KR102141735B1 - Laser transceiver using intruder detection and method for detecting intruder - Google Patents

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Abstract

침입자 탐지에 사용되는 레이저 송수신기 및 침입자 탐지 방법이 개시된다. 개시된 레이저 송수신기는 대상 객체에 침입하는 침입자 탐지에 사용되는 레이저 송수신기로서, 레이저 송수신기 A로 송신 신호를 송신하는 레이저 송신부;를 포함하되, 상기 레이저 송신부는, 단측파대의 레이저 펄스 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 생성된 단측파대의 레이저 펄스 신호 A에 대해 필터링을 수행하는 캐패시터를 포함한 적어도 하나의 필터부; 및 상기 적어도 하나의 필터부에서 각각 출력된 단측파대의 레이저 펄스 신호를 송신하는 적어도 하나의 레이저 다이오드;를 포함하고, 상기 송신 신호는 상기 적어도 하나의 레이저 다이오드에서 출력된 신호이다. Disclosed are a laser transceiver and an intruder detection method used for intruder detection. The disclosed laser transceiver is a laser transceiver used to detect an intruder who invades a target object, and includes a laser transmitter that transmits a transmission signal to the laser transceiver A, wherein the laser transmitter generates a signal that generates a laser pulse signal of a single sideband. part; At least one filter unit including a capacitor that performs filtering on the laser pulse signal A of the generated single-sided band; And at least one laser diode that transmits a laser pulse signal of a single sideband output from the at least one filter unit, respectively, and the transmission signal is a signal output from the at least one laser diode.

Description

침입자 탐지에 사용되는 레이저 송수신기 및 침입자 탐지 방법{Laser transceiver using intruder detection and method for detecting intruder}Laser transceiver using intruder detection and method for detecting intruder

본 발명의 실시예들은 오탐지 확률과 미탐지 확률이 0인 레이저를 이용한 침입자 탐지 방법 및 이를 수행하는 레이저 송수신기에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relates to an intruder detection method using a laser having a false positive probability and a false positive probability and a laser transceiver performing the same.

일반적으로, 레이저 발생기를 사용하여 검출기로 구별 할 수 있는 충분한 전력으로 빔을 보내고, 샘플링 주기 동안 빔이 완전히 켜지거나 꺼지면 탐지기로 침입자를 탐지할 수 있다. 특히, 검출기로 구별할 수 있는 충분한 전력으로 빔을 보내고, 샘플링 주기 동안 침입자에 의해서 시준선이 교란되어서 빔이 센서에 완전히 도달하지 않는다면, 이 문제는 통신 분야에서 해결된 검출 문제가 된다. 하지만 숙련된 침입자는 이러한 시스템을 쉽게 속일 수 있다. In general, a laser generator is used to send a beam with sufficient power to be distinguished by a detector, and if the beam is completely turned on or off during the sampling period, an intruder can be detected by the detector. In particular, if the beam is sent with sufficient power to be distinguished by the detector, and if the beam does not reach the sensor completely because the line of sight is disturbed by the intruder during the sampling period, this problem becomes a detection problem solved in the communication field. However, an experienced intruder can easily fool such a system.

종래 기술의 경우, 일반적으로 대상 객체(일례로, 집, 군사 시설 등)을 방어하기 위해, 대상 객체의 주위에 마이크로파 신호를 송수신하는 마이크로파 송수신기를 울타리처럼 배치하고, 특정 타겟에 의해서 마이크로파 신호의 시준선이 교란되면, 수신된 마이크로파 신호의 줄어든 에너지량의 정도가 문턱 보다 큰 경우 침입자가 있다고 판단된다. In the case of the prior art, in order to generally defend a target object (eg, a house, a military facility, etc.), a microwave transceiver that transmits and receives a microwave signal around the target object is placed like a fence, and the line of sight of the microwave signal by a specific target If this disturbance occurs, it is determined that there is an intruder when the amount of reduced energy of the received microwave signal is greater than a threshold.

이러한 종래의 기술은 몇 가지 위험한 환경에서 침입자를 탐지하는 데 효과적이지 못하다. 예를 들어, 국경을 방어하는 경우 탐지기의 오탐지 확률과 미탐지 확률은 각각 0 이어야 한다. 그렇지 않으면 잘못된 경보에 따라 초병이 혼란에 빠질 수 있고, 침입자를 감지하지 못하는 경우 보초에게 약간의 손실이 발생하거나 심지어 생명을 잃을 수 있다. 다른 예로, 집의 안전을 지키는 탐지기의 오탐지 확률과 미탐지 확률이 높은 경우 집의 내부에 있는 사람들을 위험에 빠지게 할 수 있다. 따라서, 오탐지 확률과 미탐지 확률이 0인 탐지기를 개발하는 것은 중요하다. This conventional technique is not effective in detecting intruders in some hazardous environments. For example, when defending a border, the probability of a false positive and a false positive of a detector must be zero. Otherwise, the erroneous alarm can lead to confusion, and if the intruder is not detected, some damage to the sentry or even life is lost. As another example, if the probability of false positives and false positives of a detector that keeps your home safe is high, you can put people inside your home at risk. Therefore, it is important to develop a detector with a false positive probability and a zero false detection probability.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 오탐지 확률과 미탐지 확률이 0인 레이저를 이용한 침입자 탐지 방법 및 이를 수행하는 레이저 송수신기를 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention proposes a method for detecting an intruder using a laser having a false positive probability and a false detection probability of 0, and a laser transceiver performing the same.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention may be derived by those skilled in the art through the following examples.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 대상 객체에 침입하는 침입자 탐지에 사용되는 레이저 송수신기에 있어서, 레이저 송수신기 A로 송신 신호를 송신하는 레이저 송신부;를 포함하되, 상기 레이저 송신부는, 단측파대의 레이저 펄스 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 생성된 단측파대의 레이저 펄스 신호 A에 대해 필터링을 수행하는 캐패시터를 포함한 적어도 하나의 필터부; 및 상기 적어도 하나의 필터부에서 각각 출력된 단측파대의 레이저 펄스 신호를 송신하는 적어도 하나의 레이저 다이오드;를 포함하고, 상기 송신 신호는 상기 적어도 하나의 레이저 다이오드에서 출력된 신호인 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기가 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention to achieve the above object, the laser transceiver used for detecting an intruder invading a target object, a laser transmitter for transmitting a transmission signal to the laser transceiver A; includes, but the laser The transmitter comprises: a signal generator for generating a laser pulse signal of a single-sided band; At least one filter unit including a capacitor that performs filtering on the laser pulse signal A of the generated single-sided band; And at least one laser diode that transmits a laser pulse signal of a single sideband output from each of the at least one filter unit, wherein the transmission signal is a signal output from the at least one laser diode. A transceiver is provided.

상기 신호 생성부는 상기 적어도 하나의 필터부에 포함된 캐패시터 및 상기 적어도 하나의 레이저 다이오드와 병렬로 연결될 수 있다. The signal generation unit may be connected in parallel with the capacitor included in the at least one filter unit and the at least one laser diode.

상기 레이저 송수신기는 레이저 송수신기 B로부터 송신된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 대한 SNR를 측정하여 상기 침입자가 침입하였는지 여부를 판단하는 수신부;를 더 포함하되, 상기 송신된 신호는 서로 다른 위상을 가지는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 포함하고, 상기 수신된 신호는 상기 송신된 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 상기 침입자의 교란에 따른 잡음 신호를 포함할 수 있다. The laser transceiver further includes a receiving unit that receives a signal transmitted from the laser transceiver B and measures the SNR of the received signal to determine whether the intruder has invaded, but the transmitted signals have different phases. The branch includes a laser pulse signal of at least one single-sided band, and the received signal may include the transmitted signal, an additive Gaussian white noise signal, and a noise signal according to the disturbance of the intruder.

상기 수신부는 상기 수신된 신호에서 측정된 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 침입자가 침입한 것으로 판단하되, 상기 SNR는 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다. When the SNR measured in the received signal is equal to or less than a predetermined threshold, the receiver determines that the intruder has invaded, and the SNR can be expressed by the following equation.

Figure 112018077811939-pat00001
Figure 112018077811939-pat00001

여기서, SNR(r)는 상기 수신된 신호에 대한 SNR, R는 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수, E는 상기 R와 상기 침입자가 침입하지 않는 경우에 상기 수신부로 수신되는 신호의 푸리에 변환 계수의 차이 벡터, *는 켤래 복소수의 기호를 각각 의미함. Here, SNR(r) is the SNR for the received signal, R is the Fourier transform coefficient of the received signal, and E is the Fourier transform coefficient of the signal received by the receiver when R and the intruder do not invade. Difference vector, * means each complex number symbol.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프로세서가 포함된 장치에서 수행되며, 대상 객체에 침입하는 침입자를 탐지하는 방법에 있어서, 레이저 송수신기 B로부터 송신된 신호에 대한 수신 신호의 SNR를 측정하는 단계; 및 상기 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 침입자가 침입한 것으로 판단하는 단계;를 포함하되, 상기 송신된 신호는 서로 다른 위상을 가지는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 포함하고, 상기 수신된 신호는 상기 송신된 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 상기 침입자의 교란에 따른 잡음 신호를 포함하며, 상기 SNR는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 침입자 탐지 방법이 제공된다. In addition, according to another embodiment of the present invention, a method performed in a device including a processor and detecting an intruder invading a target object, comprising: measuring an SNR of a received signal for a signal transmitted from a laser transceiver B ; And determining that the intruder has invaded if the SNR is less than or equal to a preset threshold, wherein the transmitted signal includes at least one single-sideband laser pulse signal having a different phase, and the received The signal includes the transmitted signal, the additive Gaussian white noise signal and the noise signal according to the disturbance of the intruder, and the SNR is provided as an intruder detection method characterized in that it is expressed by the following equation.

Figure 112018077811939-pat00002
Figure 112018077811939-pat00002

여기서, SNR(r)는 상기 수신된 신호에 대한 SNR, R는 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수, E는 상기 R와 상기 침입자가 침입하지 않는 경우에 상기 수신부로 수신되는 신호의 푸리에 변환 계수의 차이 벡터, *는 켤래 복소수의 기호를 각각 의미함. Here, SNR(r) is the SNR for the received signal, R is the Fourier transform coefficient of the received signal, and E is the Fourier transform coefficient of the signal received by the receiver when R and the intruder do not invade. Difference vector, * means each complex number symbol.

본 발명에 따르면, 침입자 탐지의 계산 복잡도는 데이터 크기에 대해 선형이며, 마이크로프로세서로도 구현이 가능하며, 오탐지 확률과 미탐지 확률이 0인 장점이 있다. According to the present invention, the computational complexity of intruder detection is linear with respect to the data size, can be implemented with a microprocessor, and has the advantages of false detection probability and zero detection probability.

또한, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
In addition, it should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침입자 탐지 시스템(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 레이저 송수신기 각각의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 시뮬레이션을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 침입자 탐지 시스템의 구현 예를 설명한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 침입자를 탐지하는 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
1 is a diagram showing a schematic configuration of an intruder detection system 100 according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a schematic configuration of each of a plurality of laser transceivers according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a schematic configuration of a transmitting unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a schematic configuration of a receiving unit according to an embodiment of the present invention.
5 to 7 are views for explaining the simulation of the present invention.
8 to 10 are diagrams for explaining an implementation example of the intruder detection system of the present invention.
11 is a flowchart illustrating a method of detecting an intruder according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, a singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “consisting of” or “comprising” should not be construed as including all of the various components, or various steps described in the specification, among which some components or some steps are It may not be included, or it should be construed to further include additional components or steps. In addition, terms such as “... unit” and “module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software. .

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침입자 탐지 시스템(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an intruder detection system 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 대상 객체(110) 주변에 복수의 레이저 송수신기(120)가 특정 간격으로(일례로, 30cm 간격으로) 울타리처럼 배치되며, 하나의 레이저 송수신기(120)에서 송신된 신호를 인접한 다른 하나의 레이저 송수신기(120)에서 수신하고, 다른 하나의 레이저 송수신기(120)는 수신된 신호를 이용하여 침입자가 침입하였지 여부를 판단한다. Referring to FIG. 1, a plurality of laser transceivers 120 are disposed around a target object 110 like a fence at specific intervals (for example, at 30 cm intervals), and adjacent signals transmitted from one laser transceiver 120 are adjacent to each other. It is received from the other laser transceiver 120, and the other laser transceiver 120 determines whether an intruder has invaded using the received signal.

즉, 복수의 레이저 송수신기(120) 각각은, 울타리 내부와 울타리 외부의 두 영역 사이의 경계선으로 침입하는 침입자를 탐지하기 위해서, 인접한 다른 레이저 송수신기(120)로 신호를 송신하고나 수신하며, 신호를 수신한 레이저 송수신기(120)는 수신된 신호를 이용하여 침입자가 침입하였는지 여부를 판단한다. That is, each of the plurality of laser transceivers 120 transmits or receives signals to other adjacent laser transceivers 120 in order to detect an intruder entering the boundary between two areas inside and outside the fence. The received laser transceiver 120 determines whether an intruder has invaded using the received signal.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 레이저 송수신기(120) 각각의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of each of a plurality of laser transceivers 120 according to an embodiment of the present invention.

도 2을 참조하면, 복수의 레이저 송수신기(120) 각각은 동일한 구조를 가질 수 있으며, 송신부(210) 및 수신부(220)를 포함한다. 이 때, 상기에서도 설명한 바와 같이, 송신부(210)는 인접한 다른 레이저 송수신기인 레이저 송수신기 A(일례로, 레이저 송수신기(120)의 좌측에 인접한 레이저 송수신기)로 신호를 전송하는 기능을 수행하고, 수신부(220)는 인접한 또 다른 레이저 송수신기인 레이저 송수신기 B(일례로, 레이저 송수신기(120)의 우측에 인접한 레이저 송수신기)에서 송신된 신호를 수신하여 침입자를 탐지하는 기능을 수행한다. Referring to FIG. 2, each of the plurality of laser transceivers 120 may have the same structure, and includes a transmitter 210 and a receiver 220. At this time, as described above, the transmitter 210 performs a function of transmitting a signal to the laser transceiver A (for example, a laser transceiver adjacent to the left side of the laser transceiver 120), which is another adjacent laser transceiver, and the receiving unit ( 220) detects an intruder by receiving a signal transmitted from another adjacent laser transceiver, the laser transceiver B (for example, the laser transceiver adjacent to the right side of the laser transceiver 120).

이 때, 송신부(210)는 자연에서 존재하는 신호가 아닌 인공적으로 생성된 단측파대 레이저 펄스 신호와 대응되는 송신 신호를 레이저 송수신기 A로 송신한다. 레이저 송수신기 A는 수신된 신호에 기반하여 침입자 탐지를 수행한다. 그리고, 수신부(220)는 레이저 송수신기 B에서 송신된 단측파대 레이저 펄스 신호와 대응되는 수신 신호를 수신하고, 레이저 송수신기 B는 수신 신호를 이용하여 침입자가 침입하였는지 여부를 판단한다. At this time, the transmitter 210 transmits a transmission signal corresponding to an artificially generated single-sided band laser pulse signal, not a signal existing in nature, to the laser transceiver A. The laser transceiver A performs intruder detection based on the received signal. Then, the receiving unit 220 receives a received signal corresponding to the single-sided band laser pulse signal transmitted from the laser transceiver B, and the laser transceiver B determines whether an intruder has invaded using the received signal.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부(210)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a transmitter 210 according to an embodiment of the present invention.

도 3의 (a)를 참조하면, 송신부(210)는 레이저 발생기의 역할을 수행하는 것으로서, 하나의 신호 발생부(211), 적어도 하나의 필터부(212) 및 적어도 하나의 레이저 다이오드(213)를 포함한다. 그리고, 도 3의 (b)는 필터부(212) 및 레이저 다이오드(213)가 하나만 존재하는 경우의 송신부(210)의 구성을 도시하고 있다. Referring to (a) of FIG. 3, the transmitter 210 serves as a laser generator, and includes one signal generator 211, at least one filter unit 212, and at least one laser diode 213. It includes. And, Fig. 3 (b) shows the configuration of the transmission unit 210 when only one filter unit 212 and a laser diode 213 are present.

신호 발생부(211)는 단측파대의 레이저 펄스 신호를 생성한다. 이하, 설명의 편의를 위해, 신호 발생부(211)에서 생성되는 단측파대의 레이저 펄스 신호를 "단측파대의 레이저 펄스 신호 A"라 호칭하기로 한다. The signal generator 211 generates a laser pulse signal of a single sideband. Hereinafter, for convenience of description, the laser pulse signal of the single-sided band generated by the signal generator 211 will be referred to as “laser pulse signal A of the single-sided band”.

적어도 하나의 필터부(212) 각각은 신호 발생부(211)에서 생성된 단측파대의 레이저 펄스 신호 A에 대해 필터링(일례로, LPF(Low Pass Filter) 필터링)을 수행하며, 이를 위해 캐패시터를 포함한다. 즉, 캐패시터는 신호 발생부(211)에서 생성된 단측파대의 레이저 펄스 신호 A의 위상을 변경하는 기능을 수행한다. 일례로, 캐패시터는 레이저 펄스 신호 A의 위상을 밀어내는 기능을 수행한다. 이 때, 적어도 하나의 필터부(212) 각각에 포함된 캐패시터의 용량은 서로 다를 수 있다. Each of the at least one filter unit 212 performs filtering (for example, LPF (Low Pass Filter) filtering) on the laser pulse signal A of the single-sided band generated by the signal generator 211, and includes a capacitor for this. do. That is, the capacitor performs a function of changing the phase of the laser pulse signal A of the single-sided band generated by the signal generator 211. In one example, the capacitor serves to push the phase of the laser pulse signal A. At this time, the capacities of the capacitors included in each of the at least one filter unit 212 may be different.

적어도 하나의 레이저 다이오드(213) 각각은 대응되는 필터부(212)에서 출력된 단측파대의 레이저 펄스 신호 A를 레이저 송수신기 A로 송신한다. 따라서, 서로 다른 위상을 가지는 단측파대 레이저 펄스 신호가 레이저 송수신기 A로 송신될 수 있다. 이 경우, 서로 다른 위상을 가지는 단측파대 레이저 펄스 신호는 직교(orthogonal)된 서브 신호일 수 있다. Each of the at least one laser diode 213 transmits the laser pulse signal A of the single-sided band output from the corresponding filter unit 212 to the laser transceiver A. Therefore, a single-sideband laser pulse signal having different phases can be transmitted to the laser transceiver A. In this case, the single-sideband laser pulse signals having different phases may be orthogonal sub-signals.

즉, 본 발명에 따르면, 송신기(210)에서 송신되는 송신 신호는 적어도 하나의 레이저 다이오드(213)에서 출력된 신호인 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호와 대응되며, 이는 자연에서 존재하지 않는 인공적인 신호이다. 따라서, 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 사용하여 아래에서 설명하는 바와 같이 침입자의 탐지와 관련된 오탐지 확률과 미탐지 확률은 "0"으로 보장할 수 있다. That is, according to the present invention, the transmission signal transmitted from the transmitter 210 corresponds to a laser pulse signal of at least one single-sided band that is a signal output from the at least one laser diode 213, which is not artificial in nature. Is a signal. Accordingly, the probability of false positives and false positives associated with detection of an intruder can be guaranteed to be “0” as described below using at least one single-sided laser pulse signal.

한편, 송신부(210)의 연결 관계에 있어서, 신호 생성부(211)는 적어도 하나의 캐패시터 및 적어도 하나의 레이저 다이오드 각각과 병렬로 연결될 수 있다. On the other hand, in the connection relationship of the transmitter 210, the signal generator 211 may be connected in parallel with each of the at least one capacitor and the at least one laser diode.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부(220)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a receiving unit 220 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 수신부(220)는 탐지기의 역할을 수행하는 것으로서, 적어도 하나의 포토 다이오드(221) 및 하나의 검출부(222)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the receiver 220 serves as a detector, and may include at least one photodiode 221 and one detector 222.

적어도 하나의 포토 다이오드(221)는 레이저 송수신기 B에서 생성되어 송신되는 신호를 수신한다. 이 때, 수신 신호는 적어도 하나의 위상을 가지는 서버 신호를 포함하는 단측파대의 레이저 펄스 신호 B일 수 있다. At least one photodiode 221 receives a signal generated and transmitted by the laser transceiver B. At this time, the received signal may be a laser pulse signal B of a single sideband including a server signal having at least one phase.

그리고, 검출부(222)는 수신된 신호의 송신 전력 및 SNR(신호 대 잡음비)를 측정하여 침입자가 침입하였는지 여부를 판단한다. Then, the detection unit 222 measures the transmission power and the SNR (signal-to-noise ratio) of the received signal to determine whether the intruder has invaded.

이하, 수신부(220)의 동작에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the operation of the receiver 220 will be described in more detail.

수신부(220)는 인접한 레이저 송수신기에서 송신되는 송신 신호인 단측파대의 레이저 펄스 신호를 수신한다. 이 때, 수신 신호에는 가산성 가우시안 백색 잡음 신호(AGWN)가 포함된다. 그리고, 두 개의 레이저 송수신기 사이에 침입자가 지나가는 경우, 침입자에 의해 레이저 송수신기에서 송수신되는 신호의 LOS(Line-of-sight)가 손실되며, 이는 또 다른 잡음을 유발한다. 즉, 침입자가 없을 때, 수신된 신호는 작은 분산을 가진 AGWN만을 가지지만, 침입자가 침입하는 경우 LOS의 손실을 유발되며, 수신 신호는 침입자에 의해 탐지기의 역할을 하는 레이저 송수신기에 도달되지 않으며 AGWN만이 존재한다. 따라서, 수신부(220)는 LOS의 손실과 ASWM를 혼동하지 않으면서 인식해야 한다. The receiver 220 receives a laser pulse signal of a single-sided band, which is a transmission signal transmitted from an adjacent laser transceiver. At this time, the received signal includes an additive Gaussian white noise signal (AGWN). In addition, when an intruder passes between two laser transceivers, a line-of-sight (LOS) of a signal transmitted and received by the laser transceiver by the intruder is lost, which causes another noise. That is, when there is no intruder, the received signal has only small dispersion AGWN, but when the intruder intrudes, it causes loss of LOS, and the received signal does not reach the laser transceiver that acts as a detector by the intruder and does not reach the AGWN Only exists. Therefore, the receiver 220 should recognize the loss of the LOS and the ASWM without confusion.

한편, 수신부(220)에서 수신되는 수신 신호는 송신된 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 침입자의 교란(disturbance)에 따른 잡음 신호를 포함할 수 있으며, 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Meanwhile, the received signal received from the receiver 220 may include a transmitted signal, an additive Gaussian white noise signal, and a noise signal according to disturbance of an intruder, which is expressed as Equation 1 below. Can.

Figure 112018077811939-pat00003
Figure 112018077811939-pat00003

여기서, r(t)는 수신부(220)에서 수신되는 수신 신호, s(t)는 레이저 송수신기 B에서 송신되는 송신 신호(단측파대의 레이저 펄스 신호 B와 대응됨), n(t)는 가산성 가우시안 백색 잡음 신호(AGWN), na(t)는 교란으로 발생하는 잡음 신호를 각각 의미한다. 그리고, N은 수신부(220)에 의해 처리되는 직교한 서브 신호의 개수, wn는 서브 신호 각각의 주파수, φn는 서브 신호 각각의 위상, An(t)는 서브 신호의 세기(amplitude), Xn(t)는 평균이 0이고 분산이 1인 가우시안 분포 Xn(t)~N(0, 1)을 갖는 확률 변수, Yn(t)는 평균이 0이고 분산이 1인 가우시안 분포 Yn(t)~N(0,1)을 갖는 확률 변수를 각각 의미한다. Here, r(t) is a received signal received from the receiver 220, s(t) is a transmitted signal transmitted from the laser transceiver B (corresponds to the laser pulse signal B of the single sideband), and n(t) is additive The Gaussian white noise signal (AGWN) and n a (t) refer to noise signals generated by disturbance, respectively. And, N is the number of orthogonal sub-signals processed by the receiver 220, w n is the frequency of each sub-signal, φ n is the phase of each sub-signal, A n (t) is the intensity of the sub-signal (amplitude) , X n (t) is a Gaussian distribution with mean 0 and variance 1 X n (t) to N(0, 1) random variable, Y n (t) is Gaussian distribution with mean 0 and variance 1 Each means a random variable having Y n (t) to N(0,1).

침입자가 없는 경우, Yn(t)는 시간 t 동안 0이며, 수신 신호 r(t)는 전술한 바와 같이 작은 분산을 갖는 가우시안 분포를 갖는다. 그러나 침입자가 침입하여 LOS를 방해하면, 모든 n과 시간 t에 대해 An(t) 각각이 감소되고 각각의 Yn(t)가 더해진다. 즉, 송신 신호 s(t)는 감소하고 AGWN n(t)는 증가한다. In the absence of an intruder, Y n (t) is zero for time t, and the received signal r(t) has a Gaussian distribution with small variance as described above. However, if an intruder intrudes and interferes with the LOS, for every n and time t, each of A n (t) is reduced and each Y n (t) is added. That is, the transmission signal s(t) decreases and AGWN n(t) increases.

한편, 두 경우를 구별하기 위해, 수신 신호 r(t)의 서브 신호의 전력의 총합을 사용할 수 있으며, 수신부(220)는 송신 신호 전력 및 SNR를 사용하여 침입자를 탐지할 수 있다.Meanwhile, in order to distinguish the two cases, the sum of the powers of the sub-signals of the received signal r(t) may be used, and the receiver 220 may detect the intruder using the transmitted signal power and the SNR.

한편, 본 발명의 경우, 침입자가 포아송 과정(Poisson process)에 따라 시간 영역에 대한 비율 λt로 레이지의 손실을 방해한다고 가정한다. 이 때, 시간 간격 T의 평균 사건 수는 λtT이다. 또한, 본 발명의 경우, 침입자가 주파수 영역에 대해 비율 λd로 포아송 과정에 따라 LOS를 방해한다고 가정한다. 서브 신호들의 총 개수가 N이라면, 분산된 서브 신호들의 평균 개수는 λdN이다. On the other hand, in the present invention, it is assumed that the intruder interferes with the loss of the rage by the ratio λ t to the time domain according to the Poisson process. At this time, the average number of events in the time interval T is λ t T. In addition, in the present invention, it is assumed that the intruder interferes with the LOS according to the Poisson process at a ratio λ d for the frequency domain. If the total number of sub signals is N, the average number of distributed sub signals is λ d N.

이러한 이상 현상을 감지하기 위해서는, 송신 신호를 AGWN과 비정상 잡음으로 구분하거나, 송신 신호에서 잡음을 인식해야 한다. 송신된 신호의 파형은 위상 및 주파수를 포함하는 많은 유형의 정보를 제공할 수 있다.In order to detect such an abnormal phenomenon, it is necessary to divide the transmission signal into AGWN and abnormal noise, or recognize noise in the transmission signal. The waveform of the transmitted signal can provide many types of information including phase and frequency.

본 발명의 경우, Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 확률 분포의 매개 변수를 추정한다. 그리고, AGWN과 혼합된 수신 신호에 대한 밀도 함수를 사용하여 오탐지 확률을 산출하고, 비정상 잡음 및 AGWN과 혼합된 신호에 대한 밀도 함수를 사용하여 미탐지 확률을 산출하며, 잡음이 있는 신호의 밀도 함수로부터 이상 잡음의 검출 확률을 구한다.For the present invention, Monte Carlo simulation is used to estimate the parameters of the probability distribution. Then, the probability of false positives is calculated using the density function for the received signal mixed with AGWN, the probability of undetected is calculated using the density function for the signal mixed with AGWN, and the density of the noisy signal is calculated. Find the probability of detecting abnormal noise from the function.

이 때, 오탐지 문제는 테스트 통계에 대한 가설 테스트(hypothesis testing)이거나, 송신 신호의 평균 전력 또는 송신 신호의 SNR과 잡음에 대한 가설 테스트이다. 이러한 결정 문제는 침입자가 없는 상황에서의 가설 H0 및 침입자가 있는 상황에서의 가설 H1를 포함한다. At this time, the false positive problem may be hypothesis testing on test statistics, or hypothesis testing on the average power of the transmitted signal or the SNR and noise of the transmitted signal. These decision problems include hypothesis H 0 in the absence of an intruder and hypothesis H 1 in the presence of an intruder.

관측된 수신 신호 벡터 r=[r(0), r(1), …, r(T)](T는 샘플링 기간)과 관련하여, 수신부(220)는 오탐지 확률(P(FA)=P(H1|H0))과 미탐지 확률(P(Miss)=P(H0|H1)이 0이 되도록 하는 테스트 통계(test statistic) γ(r)를 산출한다. 즉, 실험으로부터 P(γ(r)|H0)와 P(γ(r)|H1)의 확률 분포를 충분히 구분하는 테스트 통계 γ(r)를 산출한다. Observed received signal vector r=[r(0), r(1),… , r(T)] (T is a sampling period), the receiver 220 has a false positive probability (P(FA)=P(H 1 |H 0 )) and a false positive probability (P(Miss)=P Calculate test statistic γ(r) such that (H 0 |H 1 ) becomes 0. That is, P(γ(r)|H 0 ) and P(γ(r)|H 1 ) Calculate the test statistics γ(r) that sufficiently distinguish the probability distribution.

이 때, 임계값 γ가 정의되며, 이는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
At this time, the threshold γ is defined, which can be expressed as Equation (2).

Figure 112018077811939-pat00004
Figure 112018077811939-pat00004

여기서, P(FA) = P(γ(r) < γ| H0), P(Miss) = P(γ(r) > γ| H1)이며, 검출 확률은 P(Detection) = P(γ(r) < γ| H1)이다. Here, P(FA) = P(γ(r) <γ| H 0 ), P(Miss) = P(γ(r)> γ| H 1 ), and the probability of detection is P(Detection) = P(γ (r) <γ|H 1 ).

테스트 통계 γ(r)과 관련하여, 먼저 수신 신호의 평균 전력이 먼저 사용된다. 즉, 수신 신호 r(t)로부터 송신 신호 s(t)의 평균 전력을 추정하기 위해 매치 필터(matched filter)가 사용된다. 매치 필터는 수신 신호의 SNR를 최대화하는데 사용될 수 있으며, 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Regarding the test statistics γ(r), first, the average power of the received signal is used first. That is, a matched filter is used to estimate the average power of the transmission signal s(t) from the received signal r(t). The match filter can be used to maximize the SNR of the received signal, and is expressed by Equation 3 below.

Figure 112018077811939-pat00005
Figure 112018077811939-pat00005

그리고, 수신 신호 r(t)의 푸리에 변환 계수 F에 매치 필터 H가 적용된 후, 적용된 결과값인 복소수의 실수 부분만을 사용한다. 이 때, 비간섭성 수신기의 경우, 복소수는 0이 아닌 허수부를 가진다. 그런 다음, 복소수의 실수 부분을 샘플링 주기 T와 서브 신호의 개수 N으로 나눈다. 따라서, 테스트 통계는 아래의 수학식 4과 같이 표현된다.
Then, after the match filter H is applied to the Fourier transform coefficient F of the received signal r(t), only the real part of the complex number, which is the applied result, is used. At this time, in the case of a non-coherent receiver, the complex number has a non-zero imaginary part. Then, the real part of the complex number is divided by the sampling period T and the number N of sub-signals. Therefore, the test statistics are expressed as Equation 4 below.

Figure 112018077811939-pat00006
Figure 112018077811939-pat00006

여기서, F는 수신 신호 r(t)의 푸리에 변환 계수, S는 송신 신호 S(

Figure 112018077811939-pat00007
)의 푸리에 변환 계수,
Figure 112018077811939-pat00008
는 복소수의 실수 파트, *는 켤래 복소수의 기호,
Figure 112018077811939-pat00009
는 두 벡터의 내적 연산을 각각 의미한다. Where F is the Fourier transform coefficient of the received signal r(t), S is the transmitted signal S(
Figure 112018077811939-pat00007
) Fourier transform coefficient,
Figure 112018077811939-pat00008
Is the real part of a complex number, * is the sign of a complex number,
Figure 112018077811939-pat00009
Denotes the dot product operations of the two vectors, respectively.

그리고, 잡음 및 송신된 신호의 평균 전력의 비교를 위해 아래의 수학식 5과 같은 테스트 통계 SNR를 사용한다.
In addition, a test statistic SNR as shown in Equation 5 below is used for comparison of noise and average power of the transmitted signal.

Figure 112018077811939-pat00010
Figure 112018077811939-pat00010

여기서, S는 송신 신호 s(t)에 대한 푸리에 변환 계수,

Figure 112018077811939-pat00011
는 수신 신호 r(t)에 대한 푸리에 변환 계수 F와 송신 신호 s(t)에 대한 푸리에 변환 계수 S에 대한 차이 벡터, E는 송신 신호 s(t)의 에너지, N0는 AGWN의 평균 전력, Na는 교란으로 발생되는 잡음의 평균 전력, S(W)는 송신 신호 s(t)의 푸리에 변환을 각각 의미한다. Where S is the Fourier transform coefficient for the transmitted signal s(t),
Figure 112018077811939-pat00011
Is the difference vector for the Fourier transform coefficient F for the received signal r(t) and the Fourier transform coefficient S for the transmitted signal s(t), E is the energy of the transmitted signal s(t), N 0 is the average power of the AGWN, N a is the average power of the noise generated by the disturbance, and S(W) means the Fourier transform of the transmission signal s(t), respectively.

충분한 통계량은 우도 비율을 산출할 수 있는 관측치의 함수로 정의된다. 매치 필터는 AGWN을 갖는 선형 모델에서 결정적으로 알려지지 않은 매개 변수 벡터를 추정하기에 충분한 통계치이다. 다시 말해, 잡음이 AGWN인 경우, 일반 매치 필터의 출력은 수신 신호 r(t) 및 알려진 θ의 이전의 분포를 산출하기 위한 충분한 통계치이다. Sufficient statistics are defined as a function of observations that can yield a likelihood ratio. The match filter is a sufficient statistic to estimate a parametric vector that is not definitively known in a linear model with AGWN. In other words, when the noise is AGWN, the output of the general match filter is sufficient statistics to calculate the previous distribution of the received signal r(t) and known θ.

정리하면, 수신부(220)는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호 B와 대응되는 수신 신호에서 측정된 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우, 침입자가 침입한 것으로 판단할 수 있다. 일례로, 임계값은 20dB일 수 있다. 그리고, SNR는 상기의 수학식 5에 기초하여 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
In summary, the receiver 220 may determine that the intruder has intruded when the SNR measured in the received signal corresponding to the laser pulse signal B of at least one single-side band is equal to or less than a preset threshold. In one example, the threshold may be 20dB. In addition, the SNR may be expressed as Equation 6 based on Equation 5 above.

Figure 112018077811939-pat00012
Figure 112018077811939-pat00012

여기서, SNR(r)는 수신 신호 r(t)에 대한 SNR, R는 현재 수신된 수신 신호 r(t)의 푸리에 변환 계수, E는 R와, 침입자가 침입하지 않는 경우 수신부(220)로 수신되는 신호의 푸리에 변환 계수의 차이 벡터를 각각 의미한다. Here, SNR(r) is the SNR for the received signal r(t), R is the Fourier transform coefficient of the currently received received signal r(t), E is R, and if the intruder does not invade, it is received by the receiver 220 The difference vectors of the Fourier transform coefficients of the signal to be referred to respectively.

그리고, 본 발명은 저가의 단측파대 레이저 펄스 신호를 발생하는 신호 발생기(212)와 빔 발생기와 레이저 다이오드를 사용함으로써 종래보다 저렴한 비용으로 우수한 성능을 제공할 수 있다. 특히, 구역 안전 어플리케이션과 관련하여, 본 발명의 침입자 탐지 시스템(100)은 비디오 모니터링 시스템과 함께 이용될 수 있다.
And, the present invention can provide excellent performance at a lower cost than the conventional by using the signal generator 212 and the beam generator and the laser diode for generating a low-cost single-sided band laser pulse signal. In particular, with regard to zone safety applications, the intruder detection system 100 of the present invention can be used with a video monitoring system.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 시뮬레이션을 설명하기로 한다. Hereinafter, the simulation of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 7.

상기한 도면을 참조하면, 본 시뮬레이션의 경우, Matlab 프로그램을 사용하여 Monte Carlo 시뮬레이션을 수행한다. 도 5에서 각 박스는 실험을 10,000번 반복하여 얻은 결과를 보여주며, 서브 신호들의 개수 N은 각 수신기에 대해 32이다. 시뮬레이션을 위해, 우리는 다음과 같은 가정을 한다. 침입자에 의한 교란은 포아송 과정에 따라 송신된 신호를 방해한다. 포아송 과정의 정의에 의해, 동시에 두 개 이상의 사건이나 교란이 발생할 확률은 거의 0이다. 샘플링 시간 간격(예를 들어, 512ms)은 사람의 손에 의해 야기되는 방해 시간(예를 들어, 약 250ms)에 비해 매우 짧다. 따라서, 이 샘플링 시간 간격 동안 두 개 이상의 교란 또는 이벤트가 동시에 발생할 확률은 거의 0이다. 검출기(즉, 수신부(220))에 의해 수신된 신호를 송신하는 2개의 레이저 방출기(즉, 송신부(210)) 사이의 간격(예를 들어, 10cm)은 사람이 방해를 일으키는 신체(예를 들어, 손)의 크기에 비해 상대적으로 작다. 따라서 이 공간에서 두 번 이상 발생하는 간섭(또는 이벤트) 확률은 거의 0이다. 포아송 과정은 독립적인 시간 간격에서 발생하는 사건의 수가 독립적인 증분 특성을 가진 계산 과정이다. 따라서, 512 ms의 샘플링 시간 간격에서 발생하는 침입은 동일한 침입자가 방해를 하더라도 다음 샘플링 시간 간격에서 발생하는 다른 개입과는 무관하다고 가정한다. 그리고, 주어진 시간 간격 동안 하나의 검출기에 의해 처리된 서브 신호의 간섭은 동일한 침입자가 방해를 일으키더라도 다른 검출기에 의해 처리되는 서브 신호의 임의의 다른 개입과 독립적이라고 가정한다. Referring to the above drawings, in the case of this simulation, Monte Carlo simulation is performed using a Matlab program. In FIG. 5, each box shows the result obtained by repeating the experiment 10,000 times, and the number N of sub signals is 32 for each receiver. For simulation, we make the following assumptions. Disturbance by the intruder interferes with the transmitted signal according to the Poisson process. By the definition of the Poisson process, the probability of two or more events or disturbances occurring at the same time is almost zero. The sampling time interval (eg, 512 ms) is very short compared to the disturbance time (eg, about 250 ms) caused by the human hand. Therefore, the probability that two or more disturbances or events occur simultaneously during this sampling time interval is almost zero. The distance (e.g., 10 cm) between two laser emitters (i.e., the transmitter 210) transmitting a signal received by the detector (i.e., the receiver 220) is the body (e.g. , Hand) is relatively small compared to the size. Therefore, the probability of interference (or event) occurring more than once in this space is almost zero. The Poisson process is a calculation process in which the number of events occurring at independent time intervals has independent incremental characteristics. Therefore, it is assumed that an intrusion occurring at a sampling time interval of 512 ms is independent of other interventions occurring at the next sampling time interval even if the same intruder interferes. And, it is assumed that the interference of the sub-signals processed by one detector during a given time interval is independent of any other intervention of the sub-signals processed by other detectors, even if the same intruder interferes.

포아송 과정은 또한 임의의 시간 간격에서 발생하는 사건의 수의 분포가 시간 간격의 길이에만 의존한다는 고정된 증감 특성을 갖는다. 샘플링 시간 간격에 대한 교란율은 전체 샘플링 시간의 절반, 즉 λt=1/2이므로, 샘플링 시간에 대한 평균 이벤트 수는 λtT = (1/2)T이다. 서브 신호의 전체 개수에 대한 교란율은 서브 신호의 총 수의 절반 또는 λd=1/2로 가정된다. 그러므로, 하나의 검출기에 의해 처리되는 N 개의 서브 신호들에 대한 이벤트의 평균 개수는 λdN = (1/2)N이다.The Poisson process also has a fixed increase and decrease characteristic that the distribution of the number of events occurring at any time interval depends only on the length of the time interval. Since the disturbance rate for the sampling time interval is half of the total sampling time, λ t =1/2, the average number of events for the sampling time is λ t T = (1/2)T. The disturbance rate for the total number of sub-signals is assumed to be half of the total number of sub-signals or λ d =1/2. Therefore, the average number of events for N sub-signals processed by one detector is λ d N = (1/2)N.

모든 서브 신호의 절반 이상 또는 전체 샘플링 기간이 방해받으면 외란을 쉽게 감지할 수 있다.  따라서, 이러한 가정을 사용하여 탐지하기가 비교적 어려운 사례를 테스트한다. AWGN의 진폭은 평균 제로 및 분산 1을 갖는 가우시안 분포를 가지며, 교란은 동일한 파라미터를 갖는 가우시안 분포를 갖는다.  수신된 모든 신호의 확률 분포는 라이시안 분포이다.  If more than half of all sub-signals or the entire sampling period is disturbed, disturbance can be easily detected. Therefore, we use these assumptions to test cases that are relatively difficult to detect. The amplitude of AWGN has a Gaussian distribution with mean zero and variance 1, and the disturbance has a Gaussian distribution with the same parameters. The probability distribution of all received signals is a Lysian distribution.

침입자가 존재하면, LOS가 없고, 수신된 신호의 진폭은 0이며, 가우시안 잡음만이 검출기에 도달한다.  이 경우, 라이시안 분포는 Rayleigh 분포가 된다.  즉, LOS가 없거나 P(γ(r)|H1)인 경우, 전력 분포는 레일리 분포이다.If an intruder is present, there is no LOS, the amplitude of the received signal is zero, and only Gaussian noise reaches the detector. In this case, the Raysian distribution becomes the Rayleigh distribution. That is, if there is no LOS or P(γ(r)|H 1 ), the power distribution is a Rayleigh distribution.

LOS가 존재하고, SNR이 1보다 충분히 큰 경우(일례로, SNR=5), 라이시안 분포는 가우시안 분포가 된다. 즉, LOS가 있거나 P(γ(r)|H0)인 경우, 전력 분포는 정규 분포이다. When LOS is present and the SNR is sufficiently greater than 1 (eg, SNR=5), the Lysian distribution becomes the Gaussian distribution. That is, if LOS is present or P(γ(r)|H0), the power distribution is a normal distribution.

도 5의 (a)는 매치 정합 필터링된 신호의 전력 분포를 보여주며, 준다. 도 5의 (b)는 수신 신호의 SNR 분포를 보여준다. 박스 쌍의 샘플 크기는 각각 512, 256, 128 및 64이다. 5(a) shows and gives the power distribution of the match-matched filtered signal. 5( b) shows the SNR distribution of the received signal. The sample sizes of the box pairs are 512, 256, 128 and 64 respectively.

각 박스 쌍은 침입자가 있는 경우 및 침입자가 없는 경우의 테스트 통계의 분포를 다양한 표본 크기 T에 대해 보여준다. 각각의 박스 쌍의 첫번째 상자는 침입자가 있는 경우 또는 P=(γ(r)|H1)에 대한 통계(또는 전력 또는 SNR)의 분포를 보여준다. 두 번째 상지는 침입자가 없는 경우 또는 P=(γ(r)|H1)에 대한 분포를 보여준다. Shapiro-Wilk 테스트를 통해 P(γ(r)|H0)에 대한 테스트 계량의 각 확률 분포가 정규 분포임을 확인할 수 있다.Each pair of boxes shows the distribution of test statistics with and without intruders for various sample sizes T. The first box of each pair of boxes shows the distribution of statistics (or power or SNR) for the presence of intruders or P=(γ(r)|H 1 ). The second upper limb shows the distribution for P=(γ(r)|H 1 ) in the absence of an intruder. The Shapiro-Wilk test confirms that each probability distribution of the test metric for P(γ(r)|H 0 ) is a normal distribution.

도 6의 (a)에 도시된 quantile-quantile 플롯은 침입자가 있는 경우 또는 P(Power|H1)에 대해, 샘플 크기 512에 대한 매치 필터링된 신호의 전력 분포를 보여준다. 도 6의 (b)에 도시된 quantile-quantile 플롯은 가우시안 분포를 포함하며, 침입자가 없는 경우 또는 P(Power|H0)에 대해, 샘플 크기 512에 대한 매치 필터링된 신호의 전력 분포를 보여준다.The quantile-quantile plot shown in FIG. 6(a) shows the power distribution of the match filtered signal for sample size 512, in the case of an intruder or P(Power|H 1 ). The quantile-quantile plot shown in (b) of FIG. 6 includes a Gaussian distribution and shows the power distribution of the match filtered signal for sample size 512, in the absence of an intruder or P(Power|H 0 ).

도 7의 (a)에 도시된 quantile-quantile 플롯은 침입자가 있을 때 샘플 크기가 256인 경우의 SNR 분포가 정규 분포에서 벗어난 것을 보여준다. 도 7의 (b)는 정규 분포인 P (SNR | H0)에 대한 SNR 분포를 보여준다.The quantile-quantile plot shown in FIG. 7(a) shows that the SNR distribution when the sample size is 256 when there is an intruder deviates from the normal distribution. 7B shows the SNR distribution for the normal distribution P (SNR | H 0 ).

한편, 아래의 표 1은 오탐지 확률 P(FA)와 미탐지 확률 P(Miss)를 실질적으로 0으로 하기 위한 판별의 임계값을 보여준다. 또한, 교란이 있는 경우 통계 γ(r)의 최대 값을 제시한다. 표 1은 P(γ(r)|H0)에 대한 정규 분포의 매개 변수를 추가로 보여준다. 이 때, 매치 필터링된 신호의 평균 전력이 큰 샘플 크기 512에 대한 충분한 통계치라는 것을 발견했다.
On the other hand, Table 1 below shows thresholds for discrimination to make the false positive probability P(FA) and the false positive probability P(Miss) substantially zero. In addition, the maximum value of the statistical γ(r) is presented in case of disturbance. Table 1 further shows the parameters of the normal distribution for P(γ(r)|H 0 ). At this time, it was found that the average power of the match-filtered signal is sufficient statistics for a large sample size 512.

Figure 112018077811939-pat00013
Figure 112018077811939-pat00013

한편, 아래에서는 침입자 탐지 시스템(100)의 구현 예를 설명하기로 한다. Meanwhile, an implementation example of the intruder detection system 100 will be described below.

종래의 레이더 시스템과 달리, 본 발명의 침입자 탐지 시스템(100)의 파형의 경우, 반사된 레이저 신호가 사용되지 않기 때문에, 입사되는 레이저 신호에는 도플러 시프트가 존재하지 않는다. 그러므로, 우리는 교란에 의해 생성될 수 없는 파형을 최대한 많은 전력을 통해 송신할 수 있다. 이 때, 복수의 레이저 송수신기(120)는 저렴한 컨트롤러와 하드웨어를 사용하기 때문에 프로세싱 복잡성과 하드웨어에 제한이 있다. 특히, 사용되는 저비용 레이저는 8 밀리초 미만으로 턴 오프할 수 없다. 레이저 신호의 파형을 형성하기 위해 Arduino 컨트롤러의 아날로그 출력을 사용한다. 저비용 레이저 다이오드가 매 128ms마다 650nm 레이저 신호를 깜빡인다. 도 8에 도시된 바와 같은 파형을 생성하기 위해 각 깜박임 주기(128ms주기)의 시작 부분에서 레이저 다이오드를 턴 온하고, 120ms에서 8ms 동안 레이저 다이오드를 턴 오프한다. 또한, 10V의 전압까지 사용할 수 있는 470uF의 캐패시터가 사용된다. Unlike the conventional radar system, in the case of the waveform of the intruder detection system 100 of the present invention, since the reflected laser signal is not used, there is no Doppler shift in the incident laser signal. Therefore, we can transmit waveforms that cannot be generated by disturbances with as much power as possible. At this time, since the plurality of laser transceivers 120 use an inexpensive controller and hardware, processing complexity and hardware are limited. In particular, the low cost laser used cannot turn off in less than 8 milliseconds. It uses the analog output of the Arduino controller to shape the waveform of the laser signal. A low cost laser diode flashes the 650nm laser signal every 128ms. In order to generate a waveform as shown in FIG. 8, the laser diode is turned on at the beginning of each blink period (128 ms period), and the laser diode is turned off for 8 ms at 120 ms. In addition, a capacitor of 470uF that can be used up to a voltage of 10V is used.

따라서, 수신 신호는 수학식 7과 같이 변형된다.
Therefore, the received signal is modified as shown in equation (7).

Figure 112018077811939-pat00014
Figure 112018077811939-pat00014

여기서, 우리는 복소수 표기법을 사용한다. 그리고, 복소수의 허수부는 실수 부분의 힐버트 변환이다. Here, we use complex notation. In addition, the imaginary part of the complex number is the Hilbert transform of the real part.

도 9는 수신 신호의 전력 스펙트럼을 도시하고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 푸리에 변환 계수는 양의 주파수에 대해 제로이다. 수신 신호에 FFT를 적용하여 얻어진 푸리에 변환 계수 c (n)는 아래의 수학식 8과 같다.
Fig. 9 shows the power spectrum of the received signal. As shown in Fig. 9, the Fourier transform coefficient is zero for a positive frequency. The Fourier transform coefficient c (n) obtained by applying the FFT to the received signal is expressed by Equation 8 below.

Figure 112018077811939-pat00015
Figure 112018077811939-pat00015

이 때, 송신된 파형에 대해, 수학식 5를 사용하여 교란이 있는 경우와 없는 경우의 SNR을 산출했다. 도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 경우, 우리는 도 5의 (b)의 데이터와 일치하는 실험 결과를 얻었다. 교란이 있는 경우의 최대 SNR은 교란이 없는 경우의 최소 SNR보다 14.49dB 낮다. 도 10의 각 박스는 실험을 100번 반복하여 얻은 결과를 보여준다. 수신된 신호의 샘플 크기는 512이다.
At this time, for the transmitted waveform, Equation (5) was used to calculate SNRs with and without disturbances. As shown in Fig. 10, in the case of the present invention, we obtained experimental results consistent with the data in Fig. 5(b). The maximum SNR with disturbance is 14.49 dB lower than the minimum SNR with no disturbance. Each box in FIG. 10 shows the results obtained by repeating the experiment 100 times. The received signal has a sample size of 512.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 침입자를 탐지하는 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 이 때, 상기한 방법은 프로세서를 통한 수신 장치에서 수행될 수 있다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 11 is a flowchart illustrating a method of detecting an intruder according to an embodiment of the present invention. At this time, the above-described method may be performed in a receiving device through a processor. Hereinafter, the process performed for each step will be described in detail.

먼저, 단계(1110)에서는 레이저 송신기로부터 송신된 신호를 수신한다. 이 때, 송신된 신호는 서로 다른 위상을 가지는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 포함한다. First, in step 1110, a signal transmitted from a laser transmitter is received. At this time, the transmitted signal includes laser pulse signals of at least one single-sided band having different phases.

다음으로, 단계(1120)에서는 수신된 신호의 SNR를 측정한다. Next, in step 1120, the SNR of the received signal is measured.

이 때, 수신된 신호는 송신 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 침입자의 교란에 따른 잡음 신호를 포함한다. At this time, the received signal includes a transmission signal, an additive Gaussian white noise signal, and a noise signal according to an intruder's disturbance.

계속하여, 단계(1130)에서는 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우 침입자가 침입한 것으로 판단한다. Subsequently, in step 1130, if the SNR is equal to or less than a preset threshold, it is determined that the intruder has invaded.

이 때, SNR는 상기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다. At this time, the SNR may be expressed as Equation 6 above.

지금까지 본 발명에 따른 침입자 탐지 방법의 실시예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 1 내지 도 10에서 설명한 침입자 탐지 시스템(100)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용 가능하다. 이에, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
So far, embodiments of the intruder detection method according to the present invention have been described, and the configuration of the intruder detection system 100 described with reference to FIGS. 1 to 10 can be applied to the present embodiment as it is. Accordingly, a more detailed description will be omitted.

또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.In addition, embodiments of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and can be recorded in computer readable media. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. Examples of program instructions, such as magneto-optical, and ROM, RAM, flash memory, etc., can be executed by a computer using an interpreter as well as machine code such as those produced by a compiler. Contains high-level language codes. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of one embodiment of the present invention, and vice versa.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. As described above, in the present invention, it has been described by specific matters such as specific components, etc. and limited embodiments and drawings, which are provided to help the overall understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiments, Those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should not be determined, and all claims that are equivalent or equivalent to the scope of the claims as well as the claims described below will be included in the scope of the spirit of the invention. .

Claims (5)

대상 객체에 침입하는 침입자 탐지에 사용되는 레이저 송수신기에 있어서,
레이저 송수신기 A로 송신 신호를 송신하는 레이저 송신부; 및
레이저 송수신기 B로부터 송신된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 대한 SNR를 측정하여 상기 침입자가 침입하였는지 여부를 판단하는 수신부;를 포함하되,
상기 레이저 송신부는, 단측파대의 레이저 펄스 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 생성된 단측파대의 레이저 펄스 신호 에 대해 필터링을 수행하는 캐패시터를 포함한 적어도 하나의 필터부; 및 상기 적어도 하나의 필터부에서 각각 출력된 단측파대의 레이저 펄스 신호를 송신하는 적어도 하나의 레이저 다이오드;를 포함하고,
상기 송신 신호는 상기 적어도 하나의 레이저 다이오드에서 출력된 신호이며,
상기 레이저 송수신기 B로부터 송신된 신호는 서로 다른 위상을 가지는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 포함하고, 상기 수신된 신호는 상기 송신된 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 상기 침입자의 교란에 따른 잡음 신호를 포함하고,
상기 수신부는 상기 수신된 신호에서 측정된 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 침입자가 침입한 것으로 판단하되,
상기 SNR는 아래의 수학식과 같이 표현되며,
상기 수신부는, 오탐지 확률 및 미탐지 확률이 0이 되도록 하는 테스트 통계를 산출하고,
상기 테스트 통계와 관련하여 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수에 매치 필터를 적용하며,
아래의 수학식은 상기 송신된 신호와 상기 잡음 신호의 평균 전력 비교를 위해 사용되는 테스트 통계 SNR에 기초하여 표현되는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.

Figure 112020026850209-pat00029


여기서, SNR(r)는 상기 수신된 신호에 대한 SNR, R는 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수, E는 상기 R와 상기 침입자가 침입하지 않는 경우에 상기 수신부로 수신되는 신호의 푸리에 변환 계수의 차이 벡터, *는 켤래 복소수의 기호를 각각 의미함.
In the laser transceiver used to detect intruders invading the target object,
A laser transmitter for transmitting a transmission signal to the laser transceiver A; And
Includes a; receiving unit for receiving a signal transmitted from the laser transceiver B, and measuring the SNR for the received signal to determine whether the intruder has invaded or not;
The laser transmission unit, a signal generator for generating a laser pulse signal of a single-sided band; At least one filter unit including a capacitor that performs filtering on the laser pulse signal of the generated single-sided band; And at least one laser diode that transmits a laser pulse signal of a single sideband output from the at least one filter unit, respectively.
The transmission signal is a signal output from the at least one laser diode,
The signal transmitted from the laser transceiver B includes at least one laser pulse signal of a single sideband having a different phase, and the received signal is in the disturbance of the transmitted signal, the additive Gaussian white noise signal, and the intruder. Noise signal,
When the SNR measured in the received signal is equal to or less than a preset threshold, it is determined that the intruder has intruded.
The SNR is expressed by the following equation,
The receiving unit calculates test statistics such that the false positive probability and the false positive probability are zero,
A match filter is applied to the Fourier transform coefficient of the received signal in relation to the test statistics,
The following equation is expressed based on a test statistic SNR used for comparing the average power of the transmitted signal and the noise signal.

Figure 112020026850209-pat00029


Here, SNR(r) is the SNR for the received signal, R is the Fourier transform coefficient of the received signal, and E is the Fourier transform coefficient of the signal received by the receiver when R and the intruder do not invade. Difference vector, * means each complex number symbol.
제1항에 있어서,
상기 신호 생성부는 상기 적어도 하나의 필터부에 포함된 캐패시터 및 상기 적어도 하나의 레이저 다이오드와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 레이저 송수신기.
According to claim 1,
The signal generator is a laser transceiver, characterized in that connected to the capacitor and the at least one laser diode included in the at least one filter unit in parallel.
삭제delete 삭제delete 프로세서가 포함된 장치에서 수행되며, 대상 객체에 침입하는 침입자를 탐지하는 방법에 있어서,
레이저 송신기로부터 송신된 신호에 대한 수신 신호의 SNR를 측정하는 단계; 및
상기 SNR이 기 설정된 임계값 이하인 경우 상기 침입자가 침입한 것으로 판단하는 단계;를 포함하되,
상기 송신된 신호는 서로 다른 위상을 가지는 적어도 하나의 단측파대의 레이저 펄스 신호를 포함하고, 상기 수신된 신호는 상기 송신된 신호와, 가산성 가우시안 백색 잡음 신호와 상기 침입자의 교란에 따른 잡음 신호를 포함하며,
상기 SNR는 아래의 수학식과 같이 표현되며,
상기 장치는, 오탐지 확률 및 미탐지 확률이 0이 되도록 하는 테스트 통계를 산출하고,
상기 테스트 통계와 관련하여 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수에 매치 필터를 적용하며,
아래의 수학식은 상기 송신된 신호와 상기 잡음 신호의 평균 전력 비교를 위해 사용되는 테스트 통계 SNR에 기초하여 표현되는 되는 것을 특징으로 하는 침입자 탐지 방법.

Figure 112020026850209-pat00030


여기서, SNR(r)는 상기 수신된 신호에 대한 SNR, R는 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수, E는 상기 R와 상기 침입자가 침입하지 않는 경우에 상기 수신된 신호의 푸리에 변환 계수의 차이 벡터, *는 켤래 복소수의 기호를 각각 의미함.
A method for detecting an intruder that is performed on a device including a processor and intrudes into a target object,
Measuring the SNR of the received signal with respect to the signal transmitted from the laser transmitter; And
Including when the SNR is below a predetermined threshold value, determining that the intruder has invaded;
The transmitted signal includes a laser pulse signal of at least one single-sided band having different phases, and the received signal includes the transmitted signal, an additive Gaussian white noise signal, and a noise signal according to the disturbance of the intruder. Includes,
The SNR is expressed by the following equation,
The device calculates test statistics such that the false positive probability and the false positive probability are zero,
A match filter is applied to the Fourier transform coefficient of the received signal in relation to the test statistics,
Equation below is an intruder detection method characterized in that it is expressed based on the test statistics SNR used to compare the average power of the transmitted signal and the noise signal.

Figure 112020026850209-pat00030


Here, SNR(r) is the SNR for the received signal, R is the Fourier transform coefficient of the received signal, and E is the difference vector between the R and the Fourier transform coefficient of the received signal when the intruder does not invade. , * Means each complex number symbol.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20110176565A1 (en) * 2010-01-18 2011-07-21 Hutchin Richard A Multi-beam laser control system and method
US20160007587A1 (en) * 2014-07-10 2016-01-14 David G. Magee Configurable Portable Laser Alarm System

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