KR102646197B1 - 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도로 환경에 최적화된 빔 모양을 가지는 안테나 복사 패턴을 이용하며, 설치 각도가 일정하면서도 근거리에서부터 원거리까지의 도로 영역에서 차량을 검지하는 기술을 사용하여 교통 레이더의 검지 성능을 향상 시킬 수 있도록 하는 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
개시된 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치는, 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하고, 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신하는 레이더부; 및 상기 레이더부가 일정한 높이(H)로 고정 지지되는 지지대를 포함한다.

Description

모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법{Traffic radar device using shape beam and operation method thereof}
본 발명은 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 도로 환경에 최적화된 빔 모양을 가지는 안테나 복사 패턴을 이용하며, 설치 각도가 일정하면서도 근거리에서부터 원거리까지의 도로 영역에서 차량을 검지하는 기술을 사용하여 교통 레이더의 검지 성능을 향상 시킬 수 있도록 하는, 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이더(Radar)는 이동하는 물체의 거리, 속도 및 방향을 검지하는 최적의 센서 장비이고, 현재 자율주행 차량과 교통정보 수집을 위한 교통센서 장비로 사용되고 있다.
이런 레이더에 사용되는 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 주로 펜실 빔(Pencil Beam) 또는 팬 빔(Fan Beam) 형태의 복사패턴을 사용하고 있다. 도 1은 일반적인 안테나 빔의 형태를 나타낸 도면이다.
교통정보를 수집하는 교통 레이더의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 수평의 빔을 갖도록 레이더를 설치하여 운용하고 있다. 도 2는 수평의 빔을 갖도록 레이더를 설치하여 운용하는 예를 나타낸 도면이다. 따라서, 근접한 차량이 원거리에 있는 차량을 가리기 때문에 전파를 이용하는 레이더 입장에서는 원거리 차량을 검지하지 못하는 경우가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 레이더를 차량보다 높은 위치에 설치하여 차량을 검지하는 방법을 사용한다. 도 3은 레이더를 차량보다 높은 위치에 설치한 예를 나타낸 도면이다. 하지만 이 경우에도 레이더 안테나의 빔이 지면을 향하게 되고 안테나의 빔폭이 제한적이므로 설치 각도에 따라 검지 구간이 달라지는 문제가 생기게 되므로 레이더의 검지 특성이 달라지게 된다.
현재 교통 정보를 수집하기 위한 장비로는 교통량을 수집하는 차량 검지기(VDS: Vehicle Detection System)와 차종을 검지하는 AVC(Automatic Vehicle Classification) 등이 있다.
차량 검지기(VDS) 중 Loop 검지기는, 교통량만 검지하고, 설치된 차로만 검지한다. 또한, 도로 매립식의 경우 설치 및 보수가 복잡하고, 주기적으로 교체가 필요하며, 공사 비용이 필요하고, 설치 및 보수 중 교통체증과 인사 사고가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
차량 검지기(VDS) 중 영상(CCTV) 검지기는 교통량만 검지하고, 야간이나 안개, 악천후 등의 환경에서는 운용이 불가능한 경우가 발생하는 문제점이 있다.
단거리 전용 통신(DSRC) 검지기는 하이패스 단말기를 통한 교통량만 수집하고 있으며, 단말기가 없는 차량에 대한 교통 정보의 파악이 불가능하다는 문제점이 있다.
AVC 검지기는 압전 센서로 차량 무게를 측정하여 차종을 식별하는 장치로서 매립식의 경우에 설치 및 보수가 불편하고 공사 비용이 소요되는 단점이 있다.
KR 10-1644066 B1 (2016. 07. 25.)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 도로 환경에 최적화된 빔 모양을 가지는 안테나 복사 패턴을 이용하며, 설치 각도가 일정하면서도 근거리에서부터 원거리까지의 도로 영역에서 차량을 검지하는 기술을 사용하여 교통 레이더의 검지 성능을 향상 시킬 수 있도록 하는, 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치는, 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하고, 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신하는 레이더부; 및 상기 레이더부가 일정한 높이(H)로 고정 지지되는 지지대를 포함한다.
또한, 상기 레이더부와 유선 또는 무선 통신망을 통해 연결된 교통 통제부를 더 포함하고, 상기 교통 통제부는 상기 레이더부로부터 상기 레이더 감지 신호들을 전달받고, 이를 이용하여 교통량, 차량의 속도, 및 차간 거리를 산출하거나, 역주행과 차종을 인식한다.
또한, 상기 레이더부는 지상으로부터 수직으로 일정한 설치 높이(H)를 갖는 상기 지지대의 상단부에 설치된다.
또한, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)과 상기 설치 높이(H)를 이용하여 산출된다.
또한, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 상기 설치 높이(H)를 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각(sin θ)으로 나누어 산출될 수 있다.
또한, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 상기 설치 높이(H)에 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출될 수 있다.
또한, 상기 레이더부는 상기 레이더 신호를 송출하거나 상기 레이더 감지 신호를 수신하는 안테나를 포함하고, 상기 안테나의 수신전력의 크기(P)는 상기 안테나의 이득(G)과, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)를 이용하여 산출될 수 있다.
또한, 상기 안테나의 수신전력의 크기(P)는 상기 안테나의 이득(G)의 제곱값(G^2)을 상기 거리(R)의 네제곱값(R^4)으로 나누어 산출될 수 있다.
또한, 상기 안테나의 이득(G)은, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)의 제곱값(R^2)에 비례할 수 있다.
또한, 상기 안테나의 이득(G)은, 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)의 제곱값(cosec(θ)^2)에 비례할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 교통 레이더 장치의 모양 빔을 이용한 동작 방법은, 지상으로부터 일정한 설치 높이(H)의 지지대 상에 고정 지지된 레이더부와, 상기 레이더부와 유선 또는 무선으로 연결된 교통 통제부를 포함하는 교통 레이더 장치의 모양 빔을 이용한 동작 방법으로서, (a) 상기 레이더부에서 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하는 단계; (b) 상기 레이더부에서 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신하는 단계; (c) 상기 레이더부에서 상기 수신된 레이더 감지 신호를 상기 교통 통제부로 전달하는 단계; (d) 상기 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 교통량, 차량의 속도, 및 차간 거리를 산출하는 단계; 및 (e) 상기 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 역주행과 차종을 인식하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계에서 상기 교통 통제부는, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)에 대하여, 상기 설치 높이(H)를 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각(sin θ)으로 나누어 산출할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계에서 상기 교통 통제부는, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)에 대하여, 상기 설치 높이(H)에 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출할 수 있다.
또한, 상기 레이더부는 상기 레이더 신호를 송출하거나 상기 레이더 감지 신호를 수신하는 안테나를 포함하고, 상기 (d) 단계에서 상기 교통 통제부는, 상기 안테나의 수신전력(P)에 대하여, 상기 안테나의 이득(G)과, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)를 이용하여 산출할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계에서 상기 교통 통제부는, 상기 안테나의 수신전력의 크기(P)를 상기 안테나의 이득(G)의 제곱값(G^2)을 상기 거리(R)의 네제곱값(R^4)으로 나누어 산출할 수 있다.
또한, 상기 안테나의 이득(G)은, 상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)의 제곱값(R^2)에 비례할 수 있다.
또한, 상기 안테나의 이득(G)은, 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)의 제곱값(cosec(θ)^2)에 비례할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존 교통 정보를 수집하는 차량 검지기를 대체할 수 있으며, 레이더 방식의 검지기를 사용함에 따라 기존 장비가 가지고 있는 문제를 해결하면서도 추가적인 교통 정보를 수집 및 처리할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 비매립식이므로 설치 및 보수가 편리하고, 전천후로 사용할 수 있으며, 다중 차로(예, 8차로)를 동시에 검지할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 교통량 측정뿐만 아니라 속도, 역주행, 차종 정보를 추가로 수집할 수 있으며, 속도 위반, 정지선 위반, 차로 위반 등의 교통 위반을 단속할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 자율 주행과 스마트 신호 등과 연계할 수 있으며, 차량과의 연결성(Connectivity)을 이용하여 교통 정보 및 위반 사항을 실시간으로 통보할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 기존보다 긴 검지 구간을 확보하여 레이더의 검지 성능을 향상시킬 수 있어, 교통량, 속도 등의 검지 성능 향상이 가능하므로 첨단 교통 관리를 위한 교통 정보 수집이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 긴 구간을 검지하므로 역주행 차량 검지도 가능하여 교통 안전을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 기존 빔을 사용하는 경우 보다, 일정한 수신 특성을 가지므로 차종을 구분하는데 사용 가능하고, 기존 VDS와 AVC의 기능을 한 대의 장비로 통합하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 안테나 빔의 형태를 나타낸 도면이다.
도 2는 수평의 빔을 갖도록 레이더를 설치하여 운용하는 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 레이더를 차량보다 높은 위치에 설치한 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부에 적용된 코시컨트 제곱 빔 영역을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코시컨트 제곱 빔과 고전적인 안테나 빔을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 교통 레이더 장치의 모양 빔을 이용한 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 도로 환경에서 코시컨트 제곱 빔의 모양 빔에 따라 송출하는 것과 고전적인 펜슬 빔과 팬 빔을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부의 세부 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 이용하여 차량의 유무를 파악하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 이용하여 차량의 속도, 점유율 및 길이를 계산하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부에서 차량의 차종을 검지하는 과정을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치(100)는, 레이더부(110) 및 지지대(120)를 포함한다.
레이더부(110)는 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하고, 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신한다.
지지대(120)에는 레이더부(110)가 일정한 높이(H)로 고정 지지된다. 레이더부(110)는 지상으로부터 수직으로 일정한 설치 높이(H)를 갖는 지지대(120)의 상단부에 설치된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치(100)는, 도면에 도시하지는 않았지만 레이더부(110)와 유선 또는 무선 통신망을 통해 연결된 교통 통제부를 더 포함할 수 있다.
교통 통제부는 각 지역의 교통 상황을 감시하고 통제하는 경찰서(청) 등에 설치된 서버 장치나 컴퓨터 단말기일 수 있으며, 경찰서(청)로부터 의뢰받아 교통을 통제하는 업무를 대리하는 별도의 서버 장치 등이 될 수도 있다.
교통 통제부는 레이더부로부터 레이더 감지 신호들을 전달받고, 이를 이용하여 교통량, 차량의 속도, 및 차간 거리를 산출하거나, 역주행과 차종을 인식할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는 코시컨트 제곱 빔(Cosecant Squared Beam)을 이용한다. 코시컨트 제곱 빔 영역은 도 5에 도시된 바와 같이 -30°와 -60°사이의 각도로부터 0°와 30°사이의 각도까지를 이용할 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부에 적용된 코시컨트 제곱 빔 영역을 나타낸 도면이다. 코시컨트 제곱 빔 영역에서 상대 전력(Relative Power)은 -30°부터 -60°사이의 각도에서 -20 데시벨(dB)로부터 증가하기 시작하여 0°와 30°사이의 각도에서 제로(0) 데시벨(dB)의 최대값이 된다.
레이더부(110)의 설치 높이를 H, 레이더부(110)와 차량까지의 거리를 R이라고 하고, 두 사이각을 라 하면, 레이더부(110)로부터 차량까지의 거리(R)는 다음 수학식 1과 같이 산출된다.
레이더부(110)로부터 송출된 레이더 신호가 피사체(차량)까지 도달하는 거리(R)는, 레이더부(110)로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대(120) 간의 사이각(θ)과 설치 높이(H)를 이용하여 산출될 수 있다.
즉, 수학식 1에 따르면, 레이더부(110)로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 설치 높이(H)를 레이더부(110)로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대(120) 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각도(sin θ)로 나누어 산출될 수 있다.
또한, 레이더부(110)로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 설치 높이(H)에 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출될 수 있다.
한편, 레이더부(110)의 수신 전력을 P라 하면, 수신 전력 P는 다음 수학식 2와 같이 산출된다.
수학식 2에서, G는 레이더부(110)의 안테나 이득을 나타내고, R은 레이더부(110)로부터 차량까지의 거리를 나타낸다.
레이더부(110)는 레이더 신호를 송출하거나 레이더 감지 신호를 수신하는 안테나를 포함한다.
레이더부(110)에서 안테나의 수신 전력의 크기(P)는 안테나의 이득(G)과, 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)를 이용하여 산출될 수 있다.
수학식 2에 따르면, 안테나의 수신 전력의 크기(P)는 안테나의 이득(G)의 제곱값(G^2)을 거리(R)의 네제곱값(R^4)으로 나누어 산출될 수 있다.
만약, 수신 전력이 모든 방향에서 동일한 크기를 갖는다면 수신 전력 P는 상수가 되어, 다음 수학식 3과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
즉, 레이더부(110)의 안테나 이득(G)은 레이더부(110)로부터 송출된 레이더 신호가 피사체(차량)까지 도달하는 거리(R)의 제곱(R^2)에 비례한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도로 환경에서 레이더부(110)의 설치 관계식인 수학식 1을 수학식 3의 R에 대입하면 다음 수학식 4를 얻을 수 있다.
즉, 수학식 4에 따르면, 안테나의 이득(G)은, 레이더부(110)로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대(120) 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각도(cosec θ)에 설치 높이 H를 곱한 값의 제곱값(cosec(θ)^2)이 됨을 알 수 있다.
여기서, 설치 높이 H는 상수이므로, 결국 다음 수학식 5를 얻을 수 있다.
따라서, 수학식 5에 따르면, 안테나의 이득(G)은, 레이더부(110)로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대(120) 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각도(cosec θ)의 제곱값(cosec(θ)^2)에 비례함을 알 수 있다.
즉, 레이더부(110)의 수신 전력이 각도에 무관하게 동일하려면 안테나의 이득 값은 Cosecant 제곱에 비례하여야 한다. 다시 말해서 각도 방향에서 코시컨트 제곱에 비례하는 모양 빔(Shaped Beam)을 사용하는 경우에 레이더부(110)의 수신전력의 크기는 동일한 표적에 대해서 동일한 신호 강도를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 Cosecant 제곱 빔을 도로 환경에 적용하면, 레이더부(110)의 검지 구간을 확장하는 동시에 동일한 차량으로부터 동일한 크기의 수신 신호를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 코시컨트 제곱 빔과 고전적인 안테나 빔을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)에 코시컨트 제곱 빔을 적용하는 경우, 레이더의 공간 효율을 높여서 불필요한 공간으로는 전파 에너지를 보내지 않으면서 필요한 공간으로 에너지를 보낼 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는 고전적인 안테나 빔인 펜슬 빔(Pencil Beam) 또는 팬 빔(Fan Beam)에 비하여, 레이더의 검지 구간을 확장시킬 수 있다. 따라서, 레이더의 검지 구간이 넓을수록 표적을 검지하는 레이더의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 교통 레이더 장치의 모양 빔을 이용한 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 교통 레이더 장치(100)는, 레이더부(110)에서 레이더 신호를 모양 빔(Shaped Beam)에 따라 송출한다(S710).
즉, 레이더부(110)는 도 8에 도시된 바와 같이 코시컨트 제곱 빔의 모양 빔(Shaped Beam)에 따라 레이더 신호를 피사체인 차량으로 송출한다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 도로 환경에서 코시컨트 제곱 빔의 모양 빔에 따라 송출하는 것과 고전적인 펜슬 빔과 팬 빔을 비교하여 나타낸 도면이다.
레이더부(110)로부터 송출된 레이더 신호가 피사체(차량)까지 도달하는 거리(R)는, 지지대(120)의 설치 높이(H)를 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각(sin θ)으로 나누어 산출할 수 있다.
또한, 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 지지대(120)의 설치 높이(H)에, 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출할 수 있다.
이어, 레이더부(110)에서 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신한다(S720).
이어, 레이더부(110)에서 수신된 레이더 감지 신호를 교통 통제부로 전달한다(S730).
이어, 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 교통량, 차량의 속도, 및 차간 거리를 산출한다(S740).
이때, 교통 통제부는, 레이더부(110)의 안테나 수신전력(P)에 대하여, 안테나의 이득(G)과, 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)를 이용하여 산출할 수 있다.
또한, 교통 통제부는, 안테나의 수신전력의 크기(P)를 안테나의 이득(G)의 제곱값(G^2)을 거리(R)의 네제곱값(R^4)으로 나누어 산출할 수 있다.
따라서, 안테나의 이득(G)은, 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 피사체까지 도달하는 거리(R)의 제곱값(R^2)에 비례할 수 있다.
또한, 안테나의 이득(G)은, 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)의 제곱값(cosec(θ)^2)에 비례할 수 있다.
이어, 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 역주행과 차종을 인식한다(S750).
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부의 세부 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는, 안테나(10), 지자기 센서(11) 및 제어부(12)를 포함한다.
안테나(10)는 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하거나, 피사체로부터 반사된 레이더 감지 신호를 수신한다.
지자기 센서(11)는 소정의 공간에서 지자기 세기의 크기 변화를 감지한다. 이때 제어부(12)는 지자기 센서(11)로부터 감지되는 자기장 신호를 패턴 인식(pattern recognition)한다. 패턴 인식은 자기장 신호의 파형 데이터를 분석해서 그 데이터의 고유 특징(패턴)을 추출하는 것이다. 이때, 인식 대상 패턴을 표준 패턴으로 작성해 두었다가, 인식 시에 이 표준 패턴과 입력 패턴을 비교(패턴 정합)해서 표준 패턴과 가장 유사한 것을 인식 결과값으로 한다. 지자기 센서(11)의 파형을 단순 패턴화함에 따라 차량의 차종을 파악할 수 있다.
제어부(12)는 안테나(10)를 통해 수신된 레이더 감지 신호를 이용하여 차량의 속도, 차량 점유율, 차량 길이, 차종을 인식한다.
제어부(12)는 속도 계산부(121), 점유율 계산부(122), 길이 계산부(124), 패턴 인식부(126) 및 차종 검출부(128)를 포함한다.
속도 계산부(121)는 제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호를 대상으로, 제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호 간의 지연시간을 이용하여 차량 속도를 계산한다.
점유율 계산부(122)는 제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호의 점유시간을 측정하고, 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 점유율을 계산한다.
길이 계산부(124)는 속도 계산부(120)를 통해 계산된 차량 속도와 점유율 계산부(122)를 통해 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 길이를 계산한다.
패턴 인식부(126)는 지자기 센서(11)로부터 감지되는 자기장 신호를 분석하여 패턴 인식을 통해 고유패턴을 추출한다. 차종 검출부(128)는 패턴 인식부(126)를 통해 추출된 고유패턴을, 안테나(10)로부터 감지되는 레이더 신호를 이용하여 검출된 차량의 길이정보와 매칭하여 차량의 차종을 검출한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 제어부(12)는 자기장 신호를 힐 패턴(Hill pattern)화시킨다. Hill-Pattern (HP)은 자기장 신호를 {+1, 0, -1} 신호로 극단적으로 단순화시키는 변환 과정이다. 즉, 미세한 끝들(tiny tips)을 가지는 신호 파형 대신에, 'peak'와 'valley'를 가지는 매끄러운 패턴(smooth pattern)으로 단순화시킨다. 이때 차량 및 차종 분류에 필요한 필수적인 패턴 정보는 그대로 유지된다. Hill-Pattern은 분류 과정을 단순화시켜 비용 및 전력 절감의 효과가 있다.
다른 실시 예에 따르면, 제어부(12)는 지자기 변화량을 저해상도로 낮추어 패턴화시킬 수 있다. 예를 들면 지자기 센서(11)로부터 출력되는 신호가 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되는 경우, 12비트 ADC를 8비트로 비트 연산해서 해상도를 낮출 수 있다. 그러면 신호의 크기 단계가 (0~4095)에서 (0~255)로 낮춰진다. 또는 4bit로 비트 쉬프트하여 해상도를 낮출 수 있다. 그러면 신호의 크기 단계가 (0~15)로 낮춰진다. 이는 신호의 크기가 0에서 2n-1단계(n비트를 가정할 경우)로 가변되는 것으로 가정하는 경우이다. 이에 따라 패턴화를 위한 연산 부하를 낮출 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 이용하여 차량의 유무를 파악하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는, 레이더를 이용하여 일정 주기로 캐리어를 송신하고, 검지기 위에 차량이 통과할 경우 차량에서 반사되어 돌아오는 송신 캐리어를 수신하여, 차량의 존재 유무를 'H', 'L' 신호로 출력한다.
'H' 신호는 차량 검출(vehicle detection)을, 'L' 신호는 차량 미검출(not detection)을 의미한다. 레이더를 이용하면, 차량이 주정차 상태인지 여부도 정확히 판단할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 레이더 신호를 이용하여 차량의 속도, 점유율 및 길이를 계산하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는, 다중 차량 검지기를 이용하여 차량의 속도, 점유율 및 길이를 계산할 수 있다.
이때, 제1 레이더부를 갖는 제1 센서노드(#1) 및 제2 레이더부를 갖는 제2 센서노드(#2)가 일정거리(d)로 이격되어 설치된다고 가정한다.
도 12를 참조하면, 각 센서노드(#1, #2)를 통과하는 차량에 의해, 각 레이더 검지 신호 간에 차량의 속도에 따른 지연시간(T_Diff)을 가진다.
이 'T_Diff_ON'(차량 진입 시간차)와 'T_Diff_OFF'(차량 진출 시간차)를 이용하여 차량의 속도를 계산한다. 그리고, 각 센서노드(#1, #2)의 각 레이더 신호의 점유시간 'OC1'과 'OC2'를 이용하여 차량 점유율을 추출한다.
나아가, 계산된 차량 속도와 점유시간을 이용하여 차량의 길이를 계산할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부에서 차량의 차종을 검지하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이더부(110)는, 레이더 신호를 이용하여 추출된 교통 정보와 함께 지자기 센서(11)로부터 감지된 자기장 신호의 파형을 패턴화한다.
지자기 센서(11)는 차종마다 검지 영역이 불확실하지만, 도 13에 도시된 바와 같이 차량에 따른 특정한 파형으로 측정이 가능하므로, 자기장 신호를 단순 패턴화하고, 이를 레이더부(110)로 측정한 차량 길이 정보와 매칭하여 차종을 분류한다.
지자기 센서(11)의 지자기 세기의 크기 변화를 감지하여 출력되는 값은 주변 자기장의 영향에 약하며, 기온, 위치, 시간, 계절 등의 측정 환경에 따라 지자기 센서의 출력신호는 변할 수 있다. 또한 지자기 센서(11)의 조립상태, 기울어진 정도에 따라서도 변화가 크며, 강 자기장 필드에 의해 포화될 수도 있다. 이에 따라 지자기 센서(11)는 센서 자체의 특성 및 주변에서 발생하는 지자기 이외의 자기장에 의하여 신호의 크기 및 오프셋이 변하게 되므로 측정시마다 일관된 기준을 정하기 어려워 정확한 측정이 불가능할 수 있다. 이에 따라 베이스라인(baseline)을 설정하여 그 베이스라인에 따라 지자기 센서(11)의 출력값을 보정하는 절차가 필요하다. 여기서 베이스라인은 지자기 세기의 크기를 보정하는 기준값이 되는 보정인자(calibration factor)이다. 일반적으로, 베이스라인을 설정하기 위해 포텐셔미터(Potentiometer)를 이용한다. 포텐셔미터는 가변되는 기준신호 또는 고정 바이어스를 출력한다.
그러나, 본 발명에 이용되는 지자기 센서(11)는 차량 움직임에 따른 패턴 추출을 위해서 사용되는 것이 주목적이기 때문에, 전술한 베이스라인 설정을 위한 동작 및 회로를 제거할 수 있다. 이를 위해 본 발명은 하드웨어 레벨에서 단순히 지자기 센서(11)의 출력 전압을 AC 커플링하고, 증폭기(OPAMP)에 기설정된 전원(예: 1/2 전원)을 바이어스로 인가한다. 그러면, ADC 입력 범위의 기설정된 값(예: 중간값)으로 지자기 센서의 출력값이 유지되므로, 이후 지자기 센서(11)의 자기장 변화를 감지하여 그 변화량만을 확인하면 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치(100)는, 특정 장소에 설치된 레이더부(110)를 통하여 검지 영역을 검지할 수 있다.
레이더부(110)는 검지된 레이더 감지 신호를 교통 통제부로 전달한다. 교통 통제부는 레이더부(110)로부터 전달받은 레이더 감지 신호에 기반하여 인공지능(딥러닝)을 이용하여 검지 영역에 존재하는 차량을 단속할 수 있다.
교통 레이더 장치(100)는 차선에 존재하는 차량을 검지할 수 있다. 이때, 검지 영역은 레이더부(110)에 의하여 사전에 설정될 수 있으며, 검지 영역에 대한 범위 및 각도의 변경이 가능하다.
교통 레이더 장치(100)는 레이더부(110)에서 레이더 신호를 발사 후 피사체(차량)에서 반사되는 레이더 감지 신호를 수신해 거리,　방향 등을 확인할 수 있다. 즉, 레이더부(110)는 검지 영역에 존재하는 차량에 레이더 신호를 송출하고, 레이더 감지 신호가 수신되는 시간을 계산하여 차량까지의 거리 및 각도를 계산함으로써 차량 정보를 획득할 수 있다.
이때, 레이더부(110)에서는 코시컨트 제곱 빔(Cosecant Squared Beam)을 이용하므로, 동일한 표적에 대해서 동일한 신호 강도를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치(100)는 코시컨트 제곱 빔의 레이더 신호를 이용하여 정확한 차량 정보 및 교통 정보를 획득할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 도로 환경에 최적화된 빔 모양을 가지는 안테나 복사 패턴을 이용하며, 설치 각도가 일정하면서도 근거리에서부터 원거리까지의 도로 영역에서 차량을 검지하는 기술을 사용하여 교통 레이더의 검지 성능을 향상 시킬 수 있도록 하는 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치 및 그 동작 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 안테나 11 : 지자기 센서
12 : 제어부 121 : 속도 계산부
122 : 점유율 계산부 124 : 길이 계산부
126 : 패턴 인식부 128 : 차종 검출부
100 : 교통 레이더 장치 110 : 레이더부
120 : 지지대

Claims (6)

  1. 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하고, 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신하는 레이더부; 및
    상기 레이더부가 일정한 높이(H)로 고정 지지되는 지지대;
    를 포함하며,
    상기 레이더부는 지상으로부터 수직으로 일정한 설치 높이(H)를 갖는 상기 지지대의 상단부에 설치되며,
    상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)는, 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)과 상기 설치 높이(H)를 이용하여 산출되고,
    상기 설치 높이(H)는,
    상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각(sin θ)으로 나누어 산출되며,
    상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)는,
    상기 설치 높이(H)에 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출되고,
    상기 레이더부는,
    수신 전력이 각도에 무관하게 동일하도록 안테나의 이득 값이 코시컨트 제곱에 비례하는 코시컨트 제곱 빔(Cosecant Squared Beam)을 이용하여, 상기 레이더부의 수신전력의 크기가 동일한 표적에 대해서 동일한 신호 강도를 얻도록 구성되며,
    상기 레이더부는,
    레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하거나 피사체로부터 반사된 레이더 감지 신호를 수신하는 안테나;
    소정의 공간에서 지자기 세기의 크기 변화를 감지하는 지자기 센서; 및
    안테나(10)를 통해 수신된 레이더 감지 신호를 이용하여 차량의 속도, 차량 점유율, 차량 길이, 차종을 인식하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호를 대상으로, 제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호 간의 지연시간을 이용하여 차량 속도를 계산하는 속도 계산부;
    제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호의 점유시간을 측정하고, 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 점유율을 계산하는 점유율 계산부;
    상기 속도 계산부를 통해 계산된 차량 속도와 점유율 계산부를 통해 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 길이를 계산하는 길이 계산부;
    상기 지자기 센서로부터 감지되는 자기장 신호를 분석하여 패턴 인식을 통해 고유패턴을 추출하는 패턴 인식부; 및
    상기 패턴 인식부를 통해 추출된 고유패턴을 상기 안테나로부터 감지되는 레이더 신호를 이용하여 검출된 차량의 길이정보와 매칭하여 차량의 차종을 검출하는 차종 검출부;
    를 포함하며,
    상기 코시컨트 제곱 빔은,
    -30°와 -60°사이의 각도로부터 0°와 30°사이의 각도까지를 영역을 이용하고,
    상기 코시컨트 제곱 빔 영역에서 상대 전력(Relative Power)은,
    -30°부터 -60°사이의 각도에서 -20 데시벨(dB)로부터 증가하기 시작하여 0°와 30°사이의 각도에서 제로(0) 데시벨(dB)의 최대값이 되는 것을 특징으로 하는 모양 빔을 이용한 교통 레이더 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 지상으로부터 일정한 설치 높이(H)의 지지대 상에 고정 지지된 레이더부와, 상기 레이더부와 유선 또는 무선으로 연결된 교통 통제부를 포함하는 교통 레이더 장치의 동작 방법으로서,
    (a) 상기 레이더부에서 레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하는 단계;
    (b) 상기 레이더부에서 피사체로부터 반사되는 레이더 감지 신호를 수신하는 단계;
    (c) 상기 레이더부에서 상기 수신된 레이더 감지 신호를 상기 교통 통제부로 전달하는 단계;
    (d) 상기 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 교통량, 차량의 속도, 및 차간 거리를 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 교통 통제부에서 상기 전달받은 레이더 감지 신호를 이용하여 역주행과 차종을 인식하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (d) 단계에서 상기 교통 통제부는,
    상기 설치 높이(H)를 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 사인 각(sin θ)으로 나누어 산출하며,
    상기 레이더부로부터 송출된 레이더 신호가 상기 피사체까지 도달하는 거리(R)를 상기 설치 높이(H)에 상기 레이더부로부터 송출되는 레이더 신호와 상기 지지대 간의 사이각(θ)에 대한 코시컨트 각(cosec θ)을 곱하여 산출하고,
    상기 레이더부는,
    수신 전력이 각도에 무관하게 동일하도록 안테나의 이득 값이 코시컨트 제곱에 비례하는 코시컨트 제곱 빔(Cosecant Squared Beam)을 이용하여, 상기 레이더부의 수신전력의 크기가 동일한 표적에 대해서 동일한 신호 강도를 얻도록 구성되며,
    상기 레이더부는,
    레이더 신호를 모양 빔에 따라 송출하거나 피사체로부터 반사된 레이더 감지 신호를 수신하는 안테나;
    소정의 공간에서 지자기 세기의 크기 변화를 감지하는 지자기 센서; 및
    안테나(10)를 통해 수신된 레이더 감지 신호를 이용하여 차량의 속도, 차량 점유율, 차량 길이, 차종을 인식하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호를 대상으로, 제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호 간의 지연시간을 이용하여 차량 속도를 계산하는 속도 계산부;
    제1 레이더 신호와 제2 레이더 신호의 점유시간을 측정하고, 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 점유율을 계산하는 점유율 계산부;
    상기 속도 계산부를 통해 계산된 차량 속도와 점유율 계산부를 통해 측정된 점유시간을 이용하여 차량의 길이를 계산하는 길이 계산부;
    상기 지자기 센서로부터 감지되는 자기장 신호를 분석하여 패턴 인식을 통해 고유패턴을 추출하는 패턴 인식부; 및
    상기 패턴 인식부를 통해 추출된 고유패턴을 상기 안테나로부터 감지되는 레이더 신호를 이용하여 검출된 차량의 길이정보와 매칭하여 차량의 차종을 검출하는 차종 검출부;
    를 포함하며,
    상기 코시컨트 제곱 빔은,
    -30°와 -60°사이의 각도로부터 0°와 30°사이의 각도까지를 영역을 이용하고,
    상기 코시컨트 제곱 빔 영역에서 상대 전력(Relative Power)은,
    -30°부터 -60°사이의 각도에서 -20 데시벨(dB)로부터 증가하기 시작하여 0°와 30°사이의 각도에서 제로(0) 데시벨(dB)의 최대값이 되는 것을 특징으로 하는 교통 레이더 장치의 모양 빔을 이용한 동작 방법.
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