KR102131148B1

KR102131148B1 - 바이오센서를 이용하여 니트로 화합물의 위치를 매핑하기 위한 원거리 형광 발현 탐지 시스템

Info

Publication number: KR102131148B1
Application number: KR1020190012028A
Authority: KR
Inventors: 김홍복
Original assignee: 성산테크놀로지 주식회사
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-07-07
Also published as: WO2020159220A1

Abstract

본 발명은 탐지할 타겟에 반응한 바이오센서를 원거리에서 여기시켜 형광 발현시키고, 형광 발현한 바이오센서를 통해 타겟의 위치를 검출하여 지리적 맵에 표출하며, 형광 발현한 시점의 탐지 지역을 영상으로 확인할 수 있게 한 원거리 형광 발현 탐지 시스템에 관한 것으로서, 지리적 위치 및 절대방위각을 획득하는 위치/탐지 획득장치(20), 탐지 지역을 스캔하여 타겟에 반응한 바이오센서의 거리를 획득하는 검출단(40), 스캔할 시의 영상을 획득하는 카메라(50), 스캔할 시의 팬/틸트 조절값을 적용하여 상대적 탐지위치를 선정한 후 절대적 탐지위치로 보정하여 GIS 맵 상에 표출하고, 영상과 함께 출력하는 제어장치(10)를 포함한다.
본 발명과 관련된 연구는 산업통상자원부의 민 군 겸용 기술개발 사업(니트로 화합물의 생물학적 형광 탐지 기술 및 장치 개발, 과제번호:15-CM-SS-03)을 지원을 받아 수행하였다.

Description

바이오센서를 이용하여 니트로 화합물의 위치를 매핑하기 위한 원거리 형광 발현 탐지 시스템{REMOTE DETECTION SYSTEM FOR MAPPING POSITION OF NITRO COMPOUNDS USING BIOSENSOR}

본 발명은 탐지할 타겟에 반응한 바이오센서를 원거리에서 여기시켜 형광 발현시키고, 형광 발현한 바이오센서를 통해 타겟의 위치를 검출하여 지리적 맵에 표출하며, 형광 발현한 시점의 탐지 지역을 영상으로 확인할 수 있게 한 원거리 형광 발현 탐지 시스템에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 연구는 산업통상자원부의 민 군 겸용 기술개발 사업(니트로 화합물의 생물학적 형광 탐지 기술 및 장치 개발, 과제번호:15-CM-SS-03)을 지원을 받아 수행하였다.

다양한 니트로 화합물 중에 현실적으로 가장 먼저 탐지 개발 기술이 필요한 것은 전세계적으로 심각한 문제가 되고 있는 지뢰이다.

대한민국의 경우에도 남북한이 비무장지대를 사이로 대치하고 있는 상황에서 비무장지대를 포함한 주변 지역에 매우 많은 지뢰가 매설되어 있고, 해마다 여름 홍수기에 북한으로부터 떠내려오는 목함지뢰에 의한 사고가 간헐적으로 발생하고 있는 실정이다.

그런데, 현재 어떤 상황에서든 모든 종류의 지뢰를 탐지할 수 있는 지뢰탐지기술은 아직 개발되어 있지 않았고, 더욱이, 현존하는 지뢰 탐지용 장비의 대부분은 휴대용으로서 넓은 지역을 동시에 탐지하지 못하고, 국소적으로 탐지하며 탐지 범위를 조금씩 넓혀가야만 하여서, 인력적으로나 시간적으로 매우 어려우며, 매설된 지뢰에 매우 근접하여 탐지하여만 하여서 안전사고도 많이 발생하였다. 또한, 현재 군에서 운용 중인 휴대용 지뢰탐지기 PRS-17K는 운용병 1명이 휴대하여 운용하는 장비로서, 금속 재질의 지뢰만 탐지 가능하고, 목함지뢰 등 금속 재질이 아닌 지뢰는 탐지 불가능하였다.

이와 같은 기존 지뢰 탐지 기술의 어려움 또는 문제점을 해소하기 위해서, 생물학적 형광 탐지 방법이 개발되었다. 이 방법에 따르면 니트로 화합물에 반영하여 형광 특성을 갖는 바이오센서를 통해 니트로 화합물을 탐지한다. 또한, 니트로 화합물이 매설된 것으로 의심되는 지역에 바이오센서를 분사시킨 후, 레이저 또는 자외선을 조사하여 형광 신호가 검출되면 니트로 화합물이 매설된 것으로 판별할 수 있으므로, 기존 휴대용 장비처럼 근접하여 탐지할 필요가 없다.

하지만, 광범위한 지역을 보다 신속 정확하게 탐지한 후 탐지 결과를 체계적으로 관리하여 제거 작업에 효율적으로 활용할 수 있게 하는 기술이 아직 개발되어 있지 아니하여서, 아직은 실제 활용하기에 부족함이 있었다.

즉, 니트로 화합물에 반응하는 바이오센서를 이용하여 니트로 화합물의 존재 여부를 판별할 수 있으나, 광범위한 지역을 위험 없이 신속 정확하게 탐지하려면, 원거리 탐지 기술이 필요하다.

또한, 바이오센서는 여기광에 의해 형광 발현되므로, 원거리 여기 및 원거리 형광 검출 기술이 필요하고, 탐지 위치를 지리적 위치로 정확하게 매핑시켜 제거 작업에 효율적으로 활용할 수 있어야 하며, 보다 안전한 제거 작업을 위해서 탐지 위치를 영상으로 확인하며 제거 작업을 수행하게 하여야 한다.

하지만, 이와 관련한 기술은 아직 개발되어 있지 않았다.

KR 10-2019-0004607 A 2019.01.14. KR 10-1387493 B1 2014.04.15. KR 10-1391627 B1 2014.04.28.

따라서, 본 발명은 광범위한 지역에 살포한 바이오센서 중에 탐지할 타겟에 반응한 바이오센서를 원거리에서 신속 정확하게 탐지하여, 타겟 위치가 지리적 위치로 정확하게 표출된 GIS 맵을 제공할 수 있으며, 바이오센서가 형광 발현될 시의 영상을 보여줄 수 있는 원거리 형광 발현 탐지 시스템을 제공하는 데 목적을 둔다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탐지할 타겟에 반응하여 형광 발현할 수 있게 되는 바이오센서가 살포된 탐지 지역에서 바이오센서를 통해 타겟의 위치를 탐지하기 위한 원거리 형광 발현 탐지 시스템에 있어서, 자신의 지리적 위치 및 절대방위각을 획득할 위치/방위 획득장치(20); 바이오센서를 형광 발현시킬 여기광을 생성하는 여기 광원(30); 여기광을 조사하며 여기광이 조사된 방향에서 입사되는 형광 빛을 검출하되, 팬/틸트장치(40a)에 의해 방향 조절되어 탐지 지역을 스캔하게 되고, 형광 빛이 검출된 지점까지의 거리를 획득하는 검출단(40); 상기 검출단(40)으로 스캔할 시에 촬영하여, 바이오센서에서 발현된 형광 빛이 표출되는 탐지 지역의 영상을 획득하는 카메라(50); 상기 검출단(40)을 기준으로 한 형광 빛 검출 지점의 상대적 탐지위치를 상기 검출단(40)에서 획득한 거리 및 형광 빛이 검출될 시의 팬/틸트 조절값에 따라 선정하고, 상대적 탐지위치를 상기 위치/방위 획득장치(20)의 위치 및 절대방위각에 따라 GIS 맵 상의 절대적 탐지위치로 보정하며, 절대적 탐지위치를 표시한 GIS 맵과, 상기 카메라(50)로 획득한 영상을 출력하는 제어장치(10); 를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 검출단(40)는 레이저 광을 여기광으로 하여 조사하는 여기광 광학계부(41)와 여기광의 조사 범위를 줌렌즈로 집광하여 형광 빛을 검출하는 검출 광학계부(42)를 상호 평행하며 광축 사이의 간격을 80mm 이하로 되도록 밀착되게 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 검출단(40)는 25~35m 범위 내에서 미리 정한 원거리의 조사 범위가 20~30cm의 광지름을 갖도록 여기광을 조사하고, 조사 범위를 집광하여 조사 범위의 주변 광 입사를 차단한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제어장치(10)는 상대적 탐지위치를 절대적 탐지위치로 보정할 시에, 상기 위치/방위 획득장치(20)와 검출단(40) 사이의 위치 차이를 반영한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 검출단(40)은 여기광을 펄스 모드로 조사하고, 펄스 모드에 동기화시킨 Lock-In Amplifier를 이용하여 펄스 모드로 형광 빛을 검출한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 위치/방위 획득장치(20)는 상호 이격시킨 2대 DGPS 수신기에서 각각 획득한 지리적 좌표 및 2대 DGPS 수신기의 배치에 따라 정한 기설정 방향의 절대방위각을 획득한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 검출단(40)은 여기광을 조사한 이후 형광 빛 검출 시점까지의 시간차에 따라 거리를 획득한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 카메라(50)는 상기 팬/틸트장치(40a)의 팬/틸트 동작에 연동하여 스캔 방향을 향해 촬영한 부분 영상을 스캔 속도에 맞춰 순차적으로 획득한 후 합성하고, 상기 제어장치(10)는 합성하여 얻는 탐지 지역 전체의 영상을 출력한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 차량 탑재용으로 구성하여 이동 탐지할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 여기광을 조사하며 조사된 방향에서 입사되는 형광 빛을 검출하는 스캔 동작에 의해서, 원거리에서도 타겟에 반응한 바이오센서를 정확하게 탐지할 수 있고, 원거리의 광범위한 지역을 스캔하여 신속하게 탐지할 수 있으며, 아울러, 지리적 맵에 정확하게 표출하기 위한 구성도 갖추고, 검출단와 연동한 카메라를 통해 형광 발현될 시의 영상도 획득하여서, 탐지 결과의 활용도를 높였다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 원거리 탐지를 위한 광학계를 갖추어서, 탐지 위치를 보다 정확하게 얻을 수 있고, 정확한 위치 및 정확한 방위에 따라 탐지 위치를 표출하고, 원거리에서 탐지함에 따라 유입될 수 있는 노이즈 광을 원천적으로 차단하여, 탐지 오류도 방지할 수 있어서, 위험 없이 안전하게 제거 작업을 수행할 수 있는 탐지 결과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템의 사용 상태도.
도 2는 원거리 형광 발현 탐지 시스템이 탑재된 차량을 내부 투시하며 도시한 측면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템의 블록 구성도.
도 4는 여기광 광학계부(41) 및 검출 광학계부(42)의 광학적 특성을 설명하기 위한 도면.

본 발명에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템은 탐지할 타겟에 반응하여 여기광에 의해 형광 발현할 수 있게 되는 바이오센서가 살포된 지역을 광학적으로 관찰하여, 바이오센서를 통해 타겟의 유무를 판별하고 타겟의 탐지 위치를 GIS 맵 상에 정확하게 매핑시키며, 바이오센서가 형광 발현될 시에 촬영하여 바이오센서에서 발현된 형광 빛이 표출되는 탐지 지역의 영상을 획득하는 시스템이다.

여기서, 바이오센서는 안전을 위해 원거리 탐지할 필요가 있는 지뢰, 폭발물 등의 니트로 화합물을 타겟으로 하여서, 니트로 화합물에 근접할 시에 반응하여 형광 특성을 갖는 것으로 할 수 있으며, 본 발명의 실시 예 설명에서는 니트로 화합물 탐지용 바이오센서를 사용하는 것으로 설명한다.

이러한 바이오센서는 타겟에 반응하여 형광 발형할 수 있는 형광 특성을 갖게 되므로, 타겟에 반응한 바이오센서를 여기시킬 여기광을 조사하여 형광 발현시킬 수 있고, 형광 빛을 검출하여 타겟의 유무를 판별할 수 있다.

본 발명에 따르면, 타겟의 탐지위치를 GIS 맵 상에 정확하게 매핍하기 위해서, 탐지 지역으로부터 원거리에 있는 본 발명에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템의 지리적 좌표 및 절대방위각을 획득하여 GIS 맵 상의 위치를 얻은 상태에서, 여기광으로 형광 발현시킨 바이오센서의 상대적 탐지위치를 선정한 후 GIS 맵 상의 절대적 탐지위치로 보정하여 GIS 맵에 표출하며, 여기광 조사하며 형광 빛을 검출하는 중에 촬영하여 가시적 영상으로도 표출한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템의 사용 상태이다.

도 2는 원거리 형광 발현 탐지 시스템이 탑재된 차량을 내부 투시하며 도시한 측면도이다.

상기 도 1 및 도 2에 도시한 실시 예는 탐지 지역에 살포한 바이오센서를 이용하여 니트로 화합물의 위치를 매핑하기 위한 원거리 형광 발현 탐지 시스템으로 운용되고 있는 상황을 보여준다.

이에 따르면, 원거리 형광 발현 탐지 시스템이 탑재된 차량(5)이 탐지 지역(1)으로부터 원거리에 있는 위치에서 탐지 지역(1)을 광학적으로 탐색하여, 살포장치(4)에 의해서 탐지 지역(1)에 살포된 바이오센서(3, 3') 중에 니트로 화합물(2)에 근접하여 반응한 바이오센서(2')를 탐지한다.

예를 들어, 바이오센서(3, 3')는 여기광이 조사되더라도 형광 발현하지 않고 소광 상태로 있다가 니트로 화합물(2)에 반응하면 여기광에 의해 형광 발현할 수 있는 상태로 변화하는 것을 사용할 수 있다. 예를 들은 바이오센서(3, 3')는 니트로 화합물(2)이 흡착될 시에 양자점과 형광물질 사이의 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 현상이 발생되고, 양자점을 여기시키면 양자점과 형광물질 사이의 FRET 현상에 따른 비복사 에너지 전이에 의해서 형광물질이 형광 발현하여 고유 파장대의 형광 빛을 방출한다. 여기서, 양자점은 넓은 흡수 스펙트럼을 갖고 있어서, 여기시킬 파장대의 선택폭이 넓다.

이러한 바이오센서(3, 3')는 바이러스 기반 센서와 박테리아 기반 센서로 구분되며, 가능하면 극미량에도 반응할 수 있는 것을 사용하면 좋고, 아울러, 생분해성 마이크로 비드의 표면에 결합하여, 마이크로 비드를 살포하는 방식으로 함으로써, 환경 친화적이고 탐지 효유성도 증대시키는 것이 좋다.

일반적으로 바이오센서(3, 3')는 레이저 또는 자외선에 의해 여기되어 고유의 협대역 파장대 형광 빛을 방출하는데, 본 발명의 실시 예에 따르면 니트로 화합물이 있는 위치를 원거리에서 정확하게 탐지하기 위해서 레이저를 여기광으로 한다.

살포장치(4)는 예를 들어 바이오센서(3, 3')를 결합한 마이크로 비드를 혼합한 액체를 탐지 지역(1)에 분사하는 장치라 할 수 있으며, 지뢰 탐지할 탐지 지역(1)의 상공에서 안전하게 살포할 수 있도록 드론을 활용하여 살포할 수 있고, 아니면 원거리에 살포할 수 있는 분무 장치로 구성하여 차량을 활용하여 살포할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템의 블록 구성도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템은 이와 같이 탐지 지역(1)에 살포한 바이오센서(3, 3') 중에 니트로 화합물(2)에 반응한 바이오센서(3')를 통해 니트로 화합물(2)의 위치를 정확하게 파악하여 GIS 맵 상에 정확하게 표출하고, 탐지 지역(1)의 영상도 표출하며, 이를 위해서, 위치/방위 획득장치(20), 여기 광원(30), 검출단(40), 카메라(50) 및 제어장치(10)를 포함하고, 이동 탐지할 수 있도록 차량(5)에 탑재되게 구성된다.

상기 위치/방위 획득장치(20)는 자신의 지리적 위치 및 절대방위각을 획득하며, 이를 위해서 방위 측정 기능을 겸비한 GPS 수신기로 구성될 수 있으나, 본 발명에 따르면, 지리적 위치 및 절대방위각을 정확하게 측정하기 위해서, 간격을 두고 배치한 2대의 DGPS 수신기(Differential GPS, 21)로 구성된다.

예시적으로 DGPS 수신기(21)는 차량(5)의 루프(roof) 상에 전후 간격을 두고 하나씩 설치될 수 있으며, GPS 오차 보정 기술이 적용되어 지리적 위치 오차를 줄임은 물론이고, 정확한 2대의 위치에 따라 방위를 얻을 수 있게 하였다.

예를 들어, 정북 방향을 기준 벡터로 하고, 절대방위각은 2대 DGPS 수신기(21)를 잇는 방향이 기준 벡터와 이루는 각도로 정할 수 있으나, GIS 맵과 사전 약속된 좌표계의 기준 벡터이면 만족하고, 2대 DGPS 수신기(21)를 중심으로 하는 기설정 방향과 기준 벡터 사이의 각도로 정하면 만족한다.

이에, 2대 DGPS 수신기(21)에서 각각 획득한 지리적 좌표에 따라 좌표계의 기 설정 방향이 정해지므로, 좌표계의 기준 벡터와 이루는 절대방위각을 얻을 수 있다.

상기 여기 광원(30)은 니트로 화합물(2)에 반응한 바이오센서를 형광 발현시킬 여기광을 생성하여 상기 검출단(40)으로 보내는 구성으로서, 레이저 다이오드를 이용하여 여기광을 생성하여 광케이블을 통해 상기 검출단(40)에 보내도록 구성할 수 있다.

다만, 상기 검출단(40)을 통해 외부로 조사할 시에 바이오센서(3')에 의한 형광 빛과 반사에 의한 여기광이 함께 검출되므로, 형광 빛을 용이하게 분리하기 위해서는 여기광 파장은 바이오센서(3')의 형광 빛 파장과의 차이를 충분히 갖게 하였다. 예를 들어, 바이오센서(3')의 형광 빛이 520nm 중심 파장과 60nm 선폭을 갖는 경우, 여기광은 450nm 중심 파장과 40nm 선폭을 갖도록 상기 여기 광원(30)을 구성하면 된다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 여기 광원(30)은 여기광 구동드라이버를 펄스 모드로 동작하여, 기설정 주기로 여기광을 생성하고, 이러한 여기광을 상기 검출단(40)을 통해 조사되게 함으로써, 진폭 변조(Amplitude Modulation)된 여기광으로 바이오센서(3')를 형광 발현시킨다. 이에, 후술하는 바와 같이 검출 광학계부(42)에서 펄스 모드에 동기화시킨 Lock-In Amplifier를 이용하여 형광 빛을 검출함으로써, 노이즈 광을 최대한 줄이며 바이오센서(3')의 형광 빛을 검출할 수 있게 한다.

상기 검출단(40)은 상기 여기 광원(30)에서 생성된 여기광을 외부로 조사하는 여기광 광학계부(41), 여기광이 조사된 방향에서 입사되는 형광 빛을 검출하는 검출 광학계부(42) 및 형광 빛이 검출된 지점까지의 거리를 획득하는 거리 계측부(43)를 포함한다.

상기 여기광 광학계부(41)는 여기광을 투과시켜 조사되게 할 밴드패스 필터와, 원거리의 탐지 지역(1)에 형성할 조사 범위의 광지름을 협소하게 할 광학 렌즈를 구비한다. 즉, 원거리의 탐지 지역(1)에 존재하는 지뢰, 폭발물 등의 니트로 화합을 하나씩 개별적으로 탐지하기 위해서 원거리의 조사 범위를 매우 협소하게 하며, 의도하는 파장대의 여기광만 조사 범위에 집중하여 조사되게 한다. 이때의 조사 범위는 니트로 화합물의 크기를 고려하여 적절하게 선정하면 좋다.

상기 검출 광학계부(42)는 상기 여기광 광학계부(41)에 의해서 탐지 지역(1)에 형성된 조사 범위를 원거리에서 촬영하기 위해서 집광하는 줌렌즈, 줌렌즈로 집광한 바이오센서(3') 형광 빛의 검출에 적합하게 광량을 조절하기 위한 조리개, 조리개를 통과한 광 중에 여기광은 반사시키고 바이오센서(3')의 형광 빛은 투과시키기 위한 이색성 거울, 이색성 거울을 투과한 바이오센서(3')의 형광 빛 파장대를 선별적으로 투과시키기 위한 밴드 패스 필터, 밴드 패스 필터를 투과한 바이오센서(3')의 형광 빛을 수광하여 전기적 신호를 생성할 광센서, 및 상기 여기 광원(30)의 펄스 모드에 동기화시켜 증폭하게 한 Lock-In Amplifier를 포함하여 구성된다.

여기서, 줌렌즈는 가능하면 여기광의 조사 범위로 한정하여 집광하게 함으로써, 여기광의 조사 범위에서 벗어난 주변 영역에서 발생하여 입사되는 노이즈 광을 차단하고, 여기광에 의해서 바이오센서(3')에 발현된 형광 빛을 선명하게 검출하게 한다.

조리개는 바이오센서(3')의 형광 빛을 검출하기에 적합하도록 셋팅하여 두면 된다.

이색성 거울은 예를 들어 상기에서 예시한 450nm 여기광과 520nm 형광 빛 사이의 파장 중에 대략 480nm를 경계로 하여 480nm이하를 반사시키고 480nm를 초과하는 파장대를 투과시키게 하면, 효과적으로 여기광을 필터링할 수 있게 된다. 이후, 520nm 형광 빛을 밴드 패스 필터로 얻으므로, 여기광에 의한 바이오센서(3')의 형광 빛을 검출할 수 있게 된다.

한편, 이색성 거울에 의해 반사된 여기광을 검출할 광센서를 구비하여서, 후술하는 바와 같이 반사광을 이용하여 거리 측정할 수 있게 하여도 좋다.

Lock-In Amplifier는 상기 여기 광원(30)의 펄스 모드에 동기화되게 함으로써, 여기광을 진폭 변조(Amplitude Modulation)하기 위해 사용된 신호를 Reference 신호로 하여, 광센서로 얻는 신호를 증폭한다. 이에, Lock-In Amplifier는 상기 여기 광원(30)과 동일하게 펄스 모드로 증폭하여, 밴드 패스 필터의 투과 파장대에 섞인 노이즈를 억제한 형광 빛을 얻을 수 있다.

상기한 바와 같이 원거리의 협소한 조사 범위에 여기광을 조사하고, 그 조사 범위에서 여기광에 의해 발생한 형광 빛을 검출하려면, 광학계부(41, 42) 간격, 탐지 거리 및 조사 범위 광지름을 고려하여 상기 여기광 광학계부(41) 및 검출 광학계부(42)를 설계되어야 한다.

도 4는 여기광 광학계부(41) 및 검출 광학계부(42)의 광학적 특성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 원거리 형광 발현 탐지 시스템은 최소 10m에서 최대 35m 거리의 지뢰 또는 폭발물을 정확하게 탐지하기 위해서, 광축이 상호 평행하게 되도록 상기 여기광 광학계부(41)와 검출 광학계부(42)가 배치되어 있되, 광축 사이의 간격(d)을 80mm 이하로 되도록 상호 밀착되게 하였다. 즉, 광축 사이의 간격이 커질수록 조사 범위를 포함하게 형성할 집광 범위도 넓어지므로, 집광 범위를 가능하면 좁게 하면서 탐지 거리 범위 내의 니트로 화합물을 정확하게 검출하기 위해서는 80mm 이하로 하는 것이 적절하다. 물론, 광축 간격을 줄일수록 좋지만, 원거리 탐지를 위한 양측 광학계부(41, 42)의 부피에 의해서 줄이는 데 한계가 있다. 그렇지만 탐지 거리를 감안하여, 적어도 80mm를 넘지 않게 하여야 한다.

또한, 지뢰 또는 폭발물의 일반적 크기를 감안하고, 스캔 속도도 감안하면 20~30cm 광지름(R)의 조사 범위를 갖게 하는 것이 적절하다. 이와 같은 광지름(R)의 범위는 타겟 위치를 개별적으로 탐지하면서 스캔 속도도 최대한 보장할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 광축의 간격을 고려하여, 25~35m의 범위 내에서 미리 정한 기준 원거리(L)에 20~30cm의 광지름(R)을 갖는 조사 범위(A)를 형성하도록, 상기 여기광 광학계부(41)를 구성하였다. 이에, 최소 10m에서 최대 35m까지의 타겟을 검출함에 있어서, 동일 면적에 도달하는 여기광 에너지가 거리의 제곱에 반비례하더라도 목표로 하는 최대 거리의 바이오센서까지도 충분히 여기시키고, 집광 영역도 최소한도로 줄일 수 있다.

상기 도 4에 예시한 구체적인 실시 예는, 지뢰 탐지의 안전을 위해 탐지 지역으로 30m 거리를 상기한 기준 원거리(L)로 하고, 23~25cm의 광지름(R)을 갖는 조사 범위(A)로 여기광 조사하게 하였으며, 양측 광학계부(41, 42)의 광축 간격은 70mm로 한 예이다. 도시된 바와 같이 검출 광학계부(42)로 집광할 영역은 조사 범위(A)를 포함하기 위해 협소하게 잡더라도 충분함을 알 수 있다. 즉, 조사 범위(A)를 집광하여, 주변 노이즈 광의 입사를 최대한 줄일 수 있으므로, 여기광에 의해 발현된 형광 빛을 보다 정확하게 검출할 수 있게 된다.

상기 거리 계측부(43)는 형광 발현한 바이오센서(3')까지의 거리를 획득하는 구성요소로서, 여기광을 조사한 이후 반사된 여기광의 검출 시점까지의 시간차에 따라 거리를 측정하는 방식과, 여기광을 조사한 이후 바이오센서(3')에서 형광 발현하여 형광 빛을 검출하게 된 시점까지의 시간차에 따라 거리를 측정하는 방식 중에 어느 하나의 방식으로 동작하게 구성될 수 있다.

반사된 여기광을 이용하는 방식을 적용하더라도 상기한 바와 같이 협소한 광지름을 갖도록 여기광을 조사하므로, 허용할 수 있는 정도의 오차 범위 이내로 거리를 측정할 수 있다. 물론, 형광 빛이 검출될 시에만 여기광을 이용하여 거리 측정한다.

그렇지만, 바이오센서(3')에서 발현된 형광 빛을 이용하여 거리를 측정하는 것이 더욱 정확하므로, 본 발명의 실시 예에서는 형광 빛을 이용하여 거리를 측정하게 구성하였다.

이와 같이 구성되는 상기 검출단(40)은 팬/틸트장치(40a)에 의해 탐지 지역(1)을 향하게 한 후, 상기한 광지름으로 조사하며 탐지 지역(1) 전체를 스캔하게 하였고, 아울러, 원거리 형광 발현 탐지 시스템을 가동하지 않을 시에 차량(5)의 내부에 안정하게 있게 하고, 가동할 시에만 리프트(40b)를 가동시켜 차량의 루프 위에 노출되게 하였다.

상기 카메라(50)는 팬/틸트장치(40a)를 가동시켜 상기 검출단(40)으로 탐지 지역(1)을 스캔할 시에 탐지 지역(1)를 촬영하여, 니트로 화합물(2)에 반응한 바이오센서(3')에서 발현한 형광 빛이 표출되는 영상을 획득한다.

그런데, 형광 빛은 여기광을 조사되는 중에 선명하게 검출되므로, 후술하는 제어장치(10)에 의해서 상기 팬/틸트장치(40a)의 팬/틸트 동작에 연동하여, 스캔 방향의 부분 영상을 얻는다. 즉, 스캔 방향을 향해 촬영한 부분 영상을 스캔 속도에 맞춰 순차적으로 획득한다. 그리고, 스캔을 마친 후에는 부분 영상을 합성하여, 탐지 지역(1) 전체의 영상을 획득하고, 제어장치(10)에 전달한다.

이러한 상기 카메라(50)는 파노라마 카메라로 구성되는 것이 좋다.

상기 제어장치(10)는 사용자 인터페이스(10a)에 의해 지정된 탐지 지역(1)을 탐지하고, 탐지 결과를 디스플레이어(10b)에 화면 출력하며, 이를 위해서, 연동 제어부(11), 상대적 탐지위치 선정부(12), 절대적 탐지위치 연산부(13), 지도 매핑부(14) 및 영상처리부(15)를 포함한다.

여기서, 탐지 지역(1)의 지정은 예를 들어 차량의 위치 및 방위를 상기 위치/방위 획득장치(20)로 얻은 지리적 위치 및 절대적방위에 따라 얻어 GIS 맵 상에 표출한 영상을 디스플레이어(10b)에 출력한 후 탐지 지역(1)을 사용자 인터페이스(10a)로 지정하게 하는 방식으로 할 수 있다.

그리고, 탐지 지역(1)이 지정되면, 상기 연동 제어부(11)는 팬/틸트장치(40a)를 가동시켜 탐지 지역(1)의 일측을 향하게 한 후, 여기 광원(30) 및 검출단(40)을 동작 시작하게 하고, 팬/틸트를 조절하여 탐지 지역(1)을 스캔하게 하며, 동시에 카메라(50)도 동작시켜, 스캔하며 촬영하게 한다. 물론, 검출단(40)은 사전에 리프트(40b)를 가동시켜 차량(5)의 루프 위에 있게 한다.

이에, 상기 검출단(40)은 여기광을 조사하며 형광 빛을 검출하는 조사 범위를 탐지 지역(1) 내에서 위치 바꿔가며 스캔하는 동작을 수행하고, 동시에, 상기 카메라(50)는 조사 범위를 향한 부분 영상을 스캔 속도에 맞춰 순차적으로 얻는다. 그리고, 상기 검출단(40)은 여기광에 의한 형광 빛이 검출되면, 형광 빛이 검출된 지점까지의 거리를 계측한다.

상기 상대적 탐지위치 선정부(12)는 상기 검출단(40)으로부터 형광 빛이 검출되어 거리가 계측되면, 형광 빛이 검출된 시점의 팬/틸트 조절값을 상기 연동제어부(11)로부터 넘겨받아, 거리 및 팬/틸트 조절값에 따라 상대적 탐지위치를 선정한다. 이때의 상대적 탐지위치는 상기 검출단(40)을 기준으로 한 형광 빛 검출 지점의 상대적 위치이다. 물론, 상기 검출단(40)은 팬/틸트장치(40a)에 의해 방향이 조절되므로, 팬/틸트장치(40a)를 기준으로 한 상대적 위치로 간주할 수 있다. 이때의 기준은 팬/틸트장치(40a)의 초기 팬/틸트 방향으로 정할 수 있다.

상기 절대적 탐지위치 연산부(13)는 상대적 위치를 상기 위치/방위 획득장치(20)의 측정 결과에 따라 GIS 맵 상의 절대적 탐지위치로 보정한다. 예를 들어, 검출단(40)의 좌표 기준과 위치/방위 획득장치(20)의 좌표 기준을 일치시키고, 위치/방위 획득장치(20)의 지리적 위치 및 절대방위각에 따라 상대적 탐지위치를 GIS 맵 상의 위치로 보정할 수 있다. 여기서, GIS 맵은 국토 지리 정보원의 2D 지도 API를 이용하여 사용할 수 있다.

그런데, 차량(5)에 탑재한 검출단(40)과 위치/방위 획득장치(20)는 탑재 위치가 상이하므로, 상대적 탐지위치를 절대적 탐지위치로 보정할 시에, 상기 위치/방위 획득장치(20)와 검출단(40) 사이의 위치 차이를 반영한다. 즉, 양측 좌표 기준을 일치시키는 과정에서 위치 차이를 반영한다.

상기 지도 매핑부(14)는 상기에서 획득한 절대적 탐지위치를 GIS 맵 상에 매핑시켜서, 바이오센서를 통해 탐지한 니트로 화합물의 위치가 표출되어 있는 GIS 맵을 생성하고, 디스플레이어(40b)에 출력한다. 물론, 스캔 중에 니트로 화합물이 하나씩 탐지될 때마다 GIS 맵 상에 추가 표출하게 하여도 좋다.

상기 영상 처리부(15)는 상기 카메라(50)로부터 촬영 영상을 전달받아 디스플레이어(40b)에 출력한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따르면, 팬/틸트장치(40a)에 의해 조절된 스캔 방향에 따라 부분 영상을 획득한 후 합성하여 탐지 지역(1) 전체의 영상을 얻으므로, 상기 영상 처리부(15)는 합성한 영상 내의 부분 영상 위치에 지리적 위치를 표출하는 영상을 출력하도록 상기 지도 매핑부(14)와 연계하는 것이 좋다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 탐지 지역 2 : 니트로 화합물
3,3' : 바이오센서 4 : 살포장치
5 : 차량
10 : 제어장치
10a : 사용자 인터페이스 10b : 디스플레이어
11 : 연동제어부 12 : 상대적 탐지위치 선정부
13 : 절대적 탐지위치 연산부 14 : 지도 매핑부
15 : 영상 처리부
20 : 위치/방위 획득장치
21 : DGPS 수신기
30 : 여기 광원
40 : 검출단
40a : 팬/틸트장치 40b : 리프트
41 : 여기광 광학계부 42 : 검출 광학계부
43 : 거리 계측부
50 : 카메라

Claims

탐지할 타겟에 반응하여 형광 발현할 수 있게 되는 바이오센서가 살포된 탐지 지역에서 바이오센서를 통해 타겟의 위치를 탐지하기 위한 원거리 형광 발현 탐지 시스템에 있어서,
자신의 지리적 위치 및 절대방위각을 획득할 위치/방위 획득장치(20);
바이오센서를 형광 발현시킬 여기광을 생성하는 여기 광원(30);
여기광을 조사하며 여기광이 조사된 방향에서 입사되는 형광 빛을 검출하되, 팬/틸트장치(40a)에 의해 방향 조절되어 탐지 지역을 스캔하게 되고, 형광 빛이 검출된 지점까지의 거리를 획득하는 검출단(40);
상기 검출단(40)으로 스캔할 시에 촬영하여, 바이오센서에서 발현된 형광 빛이 표출되는 탐지 지역의 영상을 획득하는 카메라(50);
상기 검출단(40)을 기준으로 한 형광 빛 검출 지점의 상대적 탐지위치를 상기 검출단(40)에서 획득한 거리 및 형광 빛이 검출될 시의 팬/틸트 조절값에 따라 선정하고, 상대적 탐지위치를 상기 위치/방위 획득장치(20)의 위치 및 절대방위각에 따라 GIS 맵 상의 절대적 탐지위치로 보정하며, 절대적 탐지위치를 표시한 GIS 맵과, 상기 카메라(50)로 획득한 영상을 출력하는 제어장치(10);
를 포함하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 검출단(40)는
레이저 광을 여기광으로 하여 조사하는 여기광 광학계부(41)와 여기광의 조사 범위를 줌렌즈로 집광하여 형광 빛을 검출하는 검출 광학계부(42)를 상호 평행하며 광축 사이의 간격을 80mm 이하로 되도록 밀착되게 구성한
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 검출단(40)는
25~35m 범위 내에서 미리 정한 원거리의 조사 범위가 20~30cm의 광지름을 갖도록 여기광을 조사하고, 조사 범위를 집광하여 조사 범위의 주변 광 입사를 차단하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어장치(10)는
상대적 탐지위치를 절대적 탐지위치로 보정할 시에, 상기 위치/방위 획득장치(20)와 검출단(40) 사이의 위치 차이를 반영하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 검출단(40)은
여기광을 펄스 모드로 조사하고, 펄스 모드에 동기화시킨 Lock-In Amplifier를 이용하여 펄스 모드로 형광 빛을 검출하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 위치/방위 획득장치(20)는
상호 이격시킨 2대 DGPS 수신기에서 각각 획득한 지리적 좌표 및 2대 DGPS 수신기의 배치에 따라 정한 기설정 방향의 절대방위각을 획득하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 검출단(40)은
여기광을 조사한 이후 형광 빛 검출 시점까지의 시간차에 따라 거리를 획득하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 카메라(50)는
상기 팬/틸트장치(40a)의 팬/틸트 동작에 연동하여 스캔 방향을 향해 촬영한 부분 영상을 스캔 속도에 맞춰 순차적으로 획득한 후 합성하고,
상기 제어장치(10)는
합성하여 얻는 탐지 지역 전체의 영상을 출력하는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.
제 1항에 있어서,
차량 탑재용으로 구성하여 이동 탐지할 수 있는
원거리 형광 발현 탐지 시스템.