KR102524373B1 - Human-Detecting Radar System for Indoor Security Applications and Human-Detecting method using the same - Google Patents

Human-Detecting Radar System for Indoor Security Applications and Human-Detecting method using the same Download PDF

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KR102524373B1
KR102524373B1 KR1020200155808A KR20200155808A KR102524373B1 KR 102524373 B1 KR102524373 B1 KR 102524373B1 KR 1020200155808 A KR1020200155808 A KR 1020200155808A KR 20200155808 A KR20200155808 A KR 20200155808A KR 102524373 B1 KR102524373 B1 KR 102524373B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실내보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템은 CW 레이다의 측정신호를 수신하여 STFT 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리부; 상기 스펙트로그램을 기초로 4개의 특징들을 추출하는 특징 추출부; 및 상기 4개의 특징 모두를 이용해 대상이 사람인지를 분류하는 SVM 이진분류부를 포함한다.A human body detection radar system for indoor security application according to an embodiment of the present invention includes a signal processing unit receiving a measurement signal of a CW radar and generating a spectrogram through STFT signal processing; a feature extractor extracting four features based on the spectrogram; and an SVM binary classification unit that classifies whether the object is a human using all of the four features.

Figure R1020200155808
Figure R1020200155808

Description

실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템 및 이를 이용한 인체 감지 방법{Human-Detecting Radar System for Indoor Security Applications and Human-Detecting method using the same}Human-Detecting Radar System for Indoor Security Applications and Human-Detecting method using the same}

본 발명은 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템 및 이를 이용한 인체 감지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a human body detection radar system for indoor security applications and a human body detection method using the same.

현대 사회에서는 주거의 안정성과 특정 공간 내의 보안 유지를 위해 침입자를 감지하는 보안 및 감시 시스템이 필수적이다. 특히 24시간 동작하는 감시 시스템 특성상 저면적, 저전력의 시스템이 필요하다. 기존의 보안 시스템에서는 CCTV 카메라, 적외선 센서, 마이크로웨이브 센서, 레이다 등 다양한 센서들이 활용되고 있다. In modern society, a security and surveillance system that detects an intruder is essential to maintain the stability of a dwelling and security within a specific space. In particular, a low-area, low-power system is required due to the characteristics of a monitoring system that operates 24 hours a day. In existing security systems, various sensors such as CCTV cameras, infrared sensors, microwave sensors, and radar are used.

하지만, 이러한 센서들은 어두운 환경에서 대상을 감지하지 못하거나, 사람이 아닌 다른 물체의 움직임을 감지하여 오작동하는 경우가 많다. 특히 CCTV의 경우 사람이 직접 화면을 감시하여야 한다는 단점이 있다[2]. 그에 반면 전자기파를 사용하여 표적을 탐지하는 레이다는 외부 환경에 영향을 적게 받고 어두운 환경에서도 대상을 감지할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 대상을 감지하는 것뿐만 아니라 사람의 다양한 동작이나 미세한 움직임을 검출할 수 있어서 사람과 다른 물체들을 분류하는 타겟 인식에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.However, these sensors often fail to detect an object in a dark environment or malfunction by detecting the movement of an object other than a person. In particular, in the case of CCTV, there is a disadvantage that a person must directly monitor the screen [2]. On the other hand, a radar that detects a target using electromagnetic waves has the advantage of being less affected by the external environment and being able to detect the target even in a dark environment. In addition, research on target recognition, which classifies people and other objects by detecting not only objects but also various human motions or minute movements, is being actively conducted.

S. Oh, S. Moon, S. Choi, “Intelligence Security and Surveillance System in Sensor Network Environment Using Integrated Heterogeneous Sensors” Korea Institute Of Communication Sciences, Vol. 38C, No. 07, pp. 551-562, Jul. 2013.S. Oh, S. Moon, S. Choi, “Intelligence Security and Surveillance System in Sensor Network Environment Using Integrated Heterogeneous Sensors” Korea Institute Of Communication Sciences, Vol. 38C, no. 07, p. 551-562, Jul. 2013.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 문제점을 해결할 수 있는 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템 및 이를 이용한 인체 감지 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a human body detection radar system for indoor security applications that can solve the conventional problems and a human body detection method using the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 응용보안을 위한 인체 감지 레이다 시스템은 CW 레이다에서 대상을 측정한 레이다 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리부; 상기 스펙트로그램을 기초로 4개의 특징을 추출하는 특징 추출부; 및 상기 4개의 특징 모두를 이용하여 상기 대상이 사람인지를 1 또는 0으로 분류하는 SVM 이진분류부를 포함하고, 상기 특징 추출부는 상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격, 상기 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride) 발생 유무, CW 레이다 의 반사 면적 및 상기 스펙트로그램 내의 피크 주파수와 몸통 주파수의 차에 대한 특징을 추출하고, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값이고, 상기 SVM 이진 분류부는 마진(margin)을 최대화하도록 학습된 파라미터를 이용하여 하기의 식을 통해 이진분류를 수행하는 것을 특징으로 한다.
[식]

Figure 112023003311793-pat00073

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,
Figure 112023003311793-pat00074
는 평균,
Figure 112023003311793-pat00075
는 표준편차,
Figure 112023003311793-pat00076
는 선형 예측 변수,
Figure 112023003311793-pat00077
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.A human body detection radar system for indoor application security according to an embodiment of the present invention for solving the above problems receives a radar signal measuring an object from a CW radar and performs a short-time Fourier transform (STFT) signal processing to form a spectrogram. a signal processing unit that generates; a feature extractor extracting four features based on the spectrogram; and an SVM binary classifier for classifying whether the target is a human as 1 or 0 using all of the four features, wherein the feature extractor includes a time interval of micro-Doppler frequencies in the spectrogram, the The features of the difference between the frequency of the body and the peak frequency in the spectrogram are extracted, whether the number of strides of the target has occurred, the reflection area of the CW radar, and the peak frequency is a micro-Doppler frequency is the maximum value of , and the SVM binary classifier performs binary classification through the following equation using a parameter learned to maximize a margin.
[ceremony]
Figure 112023003311793-pat00073

where X is the input vector to be classified,
Figure 112023003311793-pat00074
is the mean,
Figure 112023003311793-pat00075
is the standard deviation,
Figure 112023003311793-pat00076
is a linear predictor,
Figure 112023003311793-pat00077
is the kernel scale, and b is the bias.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템의 동작방법은 신호처리부에서 CW 레이다에서 대상을 측정한 주파수(레이다) 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리단계; 특징 추출부에서 상기 스펙트로그램을 기초로 4개의 특징을 추출하는 특징추출단계; 및 SVM 이진분류부에서 상기 4개의 특징들을 모두 이용하여 상기 대상이 사람인지를 1 또는 0으로 분류하는 SVM 이진분류 단계를 포함하고, 상기 특징추출단계는 상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격, 상기 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride) 발생 유무, 레이다 반사 면적, 피크 주파수와 몸통 주파수의 차를 기초로 복수의 특징을 추출하는 단계이고, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값이고, 상기 SVM 이진 분류단계는 마진(margin)을 최대화하여 학습된 파라미터를 하기의 식을 통해 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.
[식]

Figure 112023003311793-pat00078

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,
Figure 112023003311793-pat00079
는 평균,
Figure 112023003311793-pat00080
는 표준편차,
Figure 112023003311793-pat00081
는 선형 예측 변수,
Figure 112023003311793-pat00082
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.In order to solve the above problems, a method of operating a human body detection radar system for indoor security application according to an embodiment of the present invention is to receive a frequency (radar) signal measured by a CW radar in a signal processing unit and STFT (Short-Time A signal processing step of generating a spectrogram through Fourier Transform) signal processing; a feature extraction step of extracting four features based on the spectrogram in a feature extraction unit; and an SVM binary classification step of classifying whether the object is a human as 1 or 0 using all of the four features in an SVM binary classification unit, wherein the feature extraction step includes a micro-Doppler frequency (micro-Doppler frequency) within the spectrogram. A step of extracting a plurality of features based on a time interval of frequency, whether a count of stride of the object has occurred, a radar reflection area, and a difference between a peak frequency and a body frequency, wherein the peak frequency is a fine Doppler frequency (micro-Doppler frequency), and the SVM binary classification step is characterized by maximizing a margin and classifying the learned parameter through the following equation.
[ceremony]
Figure 112023003311793-pat00078

where X is the input vector to be classified,
Figure 112023003311793-pat00079
is the mean,
Figure 112023003311793-pat00080
is the standard deviation,
Figure 112023003311793-pat00081
is a linear predictor,
Figure 112023003311793-pat00082
is the kernel scale, and b is the bias.

따라서, 본 발명의 일 실시예 및 다른 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템은STFT를 사용한 신호처리와 효율적인 분류를 위한 특징 추출 기법, SVM을 사용한 분류 알고리즘을 적용함으로써, 시스템의 복잡도를 단순화하여 연산복잡도를 최소화하면서도, 인체 감지의 정확성을 높일수 있다는 이점을 제공한다.Therefore, the human body detection radar system for indoor security applications according to one embodiment and another embodiment of the present invention applies a signal processing using STFT, a feature extraction technique for efficient classification, and a classification algorithm using SVM, It provides an advantage of increasing the accuracy of human body detection while minimizing computational complexity by simplifying complexity.

즉, 본 발명의 인체 감지 레이다 시스템은 CW 레이다로부터 STFT를 적용하여 시간정보를 포함하고 있는 스펙트로그램을 추출하여 SVM으로 분류하므로 적은 면적으로도 인체를 높은 정확도로 감지할 수 있다.That is, the human body detection radar system of the present invention extracts the spectrogram including time information by applying STFT from the CW radar and classifies it into SVM, so that the human body can be detected with high accuracy even with a small area.

도 1은 본 발명의 일 실시예 및 다른 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템의 간략구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 각 구성들의 세부구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 STFT에 의한 스펙트로그램의 예시도이다.
도 4는 타겟 종류별 스펙트로그램의 예시도이다.
도 5는 대상에 따른 보폭 주기에 대한 스펙트로그램의 예시도이다.
도 6은 대상에 따른 보폭 횟수에 대한 스펙트로그램의 예시도이다.
도 7은 대상에 따른 레이다 반사 면적을 나타낸 스펙트로그램의 예시도이다.
도 8은 대상에 따른 최고 주파수와 몸통 주파수의 차이를 표시한 스펙트로그램의 예시도이다.
도 9는 SVM의 초평면과 서포트 벡터를 표시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 감지 방법을 설명한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인체 감지 방법을 설명한 흐름도이다.
도 12는 제안된 시스템의 분류 성능 평가를 위하여 다양한 실험환경을 보여준 사진이다.
도 13은 5가지 특징값을 비교한 그래프이다.
도 14는 이진분류에 사용된 특징 개수별 정확도의 평균을 나타낸 표이다ㅏ.
도 15는 분류 알고리즘의 정확도를 나타낸 표이다.
도 16은 리소스 사용에 대한 요약을 나타낸 표이다.
도 17은 블록별 리소스 사용을 나타내 표이다
도 18은 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시한 도이다.
1 is a schematic configuration diagram of a human body detection radar system for indoor security applications according to one embodiment and another embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing detailed configurations of each component shown in FIG. 1 .
3 is an exemplary diagram of a spectrogram by STFT.
4 is an exemplary view of a spectrogram for each target type.
5 is an exemplary diagram of a spectrogram for a stride period according to an object.
6 is an exemplary view of a spectrogram for the number of steps according to an object.
7 is an exemplary view of a spectrogram showing a radar reflection area according to a target.
8 is an exemplary view of a spectrogram displaying a difference between a maximum frequency and a torso frequency according to an object.
9 is a plan view showing the hyperplane and support vectors of the SVM.
10 is a flowchart illustrating a human body detection method according to an embodiment of the present invention.
11 is a flowchart illustrating a human body detection method according to another embodiment of the present invention.
12 is a photograph showing various experimental environments to evaluate the classification performance of the proposed system.
13 is a graph comparing five feature values.
14 is a table showing the average accuracy for each number of features used in binary classification.
15 is a table showing the accuracy of the classification algorithm.
16 is a table showing a summary of resource usage.
17 is a table showing resource usage by block
18 is an illustration of an example computing environment in which one or more embodiments set forth herein may be implemented.

이하, 본 명세서의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 명세서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하는 것이 아니며, 본 명세서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 본 명세서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present specification will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the technology described herein is not limited to specific embodiments, and includes various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments herein. . In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements. In this specification, expressions such as “has,” “can have,” “includes,” or “can include” indicate the existence of a corresponding feature (eg, numerical value, function, operation, or component such as a part). , which does not preclude the existence of additional features.

본 명세서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this specification, expressions such as “A or B,” “at least one of A and/and B,” or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, “A or B,” “at least one of A and B,” or “at least one of A or B” (1) includes at least one A, (2) includes at least one B, Or (3) may refer to all cases including at least one A and at least one B.

본 명세서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," as used herein, may modify various elements regardless of order and/or importance, and may refer to one element as It is used only to distinguish it from other components and does not limit the corresponding components. For example, a first user device and a second user device may represent different user devices regardless of order or importance. For example, a first element may be termed a second element without departing from the scope of rights described herein, and similarly, the second element may also be renamed to the first element.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.A component (e.g., a first component) is "(operatively or communicatively) coupled with/to" another component (e.g., a second component); When referred to as "connected to", it should be understood that the certain component may be directly connected to the other component or connected through another component (eg, a third component). On the other hand, when an element (eg, a first element) is referred to as being “directly connected” or “directly connected” to another element (eg, a second element), the element and the above It may be understood that other components (eg, a third component) do not exist between the other components.

본 명세서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. As used herein, the expression “configured (or configured) to” means, depending on the circumstances, for example, “suitable for,” “having the capacity to” ," "designed to," "adapted to," "made to," or "capable of." The term "configured (or set) to" may not necessarily mean only "specifically designed to" hardware. Instead, in some contexts, the phrase "device configured to" may mean that the device is "capable of" in conjunction with other devices or components.

예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase "a processor configured (or configured) to perform A, B, and C" may include a dedicated processor (eg, embedded processor) to perform the operation, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a general-purpose processor (eg, CPU or application processor) capable of performing corresponding operations.

본 명세서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 명세서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 명세서에서 정의된 용어일지라도 본 명세서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in this specification are only used to describe a specific embodiment, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art described herein. Among the terms used in this specification, terms defined in a general dictionary may be interpreted as having the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present specification, an ideal or excessively formal meaning. not be interpreted as In some cases, even terms defined in this specification cannot be interpreted to exclude embodiments in this specification.

이하, 첨부된 도면들을 기초로 본 발명의 일 실시예 및 다른 일 실시예 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템 및 이를 이용한 인체 감지 방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, based on the accompanying drawings, a human body detection radar system for indoor security applications and a human body detection method using the same according to an embodiment and another embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템의 간략구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 각 구성의 세부구성도이다.1 is a simplified configuration diagram of a human body detection radar system for indoor security applications according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a detailed configuration diagram of each configuration shown in FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템(100)은 신호처리부(110), 특징 추출부(120) 및 SVM 이진분류부(130)를 포함한다.1 and 2, the human body detection radar system 100 for indoor security application according to an embodiment of the present invention includes a signal processing unit 110, a feature extraction unit 120 and an SVM binary classification unit 130 includes

상기 신호처리부(110)는 CW 레이다(10)에서 대상을 측정한 주파수(레이다) 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 구성일 수 있다.The signal processor 110 may be configured to receive a frequency (radar) signal measured by the CW radar 10 and generate a spectrogram through Short-Time Fourier Transform (STFT) signal processing.

상기 주파수(레이다) 신호는 CW 레이다의 도플러 효과에 의해 나타나는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이다.The frequency (radar) signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the target, which is exhibited by the Doppler effect of the CW radar.

상기 신호처리부(110)는 하기의 식 1과 같이, 상기 도플러 주파수 신호를 이용하여 CW 레이다(10)에서 감지한 대상의 속도를 계산할 수 있다.The signal processing unit 110 may calculate the velocity of the target detected by the CW radar 10 using the Doppler frequency signal as shown in Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112020124491322-pat00001
Figure 112020124491322-pat00001

V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속이다.V is the speed at which the target approaches the radar, and c is the speed of the radio wave.

또한, 상기 신호처리부(110)는 윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성할 수 있다.In addition, the signal processing unit 110 divides the radar signal into short-time signals by applying a window function, calculates the Doppler frequency according to the time change for the divided short-time signals by applying the FFT algorithm, and calculates the result value It is possible to generate the spectrogram by arranging on the time axis.

즉, 스펙트로그램은 레이다 신호에 STFT를 사용하여 얻어지고, 윈도우 함수를 적용해 레이다 신호를 단시간 신호(Short-time signal)로 분할하고, 분할 된 단시간 신호에 대해 FFT를 적용하여 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 분석할 수 있다. That is, the spectrogram is obtained by using STFT on the radar signal, applying a window function to divide the radar signal into short-time signals, and applying FFT to the divided short-time signals to obtain Doppler according to time change. frequency can be analyzed.

이렇게 얻어진 FFT 결과를 시간 축으로 이어 붙이면 도 3과 같은 스펙트로그램을 얻을 수 있다. 여기서, 도 3의 가로축은 시간, 세로축은 속도를 나타내며, 신호의 세기는 색으로 표현한다. 진한 빨간색에 가까울수록 높고, 파란색에 가까울수록 낮은 신호의 세기를 나타낸다.When the FFT results obtained in this way are connected on the time axis, the spectrogram shown in FIG. 3 can be obtained. Here, the horizontal axis of FIG. 3 represents time, the vertical axis represents speed, and the strength of the signal is represented by color. The closer to deep red, the higher the intensity of the signal, and the closer to blue, the lower the signal strength.

다음으로, 상기 특징 추출부(120)는 스펙트로그램을 기초로 복수의 특징들을 추출하는 구성일 수 있다.Next, the feature extractor 120 may be configured to extract a plurality of features based on the spectrogram.

상기 특징 추출부(120)를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 언급하는 스텍트로그램 내의 주파수는 대상에 따라 다르다. 예컨대, 면적이 가장 넓은 대상의 몸통의 주파수의 세기가 가장 강하게 나타나고, 대상의 팔다리 움직임에 의해 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)가 나타난다. Prior to describing the feature extraction unit 120, the frequencies in the spectrogram referred to in the present invention are different depending on the subject. For example, the intensity of the frequency of the torso of the object having the largest area is the strongest, and a micro-Doppler frequency appears due to the movement of the limbs of the object.

예를 들어, 개는 사람보다 다리 움직임이 빨라 도 4의 (b) 참조, 개의 스펙트로그램은 미세 도플러의 시간 간격이 도 4의 (a)의 사람 스펙트로그램보다 더 촘촘히 나타난다. 도 4의 (c)는 다리 움직임이 없는 로봇 청소기의 스펙트로그램이며, 미세 도플러 주파수가 나타나지 않는다. 따라서 본 발명에서는 대상의 움직임, 형상 등 이에 기반 한 4가지의 효율적인 특징 추출 방안을 통해 대상의 특징을 추출한다.For example, dogs move their legs faster than humans, so the spectrogram of FIG. 4 (b) shows more dense micro-Doppler time intervals than the human spectrogram of (a) of FIG. 4 . 4(c) is a spectrogram of the robot cleaner without leg movement, and does not show a fine Doppler frequency. Therefore, in the present invention, the features of the object are extracted through four efficient feature extraction methods based on the movement and shape of the object.

보다 구체적으로, 특징 추출부(120)는 첫째, 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격의 평균값을 기초로 복수의 특징을 추출한다.More specifically, the feature extractor 120 first extracts a plurality of features based on an average value of time intervals of micro-Doppler frequencies in the spectrogram.

예컨대, 사람의 다리 움직임의 주기는 다리 길이가 짧은 개와 구분된다. 발을 한걸음 움직인 후 다음 발을 움직일 때까지 걸리는 시간은 다리 길이가 긴 사람이 다리 길이가 짧은 개보다 더 길게 나타난다. 이는 스펙트로그램 상에서 미세 도플러의 시간 간격으로 확인할 수 있다(도 5 참조). 즉, 도 5에 도시된 세로로 표시된 미세 도플러의 시간 간격의 평균값으로 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.For example, the period of human leg movement is different from that of short-legged dogs. The time it takes from moving one foot to moving the next is longer in long-legged people than in short-legged dogs. This can be confirmed by the micro-Doppler time interval on the spectrogram (see FIG. 5). That is, a plurality of features of the object may be extracted as an average value of time intervals of micro-Dopplers displayed vertically in FIG. 5 .

또한, 상기 특징 추출부(120)는 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수의 발생 유무 및 횟수를 기초로 복수의 특징을 추출할 수 있다.In addition, the feature extraction unit 120 may extract a plurality of features based on whether or not micro Doppler frequencies occur in the spectrogram and the number of occurrences.

보다 정확하게는 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride)로 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.More precisely, a plurality of features of the object may be extracted based on the number of strides of the object.

예를 들어, 도 6과 같이 사람이나 개와 달리 다리가 없는 로봇 청소기는 다리 움직임에 의한 미세 도플러가 나타나지 않는다. 이는 다리가 없는 물체와 사람을 구분하는 특징으로 적합하다.For example, as shown in FIG. 6 , unlike a human or a dog, a legless robot cleaner does not show micro Doppler caused by leg movements. This is suitable as a feature that distinguishes a person from an object without legs.

또한, 상기 특징 추출부(120)는 상기 스펙트로그램 내의 레이다 반사 면적(RCS; Radar cross section)을 이용하여 복수의 특징을 추출할 수 있다.Also, the feature extractor 120 may extract a plurality of features using a radar cross section (RCS) within the spectrogram.

예컨대, 레이다 반사 면적(RCS; Radar cross section) 전자기파가 대상에서 반사되는 에너지의 총량이다. 대상의 크기에 따라 반사되는 면적이 달라지며, 크기가 큰 대상일수록 크게 나타난다. 따라서 레이다 반사면적(RCS; Radar cross section)는은 사람, 개, 로봇 청소기 순으로 크게 나타난다. 따라서, 스펙트로그램에서 임계값 이상의 데이터를 모두 더하여 계산한 값을 통해 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.For example, radar cross section (RCS) is the total amount of energy that electromagnetic waves are reflected from an object. The reflected area varies depending on the size of the target, and the larger the target, the larger it appears. Therefore, the radar cross section (RCS) appears large in the order of people, dogs, and robot cleaners. Accordingly, a plurality of features of the object may be extracted through a value calculated by adding all data equal to or greater than a threshold value in the spectrogram.

상기 특징 추출부(120)는 스펙트로그램 내의 피크 주파수와 몸통 주파수의 차를 이용하여 복수의 특징을 추출할 수 있다.The feature extractor 120 may extract a plurality of features using a difference between a peak frequency and a body frequency in the spectrogram.

여기서, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값으로, 다리의 스윙 속도를 의미한다. Here, the peak frequency is the maximum value of the micro-Doppler frequency and means the swing speed of the leg.

대상의 몸통 속도와 다리의 스윙 속도 차이는 대상의 다리 길이에 의해 결정된다. 개는 사람보다 다리가 더 짧아 몸통의 속도와 다리의 스윙 속도 차이가 더 작게 나타난다(도 7 참조).The difference between the speed of the subject's torso and the swing speed of the legs is determined by the length of the subject's legs. Dogs have shorter legs than humans, so the difference between the body speed and the swing speed of the legs is smaller (see Fig. 7).

따라서 스펙트로그램 상에서 몸통의 속도를 나타내는 몸통 주파수와 다리의 스윙 속도를 나타내는 피크 주파수의 차이를 계산하여 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다. Accordingly, a plurality of features of the object may be extracted by calculating a difference between a trunk frequency indicating a trunk speed and a peak frequency indicating a leg swing speed on the spectrogram.

다음으로, 상기 SVM 이진분류부(130)는 인체의 움직임과 연관된 4개의 특징을 사용하여 대상을 1 또는 0으로 분류하는 구성일 수 있다.Next, the SVM binary classification unit 130 may be configured to classify an object as 1 or 0 using four features related to the movement of the human body.

상기 SVM 이진 분류부(130)는 하기의 식 2를 이용하여 특징을 상기 2개의 클래스로 분류한다.The SVM binary classification unit 130 classifies features into the two classes using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112020124491322-pat00002
Figure 112020124491322-pat00002

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,

Figure 112020124491322-pat00003
는 평균,
Figure 112020124491322-pat00004
는 표준편차,
Figure 112020124491322-pat00005
는 선형 예측 변수,
Figure 112020124491322-pat00006
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스 상수이다.where X is the input vector to be classified,
Figure 112020124491322-pat00003
is the mean,
Figure 112020124491322-pat00004
is the standard deviation,
Figure 112020124491322-pat00005
is a linear predictor,
Figure 112020124491322-pat00006
is a kernel scale, and b is a bias constant.

즉, SVM 이진 분류부(130)는 특징 추출부(120)에서 특징 추출이 끝나면 SVM을 이용한 분류를 진행하는 구성으로, 도 9와 같이, 두 클래스를 구분 짓는 초평면(hyper-plane)을 정의하고 해당 초평면을 기준으로 두 클래스 사이의 margin을 최대화하여서 이진 분류를 수행한다That is, the SVM binary classification unit 130 is a configuration that proceeds with classification using SVM after feature extraction in the feature extraction unit 120, and defines a hyper-plane dividing the two classes as shown in FIG. Binary classification is performed by maximizing the margin between the two classes based on the corresponding hyperplane.

상기 SVM 학습은 margin을 최대화할 수 있는 support vector를 찾는 과정이다.The SVM learning is a process of finding a support vector capable of maximizing the margin.

도 10은 도 1에 도시된 인체 감지 레이다 시스템을 이용한 인체 감지 방법을 설명한 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a human body detection method using the human body detection radar system shown in FIG. 1 .

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인체 감지 레이다 시스템을 이용한 인체 감지 방법(S700)은 신호처리부(110)에서 CW 레이다에서 대상을 측정한 주파수(레이다) 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리단계(S710, 특징 추출부(120)에서 상기 스펙트로그램을 기초로 인체의 움직임과 연관된 4개의 특징들을 추출하는 특징추출단계(S720) 및 SVM 이진분류부에서 상기 4개의 특징들을 이용하여 대상을 1 또는 0으로 분류하는 SVM 이진분류 단계(S730)로 구성된다.Referring to FIG. 10, in the human body detection method (S700) using the human body detection radar system according to an embodiment of the present invention, the signal processing unit 110 receives a frequency (radar) signal measured by a CW radar and STFT ( Signal processing step of generating a spectrogram through Short-Time Fourier Transform signal processing (S710), feature extraction step of extracting four features related to the movement of the human body based on the spectrogram in the feature extraction unit 120 (S720) ) and an SVM binary classification step (S730) of classifying the object as 1 or 0 using the above four features in the SVM binary classification unit.

여기서, 상기 주파수 신호는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이다.Here, the frequency signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the target.

상기 신호처리단계(S710) 단계는 하기의 식 1과 같이, 상기 도플러 주파수를 이용하여 상기 대상의 속도를 계산하는 단계를 포함한다.The signal processing step (S710) includes calculating the speed of the target using the Doppler frequency as shown in Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112020124491322-pat00007
Figure 112020124491322-pat00007

V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속도이다.V is the speed at which the object approaches the radar, and c is the speed of the radio wave.

상기 신호처리단계(S710) 단계는 윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성하는 단계일 수 있다.In the signal processing step (S710), the radar signal is divided into short-time signals by applying a window function, and the Doppler frequency according to the time change is calculated by applying the FFT algorithm to the divided short-time signals, and the calculated result value It may be a step of generating the spectrogram by arranging on the time axis.

다음으로, 상기 특징추출단계(S720)는 상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격을 기초로 복수의 특징을 추출하는 단계일 수 있다.Next, the feature extraction step (S720) may be a step of extracting a plurality of features based on the time interval of micro-Doppler frequencies in the spectrogram.

예컨대, 사람의 다리 움직임의 주기는 다리 길이가 짧은 개와 구분된다. 발을 한걸음 움직인 후 다음 발을 움직일 때까지 걸리는 시간은 다리 길이가 긴 사람이 다리 길이가 짧은 개보다 더 길게 나타난다. 이는 스펙트로그램 상에서 미세 도플러의 시간 간격으로 확인할 수 있다(도 5 참조). 즉, 도 5에 도시된 세로로 표시된 미세 도플러의 시간 간격의 평균값으로 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.For example, the period of human leg movement is different from that of short-legged dogs. The time it takes from moving one foot to moving the next is longer in long-legged people than in short-legged dogs. This can be confirmed by the micro-Doppler time interval on the spectrogram (see FIG. 5). That is, a plurality of features of the object may be extracted as an average value of time intervals of micro-Dopplers displayed vertically in FIG. 5 .

또한, 상기 특징추출단계(S720)는 상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러의 발생 유무를 기초로 복수의 특징을 추출하는 단계일 수 있다.In addition, the feature extraction step (S720) may be a step of extracting a plurality of features based on whether micro-Doppler has occurred in the spectrogram.

보다 정확하게는 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride)로 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.More precisely, a plurality of features of the object may be extracted based on the number of strides of the object.

예를 들어, 도 6과 같이 사람이나 개와 달리 다리가 없는 로봇 청소기는 다리 움직임에 의한 미세 도플러가 나타나지 않는다. 이는 다리가 없는 물체와 사람을 구분하는 특징으로 적합하다.For example, as shown in FIG. 6 , unlike a human or a dog, a legless robot cleaner does not show micro Doppler caused by leg movements. This is suitable as a feature that distinguishes a person from an object without legs.

또한, 상기 특징추출단계(S720)는 상기 스펙트로그램 내의 레이다 반사 면적을 이용하여 복수의 특징을 추출하는 단계일 수 있다.In addition, the feature extraction step (S720) may be a step of extracting a plurality of features using a radar reflection area within the spectrogram.

예컨대, 레이다 반사 면적(RCS; Radar cross section) 전자기파가 대상에서 반사되는 에너지의 총량이다. 대상의 크기에 따라 반사되는 면적이 달라지며, 크기가 큰 대상일수록 크게 나타난다. 따라서 레이다 반사면적(RCS; Radar cross section)는은 사람, 개, 로봇 청소기 순으로 크게 나타난다. 따라서, 스펙트로그램에서 임계값 이상의 데이터를 모두 더하여 계산한 값을 통해 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다.For example, radar cross section (RCS) is the total amount of energy that electromagnetic waves are reflected from an object. The reflected area varies depending on the size of the target, and the larger the target, the larger it appears. Therefore, the radar cross section (RCS) appears large in the order of people, dogs, and robot cleaners. Accordingly, a plurality of features of the object may be extracted through a value calculated by adding all data equal to or greater than a threshold value in the spectrogram.

또한, 상기 특징추출단계(S720)는 상기 스펙트로그램 내의 피크 주파수와 몸통 주파수의 차를 이용하여 복수의 특징을 추출하는 단계일 수 있고, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값이다.In addition, the feature extraction step (S720) may be a step of extracting a plurality of features using a difference between a peak frequency and a body frequency in the spectrogram, and the peak frequency is the maximum of a micro-Doppler frequency. is the value

여기서, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값으로, 다리의 스윙 속도를 의미한다. 대상의 몸통 속도와 다리의 스윙 속도 차이는 대상의 다리 길이에 의해 결정된다. 개는 사람보다 다리가 더 짧아 몸통의 속도와 다리의 스윙 속도 차이가 더 작게 나타난다(도 7 참조).Here, the peak frequency is the maximum value of the micro-Doppler frequency and means the swing speed of the leg. The difference between the speed of the subject's torso and the swing speed of the legs is determined by the length of the subject's legs. Dogs have shorter legs than humans, so the difference between the body speed and the swing speed of the legs is smaller (see Fig. 7).

따라서 스펙트로그램 상에서 몸통의 속도를 나타내는 몸통 주파수와 다리의 스윙 속도를 나타내는 피크 주파수의 차이를 계산하여 대상에 대한 복수의 특징들을 추출할 수 있다. Accordingly, a plurality of features of the object may be extracted by calculating a difference between a trunk frequency indicating a trunk speed and a peak frequency indicating a leg swing speed on the spectrogram.

다음으로, 상기 SVM 이진 분류단계(S730)는 미리 학습된 SVM 파라미터을 통해 4가지의 특징을 이진분류하는 단계이다.Next, the SVM binary classification step (S730) is a step of binary classification of four features through pre-learned SVM parameters.

상기 SVM 이진 분류단계(S730)는 하기의 식 2를 이용하여 특징을 2개의 클래스로 분류하다.In the SVM binary classification step (S730), features are classified into two classes using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112020124491322-pat00008
Figure 112020124491322-pat00008

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,

Figure 112020124491322-pat00009
는 평균,
Figure 112020124491322-pat00010
는 표준편차,
Figure 112020124491322-pat00011
는 선형 예측 변수,
Figure 112020124491322-pat00012
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.where X is the input vector to be classified,
Figure 112020124491322-pat00009
is the mean,
Figure 112020124491322-pat00010
is the standard deviation,
Figure 112020124491322-pat00011
is a linear predictor,
Figure 112020124491322-pat00012
is the kernel scale, and b is the bias.

즉, SVM 이진 분류단계(S730)는 S720 단계에서 특징 추출이 끝나면 미리 학습된 SVM파라미터를 이용하여 대상을 이진분류하도록 진행하는 구성으로, 도 9와 같이, 두 클래스를 구분 짓는 초평면(hyper-plane)을 정의하고 해당 초평면을 기준으로 두 클래스 사이의 margin을 최대화하여서 이진 분류를 수행하는 과정으로, 여기서, 상기 SVM 학습은 margin을 최대화할 수 있는 support vector를 찾는 과정이다.That is, the SVM binary classification step (S730) is a configuration in which the object is binary classified using the pre-learned SVM parameters after feature extraction in step S720, and as shown in FIG. 9, the hyper-plane separating the two classes ) and performing binary classification by maximizing the margin between the two classes based on the corresponding hyperplane, where the SVM learning is a process of finding a support vector capable of maximizing the margin.

도 1b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템을 나타낸 블록도이다.Figure 1b is a block diagram showing a human body detection radar system for indoor security applications according to another embodiment of the present invention.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인체 감지 레이다 시스템(200)은 CW 레이다(10) 및 신호처리시스템(210)을 포함한다.Referring to FIG. 1B , a human body detection radar system 200 according to another embodiment of the present invention includes a CW radar 10 and a signal processing system 210.

CW 레이다(10)는 대상을 측정한 레이다 신호를 전송하는 구성이다.The CW radar 10 is a component that transmits a radar signal measuring an object.

신호처리시스템(210)은 상기 레이다 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하고, 생성된 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수의 시간간격, 발생 유무, 레이다 반사면적, 피크 주파수와 몸통 주파수의 차를 이용하여 1 또는 0으로 상기 대상을 사람인지 분류하는 구성이다.The signal processing system 210 receives the radar signal and generates a spectrogram through STFT (Short-Time Fourier Transform) signal processing, the time interval of the fine Doppler frequency in the generated spectrogram, occurrence, radar reflection area, This is a configuration for classifying whether the target is a human as 1 or 0 using the difference between the peak frequency and the body frequency.

상기 주파수 신호는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이다.The frequency signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the target.

상기 신호처리시스템(210)은 하기의 식 1과 같이, 상기 도플러 주파수를 이용하여 상기 대상의 속도를 계산하는 신호처리부를 포함한다.The signal processing system 210 includes a signal processing unit that calculates the speed of the target using the Doppler frequency, as shown in Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112020124491322-pat00013
Figure 112020124491322-pat00013

V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속도이다.V is the speed at which the object approaches the radar, and c is the speed of the radio wave.

상기 신호처리부(110)는 윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성한다.The signal processing unit 110 divides the radar signal into short-time signals by applying a window function, calculates the Doppler frequency according to the time change for the divided short-time signals by applying the FFT algorithm, and then converts the calculated result into time signals. The spectrogram is created by arranging the axes.

상기 신호처리부(110)는 생성된 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수의 시간간격, 발생 유무, 레이다 반사면적, 피크 주파수와 몸통 주파수의 차 및 피크 주파수의 분산값 중 어느 하나를 이용하여 복수의 특징들을 추출하는 특징 추출부(120)을 포함한다.The signal processing unit 110 extracts a plurality of features using any one of the time interval of the fine Doppler frequency in the generated spectrogram, whether or not it occurs, the radar reflection area, the difference between the peak frequency and the body frequency, and the variance value of the peak frequency. It includes a feature extraction unit 120 to.

상기 신호처리시스템(210)은 학습을 통해 2개의 클래스로 구성된 초평면을 정의하고, 상기 2개의 평면영역 간의 마진(margin)을 최대화하여 상기 복수의 특징들을 이진분류하는 SVM 이진 분류부(130)를 포함한다.The signal processing system 210 defines a hyperplane composed of two classes through learning and uses an SVM binary classification unit 130 that binary classifies the plurality of features by maximizing a margin between the two plane regions. include

상기 SVM 이진 분류부(130)는 상기 특징 추출부에서 추출된 특징의 벡터 중 상기 초평면과 가장 인접한 벡터(support vector)를 이용하여 상기 마진(margin)을 최대화하는 구성일 수 있다.The SVM binary classification unit 130 may be configured to maximize the margin by using a support vector closest to the hyperplane among feature vectors extracted by the feature extraction unit.

상기 마진(margine)은 상기 초명편으로부터 상기 벡터(support vector)까지 거리 중 2배 거리를 의미한다. The margin (margine) means twice the distance of the distance from the chomyeongpyeon to the vector (support vector).

상기 SVM 이진 분류부(130)는 하기의 식 2를 이용하여 특징을 상기 2개의 클래스로 분류한다.The SVM binary classification unit 130 classifies features into the two classes using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112020124491322-pat00014
Figure 112020124491322-pat00014

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,

Figure 112020124491322-pat00015
는 평균,
Figure 112020124491322-pat00016
는 표준편차,
Figure 112020124491322-pat00017
는 선형 예측 변수,
Figure 112020124491322-pat00018
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.where X is the input vector to be classified,
Figure 112020124491322-pat00015
is the mean,
Figure 112020124491322-pat00016
is the standard deviation,
Figure 112020124491322-pat00017
is a linear predictor,
Figure 112020124491322-pat00018
is the kernel scale, and b is the bias.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신호처리시스템의 각 구성들(110, 120, 130)은 도 1의 (a)에 도시된 일 실시예의 구성들과 실질적으로 동일함으로, 각 구성에 대한 설명은 도 1의 (a)의 설명으로 대체하도록 한다.Since each of the components 110, 120, and 130 of the signal processing system according to another embodiment of the present invention is substantially the same as the components of the embodiment shown in FIG. 1 (a), description of each component It is replaced with the description of FIG. 1 (a).

도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템을 이용한 인체 감지 방법을 설명한 흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a human body detection method using a human body detection radar system for indoor security application according to another embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인체 감지 방법(S800)은 CW 레이다에서 대상을 측정한 레이다 신호를 전송하는 단계(S810) 및 상기 레이다 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하고, 생성된 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수의 시간간격, 발생 유무, 레이다 반사면적, 피크 주파수와 몸통 주파수의 차 4가지를 이용하여 대상을 1 또는 0으로 분류하는 신호처리단계(S820)를 포함한다.Referring to FIG. 11, the human body detection method (S800) according to another embodiment of the present invention includes the steps of transmitting (S810) a radar signal measuring an object in a CW radar and receiving the radar signal to STFT (Short-Time Fourier Transform), a spectrogram is generated through signal processing, and the target is set to 1 or 0 using four factors: the time interval of fine Doppler frequencies in the generated spectrogram, whether or not it occurs, the radar reflection area, and the difference between the peak frequency and the body frequency. and a signal processing step of classifying (S820).

상기 주파수 신호는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이고, 상기 신호처리단계(S820)는 하기의 식 1과 같이, 상기 도플러 주파수를 이용하여 상기 대상의 속도를 계산하는 단계를 포함한다.The frequency signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the object, and the signal processing step (S820) includes calculating the speed of the object using the Doppler frequency as shown in Equation 1 below. include

[식 1][Equation 1]

Figure 112020124491322-pat00019
Figure 112020124491322-pat00019

V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속이다.V is the speed at which the target approaches the radar, and c is the speed of the radio wave.

상기 신호처리단계(S820)는 윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성하는 단계를 포함한다.In the signal processing step (S820), the radar signal is divided into short-time signals by applying a window function, the Doppler frequency according to the time change is calculated for the divided short-time signals by applying the FFT algorithm, and the calculated result is and generating the spectrogram by arranging it on a time axis.

상기 신호처리단계(S820)는 SVM 학습을 통해 2개의 클래스로 구성된 초평면을 정의하고, 상기 2개의 평면영역 간의 마진(margin)을 최대화하여 상기 복수의 특징들을 이진분류하는 단계를 포함할 수 있다.The signal processing step (S820) may include defining a hyperplane composed of two classes through SVM learning, and binary-classifying the plurality of features by maximizing a margin between the two plane regions.

상기 이진분류하는 단계는 하기의 식 2를 이용하여 특징을 상기 2개의 클래스로 분류하는 단계일 수 있다.The binary classification may be a step of classifying features into the two classes using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112020124491322-pat00020
Figure 112020124491322-pat00020

여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,

Figure 112020124491322-pat00021
는 평균,
Figure 112020124491322-pat00022
는 표준편차,
Figure 112020124491322-pat00023
는 선형 예측 변수,
Figure 112020124491322-pat00024
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.where X is the input vector to be classified,
Figure 112020124491322-pat00021
is the mean,
Figure 112020124491322-pat00022
is the standard deviation,
Figure 112020124491322-pat00023
is a linear predictor,
Figure 112020124491322-pat00024
is the kernel scale, and b is the bias.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인체 감지 방법의 S820 단계는 도 10의 세부 단계들을 포함함으로 S820에 대한 보다 세부적인 설명은 도 10에 도시된 각 단계들의 설명으로 대체하도록 한다.Since step S820 of the human body detection method according to another embodiment of the present invention includes detailed steps in FIG. 10 , a more detailed description of S820 is replaced with a description of each step shown in FIG. 10 .

이하에서는 도 12 내지 도 14를 참조하여, 본 발명에서 제안하는 시스템의 분류 성능 평가를 실험한 실험내용을 간략하게 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 12 to 14 , the contents of experiments for evaluating the classification performance of the system proposed in the present invention will be briefly described.

제안된 시스템의 SVM 학습을 위한 데이터 확보 및 분류 성능을 확인하기 위해 도 12와 같이 실내외 환경에서 실험이 진행되었다. In order to confirm data acquisition and classification performance for SVM learning of the proposed system, experiments were conducted in indoor and outdoor environments as shown in FIG. 12 .

사람, 개, 로봇 청소기의 데이터를 각각 235, 54, 155개씩 총 444개 확보하였으며, 학습을 위한 training set으로 각각 215, 44, 140개를 사용하였고, 검증을 위한 test set으로 각각 20, 10, 15개를 사용하였다.A total of 444 pieces of human, dog, and robot vacuum cleaner data of 235, 54, and 155 pieces were secured, and 215, 44, and 140 pieces were used as training sets for learning, respectively, and 20, 10, and 140 pieces were used as test sets for verification, respectively. 15 were used.

도 12의 (a)는 실외 사람실험, (b) 실외 개 실험, (c)는 실내 로봇 청소기 실험을 나타낸 사진이다.12 (a) is a photograph showing an outdoor human experiment, (b) an outdoor dog experiment, and (c) an indoor robot cleaner experiment.

도 13은 실험 대상별 추출한 특징값을 비교한 것으로 사람, 개, 로봇 청소기 각각 40개, 총 120개의 데이터를 사용하였다. 40개 각각의 데이터에 해당 특징을 계산하여 그래프로 나타내었다. 13 shows a comparison of extracted feature values for each test subject, and a total of 120 pieces of data, 40 each for humans, dogs, and robot cleaners, were used. The characteristics of each of the 40 data were calculated and graphed.

도 13 (a)는 첫 번째 특징을 계산한 그래프이며, 사람이 가장 높은 값이 나오고 로봇 청소기에서는 0의 값이 나타나는 것을 볼 수 있다. 13 (a) is a graph in which the first feature is calculated, and it can be seen that the highest value is obtained for a human and a value of 0 is obtained for a robot cleaner.

도 13 (b)는 두 번째 특징을 계산한 그래프이며, 사람의 발걸음 수가 카운트되지만, 개의 경우 발걸음이 너무 빨라 제대로 카운트되지 않는 모습을 보였다. 13(b) is a graph in which the second feature is calculated, and the number of steps of a person is counted, but in the case of a dog, the steps are too fast and are not properly counted.

도 13 (c)와 도13 (d)는 각각 세 번째, 네 번째 특징이며 사람과 다른 대상이 확실히 구분되므로 분류 특징으로 적합하다. 13(c) and 13(d) are the third and fourth features, respectively, and are suitable as classification features because people and other objects are clearly distinguished.

도 13 (e)는 다섯 번째 특징을 나타낸 그래프이며, 로봇 청소기와의 구분은 확실하지만, 개와 사람의 구분이 확실하지 않은 모습을 보였다.13(e) is a graph showing the fifth feature, and it is clearly distinguished from a robot cleaner, but is not clearly distinguished from a dog and a human.

4가지 특징 중 분류에 사용할 특징을 결정하기 위해 정확도를 확인하는 실험을 진행하였다.To determine which of the four features to use for classification, an experiment was conducted to check the accuracy.

도 14는 분류에 사용된 특징 개수별 정확도의 평균을 나타낸 표이고, 도 15는 분류 알고리즘의 정확도를 나타낸 표이다.14 is a table showing the average accuracy for each number of features used for classification, and FIG. 15 is a table showing the accuracy of the classification algorithm.

도 14 및 도 15를 참조하면, 5가지 특징을 모두 사용한 경우 97.2%의 정확도를 보였고, 4가지 특징을 사용한 경우 97.02%, 3가지 특징을 사용한 경우 95.97%, 2가지 특징을 사용한 경우 93.54%의 정확도를 보였다. 많은 특징을 사용할수록 더 높은 정확도를 보이지만 연산복잡도가 늘어난다. 하드웨어 구현을 위해 연산복잡도와 분류 정확도를 고려하여 연산복잡도가 가장 큰 다섯 번째 특징을 제외한 4가지 특징만을 사용함으로써 낮은 연산복잡도로 좋은 성능을 갖도록 설계하였다.14 and 15, when all 5 features were used, the accuracy was 97.2%, when 4 features were used, 97.02%, when 3 features were used, 95.97%, and when 2 features were used, 93.54% showed accuracy. The more features you use, the higher the accuracy but the higher the computational complexity. For hardware implementation, considering the computational complexity and classification accuracy, it was designed to have good performance with low computational complexity by using only four features except for the fifth feature with the largest computational complexity.

이하에서는 본 발명에서 제안한 시스템의 하드웨어 구조를 설명한다.Hereinafter, the hardware structure of the system proposed in the present invention will be described.

도 2를 참조하면, 본 발명의 인체 감지 레이다 시스템(100, 200)은 크게 STFT, Feature Extractor, SVM Classifier 3개의 블록으로 구성되어있다. STFT는 데이터 메모리와 Single Butterfly 구조의 FFT블록, 윈도우 함수를 저장한 Hanning Window ROM, DC성분 제거를 위한 DC Remover로 이루어져 있으며, 메모리에서 데이터를 읽고 DC성분을 제거한 후 윈도우함수를 곱하여 데이터를 분할한다. Referring to FIG. 2, the human body detection radar system 100, 200 of the present invention is largely composed of three blocks: STFT, Feature Extractor, and SVM Classifier. STFT consists of data memory, FFT block of Single Butterfly structure, Hanning Window ROM that stores window function, and DC Remover to remove DC component. It reads data from memory, removes DC component, and multiplies the window function to divide data. .

분할된 데이터에 대한 7 스테이지의 FFT 연산 후 출력 스테이지에서 Feature Extractor로 FFT결과를 전달한다. 계산된 FFT 결과값은 Feature Extractor에서 4가지 특징계산에 병렬로 사용된다. 마지막 분할 데이터까지 특징계산이 완료되면 SVM Classifier 블록에서 분류를 위한 연산을 수행하고, 분류 결과로 1 또는 0을 출력하여 사람인지 아닌지를 분류한다. After 7 stages of FFT operation on the segmented data, the output stage delivers the FFT results to Feature Extractor. The calculated FFT results are used in parallel for four feature calculations in Feature Extractor. When the feature calculation is completed up to the last segmented data, the SVM Classifier block performs calculations for classification, and outputs 1 or 0 as a classification result to classify whether it is human or not.

사용된 레이다에서 실숫값의 데이터만 나오기 때문에 FFT 결과가 대칭으로 나온다. 따라서 스펙트로그램 또한 상하 대칭으로 나타나기 때문에, 메모리 사용량을 줄이기 위해 특징점 계산에는 상측 절반만 사용하였다. 또한, STFT결과로 얻어지는 스펙트로그램을 메모리에 저장하지 않고 파이프라인 구조를 사용하여 특징 추출부에서 재사용함으로써 추가적인 메모리 사용없이 구현 하였다. Since only real-valued data comes out from the radar used, the FFT results come out symmetrically. Therefore, since the spectrogram also appears vertically symmetrically, only the upper half was used for feature point calculation to reduce memory usage. In addition, the spectrogram obtained as a result of STFT is not stored in memory, but reused in the feature extraction unit using a pipeline structure, so that it is implemented without using additional memory.

제안된 시스템은 Verilog HDL을 이용하여 설계되었으며 Altera Cyclone V 5CGXFC7C7F23C8 FPGA를 이용하여 검증 및 구현되었다. 1140개의 logic과 6.5Kb의 메모리, 15개의 DSP Block만을 사용하여 구현되었으며, 합성결과 총 게이트 수는 66K임이 확인되었다. 도 16은 리소스 사용에 대한 요약을 나타낸 표이고, 도 17은 블록별 리소스 사용을 나타내 표이다. 또한, 최대 동작 주파수 104.79MHz로 동작 가능함을 확인하였으며, 제안된 설계의 지연시간은 (latency) 33,952 cycle로, 한 물체를 분류하는데 약 0.324 ms의 짧은 시간으로 실시간 분류가 가능하다.The proposed system was designed using Verilog HDL and verified and implemented using Altera Cyclone V 5CGXFC7C7F23C8 FPGA. It was implemented using only 1140 logics, 6.5Kb of memory, and 15 DSP blocks, and as a result of synthesis, it was confirmed that the total number of gates was 66K. 16 is a table showing a summary of resource use, and FIG. 17 is a table showing resource use by block. In addition, it was confirmed that it can operate with a maximum operating frequency of 104.79MHz, and the latency of the proposed design is 33,952 cycles, enabling real-time classification in a short time of about 0.324 ms to classify an object.

따라서, 본 발명의 일 실시예 및 다른 일 실시예에 따른 실내 보안 응용을 위한 인체 감지 레이다 시스템은STFT를 사용한 신호처리와 효율적인 분류를 위한 특징 추출 기법, SVM을 사용한 분류 알고리즘을 적용함으로써, 시스템의 복잡도를 단순화하여 연산복잡도를 최소화하면서도, 인체 감지의 정확성을 높일수 있다는 이점을 제공한다Therefore, the human body detection radar system for indoor security applications according to one embodiment and another embodiment of the present invention applies a signal processing using STFT, a feature extraction technique for efficient classification, and a classification algorithm using SVM, It simplifies complexity to minimize computational complexity, while providing the advantage of increasing the accuracy of human body detection.

즉, 본 발명의 인체 감지 레이다 시스템은 CW 레이다로부터 STFT를 적용하여 시간정보를 포함하고 있는 스펙트로그램을 추출하여 SVM으로 분류하므로 적은 면적으로도 인체를 높은 정확도로 감지할 수 있다.That is, the human body detection radar system of the present invention extracts the spectrogram including time information by applying STFT from the CW radar and classifies it into SVM, so that the human body can be detected with high accuracy even with a small area.

도 18은 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면으로, 상술한 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.18 is a diagram illustrating an example computing environment in which one or more embodiments set forth herein may be implemented, an illustration of a system 1000 that includes a computing device 1100 configured to implement one or more embodiments described above. shows For example, computing device 1100 may be a personal computer, server computer, handheld or laptop device, mobile device (mobile phone, personal digital assistant, media player, etc.), multiprocessor system, consumer electronics, mini computer, mainframe computer, distributed computing environments that include any of the foregoing systems or devices; and the like.

컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. Computing device 1100 may include at least one processing unit 1110 and memory 1120 . Here, the processing unit 1110 may include, for example, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microprocessor, an Application Specific Integrated Circuit (ASIC), a Field Programmable Gate Arrays (FPGA), and the like. and may have a plurality of cores. The memory 1120 may be volatile memory (eg, RAM, etc.), non-volatile memory (eg, ROM, flash memory, etc.), or a combination thereof. Additionally, computing device 1100 may include additional storage 1130 . Storage 1130 includes, but is not limited to, magnetic storage, optical storage, and the like. The storage 1130 may store computer readable instructions for implementing one or more embodiments disclosed herein, and may also store other computer readable instructions for implementing an operating system, application programs, and the like. Computer readable instructions stored in storage 1130 may be loaded into memory 1120 for execution by processing unit 1110 . Computing device 1100 can also include input device(s) 1140 and output device(s) 1150 .

여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.Here, input device(s) 1140 may include, for example, a keyboard, mouse, pen, voice input device, touch input device, infrared camera, video input device, or any other input device. Output device(s) 1150 may also include, for example, one or more displays, speakers, printers, or any other output devices, or the like. Additionally, computing device 1100 may use an input device or output device included in another computing device as input device(s) 1140 or output device(s) 1150 .

또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 컴퓨팅 디바이스(1100)가 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. Computing device 1100 may also include communication connection(s) 1160 that allow computing device 1100 to communicate with other devices (eg, computing device 1300).

여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다. 상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크(1200)에 의해 상호접속될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 "구성요소", "시스템" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. Here, communication connection(s) 1160 may be a modem, network interface card (NIC), integrated network interface, radio frequency transmitter/receiver, infrared port, USB connection, or other device for connecting computing device 1100 to other computing devices. May contain interfaces. Further, communication connection(s) 1160 may include a wired connection or a wireless connection. Each component of the aforementioned computing device 1100 may be connected by various interconnections such as a bus (eg, peripheral component interconnection (PCI), USB, firmware (IEEE 1394), optical bus structure, etc.) and may be interconnected by the network 1200. Terms such as "component" and "system" as used herein generally refer to a computer-related entity that is hardware, a combination of hardware and software, software, or software in execution.

예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.For example, a component may be, but is not limited to, a process running on a processor, a processor, an object, an executable, a thread of execution, a program, and/or a computer. For example, both the application running on the controller and the controller may be components. One or more components can reside within a process and/or thread of execution and a component can be localized on one computer or distributed between two or more computers.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to the examples, but those skilled in the art to which the present invention belongs will be able to make various substitutions, additions, and modifications without departing from the technical idea described above. Of course, it should be understood that such modified embodiments also belong to the protection scope of the present invention, which is defined by the appended claims below.

100, 200: 인체 감지 레이다 시스템
110: 신호처리부
120: 특징 추출부
130: SVM 이진분류부
100, 200: human body detection radar system
110: signal processing unit
120: feature extraction unit
130: SVM binary classification unit

Claims (33)

CW 레이다에서 대상을 측정한 레이다 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리부;
상기 스펙트로그램을 기초로 4개의 특징을 추출하는 특징 추출부; 및
상기 4개의 특징 모두를 이용하여 상기 대상이 사람인지를 1 또는 0으로 분류하는 SVM 이진분류부를 포함하고,
상기 특징 추출부는
상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격, 상기 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride), CW 레이다 의 반사 면적 및 상기 스펙트로그램 내의 피크 주파수와 몸통 주파수의 차에 대한 특징을 추출하고, 상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값이고,
상기 SVM 이진 분류부는
마진(margin)을 최대화하도록 학습된 파라미터를 이용하여 하기의 식을 통해 이진분류를 수행하는 인체 감지 레이다 시스템.
[식]
Figure 112023500811026-pat00083

(여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,
Figure 112023500811026-pat00084
는 평균,
Figure 112023500811026-pat00085
는 표준편차,
Figure 112023500811026-pat00086
는 선형 예측 변수,
Figure 112023500811026-pat00087
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.)
A signal processing unit for receiving a radar signal measured by a CW radar and generating a spectrogram through short-time Fourier transform (STFT) signal processing;
a feature extractor extracting four features based on the spectrogram; and
An SVM binary classification unit for classifying whether the target is a human as 1 or 0 using all of the four features,
The feature extraction unit
Characteristics of the time interval of the micro-Doppler frequency in the spectrogram, the count of stride of the target, the reflection area of the CW radar, and the difference between the peak frequency and the body frequency in the spectrogram Extraction, the peak frequency is the maximum value of the micro-Doppler frequency,
The SVM binary classification unit
A human body detection radar system that performs binary classification through the following equation using a parameter learned to maximize a margin.
[ceremony]
Figure 112023500811026-pat00083

(Where X is the input vector to be classified,
Figure 112023500811026-pat00084
is the mean,
Figure 112023500811026-pat00085
is the standard deviation,
Figure 112023500811026-pat00086
is a linear predictor,
Figure 112023500811026-pat00087
is the kernel scale, and b is the bias.)
제1항에 있어서,
상기 주파수 신호는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이고,
상기 신호처리부는
하기의 식과 같이, 상기 도플러 주파수를 이용하여 상기 대상의 속도를 계산하는, 인체 감지 레이다 시스템.
[식]
Figure 112023500811026-pat00025

(V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속도이다.)
According to claim 1,
The frequency signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the target,
The signal processing unit
A human body detection radar system that calculates the speed of the object using the Doppler frequency as in the following equation.
[ceremony]
Figure 112023500811026-pat00025

(V is the speed at which the object approaches the radar, c is the speed of the radio wave.)
제1항에 있어서,
상기 신호처리부는
윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 인체 감지 레이다 시스템.
According to claim 1,
The signal processing unit
The radar signal is divided into short-time signals by applying a window function, the Doppler frequency according to the time change is calculated for the divided short-time signals by applying the FFT algorithm, and the calculated results are arranged on the time axis to form the spectrogram Human body detection radar system, characterized in that for generating.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 마진(margin)은
초평면으로부터 벡터(support vector)까지 거리 중 2배 거리를 의미하는 인체 감지 레이다 시스템.
According to claim 1,
The margin is
A human body detection radar system that means twice the distance from the hyperplane to the vector (support vector).
신호처리부에서 CW 레이다에서 대상을 측정한 주파수(레이다) 신호를 수신하여 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리를 통해 스펙트로그램을 생성하는 신호처리단계;
특징 추출부에서 상기 스펙트로그램을 기초로 4개의 특징을 추출하는 특징추출단계; 및
SVM 이진분류부에서 상기 4개의 특징들을 모두 이용하여 상기 대상이 사람인지를 1 또는 0으로 분류하는 SVM 이진분류 단계를 포함하고,
상기 특징추출단계는
상기 스펙트로그램 내의 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 시간간격, 상기 대상의 보폭의 횟수(Count of Stride), 레이다 반사 면적, 피크 주파수와 몸통 주파수의 차를 기초로 복수의 특징을 추출하는 단계이고,
상기 피크 주파수는 미세 도플러 주파수(micro-Doppler frequency)의 최대값이고,
상기 SVM 이진 분류단계는
마진(margin)을 최대화하여 학습된 파라미터를 하기의 식을 통해 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는 인체 감지 레이다 시스템의 동작방법.
[식]
Figure 112023500811026-pat00088

(여기서, X는 분류할 입력 벡터이고,
Figure 112023500811026-pat00089
는 평균,
Figure 112023500811026-pat00090
는 표준편차,
Figure 112023500811026-pat00091
는 선형 예측 변수,
Figure 112023500811026-pat00092
는 커널 스케일(kernel scale)이고, b는 바이어스이다.)
A signal processing step of generating a spectrogram through STFT (Short-Time Fourier Transform) signal processing by receiving a frequency (radar) signal measured by a CW radar in a signal processing unit;
a feature extraction step of extracting four features based on the spectrogram in a feature extraction unit; and
An SVM binary classification step of classifying whether the object is a human as 1 or 0 using all the four features in an SVM binary classification unit,
The feature extraction step is
Extracting a plurality of features based on a time interval of a micro-Doppler frequency in the spectrogram, a count of stride of the target, a radar reflection area, and a difference between a peak frequency and a body frequency ego,
The peak frequency is the maximum value of the micro-Doppler frequency,
The SVM binary classification step is
A method of operating a human body detection radar system, characterized in that the step of classifying the learned parameters by maximizing a margin through the following equation.
[ceremony]
Figure 112023500811026-pat00088

(Where X is the input vector to be classified,
Figure 112023500811026-pat00089
is the mean,
Figure 112023500811026-pat00090
is the standard deviation,
Figure 112023500811026-pat00091
is a linear predictor,
Figure 112023500811026-pat00092
is the kernel scale, and b is the bias.)
제10항에 있어서,
상기 주파수 신호는 상기 대상에 대한 송신 주파수와 수신 주파수의 차인 도플러 주파수 신호이고,
상기 신호처리단계는
하기의 식과 같이, 상기 도플러 주파수를 이용하여 상기 대상의 속도를 계산하는, 인체 감지 레이다 시스템의 동작방법.
[식]
Figure 112023500811026-pat00031

(V는 대상이 레이다를 향해 다가오는 속도, c는 전파의 속도이다.)
According to claim 10,
The frequency signal is a Doppler frequency signal that is a difference between a transmission frequency and a reception frequency for the target,
The signal processing step is
As shown in the following equation, a method of operating a human body detection radar system that calculates the speed of the target using the Doppler frequency.
[ceremony]
Figure 112023500811026-pat00031

(V is the speed at which the object approaches the radar, c is the speed of the radio wave.)
제10항에 있어서,
상기 신호처리단계는
윈도우 함수를 적용하여 상기 레이다 신호를 단시간 신호로 분할하고, 분할된 단시간 신호에 대해 시간 변화에 따른 도플러 주파수를 FFT 알고리즘을 적용하여 산출한 후, 산출된 결과값을 시간 축으로 배열하여 상기 스펙트로그램을 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 인체 감지 레이다 시스템의 동작방법.
According to claim 10,
The signal processing step is
The radar signal is divided into short-time signals by applying a window function, the Doppler frequency according to the time change is calculated for the divided short-time signals by applying the FFT algorithm, and the calculated results are arranged on the time axis to form the spectrogram Method of operating a human body detection radar system, characterized in that the step of generating.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서,
상기 마진(margin)은
초평면으로부터 벡터(support vector)까지 거리 중 2배 거리를 의미하는 인체 감지 레이다 시스템의 동작방법.

According to claim 10,
The margin is
A method of operating a human body detection radar system, which means twice the distance from the hyperplane to the vector (support vector).

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