용한다. 이렇게 초광대역을 이용하는 지면 투과 레이더를 초광대역 지면 투과 레이더(Ultra-wideband Ground Penetrating Radar)라 한다.

초광대역 지면 투과 레이더는 초광대역 송신파를 지면으로 방사하고 지뢰로부터 반사되는 신호를 분석하여 지뢰의 형상, 매설 깊이 등을 추정할 수 있다. 또한, 초광대역 지면 투과 레이더는 지뢰에 대한 탐지 결과를 영상화하여 운용자에게 시각적으로 보여 줄 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 초광대역 지면 투과 레이더는 안테나를 스캔하여 포물선 형태의 표적 신호를 가시화하는데, 지하에 지뢰가 존재하면 안테나가 이동하는 방향으로 포물선 형태의 신호가 획득된다. 이때, 표적 신호는 다중 반사에 의한 링잉 현상으로 포물선이 아래로 여러개 생기는 현상과 토양의 유전율, 수분 등에 의해 전파가 약해진다. 따라서, 이를 보상하기 위해서 이득 곡선을 이용하여 레이더 신호를 이득 보상한 후 영상을 형성하여 표적을 탐지한다.

한편, 초광대역 지면 투과 레이더 기반 매설물 탐지 장비는 크게 차량형과 휴대용으로 나누어진다. 휴대용 탐지기는 차량형 탐지기와 다르게 적은 전력으로 매설물을 탐지해야 한다. 따라서, 휴대용 탐지기는 빠른 데이터 처리를 위해 간단하고 연산량이 적은 알고리즘을 많이 이용해왔다. 그러나, 기존의 알고리즘들은 땅의 불균일함, 센서의 흔들림, 잡음 신호와 같이 표적 이외의 신호에 강인하지 못한 단점이 있다. 즉, 배경 신호를 지뢰 신호로 인식하는 오경보 발생 확률과 지뢰 신호를 배경 신호로 인식하여 실제 지뢰를 탐지하지 못할 확률이 높게 나타나는 문제가 발생한다.

또한, 지면 투과 레이더를 활용하여 획득한 데이터는 포물선 형태로 나타나는 지뢰 신호, 지표면 반사 신호, 깊이 방향으로 주기적으로 나타나는 신호와 같이 다양한 신호가 포함된다. 지뢰 탐지 장치는 이러한 신호들 중 지뢰 신호를 빠르고 정확하게 탐지할 수 있어야 한다. 따라서, 연산 속도가 빠르고, 지뢰 이외의 신호에 대하여 강인한 성능을 나타내는 지뢰 탐지 알고리즘의 개발이 필요하다.

한국등록특허 제10-0365141호 한국등록특허 제10-1241313호 한국등록특허 제10-1267016호 한국등록특허 제10-1267017호

본 발명은 휴대 가능한 초광대역 지면 투과 레이더에 기반한 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 연산 속도가 빠르고, 지뢰 이외의 신호에 대하여 강인한 성능을 나타내는 초광대역 지면 투과 레이더에 기반한 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 초광대역 지면 투과 레이더에 기반한 매설물 탐지를 위한 신호 처리 방법은 지뢰 매설을 인지한 상태에서 지뢰가 매설되지 않은 영역과 지뢰가 매설된 영역의 데이터를 수집하여 배경 신호 모델을 생성하는 훈련 과정과, 지뢰 매설을 인지하지 못한 상태에서 훈련 과정을 통해 획득한 배경 신호 모델을 이용하여 지뢰를 탐지하는 탐지 과정을 포함한다.

상기 훈련 과정은, 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정과, 복수의 블록으로부터 수신된 데이터를 2차원 이산 코사인 변환하는 과정과, 상기 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석하는 과정과, 상기 쌍방향 2차원 주성분 분석된 데이터들을 k-평균 군집 분석을 통해 유사 데이터끼리 묶어 배경 신호 모델을 생성하는 과정을 포함한다.

상기 탐지 과정은, 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정과, 복수의 블록으로부터 수신된 데이터를 2차원 이산 코사인 변환하는 과정과, 상기 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석하는 과정과, 탐지하고자 하는 블록의 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 결과를 상기 훈련 과정에서 생성한 배경 신호 모델과 대비하여 배경 신호 모델 중 최소 거리값을 분류하는 과정과, 최소 거리 분류에 의해 추출된 블록의 깊이에 따라 다른 가중치를 부여하는 과정을 포함한다.

상기 복수의 블록으로 분할하는 과정은 지하로 송신하는 송신 신호의 주파수 및 세기를 조절하여 지하 도달 깊이를 조절한다.

상기 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석은 지하 깊이 방향으로 복수의 블록 각각으로부터 반사된 신호를 수신하여 실시한다.

상기 k-평균 군집 분석은 복수의 블록 각각으로부터 추출된 데이터를 깊이에 따라 레이블을 할당한 후 유사 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 묶는다.

상기 가중치는 지표면에서 멀어질수록 크게 할당한다.

본 발명의 다른 양태에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 장치는 송신 신호를 생성하는 송신기; 상기 송신기로부터의 송신 신호를 방사하는 지하의 깊이 방향으로 방사하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나로부터 출력된 방사 신호가 지뢰 또는 지하 매질에 의해 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나; 상기 수신 안테나를 통한 신호를 수신하는 수신기; 상기 송신기 및 수신기를 통해 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성을 탐지하는 탐지부; 및 상기 송신기, 수신기 및 탐지부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 송신기는 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하여 송신 신호가 도달하도록 송신 신호를 생성하고, 상기 탐지부는 복수의 블록에 대한 2차원 이산 코사인 변환과 쌍방향 2차원 주성분 분석을 통해 지뢰를 탐지한다.

상기 송신기는 송신 신호의 주파수 및 세기 중 적어도 하나를 조절하여 지하 도달 깊이를 조절하여 복수의 블록으로 분할한다.

상기 탐지부는 복수의 블록 각각으로부터의 반사되어 입력된 신호를 이용하여 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석을 실시하고, 복수의 블록 각각으로부터 추출된 데이터를 깊이에 따라 레이블을 할당한 후 유사 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 묶어 배경 신호 모델을 생성한다.

상기 탐지부는 탐지하고자 하는 블록의 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 결과를 상기 배경 신호 모델과 대비하여 배경 신호 모델 중 최소 거리값을 분류한 후 최소 거리 분류에 의해 추출된 블록의 깊이에 따라 다른 가중치를 부여한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법은 배경 신호 모델을 생성하는 훈련 과정과, 훈련 과정에서 생성된 배경 신호 모델을 이용하여 지뢰를 탐지하는 탐지 과정을 포함할 수 있다. 훈련 과정에서는 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할한 후 분할된 각 블록에 대하여 2차원 이산 코사인 변환, 쌍방향 2차원 주성분 분석 및 k-평균 군집 분석을 통해 배경 신호 모델을 생성한다. 탐지 과정에서는 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할한 후 분할된 각 블록에 대하여 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석을 수행하고, 배경 신호 모델을 이용하여 최소 거리를 분류한 후 추출된 깊이에 따른 가중치를 부과하여 최종적인 탐지 결과를 나타낸다.

본 발명에 의하면, 2차원 이산 코사인 변환, 쌍방향 2차원 주성분 분석을 이용하여 데이터의 차원(dimension)을 줄임으로써 전체적인 연산량을 감소시킬 수 있다. 또한, 획득한 데이터에서 다양한 신호 처리를 통해 높은 탐지율과 낮은 오경보율의 우수한 탐지 성능을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 장치의 구성도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이터 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 장치의 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 훈련 과정 및 탐지 과정의 B-scan을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 탐지 과정의 B-scan 및 그에 따른 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지 장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지뢰 탐지 장치는 소정 주파수의 송신 신호를 출력하는 송신기(110)와, 지면의 특정 지점에 위치하여 송신기(110)로부터의 송신 신호를 방사하는 적어도 하나의 송신 안테나(120)와, 송신 안테나(120)로부터 출력된 방사 신호가 지하에 매설된 지뢰 등의 지하 매질에 의해 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나(130)와, 수신 안테나(130)와 연결되어 수신 안테나(130)를 통한 신호를 수신하는 수신기(140)와, 송신기(110) 및 수신기(140)를 통해 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성을 탐지하는 탐지부(150)와, 송신기(110), 수신기(140), 탐지부(150) 등의 탐지 장치의 전체적인 동작을 제어하는 제어부(160)를 포함할 수 있다.

송신기(110) 및 송신 안테나(120)는 소정 주파수의 송신 신호를 생성하고, 지면을 통해 지하 소정 깊이로 송신 신호를 방사한다. 송신기(110)는 예를 들어 100㎒∼1㎓의 초광대역(Ultawide Band) 주파수의 송신 신호를 생성한다. 이때, 송신기(110)는 주파수를 상기 범위 내에서 조절하여 다양한 주파수의 송신 신호를 생성할 수 있다. 또한, 송신기(110)는 송신 신호의 세기를 다양하게 조절하여 생성할 수도 있다. 이렇게 송신기(110)로부터 다양한 주파수 및 세기의 송신 신호가 생성됨으로써 송신 신호의 지하 도달 깊이가 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 송신 신호의 주파수 및 세기가 높을수록 송신 신호의 도달 깊이가 깊어질 수 있고, 반대로 송신 신호의 주파수 및 세기가 낮을수록 송신 신호의 도달 깊이가 낮아질 수 있다.

수신 안테나(130) 및 수신기(140)는 송신기(110) 및 송신 안테나(120)에 의한 방사 신호가 지하에 매설된 지뢰 등의 지하 매질에 의해 반사된 신호를 수신한다. 한편, 송신 안테나(120)에서 방사되는 신호에 의해 전기장 신호 및 자기장 신호가 형성될 수 있는데, 수신 안테나(140)는 전기장 신호 및 자기장 신호를 각각 측정하기 위한 적어도 한쌍의 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 수신 안테나(140)는 전기장 신호 수신 안테나 및 자기장 신호 수신 안테나를 포함할 수 있다. 전기장 신호 수신 안테나는 급전점을 기준으로 2개의 전도성 복사체가 나란히 구성되어 있는 쌍극자 안테나의 형태로 구성될 수 있고, 수신 신호의 해상도를 높이기 위해 안테나 암(arm)의 일부분 또는 전체에 대해 임피던스가 장하된 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 자기장 신호 수신 안테나는 단일 전도성 복사체가 감긴 루프 안테나(Loop antenna)의 형태로 구성될 수 있고, 안테나의 단일 지점에 특정 값 또는 복수의 구간에 대하여 일정한 값을 가지는 임피던스로 장하된 형태로 구성될 수도 있다. 한편, 송신 안테나(120)는 상기에 기재된 안테나들 중 하나로 구성될 수 있다. 물론, 송신 안테나(120)는 반드시 상기한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 그 밖에도 초광대역 전자기파 펄스를 방사할 수 있는 것이라면 어떠한 안테나라도 사용 가능하다.

탐지부(150)는 송신기(110) 및 수신기(140)를 통해 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성에 대해 탐지한다. 즉, 송신기(110) 및 송신 안테나(120)를 통해 송신 신호가 지하로 송신된 후 지하 매질에 의해 반사된 신호를 수신 안테나(130) 및 수신기(140)를 통해 수신하고, 수신 신호를 분석하여 지뢰 등의 지하 매설물 또는 지하 매질의 물성을 탐지한다. 이러한 탐지부(150)는 지하의 깊이 방향으로 분할된 복수의 블록에 대한 2차원 이산 코사인 변환(2-dimensional Discrete cosine transform with zonal filtering, 2D-DCT-ZF)과 쌍방향 2차원 주성분 분석(bilateral 2-dimensional Principle components analysis, B2D-PCA)을 통해 지하 매설물을 탐지한다. 따라서, 탐지 성능을 향상시킬 수 있고 연산 과정을 줄일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐지부(150)의 지뢰 탐지 방법은 이하에서 더욱 상세히 설명한다.

제어부(160)는 송신기(110), 수신기(140), 탐지부(150) 등의 탐지 장비의 전체적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 송신기(110)로부터 소정 주파수 및 세기의 송신 신호를 생성하도록 하는데, 주파수 및 세기를 조절하여 송신 신호가 생성되도록 송신기(110)를 제어할 수 있다. 즉, 송신기(110)로부터의 송신 신호의 주파수 및 세기를 조절하여 지하의 깊이 방향으로 복수의 깊이로 송신 신호가 도달되도록 할 수 있다. 따라서, 송신 신호의 도달 깊이에 따라 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할할 수 있고, 복수의 블록으로부터 반사되는 응답 신호를 수신 안테나(130) 및 수신기(140)가 입력할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 수신기(140)에 의해 수신된 지하로부터 반사된 신호가 탐지부(150)로 입력되도록 제어하며, 탐지부(150)를 제어하여 수신 신호의 데이터를 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 등을 수행하도록 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 일 실예에 따른 탐지 장치는 지면 위 근접 거리에 송신 안테나(120) 및 수신 안테나(130)를 위치시키고, 지하로 송신기(110) 및 송신 안테나(120)로부터 송신 신호를 송신한 후, 수신 안테나(130) 및 수신기(140)에 의해 지하 매설물 또는 지하 매질에 따른 반사 신호를 수신하는 방식으로 데이터를 획득한다. 이때, 송신 신호는 예를 들어 주파수 및 세기를 다양하게 변경하여 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 나누어 송신하고, 복수의 블록으로부터 반사된 신호를 수신 신호로서 수신한다. 또한, 탐지부(150)는 수신 안테나(130) 및 수신기(140)를 통해 획득한 복수의 블록에 따른 데이터를 2차원 이산 코사인 변환, 쌍방향 2차원 주성분 분석 및 k-평균 군집 분석을 통해 배경 신호 모델을 생성하고, 배경 신호 모델을 이용한 최소 거리 분류 및 블록별 가중치 할당을 통해 탐지 결과를 산출한다.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 지뢰 탐지 방법을 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 본 발명에 따른 신호 처리 방법은 훈련 과정과, 탐지 과정을 포함할 수 있는데, 도 2는 훈련 과정의 흐름도이고, 도 3은 탐지 과정을 도시한 흐름도이다. 여기서, 훈련 과정은 지뢰 등의 지하 매설물이 매설된 지역을 인지하는 상태에서 지뢰가 매설되지 않은 영역과 지뢰가 매설된 영역 등의 데이터를 수집하여 배경 신호 모델을 생성하기 위한 과정이고, 탐지 과정은 실제 지뢰를 탐지하기 위해 지뢰가 매설된 영역 등을 인지하지 못한 상태에서 훈련 과정을 통해 획득한 배경 신호 모델을 이용하여 지뢰를 탐지하는 과정이다. 한편, 본 발명의 실시 예는 지하 매설물로서 지뢰를 예를 들어 설명하지만, 지뢰 이외에 다양한 지하 매설물이 대상이 될 수 있다.

도 2를 참조하여 훈련 과정을 설명하면 다음과 같다. 훈련 과정은 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정(S110)과, 복수의 블록에 대한 2차원 이산 코사인 변환(2-dimensional Discrete cosine transform with zonal filtering, 2D-DCT-ZF)하는 과정(S120)과, 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석(bilateral 2-dimensional Principle components analysis, B2D-PCA)하는 과정(S130)과, 복수의 블록으로부터 수신된 데이터들에 대하여 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석한 후(S140) k-평균 군집 분석(k-means clustering)을 통해 배경 신호에 대한 모델을 생성하는 과정(S150)을 포함할 수 있다. 즉, 훈련 과정은 지하의 깊이 방향으로 분할된 복수의 블록 각각에 대해 2차원 이산 코사인 변환, 쌍방향 2차원 주성분 분석 및 k-평균 군집 분석을 실시하여 배경 신호 모델을 생성한다. 이때, 훈련 과정은 지뢰를 탐지하기 위한 지역에서 지뢰가 매설되지 않은 영역에서 실시할 수도 있고, 탐지 장치를 생산할 때 다양한 성질의 토양에 대해 실시할 수도 있다. 이렇게 훈련 과정을 통해 생성된 배경 신호 모델은 데이터로서 메모리 등의 데이터 저장부에 저장될 수 있다. 즉, 다양한 토양 성질 등에 따른 배경 신호 모델을 생성하여 메모리 등에 저장하기 위해 훈련 과정을 실시할 수 있다.

S110 : 송신 신호인 B-scan 데이터 전체를 이용하여 신호 처리를 수행하는 경우, 지표면 반사 신호와 같이 신호의 세기가 강한 부분 때문에 상대적으로 세기가 약한 신호가 가려지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, B-scan 데이터를 깊이 방향으로 복수의 블록으로 나누어 각각 신호 처리를 수행하도록 한다. 여기서, B-scan은 신호의 단면적을 나타내는 데이터의 2차원 표현 방법을 의미한다. 즉, 수평 방향으로 소정의 폭을 갖는 데이터를 수직 방향으로 복수의 영역으로 분할한다. 이렇게 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하기 위해 예를 들어 주파수 및 세기가 다른 복수의 송신 신호를 송신하고 그에 따른 반사 신호를 수신할 수 있다. 이를 위해 제어부(160)의 제어에 따라 송신부(110)가 주파수 및 세기가 다른 복수의 송신 신호를 생성하고, 이를 송신 안테나(120)를 통해 지하 방향으로 송신하도록 할 수 있다. 주파수 및 세기가 증가할수록 지하 깊은 영역까지 송신 신호가 도달할 수 있으므로 지하의 깊이 방향으로 서로 다른 깊이의 블록에 도달할 수 있도록 주파수 및 세기를 조절하여 송신 신호를 방사하고, 해당 블록에서 반사된 신호를 수신한다. 예를 들어, 지하의 깊이를 소정 단위, 예를 들어 1㎝ 내지 20㎝로 나누어 송신 신호의 주파수 및 세기를 증가시키면서 지하 깊이 방향으로 송신 신호를 송신할 수 있다. 따라서, 깊이 방향으로 1㎝ 내지 20㎝ 단위의 각 블록별로 송신 신호를 송신할 수 있고, 각 블록으로부터 반사된 신호를 수신할 수 있다. 한편, 지하 깊이 방향으로 복수의 블록으로 나누어 신호를 송신하고 반사된 신호를 수신하는 과정은 재질, 유전율 및 수분 등이 다른 다양한 토양에 대해 실시할 수 있다. 즉, 토양의 재질, 유전율, 수분 등에 따라 배경 신호의 세기가 다를 수 있으므로 다양한 토양에 대하여 지하 깊이 방향으로 복수의 블록으로 나누어 송신 신호를 송신할 수 있다. 물론, 복수의 토양 대신에 실제 지뢰가 매설된 지역의 토양에 대해서 지하 깊이 방향으로 복수의 블록으로 나누어 송신 신호를 방사할 수도 있다.

S120 : 지하 깊이 방향으로 복수의 블록으로부터 반사된 신호를 수신하여 2차원 이산 코사인 변환을 수행한다. 즉, 지하 수직 방향으로 분할된 복수의 블록으로부터 수신된 데이터에 대하여 2차원 이산 코사인 변환을 수행한다. 2차원 이산 코사인 변환은 시간축의 데이터를 주파수축으로 변환하는데, 변환을 위한 계수로서 이산적 코사인 함수를 이용한다. 2차원 이산 코사인 변환은 시간축의 데이터를 몇개의 신호 전력이 고주파 영역과 저주파 영역으로 분해하여 변환하는데, 데이터의 전력은 저주파 영역에 집중되기 때문에 적절한 비트 배분으로 양자화하면 전체의 비트 수를 적게 하여 데이터를 압축할 수 있다. 즉, 2차원 이산 코사인 변환을 수행함으로써 복수의 블록으로부터 수신된 각각의 데이터를 압축할 수 있다. 또한, 2차원 이산 코사인 변환 결과의 고주파에 해당하는 계수들은 작은 값을 갖는 경우가 많으므로 해당 계수들을 영역별 필터링(zonal filtering)을 수행함으로써 데이터의 차원을 줄일 수 있다. 이렇게 2차원 이산 코사인 변환은 서로 다른 주파수를 가지는 코사인 함수의 계수들로 표현하는데, 2차원 이산 코사인 변환 방법은 [수학식 1]과 같다.

여기서, N₁과 N₂는 각각 블록의 행과 열의 수를 의미한다.

2차원 이산 코사인 변환은 복수의 블록 각각에 대하여 1차원 이산 코사인 변환을 블록의 행과 열 방향으로 각각 수행한 결과와 같다. 본 발명에서 2차원 이산 코사인 변환을 수행함으로써 데이터의 손실을 최소화하면서 데이터의 차원을 감소할 수 있다. 또한, 추출된 데이터는 여러 진행 방향의 데이터를 포함하므로 2차원 이산 코사인 변환을 수행함으로써 다양한 배경 신호의 변화를 표현할 수 있는 장점이 있다.

S130 : 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석한다. 즉, 지하의 깊이 방향으로 복수의 영역으로 분할된 블록으로부터 수신된 데이터에 대하여 2차원 이산 코사인 변환한 후 쌍방향 2차원 주성분 분석한다. 쌍방향 2차원 주성분 분석은 2차원 이산 코사인 변환과 유사하게 입력 데이터의 행과 열 방향으로 주성분 분석을 수행함으로써 데이터의 차원을 줄이는 역할을 한다. 주성분 분석은 가능한 적은 주성분의 개수로 원본 데이터를 유사하게 표현하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 쌍방향 2차원 주성분의 모델을 생성할 때, 신호의 변화가 적은 배경 신호만을 이용함으로써 데이터의 집중도를 높이고, 배경 신호의 변화와 잡음 신호에 적극적으로 대응할 수 있는 장점이 있다.

S140 및 S150: 상기한 바와 같은 2차원 이상 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석을 복수의 블록별로 각각 실시한 후 k-평균 군집 분석(k-means clustering)을 통해 배경 신호에 대한 모델을 생성한다. 배경 신호 모델을 생성하기 위하여 쌍방향 2차원 주성분 분석 데이터들을 모아 군집(clusters)을 생성한다. 즉, 깊이 방향으로 분할된 각 블록에서 추출된 데이터에 따라 레이블(label)을 할당한 후 쌍방향 2차원 주성분 분석에서 계산된 결과들을 이용하여 k-평균 군집 분석(k-means clustering)을 수행함으로써 유사한 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 한다. 이러한 k-평균 군집 분석을 수행하여 배경 신호 모델을 생성한다. 예를 들어, 다양한 토양의 재질, 유전율 및 수분에 따라 서로 다른 데이터를 가질 수 있고, k-평균 군집 분석을 수행하여 복수의 데이터를 서로 유사한 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 하여 배경 신호 모델을 생성한다. 이렇게 생성된 배경 신호 모델은 메모리 등의 데이터 저장부에 저장되어 이후 탐지 과정에서 이용될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 지뢰 탐지 방법의 훈련 과정은 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록을 분할한 후 송신 신호를 방사하고, 각 블록별로 반사되어 수신된 데이터에 대하여 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석을 실시하고, k-평균 군집 분석을 수행하여 유사한 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 하여 배경 신호 모델을 생성한다. 즉, 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록별로 생성된 데이터를 압축 및 변환하여 레이블을 할당한 후 유사 데이터를 동일 군집에 위치하도록 함으로써 배경 신호 모델을 생성한다. 또한, 이러한 훈련 과정을 재질, 유전율, 수분 등이 다른 복수의 토양에 대해 실시하여 배경 신호 모델을 생성할 수도 있다.

도 3을 이용하여 본 발명에 따른 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법의 탐지 과정을 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 탐지 과정은 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정(S210)과, 복수의 블록에 대한 2차원 이산 코사인 변환하는 과정(S220)과, 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석하는 과정(S230)과, 훈련 과정에서 생성된 배경 신호 모델과 최소 거리 분류(minimum distance classifier)를 통해 결과를 도출하는 과정(S240)과, 최소 거리 분류에 의해 도출된 결과를 바탕으로 블록이 추출된 깊이에 따라 다른 가중치를 부여하는 과정(S260)을 포함하여 최종적인 탐지 결과를 나타낸다. 본 발명의 탐지 과정에서, 복수의 블록으로 분할하는 과정(S210), 2차원 이산 코사인 변환 과정(S220) 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 과정(S230)은 훈련 과정과 동일하므로 상세한 설명을 생략하겠다.

S240 : 최소 거리 분류 과정은 탐지하고자 하는 블록의 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 결과와 훈련 과정에서 생성한 배경 신호 모델과 대비하여 배경 신호 모델 중 군집들(clusters)로부터 가장 가까운 거리값을 해당 블록의 중간 탐지 결과로 이용한다.

S260 : 블록 별 가중치 할당 과정은 일반적으로 지표면에 반사된 신호가 땅 속의 신호보다 신호의 세기(magnitude)가 강하기 때문에 최소 거리 분류 과정에서 도출된 각 거리값들을 이용하여 최종적인 탐지 결과를 도출할 때, 지표면 부근에서 추출한 블록의 영향을 줄이기 위하여 블록별 가중치 할당을 수행한다. 즉, 지표면으로부터 멀어질수록 가중치를 할당한다.

이렇게 최고 거리 분류에 따른 블록별 가중치를 할당하여 탐지 결과를 도출한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 지면 투과 레이터 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 장치의 블럭도이다. 즉, 도 4는 본 발명에 따른 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 구현하기 위한 장치의 블록도로서, 탐지부의 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 구현하기 위한 탐지부는 2차원 이산 코사인 변환부(210)와, 쌍방향 2차원 주성분 분석부(220)와, k-평균 군집 분석부(230)와, 최소 거리 분류부(240)와, 가중치 할당부(250)를 포함할 수 있다.

2차원 이산 코사인 변환부(210)는 지하 깊이 방향으로 복수의 블록으로부터 반사된 신호를 수신하여 2차원 이산 코사인 변환을 수행한다. 즉, 지하 수직 방향으로 분할된 복수의 블록으로부터 수신된 데이터에 대하여 2차원 이산 코사인 변환을 수행한다. 2차원 이산 코사인 변환은 시간축의 데이터를 주파수축으로 변환하는데, 변환을 위한 계수로서 이산적 코사인 함수를 이용한다. 2차원 이산 코사인 변환은 시간축의 데이터를 몇개의 신호 전력이 고주파 영역과 저주파 영역으로 분해하여 변환하는데, 데이터의 전력은 저주파 영역에 집중되기 때문에 적절한 비트 배분으로 양자화하면 전체의 비트 수를 적게 하여 데이터를 압축할 수 있다. 즉, 2차원 이산 코사인 변환을 수행함으로써 복수의 블록으로부터 수신된 각각의 데이터를 압축할 수 있다. 또한, 2차원 이산 코사인 변환 결과의 고주파에 해당하는 계수들은 작은 값을 갖는 경우가 많으므로 해당 계수들을 영역별 필터링(zonal filtering)을 수행함으로써 데이터의 차원을 줄일 수 있다.

쌍방향 2차원 주성분 분석부(220)는 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석한다. 즉, 지하의 깊이 방향으로 복수의 영역으로 분할된 블록으로부터 수신된 데이터에 대하여 2차원 이산 코사인 변환한 후 쌍방향 2차원 주성분 분석한다. 쌍방향 2차원 주성분 분석은 2차원 이산 코사인 변환과 유사하게 입력 데이터의 행과 열 방향으로 주성분 분석을 수행함으로써 데이터의 차원을 줄이는 역할을 한다. 주성분 분석은 가능한 적은 주성분의 개수로 원본 데이터를 유사하게 표현하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 쌍방향 2차원 주성분의 모델을 생성할 때, 신호의 변화가 적은 배경 신호만을 이용함으로써 데이터의 집중도를 높이고, 배경 신호의 변화와 잡음 신호에 적극적으로 대응할 수 있는 장점이 있다.

k-평균 군집 분석부(230)는 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석을 복수의 블록별로 각각 실시한 후 k-평균 군집 분석(k-means clustering)을 통해 배경 신호에 대한 모델을 생성한다. 배경 신호 모델을 생성하기 위하여 쌍방향 2차원 주성분 분석 데이터들을 모아 군집(clusters)을 생성한다. 즉, 깊이 방향으로 분할된 각 블록에서 추출된 데이터에 따라 레이블(label)을 할당한 후 쌍방향 2차원 주성분 분석에서 계산된 결과들을 이용하여 k-평균 군집 분석(k-means clustering)을 수행함으로써 유사한 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 한다. 이러한 k-평균 군집 분석을 수행하여 배경 신호 모델을 생성한다. 예를 들어, 다양한 토양의 재질, 유전율 및 수분에 따라 서로 다른 데이터를 가질 수 있고, k-평균 군집 분석을 수행하여 복수의 데이터를 서로 유사한 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 하여 배경 신호 모델을 생성한다. 이렇게 생성된 배경 신호 모델은 메모리 등의 데이터 저장부에 저장되어 이후 탐지 과정에서 이용될 수 있다.

최소 거리 분류부(240)는 탐지하고자 하는 블록의 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 결과와 훈련 과정에서 생성한 배경 신호 모델과 대비하여 배경 신호 모델 중 군집들(clusters)로부터 가장 가까운 거리값을 해당 블록의 중간 탐지 결과로 이용한다.

가중치 할당부(250)는 일반적으로 지표면에 반사된 신호가 땅 속의 신호보다 신호의 세기(magnitude)가 강하기 때문에 최소 거리 분류 과정에서 도출된 각 거리값들을 이용하여 최종적인 탐지 결과를 도출할 때, 지표면 부근에서 추출한 블록의 영향을 줄이기 위하여 블록별 가중치 할당을 수행한다. 즉, 지표면으로부터 멀어질수록 높은 가중치를 할당한다.

한편, 배경 신호 모델을 저장하기 위한 메모리부(170)를 더 포함할 수 있다. 메모리부(170)는 탐지부(150) 외측에 마련되어 탐지부(150)에 의해 생성된 배경 신호 모델 등의 데이터를 저장할 수 있다. 물론, 메모리부(170)는 탐지 장치의 전반적인 구동에 필요한 데이터를 저정할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 훈련 과정 및 탐지 과정의 B-scan을 도시한 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명에 따른 탐지 데이터를 도시한 도면이다. 도 5 및 도 6은 각각 세로축이 지하 깊이를 나타내고 가로축이 진행 방향을 나타낸다. 또한, 도 6(a)는 지하 깊이 및 진행 방향에 따른 B-sacn이고, 도 6(b)는 이를 그래프로 표시한 것이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 훈련 과정에서는 배경 신호가 획득되며, 특히 지표면 근처에서 깊이 방향보다 강한 배경 신호가 획득된다. 그러나, 탐지 과정에서는 지뢰 등의 지하 매설물이 매설된 영역에서 강한 신호가 획득되며, 이를 그래프로 나타낸 도 6(b)에 도시된 바와 같이 지뢰가 존재할 확률이 높을수록 1에 가까운 탐지 결과가 나타나고, 배경 신호일 확률이 높은 경우 0에 가까운 탐지 결과가 나타난다.

본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허청구범위에 의해서 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 상호 조합될 수 있다.

110 : 송신기 120 : 송신 안테나
130 : 수신 안테나 140 : 수신기
150 : 탐지부 160 : 제어부

Claims (4)

1. 지뢰 매설을 인지한 상태에서 지뢰가 매설되지 않은 영역과 지뢰가 매설된 영역의 데이터를 수집하여 배경 신호 모델을 생성하는 훈련 과정과,
   지뢰 매설을 인지하지 못한 상태에서 훈련 과정을 통해 획득한 배경 신호 모델을 이용하고 최소 거리 분류에 따른 가중치를 할당하여 탐지 결과를 도출하는 탐지 과정을 포함하고,
   상기 훈련 과정은,
   지하로 송신하는 송신 신호의 주파수 및 세기 중 적어도 하나를 조절하여 지하 도달 깊이를 조절하여 지하를 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정과,
   복수의 블록으로부터 수신된 데이터를 2차원 이산 코사인 변환하는 과정과,
   상기 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석하는 과정과,
   상기 쌍방향 2차원 주성분 분석된 데이터들을 k-평균 군집 분석을 통해 유사 데이터끼리 묶어 배경 신호 모델을 생성하는 과정을 포함하며,
   상기 탐지 과정은,
   지하로 송신하는 송신 신호의 주파수 및 세기 중 적어도 하나를 조절하여 지하 도달 깊이를 조절하여 지하를 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하는 과정과,
   복수의 블록으로부터 수신된 데이터를 2차원 이산 코사인 변환하는 과정과,
   상기 2차원 이산 코사인 변환된 데이터를 쌍방향 2차원 주성분 분석하는 과정과,
   탐지하고자 하는 블록의 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석 결과를 상기 훈련 과정에서 생성한 배경 신호 모델과 대비하여 배경 신호 모델 중 최소 거리값을 분류하는 과정과,
   최소 거리값 분류에 의해 추출된 블록의 깊이에 따라 다른 가중치를 부여하는 과정을 포함하고,
   진행 방향에 따라 0 내지 1의 탐지 결과를 나타내고, 1에 가까울수록 지뢰가 존재할 확률이 높고 0에 가까울수록 배경 신호의 확률이 높은 것으로 판단하며,
   상기 훈련 과정 및 탐지 과정의 상기 2차원 이산 코사인 변환 및 쌍방향 2차원 주성분 분석은 지하 깊이 방향으로 복수의 블록 각각으로부터 반사된 신호를 수신하여 실시하는 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 훈련 과정의 상기 k-평균 군집 분석은 복수의 블록 각각으로부터 추출된 데이터를 깊이에 따라 레이블을 할당한 후 유사 데이터끼리 같은 군집에 위치하도록 묶는 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 탐지 과정의 상기 가중치는 지표면에서 멀어질수록 크게 할당하는 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법.
   
4. 청구항 1 기재의 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 방법을 수행하는 장치로서,
   송신 신호를 생성하는 송신기;
   상기 송신기로부터의 송신 신호를 방사하는 지하의 깊이 방향으로 방사하는 송신 안테나;
   상기 송신 안테나로부터 출력된 방사 신호가 지뢰 또는 지하 매질에 의해 반사된 신호를 수신하는 수신 안테나;
   상기 수신 안테나를 통한 신호를 수신하는 수신기;
   상기 송신기 및 수신기를 통해 수집된 신호에 근거하여 지하 매질의 물성을 탐지하는 탐지부; 및
   상기 송신기, 수신기 및 탐지부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 송신기는 지하의 깊이 방향으로 복수의 블록으로 분할하여 송신 신호가 도달하도록 송신 신호를 생성하고,
   상기 탐지부는 복수의 블록에 대한 2차원 이산 코사인 변환과 쌍방향 2차원 주성분 분석을 통해 지뢰를 탐지하는 초광대역 지면 투과 레이더 기반 지뢰 탐지를 위한 신호 처리 장치.

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