KR102660646B1 - 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법 - Google Patents

지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법 Download PDF

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KR102660646B1 KR1020230032440A KR20230032440A KR102660646B1 KR 102660646 B1 KR102660646 B1 KR 102660646B1 KR 1020230032440 A KR1020230032440 A KR 1020230032440A KR 20230032440 A KR20230032440 A KR 20230032440A KR 102660646 B1 KR102660646 B1 KR 102660646B1
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이정한
고성협
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한국해양과학기술원
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Abstract

무인비행체(드론)에 탑재된 Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar (GP-SAR)로 측정한 초광대역 밴드(0.6 ~ 6 GHz) 고해상도 전파신호의 시계열 프로파일링을 통해 매설물의 수직적 위치를 측정하고, 공간적 프로파일링을 통해 매설물의 수평적 위치를 측정하여, 측정된 수직 및 수평 위치 데이터를 해석하여 매설된 지뢰의 위치와 크기를 가시화함으로써, 금속성 및 비금속성 지뢰 탐지 및 제거 우선순위를 선정할 수 있고, 이에 따라, 태풍 및 홍수에 의한 지뢰 유실 등 지뢰로 인해 발생할 수 있는 안전사고 요인을 선제적으로 제거할 수 있는 무인비행체에 탑재된 GPR-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법이 제공된다.

Description

지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법{Landmine detection system and the method thereof}
본 발명은 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 지중에 매설된 지뢰를 탐지 할 수 있도록 지표 투과-합성 개구 레이더(Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar; 이하 GP-SAR) 센서를 무인비행체인 드론(Drone)에 탑재한 GP-SAR 센서 데이터 분석 기반의 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에 관한 것이다.
최근 무인비행체(드론)에 다양한 탐지 센서를 탑재하여 지뢰를 탐지하는 시스템에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 일례로, 대한민국 등록특허공보 제10-2401945호 (2022.05.26.)에는 드론을 이용한 도로시설물 안전진단장치에 대해 개시하고 있다. 지뢰를 탐지하는 센싱 방법은 대표적으로 지표 투과 레이더(Ground Penetrating Radar; GPR), 금속 탐지기(Metal Detector), 자력계(Magnetometer), 광전자 센서(Optical Electric Field Sensor) 등이 있다. 그중 지표 투과 레이더는 금속 및 비금속 물체를 탐지 가능하기 때문에 전자기파 기반의 레이더는 전통적으로 지뢰 탐지 분야에 사용되고 있다.
종래의 경우 이미지 처리 방법으로 다중 산란을 고려하지 않는 역투영 알고리즘(Back Projection Algorithm; BPA)을 사용하므로, 무인비행체(드론)에 탑재되어 지표 하부에 존재하는 작은 지뢰를 고해상도로 관측하는데 이용할 수 있도록 지표 투과-합성 개구 레이더 (Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, 이하 GP-SAR) 장치 및 다중 산란을 고려한 데이터 분석 기법이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2401945호 (2022.05.26.)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서로 측정한 전자기파의 시계열(A-scan) 및 공간적(B-scan) 프로파일링을 통해 지뢰의 위치를 측정하고, 측정된 신호 및 데이터를 해석하여 지뢰를 고해상도 GP-SAR 영상 이미지로 가시화함으로써, 지뢰를 탐지하고 분류할 수 있는 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템에 있어서, 지표 투과 레이더 모듈을 포함하는 무인비행체와, 상기 지표 투과 레이더 모듈의 측정값을 수집하는 데이터 수집부와, 상기 데이터 수집부의 원시 데이터를 가공하는 데이터 처리부와, 상기 데이터 처리부의 가공 데이터를 재차 가공하는 복원 처리부와, 상기 복원 처리부로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 데이터 처리부는, 상기 데이터 수집부로부터 상기 원시 데이터를 수신받아 시공간축의 포물선 데이터(B-scan)로 변환시키고, 상기 복원 처리부는, 상기 데이터 처리부로부터 상기 포물선 데이터를 수신받아 디지털 이미지 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 복원 처리부는, 상기 포물선 데이터를 하기 수학식을 통해 상기 디지털 이미지 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
(여기서, 는 상기 포물선 데이터의 값, r은 전파가 이동한 거리, t는 전파의 관측 시간, 은 지중에서의 전파의 속도를 의미한다.)
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 지표 투과 레이더 모듈은, 상기 무인비행체의 일측에 구비되는 안테나부와, 상기 무인비행체에 상기 안테나부가 결합될 수 있도록 하는 브라켓을 포함하고, 상기 안테나부는, 상기 안테나부의 일측에 형성되는 슬롯을 포함하며, 상기 슬롯은, 상기 안테나부의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템을 이용한 지뢰 탐지 방법에 있어서, 상기 무인비행체에 상기 지표 투과 레이더 모듈이 탑재되는 탑재단계와, 상기 탑재단계 이후, 상기 데이터 수집부에 의해 상기 무인비행체의 비행궤도를 따라 상기 지표 투과 레이더 모듈에 의한 측정값이 수집되는 수집단계와, 상기 수집단계 이후, 상기 데이터 처리부에 의해 상기 데이터 수집부의 원시 데이터가 가공되는 처리단계와, 상기 처리단계 이후, 상기 복원 처리부에 의해 상기 데이터 처리부의 가공 데이터가 재차 가공되는 복원단계와, 상기 복원단계 이후, 상기 가시화부가 상기 복원 처리부로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 무인비행체에 탑재된 GP(Ground Penetrating) - SAR(Synthetic Aperture Radar) 센서로 측정한 전자기파의 시계열(A-scan) 및 공간적(B-scan) 프로파일링을 통해 지뢰의 위치를 측정하고, 측정된 신호 및 데이터를 해석하여 지뢰의 고해상도 GP-SAR 이미지로 가시화함으로써, 고해상도의 영상을 확보함에 따라 금속성 및 비금속성 지뢰 탐지 및 제거 우선순위를 선정할 수 있고, 태풍 및 홍수에 의한 지뢰 유실 등 지뢰로 인해 발생할 수 있는 안전사고 요인을 선제적으로 제거할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 무인비행체를 활용하여 광범위한 지뢰 매설 구역에 지뢰를 탐지 할 수 있기 때문에 종래의 사람이 지뢰를 탐지하는 방식에 비해 지뢰 탐지를 안전하고 신속하게 할 수 있다. 또한, 초광대역밴드(0.6 ~ 6 GHz 파장대)의 GP-SAR 센서를 이용함에 따라 초목의 영향을 받지 않고 지뢰 매설 구역의 지뢰 탐지가 가능하다. 즉, 기존의 금속탐지기, 지자기 센서, 영상센서, 광전자 센서 등은 주변 자기장 노이즈 환경 및 초목의 영향을 받기 때문에 주변 환경에 의한 영향을 제외한 지뢰 탐지가 불가능하지만, 본 발명의 GP-SAR 센서의 경우, 초광대역밴드(0.6 ~ 6 GHz 파장대)를 이용하기 때문에 저주파 자기장 노이즈 환경 및 초목의 영향을 받지 않고 지뢰 탐지 구역의 지뢰를 탐지 할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명의 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템에서 드론의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 방법에서 복원 처리부의 영상 복원 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 GP-SAR 영상 복원 장치의 영상 획득 기하 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 GP-SAR 영상 복원 장치의 연산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 GP-SAR 영상 복원 장치의 데이터 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 탐지된 M15(금속성 대전차 지뢰), M16(금속성 대인 지뢰), M19 (비금속성 대전차 지뢰)의 GP-SAR 영상을 가시화한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 수직 편파 배열 안테나 구성을 나타낸 분해도이고, 도 11의 (b)는 수평 편파 배열 안테나 구성을 나타낸 분해도이다.
도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 안테나부의 구성을 나타낸 확대도이다.
도 13의 (a)는 종래의 비발디 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 13의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 안테나부의 구성을 나타낸 확대도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
지뢰를 탐지하는 센싱 방법은 대표적으로 지표 투과 레이더(Ground Penetrating Radar; GPR), 금속 탐지기(Metal Detector), 자력계(Magnetometer), 광전자 센서(Optical Electric Field Sensor) 등이 있다. 그중 지표 투과 레이더는 금속 및 비금속 물체를 탐지 가능하기 때문에 전자기파 기반의 레이더는 전통적으로 지뢰 탐지 분야에 있어서 제일 많이 사용되고 있으며, 최근 무인 차량 등 무인이동체에 지표투과 레이더 센서를 장착하여 지뢰를 탐지하는 연구가 진행되었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 드론 탑재형 광대역 배열 안테나 장치는 무인 이동체에 탑재되어 지중의 이미지를 획득하는 장치이다. 지표 투과-합성 개구 레이더 (Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, 이하 GP-SAR)는 일반적으로 무인 이동체에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 빔이 지표 하부로 투과되어 지중에 있는 물체에 의해 빔이 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지중의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다. 무인 항공기는 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 이동체이다. 대표적으로 무인 항공기인 드론(Drone)은 지상 관제시스템의 원격 제어에 의한 수동 비행, 또는 위성항법장치(GPS)를 이용한 자율 비행 등으로 항공 촬영이나 공중 타격 등의 임무를 수행하는 군사용으로 사용되어 왔으며, 최근 드론 보급의 확대와 스마트폰 등과 같은 이동통신 단말기를 이용한 제어기술의 개발로 인해, 고공 영상 또는 사진 촬영과 배달, 기상정보 수집 등의 분야에서 뿐만 아니라, 제독, 전염병 확산 방지 등을 위한 방역용도, 병해충 방제용 농약 살포를 위한 농업용도, 고층 빌딩이나 깊은 산속 등의 화재 진압용도, 상공에서의 다양한 퍼포먼스를 연출하는 공연용도 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 드론 탑재형 광대역 배열 안테나 장치를 이용한 지표 투과-합성 개구 레이더 시스템은 지뢰탐지, 지하 인프라 관리 및 도로, 주택가의 싱크홀 탐지, 국방 안보, 국토 관리 분야 등에서 활용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
초광대역(Ultra-Wide Band; UWB) 지표 투과 레이더(GPR)는 지표로 전자기파를 발사하고 일정 깊이의 땅속을 투과하여 지중에 존재하는 지뢰로부터 반사된 신호를 수신하여 지뢰를 탐지한다. GPR은 일반적으로 100 MHz ~ 2 GHz 주파수 대역을 사용하는데, 이 주파수 대역에서의 지표 투과 깊이는 토양의 유전율에 따라 다르나 대략 15 cm ~ 30 m 이내다. 저주파 대역의 주파수가 낮을수록 전자기파는 더 깊이 투과되며 고주파 대역의 주파수가 높을수록 GPR의 거리(수직) 해상도(range resolution)는 높아진다. 지뢰는 살상 대상에 따라, 대인용 지뢰 및 대전차 지뢰로 분류되는데 거의 대부분 지뢰는 지표로부터 약 20 cm 이내에 매설된다. 그리고 대인용 지뢰 중 가장 작은 지뢰는 플라스틱(최소금속성) 대인지뢰(M14)로 크기는 약 지름이 5.6 cm, 높이가 4.2 cm 로 매우 작다. 따라서, 이처럼 작은 대인지뢰를 탐지하기 위한 GPR의 주파수 대역은 약 600 MHz ~ 6 GHz 대역의 초광대역 주파수가 적합하며, 이 초광대역 주파수 대역에서 GPR의 시계열(A-scan) 측정에 따른 거리 해상도는 약 2.7 cm 이다. 그리고 GPR이 탐사 라인을 따라 수평적으로(B-scan) 이동하면서 측정한 전자기파 신호는 포물선 형태를 나타내는데, 이 포물선 형태의 신호로부터 공간적으로 고해상도의 지뢰 영상 이미지를 도출해 내기 위해서는 추가적인 이미지 처리 기법이 필요하다. GPR의 B-scan 측정 방식은 합성 개구 레이더(SAR) 측정방식 중 stripmap-SAR 측정 방식과 개념적으로 동일하기 때문에 stripmap-SAR 데이터를 GPR B-scan 이미지 처리 기법 중 Kirchhoff Migration 알고리즘을 사용하여 영상 이미지로 만들 수 있다. 그리고 공간적 해상도를 높이기 위한 추가적인 이미지 처리 방법으로, 정합필터과정(matched filtering) 방식을 사용한다. 현재 SAR 주파수는 대부분 1 GHz 또는 5.3 GHz 대역(해상도 약 10 ~ 100 m)을 사용하고 주로 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 지표에 존재하는 비교적 큰 물체를 관측하는데 주로 이용되고, 이미지 처리 방법으로 다중 산란을 고려하지 않는 역투영 알고리즘(Back Projection Algorithm; BPA)을 사용하므로, 무인비행체(드론)에 탑재되어 지표 하부에 존재하는 작은 지뢰를 고해상도로 관측하는데 이용할 수 있도록 지표 투과-합성 개구 레이더 (Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, 이하 GP-SAR) 장치 및 다중 산란을 고려한 데이터 분석 기법이 필요하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템에 있어서, 지표 투과 레이더 모듈을 포함하는 무인비행체(110)와, 상기 지표 투과 레이더 모듈의 측정값을 수집하는 데이터 수집부(130)와, 상기 데이터 수집부(130)의 원시 데이터를 가공하는 데이터 처리부(140)와, 상기 데이터 처리부(140)의 가공 데이터를 재차 가공하는 복원 처리부(150)와, 상기 복원 처리부(150)로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화부(160)를 포함한다.
먼저, 상기 무인비행체(110)가 마련된다. 상기 무인비행체(110)는 상기 지표 투과 레이더 모듈을 탑재한 상태로 비행할 수 있다면 어떠한 형태로든 마련될 수 있다. 일례로, 상기 무인비행체(110)는 통상적인 드론(Drone)일 수 있다.
다음으로, 상기 데이터 수집부(130)가 마련된다. 상기 데이터 수집부(130)는 후술할 GP-SAR 센서(120)에 의해 획득되는 데이터를 수신받아 저장하고, 저장된 데이터를 상기 데이터 처리부(130)로 송신하는 역할을 한다. 이때, GP-SAR 센서(120)의 데이터는 후술할 무선통신모듈(111)을 통해 송신된다.
여기서, 상기 지표 투과 레이더 모듈은, 후술할 무선통신모듈(111), 제어부(112), 메모리(113), 비행유닛(114), 배터리(115) 및 GP-SAR 센서(120)를 포함하여 영상 데이터를 획득하는 역할을 한다.
다음으로, 상기 데이터 처리부(140)가 마련된다. 상기 데이터 처리부(140)는 상기 데이터 수집부(130)로부터 전송된 데이터를 1차 처리하는 역할을 한다. 이때, 상기 데이터 처리부(140)는 상기 데이터 수집부(130)로부터 상기 원시 데이터를 전송받아 시공간축의 포물선 데이터(B-scan)로 변환시켜 상기 복원 처리부(150)로 송신한다.
다음으로, 상기 복원 처리부(150)가 마련된다. 상기 복원 처리부(150)는 상기 데이터 처리부(140)로부터 1차 처리된 상기 포물선 데이터를 전송받아 2차 처리하여 디지털 이미지 데이터로 변환시키는 역할을 한다. 이때, 상기 복원 처리부(150)는 하기 수학식을 통해 상기 디지털 이미지 데이터로 변환시켜 상기 디지털 이미지 데이터를 생성한다.
보다 구체적으로, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 무인비행체(110)에 탑재된 GP-SAR 센서(120)로 측정한 GP-SAR 시계열(A-scan) 및 공간적(B-scan) 프로파일링을 통해 지뢰의 위치를 측정하고, 측정된 신호 및 데이터를 해석하여 지뢰의 고해상도 GP-SAR 이미지로 가시화함으로써, 지뢰 매설 지역(200)의 금속성 및 비금속성 지뢰를 탐지하고 분류할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법은 상기 무인비행체(110)에 탑재되는 지표 투과-합성 개구 레이더(Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar; GP-SAR) 시스템을 활용하여 구현되며, 여기서, 지표 투과-합성 개구 레이더(GP-SAR) 시스템은 초광대역 주파수 밴드를 사용하여 영상을 얻어내기 때문에 가시광의 유무와 날씨, 구름, 지표 장애물(수풀, 나무 등)에 영향을 받지 않고도 지뢰탐지 지역에 지중 매설된 지뢰에 대한 정보를 얻어낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법은, 지중의 다중 산란을 고려하지 않는 역투영 알고리즘(Back Projection Algorithm; BPA)를 사용한 기존의 표층 관측에 사용되는 SAR 데이터 처리 방식과 달리 지중의 다중 산란을 고려한 Kirchhoff Migration 이미지 처리 방식을 사용하여 지중에 매설된 지뢰를 디지털 이미지화 시키며, 유인방식의 지점별 탐사가 아닌 드론을 활용한 광범위한 지역의 지뢰 매설지역(200)을 빠르고 탐사할 수 있고 태풍 및 홍수에 의한 지뢰 유실 등 지뢰로 인해 발생할 수 있는 안전사고 요인을 선제적으로 제거할 수 있다.
이하, 도 2 를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법을 설명하고, 도 4 를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법을 활용한 지뢰 탐지 방법을 설명하기로 한다.
[무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법(100)]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법을 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법(100)은, 무인비행체(110), GP-SAR 센서(120), GP-SAR 원시 데이터 수집부(130), GP-SAR 원시 데이터 처리부(140), GP-SAR 영상 복원 처리부(150), 지뢰 탐지 및 가시화부(160) 및 무인비행체 비행 및 조종을 위한 단말(170)을 포함하며, 이때, 상기 GP-SAR 원시 데이터 수집부(130), GP-SAR 원시 데이터 처리부(140), GP-SAR 영상 복원 처리부(150), 지뢰 탐지 및 가시화부(160)는 통합적으로 하나의 지뢰탐지 관리자 단말로 구현될 수 있다.
상기 무인비행체(110)는 예를 들면 드론으로 상기 GP-SAR 센서(120)가 지뢰 매설 구역(200)을 탐사할 수 있도록 비행궤도를 따라 상기 지뢰 매설 구역(200)에 접근하도록 비행한다. 여기서, 상기 GP-SAR 센서(120)는 상기 무인 이동체(110)에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 빔이 지표 하부로 투과되어 지중에 있는 물체에 의해 빔이 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지중의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다.
또한, 상기 단말(170)은 상기 무인비행체(110)의 출동과 복귀, 비행, 충전, 지뢰 매설 구역 인식 및 GP-SAR 측정을 원격 지시한다. 이때, 상기 단말(170)은 상기 무인비행체(110)의 출동 및 복귀, 비행, 충전, 지뢰 매설 구역 인식, GP-SAR 측정을 원격 지시할 수 있는 각각의 알고리즘과 프로세서가 탑재되어있다. 따라서, 상기 단말(170)의 명령으로 출동한 상기 무인비행체(110)는 상기 지뢰 매설 구역(200)에 근접하도록 비행한다.
상기 GP-SAR 센서(120)는 지뢰 매설 구역(200)에 대한 초광대역(0.6 ~ 6 GHz 파장대) GP-SAR 영상을 획득할 수 있도록 상기 무인비행체(110)에 탑재되어 상기 지뢰 매설 구역(200)을 탐사한다.
구체적으로, GPR 탐사는 기본적으로 0.1 ~ 2 GHz 대역의 전파를 지표로, 예를 들면, 상기 지뢰 매설 구역(200)을 향하여 방사한다. 일반적으로, 상기 GPR에서 사용되는 주파수는 저주파에서 지표 투과도는 좋지만, 고주파 영역에서 해상도가 낮기 때문에 상기 지뢰 매설 구역(200)에 수목 등의 산란체가 많은 지역에서는 고해상도 지중 영상을 얻는데 어려움이 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 초광대역(0.6 ~ 6 GHz 파장대)의 주파수를 사용하여 고해상도의 GP-SAR 영상을 획득한다.
상기 데이터 수집부(130)는 상기 GP-SAR 센서(120)로부터 시계열적(A-scan) 및 수평 공간적(B-scan)으로 측정한 GP-SAR 원시 데이터를 수집한다.
그리고, 상기 데이터 처리부(140)는 상기 데이터 수집부(130)에서 수집한 시공간축의 포물선 원시 데이터(B-scan)를 처리한다. 구체적으로, 상기 데이터 처리부(140)는 상기 무인비행체(110)의 비행 중 연속적으로 별도의 송수신부에서 송신한 레이더 펄스가 지뢰로부터 수신되는 레이더 반사파에 따른 시계열(A-scan) 원시 데이터를 상기 데이터 수집부(130)로부터 입력 받고, 상기 원시 데이터의 신호 처리를 위한 데이터 할당 및 초기화를 수행한다.
또한, GP-SAR 영상 복원 처리부(150)는 수집된 원시 데이터를 Kirchhoff Migration 이미지 처리 기법을 사용하여 디지털 이미지화 변환시키며, 상기 변환된 이미지 데이터를 정합필터과정을 거쳐 최종적으로 고해상도 GP-SAR 영상을 생성한다.
그리고, 상기 가시화부(160)는 상기 GP-SAR 영상의 시계열(A-scan) 및 수평 공간적(B-scan) 프로파일링을 통해 측정된 지뢰 매설 구역(200)의 전자기파 신호 및 데이터를 해석하여 지뢰 매설 구역(200)의 탐지된 지뢰를 가시화한 후, 상기 지뢰 매설 구역(200)의 지뢰를 분류한다.
한편, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 드론을 구체적으로 예시하는 도면으로서, 도 3a는 드론의 구성도이고, 도 3b는 드론을 예시하는 사진이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 상기 무인비행체(110)는 상기 지표 투과 레이더 모듈을 포함하며, 상기 지표 투과 레이더 모듈은 무선통신모듈(111), 제어부(112), 메모리(113), 비행유닛(114) 및 배터리(115)을 포함한다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 무인비행체(110)는 무인비행체 본체, 프로펠러 모터, 프로펠러 및 착륙 지지대 등을 포함한다.
상기 GP-SAR 센서(120)는 상기 무인비행체(110) 내에 착륙 지지대 안쪽에 장착되어 지뢰 매설 구역(200)을 탐사한다.
상기 무선통신모듈(111)은 상기 무인비행체 비행 및 조종 단말(170)로부터 원격 제어신호를 수신하고, 상기 GP-SAR 센서(120)에 의해 측정된 GP-SAR 영상을 전송한다.
상기 제어부(112)는 상기 무선통신모듈(111)을 통해 수신된 원격 제어신호에 따라 상기 비행 유닛(114)을 제어하고, 상기 GP-SAR 센서(120)의 구동을 제어하며, 상기 GP-SAR 센서(120)로부터 측정된 데이터를 상기 무선통신모듈(111)을 통해 전송하는 것을 제어하도록 MCU로 구현되며, 상기 메모리(113)는 상기 GP-SAR 센서(120)에 의해 측정된 GP-SAR 영상 데이터를 임시 저장한다.
상기 비행 유닛(114)은 상기 단말(170)로부터 전송된 원격 제어신호에 따라 상기 무인비행체(110)를 비행시키도록 상기 제어부(112)의 제어에 따라 구동된다.
상기 배터리(115)는 상기 무선통신모듈(111), 제어부(112), 메모리(113), 비행 유닛(114) 및 GP-SAR 센서(120)에 전원을 공급한다.
상기 단말(170)은 상기 무인비행체(110)의 출동과 복귀, 비행, 충전, 지표면 인식 및 영상 촬영을 원격 지시한다. 이때, 상기 단말(170)은 무인비행체(110)의 출동 및 복귀, 비행, 충전, 지뢰 매설 구역 인식, GP-SAR 영상 촬영을 지시할 수 있는 알고리즘과 프로세서가 탑재되어 있다. 따라서, 상기 단말(170)의 명령으로 출동한 상기 무인비행체(110)는 비행궤도를 따라 상기 지뢰 매설 구역(200)에 근접하도록 비행하며, 상기 GP-SAR센서(120)가 상기 지뢰 매설 구역(200)의 지뢰를 탐지 하도록 GP-SAR 영상을 촬영한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 무인비행체(110)에 탑재된 상기 GP-SAR 센서(120)로 촬영한 초광대역 밴드 (0.6 ~ 6 GHz 파장대) 고해상도 전파신호의 시계열 프로파일링을 통해 매설물의 수직적 위치를 측정하고, 공간적 프로파일링을 통해 매설물의 수평적 위치를 측정하여, 측정된 수직 및 수평 위치 데이터를 해석하여 매설된 지뢰의 위치와 크기를 가시화함으로써, 지뢰 탐지 및 제거 우선순위를 선정할 수 있고, 이에 따라, 태풍 및 홍수에 의한 지뢰 유실 등 지뢰로 인해 발생할 수 있는 안전사고 요인을 선제적으로 제거할 수 있다.
[무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 방법]
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 동작흐름도이다.
도 4을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템을 이용한 지뢰 탐지 방법에 있어서, 상기 무인비행체(110)에 상기 지표 투과 레이더 모듈이 탑재되는 탑재단계(S110)와, 상기 탑재단계(S110) 이후, 상기 데이터 수집부(130)에 의해 상기 무인비행체(110)의 비행궤도를 따라 상기 지표 투과 레이더 모듈에 의한 측정값이 수집되는 수집단계(S130)와, 상기 수집단계(S130) 이후, 상기 데이터 처리부(140)에 의해 상기 데이터 수집부(130)의 원시 데이터가 가공되는 처리단계(S140)와, 상기 처리단계(S140) 이후, 상기 복원 처리부(150)에 의해 상기 데이터 처리부(140)의 가공 데이터가 재차 가공되는 복원단계(S150)와, 상기 복원단계(S150) 이후, 상기 가시화부(160)가 상기 복원 처리부(150)로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화단계(S160)를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 지표 투과-합성 개구 레이더 센서를 활용한 지뢰 탐지 방법은, 먼저, 상기 무인비행체(110) 상에 상기 GP-SAR 센서(120)를 탑재한다(S110).
다음으로, 상기 무인비행체(110)의 비행궤도를 따라 상기 GP-SAR 센서(120)가, 도 1에 도시된 바와 같은 상기 지뢰 매설 구역(200)의 시계열 및 공간적 GP-SAR 원시 데이터를 측정한다(S120).
다음으로, 상기 지뢰 매설 구역(200)을 관측한 GP-SAR 원시 데이터를 수집한다(S130).
다음으로, 수집된 GP-SAR 영상 데이터를 상기 복원 처리부(150)에서 처리 가능한 시공간축의 포물선 원시 데이터(B-scan)로 변환한다(S140).
다음으로, Kirchhoff Migration 이미지 처리 기법을 사용하여 GP-SAR 영상을 복원한다(S150). 구체적인 GP-SAR 영상 복원 방법은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 복원된 GP-SAR 영상을 분석하고, 도 1에 도시된 바와 같이, 탐지된 지뢰를 가시화한다(S160).
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 방법에서, GP-SAR 영상 복원 처리부의 영상 복원 과정을 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무인비행체에 탑재된 GP-SAR 센서를 활용한 지뢰 탐지 방법의 GP-SAR 영상 복원 과정인 상기 복원단계(S150)는 GP-SAR B-scan 원시 데이터가 입력되는 입력단계(S151)와, 상기 입력단계(S151) 이후, 시간 및 공간축의 포물선 데이터(B-scan)를 마이그레이션(migration) 하고자 하는 2차원 이미지 픽셀의 공간축으로 변환하는 변환단계(S152)와, 상기 변환단계(S152) 이후, 영상 평면 좌표에 해당하는 픽셀 각각에 대하여 픽셀 포인트 거리 및 전파 도달 시간을 계산하는 계산단계(S153)와, 상기 계산단계(S153) 이후, 상기 변환된 포물선 데이터 신호를 누적 합산하여, 상기 포물선 데이터(B-scan)를 디지털 픽셀로 이미지화하는 이미지화단계(S154)를 포함한다. 여기서, 상기 복원 처리부(150)는 영상 평면에서의 상기 지뢰 매설 지역(200)의 탐사 영역 좌표에 해당하는 픽셀 각각에 대하여 포물선 신호를 누적 합산하는 디지털 이미지화하는 과정을 상기 이미지화단계(S154)에서 반복하여 GP-SAR 초기 영상을 생성한다. 또한, 상기 복원단계(S150)는 상기 이미지화단계(S154)이후, 정합필터과정(matched filtering)을 수행하는 필터단계(S155)와, 상기 필터단계(S155) 이후, 최종적으로 고해상도의 GP-SAR 영상을 생성하는 생성단계(S156)를 포함한다.
다음으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 GP-SAR 영상 복원 장치의 영상 획득 기하 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서, r는 마이그레이션 픽셀 포인트 (x i , z j )의 거리 r g 와 안테나 위치 (x a ´ , z a ´)의 거리 r a 를 합산한 값으로 전파가 이동한 거리를 의미한다. t exp는 전파가 거리 r을 이동하는데 걸리는 시간이며, 지중에서의 이동시간 t g와 공기중에서의 이동시간 t a 의 합으로 구할 수 있다. Θg는 지중에서 전파의 전파각(propagation angle)이며, Θa는 공기중에서 전파각(propagation angle)이다.
상기 복원 처리부(150)는 Kirchhoff Migration 영상 복원 알고리즘을 통해 상기 디지털 이미지 데이터를 추출하며, Kirchhoff Migration 영상 복원 알고리즘은 [수학식 1]로 구현된다. 이 영상 복원 알고리즘은 수신안테나에서 획득한 전파 신호는 지중에 있는 모든 반사 신호들의 합으로 구성됨을 전제로 하기 때문에 다중 산란을 고려하지 않는 역투영(Back-projection algorithm) 알고리즘 보다 고해상도로 GP-SAR 이미지를 획득할 수 있다. 지중에 존재하는 모든 반사 신호들의 합을 계산하기 위해서는 [수학식 1]의 Kirchhoff scalar wave equation의 해를 구해야 한다. [수학식 1]의 해 는 [수학식 2]를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 1]
(여기서, 는 스칼라 웨이브 필드(scalar wave field)값으로 B-scan 포물선 데이터의 값 즉, 수신 안테나 위치에서 측정된 전파의 크기이다. 여기서, r는 마이그레이션 픽셀 포인트 (xi , zj)의 거리 rg 와 안테나 위치 (xa´ , za´)의 거리 ra를 합산한 값으로 전파가 이동한 거리이고, t는 수신안테나의 위치에 측정한 전파의 관측 시간, 이고, 은 지중에서의 전파의 속도, c0는 공기중에서 전파의 속도, 은 지중 매질의 유전율을 의미한다.)
[수학식 2]
(여기서, 는 [수학식1]의 해로 스칼라 웨이브 필드값, 즉 지중 픽셀의 위치(i, j)에서의 이미지 값이고, r는 마이그레이션 픽셀 포인트 (xi , zj)의 거리 rg 와 안테나 위치 (xa´ , za´)의 거리 ra를 합산한 값으로 전파가 이동한 거리이고, 는 수신안테나 위치 (xa´ , za´)에서 시간 t=texp 에 측정된 전파의 크기이고, texp는 전파가 지중에서의 거리 rg와 공기중에서의 거리 ra를 이동하는데 걸리는 총 시간이며, 지중에서의 이동시간 tg와 공기중에서의 이동시간 ta의 합으로 구할 수 있다. Θg는 지중에서 전파의 propagation angle이며, Θa는 공기중에서 전파의 propagation angle이며, 이고, 은 지중에서의 전파의 속도, c0는 공기중에서 전파의 속도, 은 지중 매질의 유전율을 의미한다.)
[수학식 3]을 통해 Kirchhoff Migration 알고리즘을 이용하여 최종적으로 지중 픽셀 모든 위치에서의 디지털 이미지 값을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
(여기서, 은 지중 픽셀 모든 위치 (i=1...N, j=1...M)에서 반복적으로 계산된 디지털 이미지 값을 의미한다.)
GP-SAR 영상 내 i-, j-번째 픽셀의 고해상도 영상 복원을 위해서, [수학식 3]에서 Kirchhoff Migration 알고리즘을 통해 얻은 지중 픽셀 이미지 값과 [수학식 4]와 같이 전달함수 를 샘플링 시간(t)에 대한 콘볼루션(convolution)이 수행된 정합필터과정(matched filtering)을 거쳐서 최종적으로 고해상도의 GP-SAR 영상을 생성한다. 이때 전달함수 는 GP-SAR 송신신호를 그대로 사용할 수 있다.
[수학식 4]
(여기서, 는 정합필터과정을 통한 지중 픽셀의 모든 위치(i, j)에서의 최종 고해상도의 GP-SAR 이미지 값이고, 는 전달함수로 GP-SAR 임펄스 송신신호이고, 는 정합필터과정을 거치기 전의 이미지 값 즉, [수학식 3]의 결과값을 의미한다.)
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법의 GP-SAR 영상 복원 장치의 연산 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 GP-SAR 복원영상 픽셀기준 (i, j) 연산기법에 관한 것이다. 여기서 GP-SAR 영상복원을 위해 영상해상도 기준 각 픽셀(i, j) 위치에 해당하는 일때 B-scan raw data의 누적합을 반복 연산하며, 각 픽셀 연산을 위해 전체 raw data가 영상복원 연산에 이용된다. 즉, 특정위치의 픽셀에 대해 모든 raw data가 누적합산 되는 연산과정이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 GP-SAR 영상 복원 장치의 데이터 변화를 나타낸 것이다.
도 8의 (a)는 M15(금속성 대전차 지뢰), M16(금속성 대인지뢰), M19(비금속성 대전차 지뢰)의 GP-SAR 원시 포물선 데이터이며, 도 8의 (b)는 매칭 필터를 적용하기 전 GP-SAR 복원 영상이며, 도 7의 (c)는 매칭 필터 적용 후의 복원된 고해상도 GP-SAR 영상이다.
도 8를 참조하면, M15, M16, M19 지뢰의 실제 크기 및 매설위치와 상당히 일치된 고해상도 GP-SAR 영상이 복원되어 지뢰 탐지 및 분류가 성공적으로 가시화되었음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법에서 탐지 및 분류된 M15(금속성 대전차 지뢰), M16(금속성 대인 지뢰), M19 (비금속성 대전차 지뢰)의 GP-SAR 영상을 가시화 한 사진을 나타낸 것이다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 무인비행체(110)를 활용하여 광범위한 상기 지뢰 매설 구역(200)에 지뢰를 탐지 할 수 있기 때문에 종래의 사람이 지뢰를 탐지하는 방식에 비해 지뢰 탐지를 안전하고 신속하게 할 수 있다. 또한, 초광대역밴드(0.6 ~ 6 GHz 파장대)의 GP-SAR 센서(120)를 이용함에 따라 초목의 영향을 받지 않고 지뢰 매설 구역(120)의 지뢰 탐지가 가능하다. 즉, 기존의 금속탐지기, 지자기 센서, 영상센서, 광전자 센서 등은 주변 자기장 노이즈 환경 및 초목의 영향을 받기 때문에 주변 환경에 의한 영향을 제외한 지뢰 탐지가 불가능하지만, 본 발명의 실시예에 따른 상기 GP-SAR 센서(120)의 경우, 초광대역밴드(0.6 ~ 6 GHz 파장대)를 이용하기 때문에 저주파 자기장 노이즈 환경 및 초목의 영향을 받지 않고 상기 지뢰 탐지 구역(200)의 지뢰를 탐지 할 수 있다.
한편, 상기 지표 투과 레이더 모듈은, 상기 무인비행체(110)의 일측에 구비되는 안테나부(1000)와, 상기 무인비행체(110)에 상기 안테나부(1000)가 결합될 수 있도록 하는 브라켓(1130)을 더 포함하고, 상기 안테나부(1000)는, 상기 안테나부(1000)의 일측에 형성되는 슬롯(1110)을 포함하며, 상기 슬롯(1110)은, 상기 안테나부(1000)의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성된다.
먼저, 상기 무인비행체(110)가 마련된다. 상기 무인비행체(110)는 무인 항공기의 한 종류로, 상기 안테나부(1000)를 탑재한 상태로 비행할 수 있다면 어떠한 형태로든 마련될 수 있다. 본 발명의 상기 무인비행체(110)는 종래의 통상적인 드론(Drone)일 수 있다.
다음으로, 상기 안테나부(1000)가 마련된다. 상기 안테나부(1000)는 비발디 안테나로 지향성 방사패턴과 광대역 주파수 특성을 가진다. 이때, 상기 안테나부(1000)는 상기 슬롯(1110)을 포함하며, 상기 슬롯(1110)은 상기 안테나부(1000)의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성된다. 일례로, 상기 슬롯(1110)은 직사각형의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 안테나부(1000)의 중앙부를 기준으로 양측방향으로 연장되어 상기 안테나부(1000)의 양측단부까지 폭방향으로 길게 형성될 수 있다.
또한, 상기 안테나부(1000)는 신호를 송신하는 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 이격되어 구비되며, 신호를 수신하는 한 쌍의 제2안테나(1000-2)를 포함하고, 상기 한쌍의 제1안테나(1000-1) 및 제2안테나(1000-2)는, 각각 수직 편파 또는 수평 편파 신호를 송수신한다. 일례로, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)는 신호를 송신하는 역할을 하고, 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2)는 신호를 수신하는 역할을 하며, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)는 수직 편파 배열 안테나이고, 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2)는 수평 편파 배열 안테나일 수 있다.
다음으로, 상기 브라켓(1130)이 마련된다. 상기 브라켓(1130)은 상기 무인비행체(110)의 일측에 상기 안테나부(1000)가 결합될 수 있도록 하는 역할을 한다. 일례로, 상기 브라켓(1130)은 길이방향으로 길게 형성되는 막대 형상으로, 상기 무인비행체(110)의 중앙 하부에 설치되며, 상기 브라켓(1130)의 하측방향으로 상기 안테나부(1000)가 삽입되어 결합될 수 있는 홈이 마련된다. 여기서, 상기 브라켓(1130)은 상기 안테나부(1000)의 배열에 따라 상기 안테나부(1000)가 삽입되는 홈의 개수 및 구비지점이 상이하다. 즉, 도 11의 (a)와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나부(1000)가 VV편파 배열 안테나가 적용되는 경우, 상기 브라켓(1130)은 ‘1’자 형태로 마련되고, 도 11의 (b)와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 안테나부(1000)가 HH편파 배열 안테나가 적용되는 경우, 상기 브라켓(1130)은 ‘H’자 형태로 마련된다. 여기서, 상기 브라켓(1130)은 상기 홈이 형성되는 4개의 그립부(1131)가 형성되며, 상기 4개의 그립부(1131)는 상기 안테나부(1000)의 배열에 대응되게 구비되는 것이다.
이때, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2)는, 각각 상기 브라켓(1130)에 결합되되, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리에 1/4 배로 배열된다. 일례로, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리(L1)는 10cm이고, 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리(L2)는 10cm이며, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리(L3)는 40cm로 배열되는 것이다.
또한, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 내지 1/3로 배열된다. 이때, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리가, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 미만인 경우 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2)의 방위 방향 메인빔 폭의 간격이 멀어지기 때문에 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 신호 간섭은 줄어드는 반면 송수신율이 감소하는 문제점이 있다. 또한, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리가, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리에 1/3 배를 초과하는 경우 송수신율이 증가하는 반면 신호 간섭이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 내지 1/3로 배열되는 것이다.
또한, 상기 브라켓(1130)은 3D프린터 재질인 에폭시 레진(Epoxy Resin) 소재로 제작되어, 상기 안테나부(1000)의 유전율(3.55)과 유사한 유전율(3.6)을 가지도록 한다. 즉, 상기 브라켓(1130)이 에폭시 레진 소재로 제작됨에 따라 상기 안테나부(1000)의 기본 전파성능에 영향이 미치는 것을 최소화할 수 있다. 일례로, 상기 브라켓(1130)은 3.5 내지 3.7의 유전율을 가지도록 제작됨에 따라 상기 한 쌍의 제1안테나(1000-1)와 제2안테나(1000-2) 간의 간섭 신호 즉, 크로스톡(Crosstalk)이 -20dB 이하로 설정될 수 있다.
한편, 도 12을 참조하면, 상기 슬롯(1110)은 복수개로, 상기 안테나부(1000)의 길이방향으로 서로 이격되어 배열된다. 그리고, 상기 복수개의 슬롯(1110)은 서로 동일할 길이 또는 다른 길이를 가지도록 형성될 수 있으며, 일방향을 향할수록 길이가 동일하거나 더 짧아지는 형태로 배열될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 안테나부(1000)는 상기 안테나부(1000)의 단부로부터 상기 안테나부(1000)의 길이방향으로 배열되는 제1슬롯(1100-1), 제2슬롯(1100-2), 제3슬롯(1100-3), 제4슬롯(1100-4), 제5슬롯(1100-5) 및 제6슬롯(1100-6)을 포함한다. 이때, 상기 제1슬롯(1100-1) 내지 제6슬롯(1100-6)은 서로 이격되어 형성된다. 또한, 상기 제1슬롯(1100-1)의 길이(L1)는 상기 제2슬롯(1100-2)의 길이(L2)에 1.01배 내지 1.05배로 형성되고, 상기 제2슬롯(1100-2)의 길이(L2)는 상기 제3슬롯(1100-3)의 길이(L3)에 1.05배 내지 1.15배로 형성되며, 상기 제3슬롯(1100-3)의 길이(L3)는 상기 제4슬롯(1100-4)의 길이(L4)에 0.9배 내지 1.1배로 형성되고, 상기 제4슬롯(1100-4)의 길이(L4)는 상기 제5슬롯(1100-5)의 길이(L5)에 1.3배 내지 1.4배로 형성되며, 상기 제5슬롯(1100-5)의 길이(L5)는 상기 제6슬롯(1100-6)의 길이(L6)에 1.5배 내지 1.8배로 형성된다.
변수명 값 (mm) 설명
L1 56.7 제1슬롯(1100-1) 길이
L2 54.7 제2슬롯(1100-2) 길이
L3 48.7 제3슬롯(1100-3) 길이
LL3 15 제1중공부(1120-1) 길이
L4 48.7 제4슬롯(1100-4) 길이
LL4 15 제2중공부(1120-2) 길이
L5 36.7 제5슬롯(1100-5) 길이
L6 21.7 제6슬롯(1100-6) 길이
w1 5 제1슬롯(1100-1) 폭
w2 5 제2슬롯(1100-2) 폭
w3 5 제3슬롯(1100-3) 폭
ww3 20 제1중공부(1120-1) 폭
w4 5 제4슬롯(1100-4) 폭
ww4 20 제2중공부(1120-2) 폭
w5 5 제5슬롯(1100-5) 폭
w6 5 제6슬롯(1100-6) 폭
s1 59 안테나부(1000) 단부부터 제1슬롯(1100-1) 간의 간격
s2 25 제1슬롯(1100-1)과 제2슬롯(1100-2) 사이의 간격
s3 25 제2슬롯(1100-2)과 제3슬롯(1100-3) 사이의 간격
s4 25 제3슬롯(1100-3)과 제4슬롯(1100-4) 사이의 간격
s5 25 제4슬롯(1100-4)과 제5슬롯(1100-5) 사이의 간격
s6 25 제5슬롯(1100-5)과 제6슬롯(1100-6) 사이의 간격
안테나 입력포트에 전파신호를 인가하였을 때, 전파가 안테나에 전달되어 공기중으로 방사되지 않고 입력포트로 되돌아오는 반사 신호를 측정하여 안테나의 전파 반사 특성(S11)을 얻을 수 있다.
이때, 상기 복수개의 슬롯(1110)에는 각각 저항이 삽입되며, 삽입되는 저항값은 210 내지 230Ω이다. 여기서, 상기 슬롯(1110)에 삽입되는 상기 저항의 저항값이 210Ω 미만인 경우, 상기 슬롯(1110) 내 공진의 세기가 커져서 공진에 의한 반사파가 안테나의 입력부로 되돌아와 임피던스 부정합(impedance mismatch)을 발생시키는 문제점이 있다. 또한, 상기 슬롯(1110)에 삽입되는 상기 저항의 저항값이 230Ω을 초과하는 경우, 상기 슬롯(1110) 내 임피던스 부정합 문제가 줄어들지만, 공진의 세기가 작아져서 저주파 대역에서 개선 효과가 줄어드는 문제점이 있다. 따라서, 상기 복수개의 슬롯(1110)에 각각 삽입되는 상기 복수개의 저항의 저항값은 210 내지 230Ω으로 형성되는 것이다. 일반적으로 전파공학 관점에서 슬롯은 LC 공진회로와 등가이다. 여기서, 슬롯에 삽입되는 저항은 공진의 세기에 영향을 주는 파라미터이다.
또한, 상기 복수개의 슬롯(1110) 중 적어도 하나 이상의 슬롯(1110)은, 상기 슬롯(1110)부터 연장되어 형성되는 중공부(1120)를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 중공부(1120)는 직사각형 형상의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 슬롯(1110)의 단부로부터 연장되어 형성된다. 이때, 상기 중공부(1120)의 길이는 상기 슬롯(1110)의 길이보다 더 짧게 형성된다. 일례로, 상기 중공부(1120)은 복수개로 상기 제4슬롯(110-4)의 단부에 15mm의 길이와 20mm의 폭으로 형성되는 제1중공부(120-1)와, 상기 제5슬롯(110-5)의 단부에 15mm의 길이와 20mm의 폭으로 형성되는 제2중공부(120-2)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 안테나부(1000)는 상기 안테나부(1000)의 일측에 구비되는 피딩개구부(1140)를 더 포함한다. 일례로, 상기 피딩개구부(1140)는 상기 안테나부(1000)의 우측 중앙부에 상기 안테나부(1000)를 관통하는 홀 형태로 형성된다. 또한, 상기 피딩개구부(1140)는 원형의 단면에 상기 원 보다 더 긴 길이의 장축을 가지는 타원이 겹쳐지는 형태로 형성된다. 예를 들어, 상기 피딩개구부(1140)는 12mm의 원에 16mm의 장축을 가지는 타원이 상하방향으로 배열되는 형태로 형성될 수 있다.
결과적으로, 도 13의 (a)와 같은 종래의 비발디 안테나와 비교하여, 도 13의 (b)와 같은 본 발명의 안테나부(1000)는 아래의 [표 2]와 같이 보다 더 높은 전파 성능을 가진다.
안테나 사양 기존 비발디 안테나 개선된 비발디 안테나
1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz 1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz
전파
성능		 거리
방향
(Elevation)		 메인 빔 크기
(dB)		 3.36 7.25 11.6 13.3 7.3 8.97 10 11
평균 : 8.9 평균 : 9.3
메인 빔 방향
(°)		 77.0 89.0 90.0 91.0 90.0 90.0 102.0 90.0
평균 : 86.8 평균 : 93.0
메인 빔 폭
(°)		 107.1 68.4 39.4 29.0 68.6 61.8 57.8 37.3
평균 : 61.0 평균 : 56.4
side lobe 크기 (dB) -2.9 -7.1 -12.6 -14.5 -15.9 -14.7 -9.8 -7.5
평균 : -9.3 평균 : -12.0
방위
방향
(Azimuth)		 메인 빔 크기
(dB)		 3.49 6.88 10.4 10.9 7.1 8.9 10.1 11.4
평균 : 7.9 평균 : 9.4
메인 빔 방향
(°)		 55.0 75.0 90.0 90.0 90.0 81.0 90.0 90.0
평균 : 77.5 평균 : 87.8
메인 빔 폭
(°)		 142.5 88.4 44.2 31.0 116.4 88.4 47.8 28.2
평균 : 76.5 평균 : 70.2
side lobe 크기 (dB) -3.2 -8.9 -11.4 13.0 -12.7 -9.7 -5.9 -7.4
평균 : -2.6 평균 : -8.9
주파수 밴드
(S11 <= -10dB)		 2.5 ~ 6 GHz 0.6 ~ 6 GHz
형상 크기 249 x 123 x 0.5 mm 249 x 123 x 0.5 mm
무게 39.44g 38.32g
슬롯 존재 유무 X O
슬롯 내 저항 존재 유무 X O
또한, 종래의 비발디 안테나의 저주파 대역은 2.5 GHz 이며, 본 발명의 안테나부(1000)의 저주파 대역은 0.6 GHz로 저주파 대역폭을 약 5GHz 가량 증가시킬 수 있어 광대역 특성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
결과적으로, 종래의 안테나에 비하여 본 발명의 안테나부(1000)는 1GHz 내지 2GHz 주파수에서 주 로브의 크기(Main lobe magnitude)가 종래의 안테나에 비해 2배 내지 3배 증가하여 안테나의 송수신 이득이 2배 이상 증가하며, 사이드 로브 레벨(Side lobe level)이 6 dB 이상 감소하고, 분광폭(Angular beam width)이 최대 40도 감소함에 따라 메인 빔 폭이 좁아져 안테나의 지향성이 높아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 안테나부(1000)는 첫째 무게 600 g 미만의 송/수신 다중편파 배열 안테나 장치 제작가능하며, 둘째 송/수신이득 15 dB 이상 확보 가능하고, 셋째 광대역 특성 600 MHz ~ 6 GHz 확보 가능하다는 이점이 있다.
이상으로, 본 발명의 일실시예에 따른 지표 투과-합성 개구 레이더 센서를 활용한 지뢰 탐지 시스템 및 탐지 방법을 요약하면, 무인비행체(드론)에 탑재되도록 마련되며, UWB레이더 펄스를 방사하여 지중에 있는 지뢰로부터의 레이더 반사파를 수신하는 안테나 장치, 상기 안테나 장치로 송신 신호를 전송하고, 상기 안테나 장치로부터 수신 신호를 수신 받는 송수신 장치 및 상기 무인비행체의 비행 중 연속적으로 표적으로부터 수신되는 레이더 반사파에 따른 원시 데이터를 입력 받고, 상기 원시 데이터를 이용하여 GP-SAR 영상을 생성하는 GP-SAR 영상 복원 장치를 포함한다.
여기서, 상기 GP-SAR 영상 복원 장치는, 이미지 처리 기법을 사용하여 원시 데이터를 영상 이미지로 변환한다. 그리고, 상기 GP-SAR 영상 복원 장치는, 원시 데이터 수집부, 원시 데이터 처리부 및 영상 복원 처리부를 포함하되, 상기 원시 데이터 처리부는 무인비행체의 비행 중 연속적으로 별도의 송수신부에서 송신한 레이더 펄스가 지뢰로부터 수신되는 레이더 반사파에 따른 시계열(A-scan) 원시 데이터를 원시 데이터 수집부로부터 입력 받고, 상기 원시 데이터의 신호 처리를 위한 데이터 할당 및 초기화를 수행하고, 상기 원시 데이터를 영상 복원 처리부에서 처리 가능한 시공간축의 포물선 데이터(B-scan)로 변환시킨다.
레이더를 고정된 지점에서 측정하면 시간축에서 1차원 A-scan 데이터를 얻게 된다. 레이더를 공간적으로 이동하며 측정하면 시간-공간 축에서 2차원 B-scan 데이터를 얻게 된다. 물체가 레이더와 멀리 위치해 있을때는 전파가 늦게 도달하고 가까이 있을때는 빨리 도달하기 때문에 획득된 B-scan 데이터는 포물선 형태를 띄게 된다. 따라서 이 포물선 데이터는 포커싱(focusing)이 되지 않은 로데이터(raw data)이다. 이 로데이터로는 물체의 모양과 크기를 특정하기 어렵기 때문에 본 발명에서 제안한 Kirchhoff Migration 이미지 처리 방법을 통해, 포커싱이 된 고해상도의 디지털 이미지 데이터를 얻을 수 있다.
또한, 상기 영상 복원 처리부는, 상기 포물선 데이터(B-scan)를 GP-SAR 이미지화 시키기 위해 Kirchhoff Migration 이미지 처리 기법을 사용하여 디지털 이미지화 변환시키며, 상기 변환된 이미지 데이터를 정합필터과정을 통해 최종적으로 고해상도 GP-SAR 영상을 생성한다. 여기서, 상기 디지털 이미지 데이터는 2차원 포커싱 전의 데이터(B-scan rawdata)를 [수학식 4]을 통해 x-z평면에 도시화한 포커싱 후의 지중 이미지를 뜻한다.
마지막으로, 상기 영상 복원 처리부는 시공간축의 포물선 데이터(B-scan)를 마이그레이션(migration) 하고자 하는 2차원 이미지의 공간축으로 변환하여, 상기 포물선 데이터(B-scan)를 디지털 픽셀로 이미지화한다. 여기서, 상기 영상 복원 처리부는 영상 평면에서의 지뢰의 좌표에 해당하는 픽셀 각각에 대하여 상기 변환된 포물선 데이터 신호를 누적 합산하여 포물선 데이터 신호를 디지털 이미지화 하는 과정을 반복하여 GP-SAR 영상을 생성한다. 생성된 GP-SAR 영상은 정합필터과정을 통해 최종 고해상도의 GP-SAR 영상을 생성한다.
이에 따라, 무인비행체에 탑재된 GP(Ground Penetrating)-SAR(Synthetic Aperture Radar) 센서로 측정한 전자기파의 시계열(A-scan) 및 공간적(B-scan) 프로파일링을 통해 지뢰의 위치를 측정하고, 측정된 신호 및 데이터를 해석하여 지뢰의 고해상도 GP-SAR 이미지로 가시화함으로써, 고해상도의 영상을 확보함에 따라 금속성 및 비금속성 지뢰 탐지 및 제거 우선순위를 선정할 수 있고, 태풍 및 홍수에 의한 지뢰 유실 등 지뢰로 인해 발생할 수 있는 안전사고 요인을 선제적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 지뢰 탐지 시스템
110 : 무인비행체
111 : 무선통신모듈
112 : 제어부
113 : 메모리
114 : 비행유닛
115 : 배터리
120 : GP-SAR 센서
130 : 데이터 수집부
140 : 데이터 처리부
150 : 복원 처리부
160 : 가시화부
170 : 단말
200 : 지뢰 매설 구역
1000 : 안테나부
1100-1 : 한 쌍의 제1안테나
1100-2 : 한 쌍의 제2안테나
1100-3 : V-pol 편파 배열 안테나
1100-4 : H-pol 편파
1110 : 슬롯
1120 : 중공부
1130 : 브라켓
1131 : 그립부
1140 : 피딩개구부
10 : 종래의 비발디 안테나
S110 : 탑재단계
S120 : 측정단계
S130 : 수집단계
S140 : 처리단계
S150 : 복원단계
S151 : 입력단계
S152 : 변환단계
S153 : 계산단계
S154 : 이미지화단계
S155 : 필터단계
S156 : 생성단계
S160 : 가시화단계

Claims (5)

  1. 지표 투과 레이더 모듈을 포함하는 무인비행체;
    상기 지표 투과 레이더 모듈의 측정값을 수집하는 데이터 수집부;
    상기 데이터 수집부의 원시 데이터를 가공하는 데이터 처리부;
    상기 데이터 처리부의 가공 데이터를 재차 가공하는 복원 처리부; 및
    상기 복원 처리부로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화부;를 포함하고,
    상기 지표 투과 레이더 모듈은,
    상기 무인비행체의 일측에 구비되는 안테나부; 및
    상기 무인비행체에 상기 안테나부가 결합될 수 있도록 하는 브라켓;을 포함하며,
    상기 안테나부는,
    상기 안테나부의 일측에 형성되는 슬롯;
    신호를 송신하는 한 쌍의 제1안테나; 및
    상기 한 쌍의 제1안테나와 이격되어 구비되며, 신호를 수신하는 한 쌍의 제2안테나를 포함하고,
    상기 한 쌍의 제1안테나 및 제2안테나는, 각각 수직 편파 또는 수평 편파 신호를 송수신하며,
    상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나는, 각각 상기 브라켓에 결합되되, 상기 한 쌍의 제1안테나 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나 사이의 이격거리에 1/5 배 내지 1/3 배로 배열되는 것을 특징으로 하는 지뢰 탐지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 데이터 수집부로부터 상기 원시 데이터를 수신받아 시공간축의 포물선 데이터(B-scan)로 변환시키고,
    상기 복원 처리부는,
    상기 데이터 처리부로부터 상기 포물선 데이터를 수신받아 디지털 이미지 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 하는 지뢰 탐지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복원 처리부는,
    상기 포물선 데이터를 하기 수학식을 통해 상기 디지털 이미지 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 하는 지뢰 탐지 시스템.
    [수학식 1]

    (여기서, 는 상기 포물선 데이터의 값, r은 전파가 이동한 거리, t는 전파의 관측 시간, 은 지중에서의 전파의 속도를 의미한다.)
  4. 제1항의 지뢰 탐지 시스템을 이용하여,
    상기 무인비행체에 상기 지표 투과 레이더 모듈이 탑재되는 탑재단계;
    상기 탑재단계 이후, 상기 데이터 수집부에 의해 상기 무인비행체의 비행궤도를 따라 상기 지표 투과 레이더 모듈에 의한 측정값이 수집되는 수집단계;
    상기 수집단계 이후, 상기 데이터 처리부에 의해 상기 데이터 수집부의 원시 데이터가 가공되는 처리단계;
    상기 처리단계 이후, 상기 복원 처리부에 의해 상기 데이터 처리부의 가공 데이터가 재차 가공되는 복원단계; 및
    상기 복원단계 이후, 상기 가시화부가 상기 복원 처리부로부터 영상을 수신하여 디스플레이하는 가시화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지뢰 탐지 방법.
  5. 삭제
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