KR102162459B1 - 광신호 기반 모니터링 시스템 및 이를 이용한 매립형 외곽 침입 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바닥에 매립할 수 있는 감도를 가진 복수개의 펄스광신호(바람직하게는 듀얼광신호)를 이용한 광신호 기반 모니터링 시스템과 그 응용시스템에 관한 것이다. 본 발명은 입력신호를 생성하며, 제어유닛과, 상기 제어유닛에서 발생한 입력신호에 따라 복수개의 입사광신호를 생성하는 광생성유닛과, 상기 복수개의 입사광신호를 광섬유로 이루어진 복수개의 독립적인 광경로로 각각 송출하는 송출부와 상기 복수개의 광경로를 통해 진행한 상기 입사광신호를 결합하여 단일광신호를 형성하는 수신부를 갖는 광처리유닛과, 상기 광처리유닛의 수신부의 수신광신호를 처리하여 응답신호를 생성하는 광수신유닛을 포함한다. 상기 제어유닛은 상기 응답신호의 진동패턴 변화를 측정하여 상기 광경로상에 인가되는 외력을 감지하고 그 결과를 유저인터페이스에 송출한다.

Description

광신호 기반 모니터링 시스템 및 이를 이용한 매립형 외곽 침입 감지 시스템 {MONITORING SYSTEM BASED ON OPTICAL SIGNALS AND BURIED TYPE OF PERIMETER INTRUSION DETECTION SYSTEM USING THEREOF}

본 발명은 광신호 기반 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 특히 민감도를 증대하고 노이즈를 저감하여 매립형 외곽침입감지 시스템에 적용할 수 있도록 복수개의 광신호, 바람직하게는, 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템과 이를 이용한 매립형 외곽침입감지 시스템에 관한 것이다.

광반사 측정 방식을 이용한 모니터링 시스템은 광섬유로 이루어진 광선로에 외력이 가해지는 경우 해당 지점의 광섬유에는 굴절율 변화가 생기거나 반사광이 발생하고 이로 인한 빛의 세기가 변화되는 원리를 이용하는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 광섬유를 이용한 외곽침입 감지 시스템은 펜스(1)에 광섬유(2)를 설치하고, 일정 주기를 갖는 감지 광을 통과시켜 외력(A, B)이 발생한 경우 광섬유 내부에서 반사 또는 굴절이 발생하여 그 수신 신호(S1, S2)의 파형이 변화하는 원리를 이용하여 외력의 발생 여부를 감지하는 방식을 이용한다.

외력이 인가됨에 따른 광섬유 내에서의 광신호의 변화는 통상적인 경우에 노이즈가 많거나, 민감도가 떨어진다. 광섬유를 이용한 외력 감지 시스템으로 가장 널리 이용되는 OTDR(optical time domain reflectometer) 시스템의 경우 펄스 신호를 발생시킨 후 그 반사광 또는 타단에서 수광부에서 펄스파를 감지하고 파형 변화가 감지되는 시간을 측정하여 외력의 크기나 위치를 결정하는 방법으로 운용된다. 이러한 OTDR의 경우 감도가 현저히 낮기 때문에, 광케이블을 대략 90도 내외의 각도로 꺾이는 상황에서 외력 감응이 감지 되기 때문에 케이블을 링 형태로 꼬아서 배치하므로써 실제 모니터링 구간에 비해 3배 이상 길이의 케이블 설치를 필요로 하는 단점이 있다. 또한 링형으로 꼬인 외의 부분을 터치 하는 경우 반응을 감지 하기 어려우므로 철조망등 경계면 전체에 케이블을 설치해야 하는 문제점이 있다. 한편, 이러한 감도의 문제를 개선하기 위하여 광섬유 내에 일정 패턴을 형성하여 감도를 높일 수 있는 FBG(fiber bragg grating) 케이블을 이용할 수 있으나 고가의 설치비용, 장거리 송신시 신호 손실 등의 문제로 넓은 장소를 커버하는 모니터링 감시장비에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

특히, 공항, 발전소, 공장, 창고 등 대규모 시설에서의 모니터링 감시 시스템의 경우 저가의 자제비 및 설치비용, 효율적인 공사 방법, 대량 설치가 용이하며 공사기간을 줄일 수 있는 모니터링 센서 설비가 요구되는 실정이다

이러한 문제점을 해결하기 위하여 듀얼펄스를 이용한 시스템이 개발되었다. 도 2는 이러한 듀얼펄스를 이용한 광감지 외곽 침입 감지 센서의 일 예로서, 노이즈를 제거하기 위하여 광케이블 루프(50)를 이용하여 하나의 광을 분배기(10)를 통해 분기한 후 분기된 광을 루프(50) 내에 서로 반대 방향으로 진행 시킨 후 커플러(20, 30)를 통해 이들을 결합기(40)로 결합후 송출하여 외력에 의해 경로차가 생긴 경우 결합기(40)에서 결합된 신호가 입력신호에 의해 위상차가 발생한 패턴을 감지하여 외력의 발생여부를 판별하는 시스템이 개발되었다. (특허 제10-1944282호)

다만, 이러한 모니터링 시스템의 경우 모니터링 타겟인 펜스(1) 주변에 설치된 광섬유(2)가 외력에 의해 손상되거나, 침입자가 고의로 절단, 훼손하는 경우 시스템 전체에 오류가 발생하기 때문에, 훼손 부분을 수리하는 시간동안 전체 구간에서의 모니터링이 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 외력에 의해 손상되지 않고, 침입자가 고의로 절단할 수 없도록 바닥에 매립될 수 있고, 바닥에 매립되더라도 외력을 감지할 수 있고 노이즈를 최소화할 수 있는 최적의 민감도를 가지는 광센서 기술이 필요한 실정이다

본 발명은 모니터링 대상의 주변에 바닥에 매립되어 지상으로 침입하는 침입자, 모니터링 대상을 훼손할 수 있는 야생동물 등이 광센서를 훼손할 수 없도록 바닥에 매립하더라도 측정할 있는 감도를 가진 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 복수개의 듀얼펄스 유닛을 배치하여, 모니터링 신호를 구역별호 감지하여, 이상 신호가 어느 구역에서 발생하는 지 특정할 수 있으며, 하나의 유닛이 훼손되거나 고장이 발생하더라도, 다른 구역은 지속적으로 모니터링 할 수 있는 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 입력신호를 생성하며, 수신신호를 분석하는 제어유닛과, 상기 제어유닛에서 발생한 입력신호에 따라 복수개의 입사광신호를 생성하는 광생성유닛과, 상기 복수개의 입사광신호를 광섬유로 이루어진 복수개의 독립적인 광경로로 각각 송출하는 송출부와 상기 복수개의 광경로를 통해 진행한 상기 입사광신호를 결합하여 단일광신호를 형성하는 수신부를 갖는 광처리유닛과, 상기 광처리유닛의 수신부의 수신광신호를 처리하여 응답신호를 생성하는 광수신유닛과, 그리고, 상기 제어유닛과 연결되어 상기 응답신호의 분석결과를 사용자에게 고지하고 대응방안을 실행하는 유저인터페이스를 포함하되, 상기 제어유닛은 상기 응답신호의 진동패턴 변화를 측정하여 상기 광경로상에 인가되는 외력을 감지하고 그 결과를 상기 유저인터페이스에 송출하는 듀얼 광기반 모니터링 시스템을 제공한다.

상기 제어유닛은 입사광신호를 생성하기 위한 프로그램이 내장되는 프로세서를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 광생성유닛은 상기 프로세서의 프로그램에 따라 펄스신호를 생성하는 신호발생부와, 상기 신호발생부의 신호에 따라 상기 광처리유닛의 송출부로 레이저를 송출하는 레이저다이오드를 구비할 수 있다.

상기 레이저다이오드는 상기 복수개의 광경로의 개수만큼 구비되어 상기 복수개의 광경로 각각에 개별적으로 입사광신호를 송출할 수도 있고, 상기 레이저다이오드가 하나가 구비되어 단일 입사광신호를 송출하고, 상기 광처리유닛의 송출부가 분배기를 가져 상기 단일 입사광신호를 상기 복수개의 광경로 개수만큼 분기시켜 상기 광경로 각각에 분기된 광신호를 송출할 수도 있다.

상기 수신부는 상기 복수개의 광경로를 진행한 광신호를 단일광으로 결합하는 결합기를 구비하는 것이 바람직하며, 상기 복수개의 광경로 싱글모드광섬유로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 광수신유닛은, 상기 수신부의 결합기로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 수신변환신호를 생성하는 포토다이오드와, 상기 수신변환신호의 게인을 상기 입사광신호에 대한 상대적인 게인으로 변환하여 수신조절신호를 형성하는 레벨조절기와, 그리고 상기 수신조절신호의 고주파 영역의 노이즈를 제거하여 응답신호를 형성하기 위한 저역통과필터를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어유닛은 상기 응답신호를 수신하여 디지털 변환하는 컨버터를 더 구비하여, 디지털화된 응답신호를 상기 프로세서로 입력하며, 상기 프로세서는 외력의 상황에 따른 응답신호의 진폭 변화를 패턴화하는 학습알고리즘을 가져 상기 응답신호의 진동패턴을 분석하여 외력의 상황을 판별하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전술한 광신호 기반 모니터링 시스템을 갖는 외곽침입감지시스템을 제공한다. 즉, 상기 복수개의 광경로는 상기 광처리유닛의 송출부에서 분기되어 모니터링 대상에 서로 중첩되지 않게 배치된 상태로 상기 광처리유닛의 수신부에서 결합되는 외곽침입감지시스템을 제공한다.

이러한 외곽침입감지시스템은 민감도가 매우 높으므로 모니터링 대상이 바닥면일 수 있고, 광경로의 훼손을 방지하기 위하여 상기 광경로가 상기 바닥면 아래에 매립되어 설치되어도 무방하다.

상기 광신호기반 모니터링 시스템은 상기 광처리유닛을 복수개 구비하고, 상기 바닥면은 상기 복수개의 광처리유닛의 개수만큼 구획되고, 상기 광처리유닛과 상기 광경로는 상기 바닥면의 대응하는 구획에 설치되어, 상기 제어유닛이 상기 복수개의 광처리유닛의 응답신호를 분석하여 외력이 발생한 광처리유닛이 설치된 구획을 외력이 발생한 구획으로 특정할 수 있다.

상기 바닥면은 서로 다른 두 방향으로 구획되어 2차원의 구획 좌표를 형성하고, 상기 제어유닛은 상기 복수개의 광처리유닛의 응답신호를 분석하여 외력이 발생한 지점을 2차원의 구획 좌표로 특정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 하나의 광신호에서 분기된 듀얼 광신호가 서로 다른 경로를 거치면서 위상차가 발생한 경우 해당 신호를 감지하되, 빛이 루프를 돌지 않게 함으로써 광섬유 내의 손실을 최소화 하여, 광섬유 매립시에도 외력에 대한 민감도를 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 광섬유 유닛을 배열하여 각 유닛의 광신호을 감지함으로써 감지신호가 발생하는 유닛을 특정하여 해당 유닛이 배치된 위치를 특정하여 외력이 발생하는 위치를 특정할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 복수개의 광섬유 유닛을 구동함으로써 특정 광섬유 유닛의 오작동, 훼손이 발생하더라도, 다른 광섬유 유닛은 정상적으로 작동하기 때문에, 외곽침입감지 시스템이 나머지 구간에서 계속적으로 정상작동하는 효과가 있다.

또한 본 개시에 따르면 측정되는 파형의 모형을 딥러닝을 통해 학습함으로써 진동 파형의 패턴분석을 통해 가해지는 외력의 종류를 특정할 수 있다.

도 1은 펜스 설치형 외곽감지시스템의 개요도,
도 2는 종래기술에 따른 광신호 기반 모니터링 시스템의 센서부를 도시한 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템의 블록도,
도 4는 도 3의 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템을 이용한 지하 매립형 침입감지장치의 일 실시예 구성을 도시한 개요도,
도 6은 도 5의 침입감지 장치에 의해 측정된 감지신호의 변화를 도시한 그래프,
도 7은 도 5의 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템을 지하 매립형으로 설치하고 응답 패턴 신호를 실험하는 과정을 도시한 사진,
도 8은 입력신호와, 도 7의 실험에 의한 응답신호를 도시한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템의 제2 실시예를 도시한 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템의 제3 실시예를 도시한 개략도, 그리고
도 11은 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템의 제4 실시예를 도시한 개략도이다.

본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 개시의 실시 예들을 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예들로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른부분과 “연결”되어 있다고 할 때 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 또는 “구비”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 듀얼광 기반 모니터링 시스템 및 리를 이용한 지하 매립형 침입감지 시스템의 실시예들을 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템은 컴퓨터 또는 서버 등의 유저인터페이스(101, 이하, 'PC'로 통칭함)와 연동되어 제어신호를 생성하고, 입력신호를 제어하며, 수신신호를 분석하는 제어유닛과(110), 제어유닛(120)에서 발생한 입력신호에 따라 입사광신호를 생성하는 광생성유닛(120)과, 광생성유닛(120)에서 발생한 광신호를 분기하여 광경로로 송출하는 송출부(132)와 광경로를 통해 진행한 광신호를 수신하는 수신부(134)를 갖는 광처리유닛(130)과, 모니터링 대상이 되는 부분에 광경로를 형성하는 광섬유센서유닛(140)과, 광처리유닛(130)의 수신부(134)의 수신광신호를 수신하여 응답신호를 생성하는 광수신유닛(150)을 포함한다.

상기 제어유닛은 유저인터페이스를 통해 사용자에게 응답신호의 분석결과를 고지할 수 있고, 유저인터페이스는 모니터링 대상이 되는 영역에서 경고음을 울리거나, CCTV를 가동시키거나, 조명을 비추거나, 경비인력의 호출 등 침입자 등을 쫓아내는 대응방안을 실행하거나, 응답신호에 대한 외력의 데이터를 축적하는 기능을 수행할 수 있다.

광처리 유닛의 송출부(132)는 광생성유닛(120)에서 생성된 입사광신호를 제1 및 제2 입사광신호로 분기시켜 제1 입사광신호를 광섬유센서유닛(140)의 제1 광경로(142)로 입사시키고 제2 입사광신호를 광섬유센서유닛(140)의 제2 광경로(144)로 입사시키도록 분배하는 분배기(spliter)를 갖는다. 또한 수신부(134)는 제1 입사광신호가 제1 광경로(142)를 통해 진행한 제1 수신광신호와 제2 입사광신호가 제2 광경로(144)를 통해 진행한 제2 수신광신호를 결합하여 단일광신호를 형성하는 결합기(combiner)를 갖는다. 이때, 제1 광경로(142)와 제2 광경로는 서로 독립되어, 제1 광경로의 신호는 제2 수신광신호에 영향을 주지않으며, 제2 광경로의 신호는 제1 수신광신호에 영향을 주지 않는다. 따라서, 도 3과 같이 독립적인 두개의 광섬유를 이용하여 센서를 구성하는 경우, 도 2와 같이 하나의 광섬유를 이용하여 듀얼 광신호를 수신하는 종래기술에 비해 손실이 적고 민감도가 매우 우수하다.

실제 실험실에서, 본 실시예와 같은 광회로를 구성한 경우 민감도를 외력의 크기로 환산한 경우 약 100배 내지 1000배로 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 도 2의 광회로를 이용하는 경우 펜스 등 목적물에 광섬유를 설치한 경우, 목적물을 직접 두드리거나 흔드는 경우에만 응답 신호가 발생하였지만, 도 3과 같은 광회로를 이용하는 경우 목적물에 연결된 다른 구조물에 외력이나 진동이 발생가능한 경우에도 응답신호가 발생하였다. 실험 초기에 발명자는 이러한 회로의 변경에 의한 센서를 펜스에 설치한 경우 많은 응답신호가 발생하는 것이 노이즈의 발생으로 오해 했었으나, 실험실 측정을 통해 외력이 없는 경우 오작동율이 세시간당 1회 정도로 노이즈의 영향이 매우 적고, 도 2의 역치의 1/100에 정도의 외력에도 응답신호가 발생하는 것을 확인하여, 민감도를 외력으로 환산하였을 때 100배 이상 증가한 것을 확인할 수 있었으며, 실제 데이터를 취합할 수 있는 외력의 크기는 종래기술 역치의 1/1000 정도의 수준까지 측정 가능하였고, 응답신호를 디지털로 변환하여 신호를 확대 분석 하는 경우 그 이하의 외력도 측정이 가능한 것으로 나타났다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 제어유닛(110)은 컴퓨터 또는 서버(101)와 연결되며, 펄스파를 생성하기 위한 프로그램이 내장되며, 이상신호 발생시 PC로 이상신호 발생신호와, 응답신호의 패턴을 PC(101)로 송출하는 프로세서(112)를 구비한다. 수신광처리유닛(150)에서 생성된 응답신호를 디지털로 변환하는 컨버터(114)를 구비하는 것이 바람직하다.

광생성유닛(120)은 프로세서(112)의 프로그램에 따라 펄스신호를 생성하는 신호발생부(122)와, 신호발생부(122)의 신호에 따라 레이저를 송출하는 레이저다이오드(124)를 구비한다. 실질적으로 외곽침입감지시스템을 운영하기 위해서 광섬유센서유닛(140)의 제1 광경로(142) 및 제2 광경로(144)는 싱글모드광섬유를 이용하는 것이 바람직하다. 멀티모드광섬유의 경우 손실이 커서 광신호가 전달되는 거리가 싱글모드 광섬유에 비해 매우 짧아서 대규모 외곽침입감지시스템에 적합하지 않으며 노이즈가 많이 발생하여 응답신호의 교란이 자주 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 제1 및 제2 광경로(142, 144)는 싱글모드광섬유로 이루어지며, 이러한 광경로에 레이저다이오드(124)를 이용하여 레이저 입사광신호를 발생시킴으로써, 광경로를 수km 내지 십수km까지 구현 가능하기 때문에, 발전소, 공항, 공장 등 둘레길이에 관계 없이 하나의 센서로 외곽침입감지를 실행할 수 있다.

광수신유닛(150)은 수신부(134)의 결합기로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 수신변환신호를 생성하는 포토다이오드(152)와, 수신변환신호의 게인(gain: 본 실시예와 같이 포토다이오드를 통해 수신광신호를 측정하는 경우 광전압값)을 입력신호(입사광신호)에 대한 상대적인 게인으로 변환하여 수신조절신호를 형성하는 레벨조절기(154: Auto Gain Controller, AGC)를 구비한다. 또한 노이즈는 주로 고주파 영역에서 발생하므로 고주파 영역의 노이즈를 제거하여 응답신호를 형성하기 위한 저역통과필터(156)를 구비한다. 레벨조절기(154)의 기능은 후술할 도 8을 통해 설명한다.

저역통과필터(156)에서 생성된 응답신호는 제어유닛(110)의 컨버터(114)를 통해 디지털 변환된 후 프로세서(112)에 인가되어 모니터링 상황을 분석할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 기존의 광센서에 비해 민감도가 매우 높으므로 다양한 용도로 이용될 수 있다. 특히 펜스 설치형 외곽침입감지시스템의 경우 침입자가 광섬유를 절단하거나, 다른 외력에 의해 광섬유가 훼손되거나, 설치 상태가 변경된 경우 오작동될 수 있다. 따라서, 외력에 작용하는 모니터링 센서를 지하에 매설하여 지상의 외력을 지하에서 측정하는 경우 이러한 문제를 해결할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 지하 매립형 외곽침입감지시스템에 적용될 수 있다.

도 5에서, 입사광신호를 듀얼 광신호로 송출하기 위해 분배기를 갖는 송출부(132)와 광섬유센서유닛을 진행한 듀얼광신호를 진행한 수신신호를 수신하는 수신부(134)를 구비하는 광처리유닛(130)은 패키지로 조립된다. 제1 광경로(142)와 제2 광경로(144)는 광처리유닛(130)의 송출부(132)에서 분기되어 바닥(G) 면 대부분을 커버하되 서로 중첩되지 않게 매립된 상태로 광처리유닛(130)의 수신부(134)에서 결합된다. 프로세서(110), 광생성유닛(120), 광수신유닛(150)은 매립되지 않아도 무방하며, 광생성유닛(120)과 광처리유닛(130) 사이는 외력이 광경로에 영향을 주지 않도록 완충 보호 포장된 광섬유로 연결될 수 있고, 마찬가지로 광처리유닛(130)과 광수신유닛(150)사이역시 완충 보호 포장된 광섬유로 연결될 수 있다. 광처리유닛(130)이 매립되지 않는 경우 광처리유닛(130)과 제1 광경로(142) 및 제2 광경로(144)의 연결부에서 외부로 드러날 수 있으므로, 이 실시예에서는 제1 및 제2 광경로(142, 144)를 구성하는 광섬유들이 같은 깊이에 균일하게 매립될 수 있도록 광처리유닛(130) 또한 바닥(G)에 함께 매립되었다.

도 5와 같이 제1 및 제2 광경로(142, 144)가 매립된 바닥상에 외력이 가해지면, 제1 광경로(142)와 제2 광경로는 중첩되지 않으므로 제1 광경로(142) 또는 제2 광경로(144) 중 하나에 진동이 인가된다. 외력이 인가된 광섬유에서는 진행하는 빛의 굴절 또는 반사를 야기하여 광로차가 발생하기 때문에 수신부에 인가되는 광신호의 위상차가 발생한다. 즉, 외력이 발생하지 않는 동안 동일한 입사광신호인 레이저 펄스를 광처리유닛(130)에서 분기시킨 후 결합하면 일정한 수신신호가 감지되며, 이를 응답신호로 변환하여 측정하면, 도 6의 (a)와 같이 응답신호가 일정한 수준을 유지하지만, 외력이 발생한 경우 위상차가 발생하여 도 6의 (b)와 같이 진동한다. 이러한 응답신호의 진동여부 또는 진동변화를 감지하여 외력 작용 여부를 판별할 수 있다.

도 7 및 도 8은 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광신호기반 모니터링 시스템을 이용하여 지하매립형 침입감지시스템을 구현하고, 외력에 따른 응답신호 변화를 측정한 결과를 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발명자는 모니터링 타겟(T)이 되는 펜스 하단의 바닥(G)에 전술한 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템을 20cm 깊이로 매설하고 외력에 대한 응답 신호 변화를 측정하였다.

도 7의 (a)는 침입자가 담을 넘어 뛰어 내리는 경우를 나타내고, 도 7의 (b)는 침입자가 살금살금 걸어가는 경우를 나타낸다. 도 8의 (a)는 아무런 외력이 인가되지 않은 경우의 응답신호를 나타낸다. 도 8의 (a), (b) 및 (c)에서 RS1으로 시작하는 도면부호는 전술한 레벨조절기(154)가 없는 경우의 응답신호를 나타내고, RS2로 시작하는 도면부호는 전술한 레벨조절기(154)를 통해 입사광신호에 대한 상대적인 게인 레벨로 조절된 응답신호의 게인 값을 나타낸 것이다.

게인 값을 조절하는 이유는 입사광신호가 항상 일정하지 않을 수 있으므로, 입사광신호의 세기가 변화하는 경우 이러한 입사광의 세기 변화가 응답신호에 영향을 미치는 것을 방지하기 위한 것이다. 도 8 (a)에서 아무런 외력이 없는 경우 수신파형(RS1)의 변화가 두드러지지 않고 입사광신호의 세기 변화에 따른 변화만 확인할 수 있다. 이를 레벨조절기(154)를 부착하여 응답신호(RS1)를 입력광신호에 대한 상대적인 레벨로 조절한 경우 조절된 응답신호(RS2)는 일정한 상수값의 게인으로 나타난다.

도 7 (a)와 같이, 침입자가 펜스를 뛰어 넘거나 점프를 한 경우, 그 응답신호(RS1a, RS1b)는 도 8 (b)와 같이, 큰 진폭의 변화를 나타내는 패턴을 나타낸다. 실제로 두 발이 착지한 시간차에 따라 착지시 두번의 진폭 변화가 나타나고, 침입자가 충격을 완화하기 위하여 세번을 걸음으로써 세번의 진폭변화가 일정 시간차를 두고 발생하였다.

도 7 (b)와 같이 침입자가 소음을 줄이기 뒷꿈치를 들고 종종걸음을 걸은 경우 도 8 (c)와 같이, 그 응답신호(RS2a, RS2b)는 침입자의 걸음걸이의 주파수에 따라 일정 시간차로 진폭변화를 나타내고 매우 조심스런 걸음걸이에도 파형변화를 보였다.

도 8 (a) 내지 도 8 (c)를 통해 알 수 있듯이, 응답신호의 급격한 진폭 변화를 통해 외력이 인가되었음을 판별할 수 있을 뿐만 아니라 그 패턴을 통해 어떤 종류의 외력이 인가되었는지 판단할 수 있다.

예컨데, 사람이 걷거나 달리는 경우 두 발의 스텝에 따라 일정 간격으로 진폭 변화가 발생하는 파형변화를 보이며, 야생 동물의 경우 스텝에 따라 세가지 또는 네가지 주기의 파형이 결합된 형태의 파형변화를 보인다. 물체의 낙하, 침입자의 점프 등이 발생한 경우 간헐적인 진폭 변화를 보이는 파형변화를 보인다. 어떤 형태의 외력이 인가되는지의 판별은 어떤 파형 변화가 일련의 상황에서 발생하는지를 고려하여 판별될 수 있고, 하나의 외력이 아니라 여러 사람인지, 여러마리의 동물인지 등, 상황에 따라 진폭 변화를 패턴화하여 학습알고리즘을 통해 인공지능 프로그램을 이용하여 분석할 수 있다. 따라서 어떤 외력이 어떤 확률로 인가되고 있는지를 패턴 데이터를 수집한 후 학습알고리즘을 탑재한 소프트웨어를 통해 인공지능으로 판별할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 복수개의 광처리유닛(230a, 230b, 230c)을 모니터링 타겟(T)인 펜스의 길이 방향(본 명세서에서 도면상 가로 방향으로서, '제1 방향'이라 칭함)으로 배열한 실시예를 나타낸다. 바닥(G)은 광처리유닛(230a, 230b, 230c)의 개수만큼 구획되고, 각 광처리유닛(230a, 230b, 230c)에서 각각 제1 광경로(242a, 242b, 242c)와 제2 광경로(244a, 244b, 244c)가 연장되어 바닥(G)의 해당 구획을 커버할 수 있도록 매립된다.

외곽침입감지시스템이 모니터링 범위가 매우 큰 경우 어느 지점에서 외력이 발생하는지를 확인할 수 있어야 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 복수개의 광처리유닛(230a, 230b, 230c)을 배열한 경우, 광처리유닛(230a, 230b, 230c)에 대응하는 복수개의 광수신유닛(250a, 250b, 250c)을 구비하여 각 광수신유닛(250a, 250b, 250c)에서 수신되어 처리되는 응답신호의 진폭변화를 모니터링 하여 각 광처리유닛(230a, 230b, 230c)이 설치된 구획에서 어떤 외력이 작용하고 있는지를 판별할 수 있다. 즉, 광수신유닛(250a, 250b, 250c)는 대응하는 광처리유닛(230a, 230b, 230c)의 제1 방향 좌표에 대한 어드레스 정보를 가지고 있고, 각 광수신유닛(250a, 250b, 250c)에서 외력이 감지된 경우 해당 어드레스 정보에 따른 구획에서 외력이 작용하는지를 판별하는 것이다. 통상, 외곽침입방지 시스템을 광범위한 지역에 설치하는 경우 CCTV와 연동하여 구동될 수 있는데, 외력이 발생하는 구획을 판별하는 경우 개략적인 외력발생 위치를 특정할 수 있으며, CCTV(미도시)를 해당 구획을 향하게 하여 촬영한 후 이미지 분석을 통해 정확한 외력발생 위치를 특정할 수 있게 된다. 또한, 응답신호가 측정되는 광수신유닛(250a, 250b, 250c)의 변화를 통해 외력이 발생하는 어드레스 정보의 변화를 감지할 수 있다. 따라서 제1 방향의 어드레스 변화를 측정하여 침입자 등이 제1 방향으로 이동하는지 여부를 판별할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예로서 복수개의 광신호처리유닛(330a, 330b, 330c)를 모니터링 타겟(T)인 펜스 설치 방향에 직교한 방향(본 명세서에서 도면상 세로 방향으로서, '제2 방향'이라 칭함)으로 배치한 실시예를 나타낸다.

바닥(G)은 모니터링 타겟(T)을 향하는 제2 방향으로 구획되고 각 광처리유닛(330a, 330b, 330c)에서 각각 제1 광경로(342a, 342b, 342c)와 제2 광경로(344a, 344b, 344c)가 연장되어 바닥(G)의 해당 구획을 커버할 수 있도록 매립된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 복수개의 광처리유닛(330a, 330b, 330c)을 배열한 경우, 광처리유닛(330a, 330b, 330c)에 대응하는 복수개의 광수신유닛(350a, 350b, 350c)을 구비하여 각 광수신유닛에서 수신되어 처리되는 응답신호의 진폭변화를 모니터링 하여 각 광처리유닛(330a, 330b, 330c)이 설치된 구획에서 어떤 외력이 작용하고 있는지를 판별할 수 있다.

광처리유닛이 제2 방향으로 하나만 배치되는 경우 침입자의 제2 방향 이동을 판별할 수 없고, 제2 방향의 모니터링 범위가 좁아질 수 있다. 이 실시예에서는 광처리유닛(330a, 330b, 330c)를 제2 방향으로 복수개 설치하여 제1 광경로(342a, 342b, 342c)가 제2 방향으로 복수개 설치될 수 있고, 제2 광경로(344a, 344b, 344c) 또한 제1 광경로에 대응하도록 제2 제2 방향으로 복수개 설치됨으로써, 제2 방향으로의 모니터링 범위를 확장할 수 있다. 또한, 광수신유닛(350a, 350b, 350c)는 대응하는 광처리유닛(330a, 330b, 330c)의 제2 방향 좌표에 대한 어드레스 정보를 가지고 있고, 각 광수신유닛(350a, 350b, 250c)에서 외력이 감지된 경우 해당 어드레스 정보에 따른 구획에서 외력이 작용하는 것으로 판별할 수 있다. 결과적으로 응답신호가 측정되는 광수신유닛(350a, 350b, 350c)의 변화는 외력의 어드레스 변화로 감지되고 제2 방향의 어드레스 변화를 측정하여 침입자 등이 제2 방향으로 이동하는지 여부를 판별할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예로서 복수개의 광신호처리유닛(430)를 모니터링 타겟(T)인 펜스에 대해 제1 방향 및 제2 방향으로 복수개 배치한 실시예를 나타낸다.

바닥(G)은 모니터링 타겟(T)의 길이방향인 제1 방향에 대해 복수구간(G1, G2, G3)으로 구획되고 모니터링 타겟(T)를 향하는 제2 방향에 대해 복수구간으로 구획된 것으로서 광처리유닛(430)이 2차원 매트릭스 형태로 배치된 것이다. 각 광처리유닛(430)에서 각각 제1 광경로(442)와 제2 광경로(444)가 연장되어 바닥(G)의 해당 구획을 커버할 수 있도록 매립된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 복수개의 광처리유닛(430)을 2차원 매트릭스 형태로 광처리유닛(430)에 대응하는 복수개의 광수신유닛(450)을 구비하여 각 광수신유닛에서 수신되는 응답신호의 진폭변화를 모니터링 하여 각 광처리유닛(430)이 설치된 구획에서 어떤 외력이 작용하고 있는지를 판별할 수 있다.

이 실시예에서는 광처리유닛(330)를 제1 및 제2 방향으로 복수개 설치하여 제1 광경로와 제2 광경로가 제1 및 제2 방향 각각으로 복수개 설치된다. 따라서, 제1 및 제2 방향으로 모니터링 범위를 확장할 수 있다. 또한, 광수신유닛은 광처리유닛(430)의 모니터링 구역을 2차원 매트릭스 형태로 구획한 좌표의 어드레스 정보를 가지고 있고, 각 광수신유닛에서 외력이 감지된 경우 해당 어드레스 정보에 따른 구획에서 외력이 작용하는 것으로 판별할 수 있다. 결과적으로 응답신호가 측정되는 광수신유닛의 변화는 외력의 2차원 매트릭스 상에서의 어드레스 변화로 감지되고 제2 방향의 어드레스 변화를 측정하여 침입자 등이 어떤 방향으로 이동하는지 여부를 판별할 수 있다.

전술한 실시예들에서 제1 방향은 모니터링 타겟 또는 경계면에 평행한 방향으로서, 길이방향 등으로 설명되었고, 제2 방향은 모니터링 타겟 또는 경계면을 향하는 방향 또는 직교한 방향으로 설명되었으나 이에 한정되는 것이 아니고, 외곽침입방지시스템의 목적이나, 구조에 따라서 좌표를 구별할 수 있는 방향으로 설정될 수 있다. 예컨대, 도로와 같은 공간상에 본 발명에 따른 듀얼 광신호 기반 모니터링 시스템이 매립설치되는 경우 도로상에서 외력의 변화를 특정할 수 있도록 제1 방향 또는 제2 방향이 결정되면 되기 때문에, 제1 방향 및 제2 방향이 모니터링 타겟의 설치 형태와 무방하게 결정될 수 있고 서로 직교하지 않아도 무방하다.

또한, 전술한 실시예에서 입사광신호는 하나의 레이저신호가 분배기를 통해 분기되어 두 개의 광경로로 진행하는 것으로 기재되었지만, 이는 현시점에서 복수개의 입사광신호의 시간적 동기화, 게인의 균일화를 이루기 어렵기 때문에 최적 설계를 한 것이므로, 복수개의 레이저다이오드를 이용하여 입사광신호 대비 일부 광경로상에서 위상차가 발생하여 응답신호가 변화되는 것을 측정할 수 있다면, 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 볼 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 변경하지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다.

101: PC 110: 제어유닛
112: 프로세서 114: AD 컨버터
120: 광생성광유닛 122: 신호발생부
124: 레이저다이오드 130, 230, 330, 430: 광처리유닛
132: 분배기 134: 결합기
140: 광섬유센서유닛 142, 242, 342, 442: 제1 광경로
144, 244, 344, 444: 제2 광경로 150: 광수신유닛
152: 포토다이오드 154: 레벨조절기
156: 저역통과필터 T: 모니터링 타겟
G: 바닥

Claims (13)

1. 입력신호를 생성하며, 수신신호를 분석하는 제어유닛과
   상기 제어유닛에서 발생한 입력신호에 따라 복수개의 입사광신호를 생성하는 광생성유닛과,
   상기 복수개의 입사광신호를 광섬유로 이루어진 복수개의 독립적인 광경로로 각각 송출하는 송출부와 상기 복수개의 광경로를 통해 진행한 상기 입사광신호를 결합하여 단일광신호인 수신광신호를 형성하는 수신부를 갖는 광처리유닛과,
   상기 광처리유닛의 수신부의 수신광신호를 처리하여 응답신호를 생성하는 광수신유닛을 포함하고,
   상기 제어유닛은 상기 응답신호의 진동패턴 변화를 측정하여 상기 광경로상에 인가되는 외력을 감지하고 그 결과를 사용자에게 송출하며,
   상기 복수개의 광경로 상에 외력이 발생하면, 상기 복수개의 광경로를 통해 진행한 상기 입사광신호들 사이에 위상차가 발생하여, 상기 수신광신호 및 상기 응답신호가 진동하는 파형을 갖는 것을 특징으로 하는 광신호 기반 모니터링 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어유닛은 입사광신호를 생성하기 위한 프로그램이 내장되는 프로세서를 구비한 광신호 기반 모니터링 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광생성유닛은 상기 프로세서의 프로그램에 따라 펄스신호를 생성하는 신호발생부와,
   상기 신호발생부의 펄스신호에 따라 상기 광처리유닛의 송출부로 레이저를 송출하는 레이저다이오드를 구비하는
   광신호 기반 모니터링 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 레이저다이오드는 상기 복수개의 광경로의 개수만큼 구비되어 상기 복수개의 광경로 각각에 개별적으로 입사광신호를 송출하는 광신호 기반 모니터링 시스템.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 레이저다이오드는 하나가 구비되어 단일 입사광신호를 송출하고,
   상기 광처리유닛의 송출부는 분배기를 가져 상기 단일 입사광신호를 상기 복수개의 광경로 개수만큼 분기시켜 상기 광경로 각각에 분기된 광신호를 송출하는
   광신호 기반 모니터링 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 수신부는 상기 복수개의 광경로를 진행한 광신호를 단일광으로 결합하는 결합기를 구비하는 광신호 기반 모니터링 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 복수개의 광경로 싱글모드광섬유로 이루어진 광신호 기반 모니터링 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 광수신유닛은,
   상기 수신부의 결합기로부터 수신한 광신호를 전기신호로 변환하여 수신변환신호를 생성하는 포토다이오드와,
   상기 수신변환신호의 게인을 상기 입사광신호에 대한 상대적인 게인으로 변환하여 수신조절신호를 형성하는 레벨조절기와, 그리고
   상기 수신조절신호의 고주파 영역의 노이즈를 제거하여 응답신호를 형성하기 위한 저역통과필터
   를 구비하는 광신호 기반 모니터링 시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제어유닛은
   상기 응답신호를 수신하여 디지털 변환하는 컨버터를 더 구비하여, 디지털화된 응답신호를 상기 프로세서로 입력하며,
   상기 프로세서는 외력의 상황에 따른 응답신호의 진폭 변화를 패턴화하는 학습알고리즘을 가져 상기 응답신호의 진동패턴을 분석하여 외력의 상황을 판별하는
   광신호 기반 모니터링 시스템.
10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항의 광신호 기반 모니터링 시스템을 갖는 외곽침입감지시스템에 있어서,
    상기 복수개의 광경로는 상기 광처리유닛의 송출부에서 분기되어 모니터링 대상에 서로 중첩되지 않게 배치된 상태로 상기 광처리유닛의 수신부에서 결합되는 외곽침입감지시스템.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 모니터링 대상은 바닥면이며,
    상기 광경로는 상기 바닥면 아래에 매립되는
    외곽침입감지시스템.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광신호 기반 모니터링 시스템은 상기 광처리유닛을 복수개 구비하고,
    상기 바닥면은 상기 복수개의 광처리유닛의 개수만큼 구획되고,
    상기 광처리유닛과 상기 광경로는 상기 바닥면의 대응하는 구획에 설치되어,
    상기 제어유닛은 상기 복수개의 광처리유닛의 응답신호를 분석하여 외력이 발생한 광처리유닛이 설치된 구획을 외력이 발생한 구획으로 특정하는
    외곽침입감지시스템.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 바닥면은 서로다른 두 방향으로 구획되어 2차원의 구획 좌표를 형성하고,
    상기 제어유닛은 상기 복수개의 광처리유닛의 응답신호를 분석하여 외력이 발생한 지점을 2차원의 구획 좌표로 특정하는
    외곽침입감지 시스템

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