KR20060125093A

KR20060125093A - 초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법

Info

Publication number: KR20060125093A
Application number: KR1020050046914A
Authority: KR
Inventors: 이대헌; 유승갑; 조상우; 황인호; 이종태
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-06
Also published as: KR100758706B1

Abstract

본 발명은 투과 특성 및 해상도가 우수한 초광대역신호를 이용하여 금속 및 비금속 물질의 3차원 위치를 비파괴적으로 탐지할 수 있는 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 송신 안테나와, 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나로 이루어진 안테나부; 물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호처리부; 디지털 신호처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 송신 안테나로 출력하는 송신부; 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 디지털 신호처리부로 출력하는 수신부; 및 디지털 신호처리부와 통신하여 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 컴퓨터로 구성되어 하나의 송신 안테나에 대해 4 구간의 방향에 수신 안테나를 배치한 다음, 각 수신 안테나를 통해 들어오는 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정밀하게 탐지할 수 있다.

초광대역(UWB), 레이더, 신호처리, 안테나, TOA, TDOA

Description

초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법{3D LOCATION DETECTION APPARATUS AND METHOD USING ULTRA WIDE BAND SIGNAL}

도 1은 본 발명에 따른 위치 탐지 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치의 블록도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 송수신 안테나의 구성도,

도 4a는 종래의 실시간 샘플링(Real Time Sampling) 개념도,

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 등가 시간 샘플링 개념도,

도 5a는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 정면 조립도,

도 5b는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 측면 조립도,

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 정합 특성을 도시한 그래프,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 과정을 설명하는 순서도,

도 8a는 본 발명에 따라 탐지체 유무에 따른 수신 안테나의 수신 펄스 파형,

도 8b는 본 발명에 따라 수신된 탐지체에 의한 반사 펄스 파형,

도 8c는 본 발명에 따라 수신된 각 수신 안테나의 반사 펄스 파형,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 장치에 의해 모니터 상에 표시되는 탐지 결과 화면 예를 나타낸 도면이다

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10: 디지털 신호 처리부 20: 탐지신호 송신부

30: 탐지신호 수신부 40: 송수신 안테나부

41: 송신 안테나 41~45: 수신 안테나

50: 안테나 급전부 51: TEM Horn 상판

52: TEM Horn 하판 53: TEM Horn 고정대

54: 안테나 결합부 55: 반사판

56: 레이돔

본 발명은 근거리 레이더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투과 특성 및 해상도가 우수한 초광대역(Ultra Wide-Band) 신호를 이용하여 금속 및 비금속 물질의 3차원 위치를 비파괴적으로 탐지할 수 있는 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다.

종래의 은폐 물체를 탐지하기 위한 방법에는 비선형 탐지장비(Non Linear Junction Detector)를 이용한 레이더 탐지법이 많이 사용된다. 비선형 탐지장비는 트랜지스터, IC 등으로 제작된 물체에 고주파 신호를 방사하고, 반사되는 2,3 고조파 신호를 수신하여 탐지체의 존재여부를 확인하는 기술이다.

따라서 종래에는 탐지체의 은폐 유무만 확인될 뿐, 탐지체의 정확한 위치와 크기를 검출하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속 및 비금속성의 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정확하게 탐지할 수 있는 탐지 장치 및 탐지 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 송신 안테나와, 상기 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나로 이루어진 안테나부; 물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호 처리부; 상기 디지털 신호 처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 상기 송신 안테나로 출력하는 송신부; 상기 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 상기 디지털 신호 처리부로 출력하는 수신부; 및 물체탐지를 위한 소정의 프로그램이 탑재되고, 상기 디지털 신호 처리부와 통신하여 상기 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 상기 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 정보제공수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 안테나부는 1개의 송신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나와, 4개의 수신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나로 구성될 수 있고, 상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 x축상에 좌,우로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내고, 상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 y축상에 상,하로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아낼 수 있다.

그리고 디지털 신호 처리부는 클럭을 분배하기 위한 클럭분배기와, 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 상기 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기와, 상기 고정 지연된 클럭을 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기와, 상기 수신부로부터 수신된 신호를 상기 가변 지연기에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러와, 상기 샘플러에 의해 샘플링된 아날로그신호를 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기와, 상기 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버를 거쳐 상기 정보제공수단으로 전달하는 디지털 신호 프로세서를 구비한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계; 반사파의 첨두치를 검출하기 위한 제1 임계치(TDOA)와 제2 임계치(TOA)를 조정하고, 수신된 반사파 데이터를 수집하 는 반사파 데이터 수집 단계; 상기 수집된 안테나 별 반사파 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원으로 표시하는 2차원 표시 단계; 수신된 반사파의 첨두치를 판별하여 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 첨두치 검출 단계; 상기 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원 좌표를 생성하는 3차원 좌표 생성 단계; 및 상기 탐지체의 3차원 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 탐지체 위치 표시 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1a 및 도 1b의 탐지 개념도를 참조하여 본 발명의 원리에 대해 설명한다.

탐지체에서 반사된 신호의 왕복 시간을 측정함으로써 탐지체까지의 거리를 알아내는 레이더에서의 거리 분해능은 다음의 수학식 1과 같이 된다.

여기서, d는 거리 분해능[cm], c는 특정 매질에서의 전파 속도[cm/s], BW는 시스템 대역폭(Bandwidth)이다.

본 발명에서는 근거리 영역에서 수 cm의 거리 분해능을 가지는 3차원 위치 탐지 장치 및 방법을 제안하기 위해 시스템 대역폭을 6 GHz로 설계하여, 탐지체에 조사되는 펄스의 폭을 200 ps로 결정하였다.

탐지체의 위치를 찾는 방법으로는 도착시간(TOA:Time Of Arrival) 방식과 도착시간차(TDOA: Time Difference Of Arrival) 방식이 많이 사용된다.

도착시간(TOA) 방식은 도 1a에서 보는 바와 같이, 송신 안테나 Tx에서 펄스를 방사하고 탐지체에서 반사된 신호를 각 수신 안테나 Rxi, Rxj 에서 수신하여 도착 시간 Ti, Tj를 측정한다. 측정된 도착 시간을 거리 R로 환산하면 R=cT 로 된다. 도착 시간 Ti, Tj에 대해서 거리 Ri,Rj 가 결정되면, 다음 수학식 2와 같은 송신 안테나와 각 수신 안테나를 초점으로 하는 타원이 형성되고 타원의 교점이 실제 탐지체가 존재하는 위치가 된다.

도착시간차(TDOA) 방식은 도 1b에서 보는 바와 같이, 탐지체에서 반사된 펄스를 각 수신 안테나 Rxi, Rxj, Rxk에서 도착 시간을 측정한 후, 수신 안테나 Rxi, Rxj 조합에 대해서 도착 시간의 차이를 구한 후, TOA 방법과 마찬가지로 거리로 환산한다. 환산된 거리를 이용하면 다음 수학식 3과 같은 수신 안테나 Rxi, Rxj를 초점으로 하는 쌍곡선이 형성된다.

같은 방법으로 수신 안테나 Rxi, Rxk 조합에 대해서도 쌍곡선이 형성된다. 두 쌍곡선의 교점을 구함으로써 실제 탐지체가 존재하는 위치를 결정짓는다. 본 발명에서는 위치의 정확도를 높이기 위하여 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 동시에 적용한다.

본 발명에 따른 초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 컴퓨터(1)와, 디지털 신호처리부(10), 송신부(20), 수신부(30), 송수신 안테나부(40)로 구성되어 탐지체(5)의 3차원 위치를 탐지하여 컴퓨터의 디스플레이상에 3차원 이미지로 표시할 수 있다.

도 2를 참조하면, 컴퓨터(1)는 소정의 기능을 포함한 프로그램이 탐재되고, 디지털 신호 처리부(10)에서 출력되는 결과 값에 근거하여 탐지체(5)에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시킨다.

디지털 신호 처리부(10)는 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버(19)를 거쳐 컴퓨터(1)으로 전달하는 디지털 신호처리 프로세서(DSP: 11)와 부트 롬(12-1), 플래시 롬(12-2), SRAM(12-3), 클럭을 분배하기 위한 클럭(CLK) 분배기(13-1,13-2), 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기(Fixed Delay)14-1~14-3), 고정 지연된 클럭을 DSP의 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기(Programmable Delay: 15), 수신부(30)로부터 수신된 신호를 가변 지연기(15)에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러(Sampler: 16), 샘플 앤 홀더(S/H: 17-1), 아날로그 디지털 변환기(ADC:17-2), 선입선출버퍼(FIFO:18), USB 드라이버(19)로 구성되어 송신부(20)로 정확한 트리거(trigger) 신호를 발생하여 제공하고, 수신부(30)로부터 수신된 반사파 신호를 실시간 A/D 변환을 하여 그 결과 값을 USB 드라이버(19)를 통해 컴퓨터(1)로 출력한다.

송신부(20)는 디지털 신호 처리부(10)의 트리거신호에 따라 펄스를 발생시키는 펄서(Pulser:21)와 감쇄기(ATT:22)로 구성되어 송신 안테나(41)에 상승 시간과 하강 시간은 수십 피코 초(pico-seconds)를 가지며, 폭은 수백 피코 초(pico-seconds)를 가지는 펄스 신호를 제공한다.

송수신 안테나부(40)는 송신부(20)의 펄스신호를 탐지체(5)측을 향해 방사하는 하나의 송신 안테나(41)와, 탐지체(5)로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 4개의 수신 안테나(42~45)로 구성된다.

수신부(30)는 4개의 수신 안테나(42~45)중 하나의 안테나를 선택하기 위한 스위치(SW: 31)와, 스위치(31)에 의해 선택된 안테나의 신호를 증폭하기 위한 증폭기(32), 증폭기(AMP: 32)의 출력레벨을 적절하게 제어하기 위한 감쇄기(ATT: 33), 증폭기(AMP: 34), 및 리미터(Limiter)로 구성되어 수신 안테나(42~45)에서 받은 미약한 반사 펄스 신호를 적절하게 증폭시켜 디지털 신호 처리부(10)의 샘플러(sampler:16)로 전달한다.

본 발명에서는 탐지체(5)의 3차원 위치(x, y, z)를 알아내기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 송수신 안테나를 구성한다.

도 3을 참조하면, 송수신 안테나부(40)는 안테나 케비티(47)안의 중앙에 위치하는 하나의 송신 안테나(41)와, 송신 안테나(41)를 둘러싸고 4방향에 각각 위치하는 4개의 수신 안테나(42~45)로 구성된다. 송신 안테나(41)는 중앙에 위치하여 전방으로 펄스를 방사하게 되고, 각 방향에 존재하는 4개의 수신 안테나(42~45)는 탐지체(5)에서 반사된 펄스를 수신한다.

도 3의 안테나 구조에서 송신 안테나(45)를 사이에 두고 x축상에 좌우로 배치된 42번, 44번 수신 안테나에 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체(5)의 위치를 찾아내고, 동시에 송신 안테나(45)를 사이에 두고 y축상에 상하로 배치된 43번, 45번 수신 안테나에도 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체(5)의 위치를 찾아낸다. 본 발명에서는 이상과 같은 4개의 수신 안테나(Quadruple Receiving Antenna, 이하 QRA)를 이용하여 3차원에서 탐지체의 정확한 위치를 찾아낸다.

도 4a는 종래의 실시간 샘플링(Real Time Sampling) 개념도이고, 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 등가 시간 샘플링(Equivalent Time Sampling) 개념도이다.

도착 시간을 측정하는 초광대역 레이더의 해상도는 시스템에 사용되는 샘플러(16)에 의해 결정되며, 다이나믹 레인지(dynamic range)는 ADC(17-2)의 비트 수에 의해 결정된다.

만약, 수 센티미터의 해상도를 갖기 위해서는 20 GS/S 이상의 샘플링을 요구한다. 그러나 현재 존재하는 칩 타입의 ADC는 이 사양을 만족하기 어렵다. 따라서 도 4a와 같은 실시간 샘플링(Real Time Sampling)은 이러한 제한적 요인 때문에 적용하기에 매우 어렵다.

그러나 반사 펄스가 일정 시간 동안 변하지 않는다고 가정하면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각의 펄스 주기 동안 반사 펄스의 일부만 샘플링하는 방식을 적용하여 전체 반사 펄스를 샘플링할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 수신 입력(Receive Input)의 첫번째 펄스 반복주기(First Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 첫번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 첫번째 샘플을 구하고, 수신 입력(Receive Input)의 두번째 펄스 반복주기(Second Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 두번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 두번째 샘플을 구하며, 수신 입력(Receive Input)의 세번째 펄스 반복주기(Third Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 세번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 세번째 샘플을 구한다. 이와 같이 각각의 펄스 주기 동안 반사 펄스의 일부만 샘플링하는 방식을 등가 시간 샘플링(Equivalent Time Sampling)이라 한다.

본 발명에서는 등가 시간 샘플링을 적용하기 위하여 도 2의 블록도에서 보는 바와 같이, 디지털 신호 프로세서(DSP:11)가 가변 지연(Programmable Delay) 소자(15)를 제어하여 샘플러(16)로 들어가는 클럭신호를 지연시킨다.

도 2에서 고정 지연(Fixed Delay) 소자(14-1~14-3)는 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하여, 송신 안테나-> 탐지체-> 수신 안테나로의 순수한 도달 시간만을 측정하도록 한다.

통상, 대부분의 안테나는 관심 주파수 영역에서 동작하도록 설계된다. 그러 나 초광대역 안테나는 25% 이상의 상대 대역폭을 요구하므로 설계시에 많은 어려움이 따른다. 펄스 신호의 원래 모양을 유지하면서 대역폭, 정합, 크기를 모두 만족시키기는 어렵다. 따라서 제한된 대역폭과 임피던스 매칭 특성이 나쁜 안테나는 출력 펄스에 링잉(ringing) 효과와 펄스의 모양을 왜곡시키는 효과를 줄 수 있다.

도 5a는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 정면 조립도이고, 도 5b는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 측면 조립도이다.

본 발명에서는 6 GHz 이상의 대역폭을 구현하기 위하여 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이, 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나 구조를 채택하여 중앙의 송신 안테나(41)에 4개 방향으로의 수신 안테나(42~45)를 배치하였다.

도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 참조번호 50은 안테나 급전부이고, 참조번호 51은 티이엠 혼(TEM Horn) 상판이며, 참조번호 52는 티이엠 혼(TEM Horn) 하판, 참조번호 53은 티이엠 혼(TEM Horn) 고정대, 참조번호 54는 안테나 결합부, 참조번호 55는 반사판, 참조번호 56은 레이돔을 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따라 주파수에 따른 안테나의 정합 특성을 나타내는 그래프로서, 초광대역 안테나의 정재파비 대역폭 특성을 나타내고 있다.

도 6을 참조하면, 횡축은 주파수를 나타내고 종축은 정재파비(SWR)를 나타내는데, 도시된 그래프에 따르면 3 GHz(Mark 1)~10 GHz(Mark 2) 대역에 걸쳐 초광대역 특성을 보이고 있다. 종래의 협대역 안테나가 공진형 안테나인 반면, 본 발명의 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나는 진행파형 안테나로서 초광대역으로 동작하고 있다.

그리고 도 6에 도시된 그래프에 따르면 2:1 대역폭이 중심주파수를 기준으 로 105% 이상 확보됨을 볼 수가 있다. 따라서 매우 넓은 대역에서 임피던스 정합이 이루어지고 있음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 과정을 설명하는 순서도이다.

본 발명에 따른 3차원 위치 탐지방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계(S10)와, 첨두치를 검출하기 위한 임계치1(TDOA)과 임계치2(TOA)를 조정하고, 수신 데이터 수집을 시작하는 데이터 수집 및 샘플링 단계(S11)와, 샘플링된 안테나 별 수신 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원(2D)으로 표시하는 단계(S12)와, 반사파의 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 단계(S13)와, 첨두치의 유무를 판단하는 단계(S14)와, 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원(3D) 좌표를 생성하는 단계(S15, S16, S17)와, 탐지체의 3D 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 단계(S18)로 구성된다.

도 7을 참조하면, 첨두치 검출 단계(S13)는 먼저 수신 안테나별로 탐지체가 없을 때의 수집된 데이터와 탐지체가 있을 때의 수집된 데이터의 차를 구한다. 4개의 수신 안테나 신호에 대해 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 6개의 첨두치를 구하고, 4개의 수신 안테나와 기준 신호와의 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 4개의 첨두치를 계산한다. 상기의 6개의 첨두치가 나타나는 시간이 TDOA의 시간 차이 값에 해당되며, 상기 4개의 첨두치가 나타나는 시간이 TOA 도달 시간 값이 된다.

3D 좌표를 생성하는 단계(S15, S16, S17)는 Z축 셋(set)을 구성하는 단계(15)와 포인트 서치 반복(Point Search Iteration)단계(S16), 3차원 좌표 생성단계(S17)로 구성되는데, 상기 첨두치 검출 단계(S13)에서 구한 6개의 TDOA 시간 차이 값과 4개의 TOA 도달 시간 값으로 10개 방정식의 공통 해를 수치 해석 방법으로 푸는 단계이다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 바람직한 실시한 예에 따른 안테나별 수신 신호를 나타내는 그래프로서, 도 8a는 탐지체 유무에 따른 수신 안테나의 수신 펄스 파형이고, 도 8b는 탐지체에 의한 반사 펄스 파형이며, 도 8c는 각 수신 안테나의 반사 펄스 파형이다. 본 발명의 실시예에서 탐지체의 위치는 안테나의 정면에 위치((x, y, z)=(0, 0, z1))하는 것으로 한다.

도 8a에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1000~2500)를 나타내고 종축은 진폭(Amplitude:-0.15~0.10 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 탐지체 유무에 따른 수신 신호를 나타내고 있다. 도 8a에 도시된 그래프에서 실선은 탐지체가 있는 경우의 수신신호(Target Signal)이고, 점선은 탐지체가 없는 경우의 수신신호(No Target Signal)이다.

도 8b에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1000~2500)를 나타내고, 종축은 진폭(Amplitude:-0.015~0.020 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 탐지체 신호와 무탐지체 신호와의 차 신호를 나타내어 탐지체에 의한 순수 반사파 신호(True Target Signal)만을 보여주고 있다.

도 8c에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1900~2300)를 나타내고, 종축은 진 폭(Amplitude:-0.020~0.025 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 4개의 수신 안테나별(Rx1~Rx4)로 순수 반사 펄스를 비교해서 나타내고 있는데, 첨두치는 약 30 sample 정도의 차이를 나타내고 있다.

도 8a 내지 도 8c에서 실제로 본 측정값은 1 sample=1 ps로 샘플링하였기 때문에 약 30 [ps]의 시간적 차이를 나타내고 있으며, 이는 거리로 1 cm에 해당된다. 따라서 실제 탐지체가 안테나의 정면에 위치함을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 장치에 의해 모니터 상에 표시되는 탐지 결과 화면 예를 나타낸 도면이다. 도 8c에 도시된 바와 같은 수신 안테나별 신호에 대해 디지털 신호 처리부(10)에서 도 7의 데이터 연산 과정으로 처리하여 최적의 결과 화면을 컴퓨터(1)의 모니터 상에 이미지 형태로 디스플레이시킨다.

도 9를 참조하면, GUI(Graphic User Interface) 프로그램이 내장된 컴퓨터(1)를 구동하여 벽돌 뒤에 철판을 둔 상태에서 측정한 결과이다. 상기 프로그램은 최초에 보정 작업을 거친 후 측정하였다. 그 측정 결과 탐지체가 실제로 존재하는 3D 위치가 높은 정밀도를 가지고 검출 가능함을 알 수 있다.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 하나의 송신 안테나에 대해 4 구간의 방향에 수신 안테나를 배치한 다음, 각 수신 안테나를 통해 들어오는 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정밀하게 탐지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 물체의 탐지장치 및 탐지방법에서는 송신 안테나에서 200ps의 극히 짧은 펄스를 방사하고 송신 안테나 주위에 배치된 4개의 수신 안테나에서 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 경험이 많은 숙련된 기술자가 아닌 초보자라도 탐지체의 3차원 위치를 정확하게 측정할 수 있다.

그리고 상술한 본 발명은 비파괴 감시 장비, 침입 탐지 시스템, 근거리 레이더 시스템 등에 응용이 가능하다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims

탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 송신 안테나와, 상기 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나로 이루어진 안테나부;

물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호 처리부;

상기 디지털 신호 처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 상기 송신 안테나로 출력하는 송신부;

상기 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 상기 디지털 신호 처리부로 출력하는 수신부; 및

물체탐지를 위한 소정의 프로그램이 탑재되고, 상기 디지털 신호 처리부와 통신하여 상기 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 상기 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 정보제공수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제1항에 있어서, 상기 안테나부는

1개의 송신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나와, 4개의 수신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나로 구성된 QRA(Quadruple Receiving Antenna)인 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제2항에 있어서, 상기 위치탐지장치는

상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 x축상에 좌,우로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내고,

상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 y축상에 상,하로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제2항에 있어서, 상기 안테나는

주파수 대역이 3~10 GHz인 광대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제1항에 있어서, 디지털 신호 처리부는

클럭을 분배하기 위한 클럭분배기와,

송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 상기 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기와,

상기 고정 지연된 클럭을 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기와,

상기 수신부로부터 수신된 신호를 상기 가변 지연기에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러와,

상기 샘플러에 의해 샘플링된 아날로그신호를 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기와,

상기 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버를 거쳐 상기 정보제공수단으로 전달하는 디지털 신호 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제5항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는

상기 가변 지연 소자에 의해 등가 샘플링 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제1항에 있어서, 상기 송신부는

상기 디지털 신호처리부의 트리거신호에 따라 펄스를 발생하기 위한 펄서를 구비한 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제7항에 있어서, 상기 펄서는

상승 시간과 하강 시간은 수십 피코 초(pico-seconds)를 가지며, 폭은 수백 피코 초(pico-seconds)를 가지는 펄스 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제1항에 있어서, 상기 수신부는

4개의 수신 안테나중 하나의 안테나를 선택하기 위한 스위치와, 상기 스위치에 의해 선택된 안테나의 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보제공수단은

컴퓨터 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이상에 표시되는 이미지는 3차원 이미지인 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지장치.
방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계;

반사파의 첨두치를 검출하기 위한 제1 임계치(TDOA)와 제2 임계치(TOA)를 조정하고, 수신된 반사파 데이터를 수집하는 반사파 데이터 수집 단계;

상기 수집된 안테나 별 반사파 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원으로 표시하는 2차원 표시 단계;

수신된 반사파의 첨두치를 판별하여 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 첨두치 검출 단계;

상기 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원 좌표를 생성하는 3차원 좌표 생성 단계; 및

상기 탐지체의 3차원 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 탐지체 위치 표시 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.
제11항에 있어서, 상기 3차원 좌표 생성 단계는

4개의 수신 안테나 신호에 대해 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 도달시간차(TDOA)방식의 시간 차이값에 해당되는 6개의 첨두치를 구하고, 4개의 수신 안테나와 기준신호와의 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 도달시간(TOA)방식의 도달 시간값을 나타내는 4개의 첨두치 계산하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.
제12항에 있어서, 상기 3차원 좌표 생성 단계는

상기 첨두치 검출 단계에서 구한 6개의 TDOA 시간 차이 값과, 4개의 TOA 도달 시간 값으로 10개 방정식의 공통 해를 수치 해석 방법으로 푸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.
제11항에 있어서, 상기 3차원 위치 탐지방법은

근거리 영역에서 수 cm의 거리 분해능을 가지도록 시스템 대역폭을 6 GHz로 설계하여, 탐지체에 조사되는 펄스의 폭이 200 ps인 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.