KR20080025677A - 물체 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20080025677A KR1020077029098A KR20077029098A KR20080025677A KR 20080025677 A KR20080025677 A KR 20080025677A KR 1020077029098 A KR1020077029098 A KR 1020077029098A KR 20077029098 A KR20077029098 A KR 20077029098A KR 20080025677 A KR20080025677 A KR 20080025677A
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제리 하우즈너
조나단 엠. 웨스트
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더 맥엘리스 컴퍼니즈 인코포레이티드 디.비.에이. 세이프 죤 시스템즈
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Abstract

물체들을 검출하는 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 일실시예에서는, 보안 구역안으로 진입하는 사람은 저전력 편광된 라디오 파에 의해 조사(illuminated)된다. 그 사람으로부터 반사되어 되돌아 온 것인, 서로 다르게 편광된 파들이 수집된다. 반사된 신호들의 다양한 파라미터들을 측정하고, 이들간의 선택된 다양한 차이점들을 계산함으로서, 숨겨진 무기들이 검출된다. 이러한 차이점들은, 시간에 대한 함수로서 플롯된 때에 패턴들을 생성한다. 바람직하게는, 이후 단련된 신경망 패턴 인식 프로그램이 이용되어 이러한 패턴들을 평가하며, 무기의존재에 대한 결정을 자동적으로 내리게 된다. 중단된 지속파 시스템이 채용될 수도 있다. 다양한 방위각들을 검출하고 정확성을 향상시키기 위해서 다양한 유닛들이 사용될 수도 있다.
Figure P1020077029098
물체 검출, 은닉 무기, 편광, 파장

Description

물체 검출 방법 및 장치{OBJECT DETECTION METHOD AND APPARAUTS}
관련 출원
본 출원은 2005년 5월 12일 출원되었으며 그 명칭이 "Object Detection Method and Apparatus"인 미국 가 특허 출원 60/680,627호의 출원의 이득을 청구한다. 본 출원은 또한, 2004년 11월 24일 출원되었으며 그 명칭이 "Object Detection Method and Apparatus"인 미국 특허 출원 10/997,845의 부분 계속 출원이고; 미국 특허 출원 10/997,845는, 2003년 11월 25일 출원되었으며 그 명칭이 "Object Detection Method and Apparatus Employing Polarized Radiation and Artificial Intelligence Processing"인 미국 가 특허 출원 60/525,637의 출원의 이득을 청구하고; 미국 가 특허 출원 60/525,637은 또한, 2003년 1월 9일 출원되었으며 그 명칭이 "Signal Processing for Object Detection System"인 미국 특허 출원 10/340,016의 부분 계속 출원이고; 미국 특허 출원 10/340,016은, 2002년 1월 29일 출원되었으며 그 명칭이 "Signal Processing for Object Detection System"이고, 2004년 11월 30일 미국 특허 6,825,456으로서 특허된 미국 특허 출원 10/060,641의 부분 계속 출원이고; 미국 특허 출원 10/060,641은, 1999년 5월 25일 출원되었으며 그 명칭이 "Object Detection System"이며 2002년 1월 29일 미국 특허 6,342,696으로서 특허된 미국 출원 번호 09/318,196의 부분 계속 출원이다. 상기의 모든 출원들의 내용은 본원의 참조로서 인용된다.
본 발명은 물체(총 또는 폭탄과 같은 숨겨진 무기를 포함하지만, 오직 이것들로만 제한되지 않는다)의 존재를 원격으로 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 높은 신뢰성의 물체 검출을 제공하기 위한 새로운 신호 처리 방법 및 장치를 포함한다.
하기의 논의는 수많은 간행물 및 참고문헌을 참조함을 주목해야 한다. 본 명세서에서 이러한 간행물들의 논의는 과학적 원리들에 대한 더욱 확실한 배경지식을 위해 제공되는 것이며 이러한 간행물들을 특허 가능성 판단 목적에 대한 종래 기술로서 허용하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
1999년 4월 20일 콜로라도 리틀턴의 콜럼바인 고등학교에서 두 학생들이 살상 무기로 그들의 친구들과 교사들에게 사격을 개시했다. 12명의 10대들과 한명의 교사가 살상됐으며 수십 명이 상해를 입었다. 리틀턴 대량학살과 같은 폭력적인 잔혹 행위가 현재 미국에서 너무나도 자주 발생하고 있다. 연방 수사국은 매년 미국에서 범죄자들이 240만 강도 행위, 560만 폭행 행위, 및 165,000번의 강탈을 수행하기 위해 총기를 사용하고 있다고 보고했다. (연방정부 인허가의 총기 판매인의 미국 협회에 의해 발간된 "American Firearms Industry Journal"을 참조하시오) 질병통제소(Center of Disease Control)는 1986-1992년 사이에 미국에서 247,979번의 "총기 사망"이 기록되었음을 보여주는 데이터를 수집했다. (데이터가 권총 폭행 방지소에 의해 집계되었다.) 게다가, 최근, 새로운 위협이 개발되었다; 이는 즉 자살 폭파범이다. 이들은 더욱 위험하고 더욱 파괴적이며, 이들 무기의 특성으로 인해, 원거리에서 이들이 검출되는 것이 절박하다.
총기를 사용하는 범죄자에 의한 위협을 감소시키기 위한 이전의 수많은 노력은 제한된 성공을 이루었다. 지난 20년간, 매우 고가의 x-선 장비가 주요 공항에 설치되었다. 이들 기계들은 일반적으로 매우 특수화되고, 밀폐된 환경에서 금속 총을 검출할 수 있다. 이러한 유형의 장비는 고정된 장비를 필요로 하고, 매우 큰 공간을 차지하며, 근접한 범위에 영향을 미치고 그리고 수십만 또는 수백만 달러의 비용이 든다.
시장에서 현재 사용가능한 복잡한 은닉 무기 검출기 중 어떠한 것도 콤팩트(compact)하고, 경량이고, 휴대가능하고, 사용하기 용이하고, 장거리 범위(long-range)를 갖고 그리고 고도의 신빙성을 갖는 것이 없다. 이러한 디바이스의 개발은 혁명적인 성공이며, 법 집행 및 보안 분야에서의 숙원을 해결할 수 있다.
본 발명의 이전 버전(version)들은 2001년 6월 5일에 특허된 미국 특허번호 6,243,036호인 제목 "Signal Processing for Object Detection System"과, 2002년 3월 19일에 특허된 미국 특허번호 6,359,582호인 제목 "Concealed Weapons Detection System"과, 1998년 3월 26일자로 국제 공개 번호 WO 98/12573호로 공개된 국제 특허 출원번호 PCT/US97/16944호인 제목 "Concealed Weapons Detection System"과, 그리고 2000년 12월 14일자로 국제 공개 번호 WO 00/75892호로 공개된 국제 특허 출원번호 PCT/US00/14509호인 제목 "Signal Processing for Object Detection System"에 개시되어 있다. 상기 참조문헌들의 명세서 및 청구항들은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명은 테겟과 관련된 물체의 존재를 결정하는 방법으로서, 이 방법은 편광된 조명 방사로 타겟에 조사하는 단계와; 조사 방사와 동일한 편광을 갖는 타겟으로부터 반사된 제 1 방사를 수집하는 단계와; 조사 방사와 반대의 편광을 갖는 타겟으로부터 반사된 제 2 방사를 수집하는 단계와; 그리고 물체의 존재를 결정하기 위해, 제 1 방사와 제 2 방사의 가중된 복수의 기준들을 이용하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이용 단계는 Chirp-Z 변환 프로세스에 의해 시간 도메인으로 변환된 상기 수집된 방사의 가중된 복수의 기준을 이용하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 이용 단계는 복수의 시간들에서 상기 제 1 방사와 상기 제 2 방사중 하나 또는 이들 모두의 크기 스프레드(magnitude spread)를 이용하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 이용 단계는 Chirp-Z 변환 과정에 의해 상기 시간 도메인으로의 변환 이후에 제로(0) 시간에서의 제 1 방사의 제 1 크기와, Chirp-Z 변환 프로세스에 의해 시간 도메인으로의 변환 이후에 제로(0) 시간에서의 제 2 방사의 제 2 크기와, 그리고 상기 제 1 크기와 제 2 크기 간의 차이로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 복수의 기준을 이용하는 단계를 더 포함한다. 상기 이용 단계는 제 1 방사와 제 2 방사 간의 도착 시간 차이, 또는 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 제 1 방사와 상기 제 2 방사중 하나 또는 이들 모두의 커브 형상의 측정, 바람직하게는 커브 아래의 총 면적에 대한 커브의 피크값 비율을 선택적으로 이용하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 바람직하게는 다수회 반복되고, 그리고 상기 방법의 각 수행의 결과들을 결합하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 바람직하게 교정 데이터로 신경망(neural network)을 트레이닝하는 단계를 더 포함하고, 그리고 상기 이용 단계는 바람직하게는 상기 물체의 존재를 자체적으로 결정하기 위해 상기 신경망을 사용하는 단계를 더 포함한다.
상기 타겟은 바람직하게는 인간을 포함하고 그리고 상기 물체는 바람직하게 은닉 무기를 포함하고, 상기 은닉 무기는 바람직하게는 칼, 화기, 권총, 폭탄, 폭발성 장치, 및 자살 조끼로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
본 발명은 타겟과 관련된 물체를 검출하는 장치를 제시하며, 상기 장치는 상기 타겟에 편광된 조명 방사선을 조사하는 전송 안테나와, 상기 조명 방사선과 동일한 편광을 갖는 타겟으로부터 반사된 제 1 방사선을 수집하는 제 1 수신 안테나와, 상기 조명 방사선과 반대의 편광을 갖는 타겟으로부터 반사된 제 2 방사선을 수집하는 제 2 수신 안테나와, 그리고 상기 물체의 존재를 결정하기 위해 상기 제 1 방사선과 제 2 방사선의 가중된 복수의 기준을 이용하는 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 바람직하게 Chirp-Z 변환 프로세스에 의해 시간 도메인으로 변환된 상기 수집된 방사선의 가중된 복수의 기준을 이용하고, 바람직하게는 복수의 시간들에서 제 1 방사선 및 제 2 방사선중 하나 또는 둘 모두의 크기 스프레드를 이용한다. 또한, 프로세서는 바람직하게는 Chirp-Z 변환 프로세스에 의해 시간 도메인으로 변환된 후 제로(0) 시간에서 제 1 방사선의 제 1 크기와, Chirp-Z 변환 프로세스에 의해 시간 도메인으로 변환된 후에 제로(0) 시간에서 제 2 방사선의 제 2 크기와, 그리고 상기 제 1 크기와 제 2 크기 사이의 차이를 포함하는 그룹으로부터 선택된 복수의 기준을 이용한다.
상기 프로세서는 또한 바람직하게는 제 1 방사선과 제 2 방사선 사이의 도착시간의 차이를 이용하고, 바람직하게는 시간 또는 주파수 도메인에서 제 1 방사선과 제 2 방사선 중 하나 또는 이들 모두의 커브 형상을 이용하고, 그리고바람직하게는 제 1 방사선과 제 2 방사선 중 하나 또는 이들 모두의 시간의 편차를 이용할 수 있다. 상기 프로세서는 바람직하게는 타겟에 다수회의 조명 방사선을 적용한 결과들을 결합한다. 하나의 듀얼-편광된 안테나는 선택적으로 상기 제 1 수신 안테나 및 상기 제 2 수신 안테나를 포함한다.
상기 타겟은 바람직하게 인간을 포함한다. 상기 물체는 바람직하게 은닉 무기를 포함하고, 상기 은닉 무기는 바람직하게 칼, 화기, 권총, 폭탄, 폭발성 장치, 및 자살 조끼로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 프로세서는 바람직하게는, 상기 기준의 각각에 값을 할당하고 상기 기준의 값들의 결합에 근거하여 상기 물체의 존재를 결정하는 신경망을 상기 물체의 존재를 자동으로 검출하기 위해 이용한다.
본 발명은 또한 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법으로서, 이 방법은 주파수 범위 내에서 선택된 주파수들에서 상기 타겟에 연속적인 파 전자기 방사를 전송하는 단계와, 각각의 선택된 주파수에서 상기 타겟으로부터 반사된 2개의 직교 편광된 신호들을 수신하는 단계와, 상기 반사된 신호들의 진폭 및 위상을 측정하는 단계와, 주파수 도메인 파형을 발생시키는 단계와, 상기 파형을 상기 타겟에 대한 거리에 해당하는 시간 윈도우에서 시간 도메인으로 변형하는 단계와, 그리고 상기 물체가 상기 타겟 상에 은닉되었는 지를 결정하기 위해, 상기 시간 도메인 파형을 처리하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 바람직하게는 해밍 필터(Hamming filter)를 이용하여 주파수 도메인 파형을 필터링하는 단계를 더 포함한다. 상기 전송 단계는 바람직하게는 Chirp-Z 변환을 이용하는 단계를 포함한다. 상기 전송 단계는 바람직하게는 상기 신호의 범위 게이팅(range gating)을 야기한다.
상기 방법은 바람직하게는 복수의 유닛들을 이용하며, 각 유닛은 상기 전송 단계 및 수신 단계를 수행한다. 유닛들은 바람직하게는 상기 전송 단계를 순차적으로 수행한다. 각 유닛의 연속적인 파 전송은 바람직하게는 다른 유닛들이 방사를 전송할 수 있도록 인터럽트되는데, 이 경우 각 유닛의 연속적인 파 전송의 시간은 유닛으로부터 타겟으로의 그리고 다시 유닛으로의 방사의 전송 시간과 오래 비교된다. 유닛들은 바람직하게는 수신 단계를 순차적으로 수행하는 바, 각 유닛은 바람직하게는 그 자신의 전송기에 의해서만 전송되는 신호들을 수신한다. 각 유닛은 다른 유닛의 전송기에 의해 전송되는 신호들을 선택적으로 수신한다. 유닛들에 의해 수신되는 반사 신호들은 바람직하게는 비교된다. 예를 들어, 각 유닛에 의해 수신되는 신호 진폭들은 평균된다. 유닛들은 바람직하게는 타겟에 대해 다른 높이로 배치되고, 바람직하게는 다른 관점으로부터 타겟을 조사하도록 방위가 정해진다. 물체는 바람직하게는 무기, 화기, 폭탄, 자살 조끼, 폭발물, 상품, 태그, 재공품(work in process), 재고품 및 제조품으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 상기 방법은 선택적으로는 가게 좀도둑질 또는 재고품 절도를 막도록 수행된다.
본 발명의 목적은 바람직하게, 콤팩트하고, 경량이고, 장거리 범위이고, 휴대가능하고 그리고 배터리로 동작하는 검출 디바이스를 제공하는 것이다. 이는 상기 장치의 바람직한 실시예가 휴대되어, 예를 들어 특정 개인이 무기를 소지하고 있는지를 결정하기 위해 사법 경찰관 및/또는 군인 또는 보안 요원에 의해 사용될 수 있도록 한다.
본 발명의 이점은 본 발명에 의해 방사되는 전력 레벨이 바람직하게 현재 공항 또는 법정의 입구에서 물체들을 검출하는데 이용되는 영상 시스템들 또는 x-선에 의해 생성된 전력 레벨들 또는 종래 레이더 시스템들보다 훨씬 낮다는 점이다. 본 발명에 대해서, 타겟에서의 평균 전력 밀도는 비전리 방사선(non ionizing radiation)에 대한 안전 한계 이하의 크기 정도이다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징, 및 본 발명의 이용가능한 범위는 첨부된 도면들과 함께 취해지는 하기의 상세한 설명에 부분적으로 나열될 것이고, 그리고 일부분은 하기의 실시한 기술분야의 당업자에게 명백하거나, 본 발명의 실시에 의해 습득될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 첨부된 청구항에서 특히 나열된 수단 및 결합에 의해 실현되고 달성된다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 몇 개의 실시예들을 예시하고 그리고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들의 설명을 돕는다. 본 도면들은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위한 목적이며 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1a는 단순한 파형을 예시한다;
도 1b는 수직으로 편광된 단순한 파형을 예시한다;
도 1c는 수평으로 편광된 단순한 파형을 예시한다;
도 2는 전송 및 검출 회로의 일 실시예의 블록도를 제공한다;
도 3은 몸체의 서로 다른 위치에 총을 수반하는 사람들을 예시한다;
도 4a는 주파수에 대한 dBsm으로 반사된 에너지를 도시하면서, 권총의 레이더 반사율을 그래프로 도시한다;
도 4b는 주파수에 대한 dBsm으로 반사된 에너지를 도시하면서, 인간 몸체의 레이터 반사율을 그래프로 도시한다;
도 5 및 도 6은 2.59 내지 3.95 GHz와 7.0 내지 10.66GHz 주파수 대역의 무선 파장들로 조사되었을때 인간 몸체의 반사율에 관한 정보를 제공하는 그래프들이다;
도 7은 본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 그림 표현이다. 도면의 우측의 두 개의 그래프들은 서로 다른 편광들을 갖는 반사된 무선 파장들에 대응하는 두 개의 세트들의 파형들의 시간 도메인 크기 차이를 비교함으로써 무기와 같은 물체가 검출됨을 도시한다. 상부 및 하부 그래프들 모두에서, 두 개의 파형들은 검출기로 반사된 수직으로 및 수평으로 편광된 무선 파장들을 나타낸다;
도 8 및 도 9는 권총 검출 실험 동안에 생성된 두 쌍의 시간 도메인 파형들의 실제 테스트 장비 도면들이다. 도 8에서 총을 소지하지 않은 사람이 도시되고; 도 9에서는 권총을 소지한 동일한 사람이 도시되며 두 개의 곡선들의 최대값들의 거리는 훨씬 더 가깝다;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에서 이용되는 Complex Chirp-Z 변환에 이용되는 위상 및 크기 응답의 일반적인 예시이다;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예의 동작상의 시스템 흐름도를 도시한다; 그리고
도 12는 본 발명의 인터럽트된 CW 실시예의 회로도이다.
본 발명은 먼 거리에서 물체의 존재를 검출하는 방법 및 장치를 포함한다. 본 발명의 일 실시예는 사람이 소지하는, 은닉 화기 및/또는 폭탄의 위치를 찾아내는 데에 사용된다. 본 발명은 무기들을 학교, 은행, 공항, 대사관, 감옥, 사무실용 건물, 소매점 또는 주택과 같은 임의의 보안 영역 또는 "Safe Zone™" 밖에 내놓는데에 사용될 수 있다. 용어 "Safe Zone™"은 본 특허출원의 양수인이 소유하는 상표 및 서비스표이다. 상기 양수인은 Safe Zone™ Systems로서 사업을 수행하는 맥엘리스 컴퍼니즈, 인코퍼레이티드(The MacAleese Companies incorporated)이다.
상기 목적은 타겟과 관련되는데, 여기서 타겟은 바람직하게 출입구에 접근하는 사람이며, 바람직하게 편광된 저전력 무선 파형들을 사용하여 검출된다. 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 사용되는 바와같이, 용어 "타겟"은 조명 방사가 지시되는 대상을 의미하는데, 이는 사람, 배낭, 수하물, 가방, 관목 등을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다. 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 사용되는 바와같이, 용어 "물체"는 소지되며, 착용되며, 숨겨지며, 물리적으로 부착되며, 결합되며, 또는 기타 타겟과 관련되는 물리적 품목을 의미하는데, 이는 무기, 칼, 화기, 총포, 권총, 소총, 폭탄, 자살 조끼, 유산탄(shrapnel), 배선 등을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
무선 파장들이 공기를 통해 이동하는 때에, 이들은 해양 표면에 걸쳐 이동하는 물결 파장들과 유사한 방식으로 이동한다. 단순한 무선 신호의 모양은 도 1a에 도시된 바와같이 상하로의 반복적인 이동 또는 진동으로서 도시될 수 있다. 이러한 파장의 이동은 3차원으로 발생한다. 이 단순한 파장(W)은 전파된다. 전파 평면과 평행하게 편광되는 파장이 수평 편광 파장으로 불린다. 전파 평면에 수직으로 편광되는 파장이 수직 편광 파장으로 불린다. 파(W)의 높이 및 세기는 파의 진폭(A)으로 불린다.
도 1b는 수직으로 편광된 파장을 나타내며, 도 1c는 수평으로 편광된 파장을 도시한다. 수직 및 수평 편광들은 편광의 직교(orthogonal) 형태들로서 일컬어진다. 수직으로, 수평으로 편광된 파장들 사이의 관계를 설명하는데에 사용될 수 있는 다른 용어들은 수직의(perpendicular), 마주보는, 크로스-편광된, 또는 주요의 및 보완하는 등이다. 본 문서에서 직교 편광들을 표시하기 위해 주로 사용된 용어는 크로스-편광된, 간단히 말해서 cross-pol 또는 X-pol이다. 편광 사상은 극초단파의 무선 파장들 또는 회전등에 의해 방출되는 파장들과 같은 광 파장들인지에 관계없이 모든 형태의 전자기 횡파에 적용가능하다.
본 발명에 의해 방사되는 전력 레벨들은 종래의 레이더 시스템 또는 현재에 공항 또는 법원의 입구에서 물체들을 검출하는데에 이용되는 엑스선 또는 다른 이 미징 시스템들에 의해 발생되는 것보다 훨씬 낮다. 사실상, 본 발명의 바람직한 실시예를 위한 타겟에서 전력 밀도는 비-이온화 방사를 위한 안전 한계 이하의 크기 정도이다.
본 발명은 바람직하게 GHz 주파수 대역에서 동작한다. 서로다른 무선 주파수들은 물체 검출에 대한 다른 이점들 및 단점들을 제공한다. 미국에서, 무선 디바이스들의 동작 주파수는 연방 통신 위원회(FCC)에 의해 조정된다. 전 세계에서 각 국가는 무선 스펙트럼의 사용을 할당하고 관리하는 유사한 조정 기구를 갖는다. 본 명세서가 특정 주파수 범위들에 대한 특정의 참조를 포함하지만은, 본 시스템은 특정적으로 제시된 범위들에 국한되지 않으며, 유익하게는 광범위한 전자기 방사 대역들을 사용하여 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 구현하기 위한 개략적인 블록도의 비-제한적인 예이다. 저전력 무선 송신기(12)가 제 1 방향 커플러(13)를 통해 변조기(14), 필터(16), 및 송신기 출력 증폭기(18)와 결합되는데, 여기서 송신기 출력 증폭기(18)는 송신/수신 스위치(20)와 사전-선택기(22)를 통해 송신/수신 안테나(80)에 연결된다. 송신/수신 스위치(20)는 또한 제어기(26)를 통해 레인지 게이트 스위치(90)와 동기화된다. 송신/수신 안테나(80) 및 직교 편광에서 에너지를 검출하는 수신 안테나(82)는 타겟으로부터 반사된 에너지를 수집한다. 대안적으로, 하나의 듀얼-편광 안테나가 선택적으로 사용될 수 있다. 수신 경로에서의 극성 선택 스위치(24)가 수평 또는 수직 편광 안테나 또는 포트를 선택한다. 바람직하게, 송신/수신 안테나(80)는 수평 편광으로 신호를 송신함과 아울러 반사된 수평 또는 co-pol(코-폴) 신호를 수신하며, 수신 안테나(82)는 바람직하게 수직 편광에서 수직 또는 X-pol 반사 신호를 수신한다. 극성 스위치(24)는 임의의 소정의 시간에 어느 신호가 수신기에 공급되는지를 결정한다. 사전-선택기 필터들(22,23)은 대역통과 필터들인데, 이는 대역 밖의 신호들이 수신기에 들어가는 것, 가능하게는 스퓨리어스 응답(spurious response)들을 야기하거나 증폭기들을 포화시켜 정상적인 동작을 방해하는 것을 방지한다. co-pol 경로에서의 사전-선택기 필터(22)는 또한 송신기로부터 송신되는 원하지않는 고조파들을 감쇠시킨다.
바람직하게 시작/정지/슬로프 프로그래밍을 포함하는 제어기 또는 프로세서(26)는 국부 발진기(30)와 관련하여 송신기(12)를 제어하는데에 사용된다. 펄스 파형 생성기(28) 출력은 변조기(14)에 연결된다. 국부 발진기(30) 출력은 제 2 방향 발생기(28)를 통해 믹서(32)에 공급된다. 송신/수신 스위치(20) 출력이 또한 극성 선택 스위치(24), 필터(36) 및 수신 저잡음 증폭기(34)를 통해 믹서(32)에 공급된다. 프로세서(26)로부터의 바람직한 디지털 출력이 중간 주파수 이득 제어 증폭기(40)에 전달되는데, 여기서 증폭기(40)는 또한 대역 통과 필터(41)를 통해 믹서(32)로부터의 메인 신호 입력을 수신한다. 이후에, 증폭기(40) 출력은 레인지 게이트 스위치(90), 고역 통과 필터(42)를 통과하여 전력 분배기(44)로 전달된다. 레인지 게이트 제어(21) 및 레인지 게이트 스위치(90)는 타임 게이팅(time gating)을 제공하며, 이에 따라 단지 장치로부터 원하는 거리에 있는 반사기(즉, 타겟 또는 물체)만이 처리된다. 다른 시간들에서 도착하는 다른 물체로부터의 신호들은 무시된다. 전력 분배기(44)는 신호를 2개의 출력으로 분배한다. 일 출력은 검출기(46) 에서 복조되는 진폭인데, 여기서 검출기(46)는 필터(48), 비디오 증폭기(50), 게이트 샘플 및 홀드 스트레처(52)를 통해 전달되는 좁은 펄스를 발생하며, 이후에 펄스들은 아날로그-디지털 변환기(54)에서 디지털화되어 프로세서(26)에 공급된다. 전력 분배기(44)의 제 2 출력이 전력 분배기(64)를 통해 위상 검출기들(65,66)에 공급되며, 이에 따라 복귀 신호의 위상 천이는 진폭과 동시에 측정될 수 있다.
위상 정보가 복소 주파수의 시간 도메인 변환들을 수행하는데에 매우 중요하기 때문에, 반사 신호들의 위상은 바람직하게 측정된다. 위상이 상대적인 용어이기 때문에, 이는 송신 및 국부 발진기 신호들의 샘플들을 혼합함으로써 우선 기준 신호를 확립함으로써 수행된다. 송신 신호의 샘플이 방향 커플러(13)를 통하여 송신기(12)로부터 취해지며, 이는 방향 커플러(11)를 통해 국부 발진기(30)로부터 취해진 국부 발진 신호와 함께 믹서(9)에 공급된다. 믹서(9) 출력은 필터(8)를 통해 대역통과 필터링되며, 터닝 레인지(turning range)에 걸쳐 진폭을 안정화시키기 위해 리미터 증폭기(7)에 의해 리미팅(limiting)된다. 리미팅된 신호는 직각 위상 하이브리드(72)에 공급되는데, 직각위상 하이브리드(72)는 진폭이 동일하지만 서로에 대해 90°로 위상 천이된 2개의 신호들을 출력한다. 출력들 중 하나는 제 1 위상 검출기(65)에 공급되며, 다른 출력은 제 2 위상 검출기(66)에 공급된다. 2개의 오프셋 위상 검출기들은 360도 범위를 명확하게 커버링하는데에 사용된다. 위상 검출기들(65,66)의 출력들은 아날로그이며, 후속적으로 아날로그-디지털 변환기(68 및 70)에서 디지털화된다. 디지털화된 신호는 후속 처리를 위해 제어기(26)에 공급된다.
측정 단위 "dBsm"는 반사된 방사를 정량화하는데에 사용되며, 이는 데시벨(약어로서 "dB")로 불리는 측정 단위에 기초한다. 데시벨은 2개의 레벨의 방사 또는 반사 전력을 비교하는데에 사용된다. 예로서, 만일 무선을 청취하는 사람이 무선국의 안테나 타워에 매우 근접하여 있는 경우에, 전력 레벨은 매우 높을 것이다. 만일 동일한 사람이 동일 안테나 타워로부터 수 마일 떨어져 있는 경우에, 수신 무선 파장 강도는 거리 증가로 인해 더욱 낮아지게 될 것이다. 데시벨은 이러한 전력 레벨 비율을 하나의 수로서 정량화하는데에 사용될 수 있다. 단순히 하나의 수를 다른 수로 나누게 되는 일반적인 나눗셈과는 달리, 데시벨은 로그 형태의 측정인데, 이들이 매우 큰 차이의 수들을 비교하는데에 사용되기 때문에 매우 유용하다. 방사 전력 레벨들이 이러한 큰 레인지에 대해 변할 수 있기 때문에, 더 일반적인 선형 스케일 대신에 로그 스케일이 사용된다. 데시벨에서 2개의 전력 레벨의 차이는 하기와 같이 계산된다.
dB=10log(PX/PY) (1)
여기서, PX는 제 1 전력 레벨이며, PY는 제 2 전력 레벨이다. 2개의 수신 무선 신호들이 데시벨을 사용하여 비교되는 때에, 보다 큰 거리에서 수신되는 신호 전력의 감소는 보다 근접 위치의 전력 레벨보다 낮은 일정 수의 데시벨로 불리게 된다.
"레이더 반사율" 또는 RCS는 물체 크기의 측정이다. 무선 파장들이 발생되고, 이후에 물체에 지향되는 때에, 이러한 송신 파장들의 일부는 물체를 통과하며, 이러한 파장들의 다른 일부는 타겟에 의해 흡수되며, 송신 파장들의 제 3 부분은 송신기로 반사된다. 반사 파장들 부분이 클수록, 물체의 레이더 반사율이 크게 된다. 따라서, 비교적 큰 반사율을 갖는 물체가 보다 작은 반사율을 갖는 물체에 비해 비교적 쉽게 검출된다. 물체의 측정 반사율 크기는 주로 반사율 및 물체의 공간 지향에 의존한다. 예컨대, 해안선 상의 무선국이 근처에서 항해중인 배들을 찾고 있는 것으로 가정한다. 해안선과 평행으로 이동하는 배가 육지로부터 떨어져서 항해하는 유사한 선박보다 쉽게 검출되는데, 이는 제 1 선박의 현측(broadside)에 충돌하는 무선 파장들이 제 2 선박의 보다 작은 선미(stern)로부터 반사되는 파장들보다 큰 세기로 무선국으로 바운드(bounce)되기 때문이다. 따라서, 무선 파장들의 이동 방향과 "측방향"으로 지향되는 제 1 선박은 무선 파장들에 그 선미가 보다 작은 타겟들을 무선 파장들에 제공하는 제 2 선박보다 큰 반사율을 갖는다.
본 발명이 권총과 같은 물체를 검출하는데에 사용되는 때에, 권총이 검출기에 비교적 큰 반사율을 제공하는 방향으로 지향되는 경우에 검출이 더욱 쉽게 수행된다. 예를 들어, 권총이 사람의 허리띠 뒤에 끼워지며, 이에 따라 권총 측면이 허리와 평평하게 되면 총신이 지면을 가리키며 손잡이가 전후방을 가리키는, 엉덩이 위에 채워진(holster) 무기보다 큰 반사율을 제공한다. 도 3은 권총을 소지한 2명의 사람을 도시한다. 도면의 좌측에서, 권총이 벨트 전방 또는 후방에 위치되어 있는 사람이 도시된다. 도면의 우측에서, 사람의 측면 엉덩이에 위치된 가방, 포켓 또는 권총집에서 운반되는 권총을 가진 사람이 도시된다. 주목할 사항으로서, 2개의 위치에서 권총들의 반사율이 유사하게 되기 위해, 도면은 검출기에 대하여 회전되거나, 서로 다른 방향을 향해야 한다.
일 제곱 미터에 비교될 때에, 반사율은 하기와 같이 데시벨 측정 단위 "dBsm"로 표현된다.
RCS(dBsm)= 10 logA + 10logG (2)
여기서, A는 제곱 미터 단위의 타겟의 면적이며, G는 반사하에서 타겟의 이득이다. 이 표현은, 영역이 동작 파장에 대해 평평하며, 또한 영역이 방사 파장들에 의해 균일하게 방사됨을 가정한다. 만일 평방 영역의 측면이 "a" 미터인 경우에, 면적은 "a2" 제곱 미터가 된다. 동작 파장에 대해 평평한 표면에 대하여,
G = 4πa2/λ2 (3)
여기서, 파장(λ)은 0.3/f 미터에 일치하며, f는 GHz 단위의 주파수이다. 따라서,
RCS(dBsm) = 10 log(4πa4f2/0.09) (4)
이 표현은, 만일 측면 크기 "a"가 2배가 되는 경우에, 반사는 12 dBsm으로 증가하며, 또한 선형 전력 단위에서, 반사율은 16배 크게 됨을 표시한다. 만일 주파수가 2배가 되는 경우에, 반사는 6 dBsm만큼 크게 되거나 선형 전력 단위에서 4배만큼 크게 된다. 주목할 사항으로서, dBsm에서 RCS는 20 log(f)만큼 증가된다. 본 설명에서, 복잡한 주변 효과(edge effect)는 무시된다. 예를 들어, 1 GHz에서 6" × 6" 플레이트의 레이더 반사율은 -11.3 dBsm이다. 인자(G) 또는 이득이 f2에 비례하여 증가하기 때문에, 1 내지 10 GHz의 증가는 값을 8.7 dBsm으로 증가시켜 20 dB의 차이가 나게 된다. 하지만, 전형적인 무기 형상들은 레이더 파장에 대해 크게 비-평탄(non-planar)하며, 이에 따라 실제로 아주 작은 증가가 구현된다.
표 1의 데이터는 여러 주파수 대역들의 전자기 무선 파장들에 의해 방사된 금속.357 구경 권총의 레이더 반사율이다. 이러한 데이터는 검출기 장비를 교정함과 아울러 기준 측정들을 제공하기 위해 설정된다. 테스트 구성은 하나의 포트 RCS 측정, 16 평균들, 타임 도메인 게이팅, 및 IF 대역폭 감소로 된다.
주파수 대역(MHz) 레이더 반사율
500-1000 -15 dBsm
1000-1750
2650-3000 -10 dBsm
2890-3250
9500-10660
유사하게, 도 4a는 2650 내지 3000 MHz 주파수 레인지 범위의 송신된 방사에 대한 .357 구경 권총의 레이더 반사율(RCS)에 관한 데이터를 제공한다. 커브는, 현측 위치로 지향된 권총에 대해, 권총의 가장 긴 치수가 송신 무선 파장의 평면에서 측방향으로 연장하며, RCS는 상기 주파수 레인지에 대해 대략 -8 dBm에서 -11 dBm으로 변하게 됨을 나타낸다. 도 4b는 도 4a와 동일한 주파수 대역에서 몸체 반사(return) 또는 권총을 갖지 않은 인간 몸체의 RCS를 나타낸다. 대역에 걸친 평균 레이더 반사율은 -3 dBsm이거나, -11 dB의 평균 권총 반사보다 대략 8 dB만큼 더 크다.
도 5 및 6은 테스트 챔버에서 사람의 무선 파장들 반사를 측정한다. 도 5는 사람이 방사에 의해 조명될 때에, 대략 63%의 무선 파장 에너지가 2.59 내지 3.95 GHz에서 몸체로부터 반사됨을 나타내는 경험적인 데이터를 포함한다. 도 6은 대략 32%가 7.0 내지 10.66 GHz에서 반사됨을 나타낸다.
일반적으로, 본 발명은 바람직하게 수평으로 편광된 입사빔이 부분적으로 수직 편광으로서 반사되는 물리적 현상(반사)에 의존한다. 수직 편광으로 전환된 에너지 퍼센티지는 입사 방향에 통상적인 평면에서 물체 형상에 의존한다. 만일 물체가 수직 및 수평 성분 모두를 갖는 단면 형상을 갖는 경우에, 물체가 수평 편광 파장들에 의해 방사되는 때에라도, 수직 편광 성분이 실행될 것이다. 이 수직 편광 성분은 본원에서 "cross-pol"로서 지칭되며, 수평 편광 성분은 "co-pol"로서 지칭된다. 만일 타겟 및 물체가 수직 편광 입사빔에 의해 방사되는 경우에, 이 용어들은 역전된다.
상술한 바와같이, .357 권총과 인간 몸체 사이에서의 후방굴절(backscatter) 차이는 대략적으로 평균 -8 dB이다. 수학적인 표현으로서, 이것은 권총과 몸체 신호의 결합이 권총이 없는 경우에 대해 단지 1.4 dB만을 증가시키게 됨을 의미한다. 인간 몸체 변화가 6dB 정도라고 하면, 권총이 왜 검출되기 어려운지를 이해하기는 어렵지 않을 것이다. 인간 몸체의 주요 뼈들이 수직방향으로 되어 있음에 따라, 수직 입사 편광에 대한 반사율이 더 크다는 것은 놀랄만한 것이 아니다. 또한, 이는 대다수의 의복 지퍼에 대해 사실이다.
만일 수평 입사 편광이 사용되는 경우에, 몸체 반사율은 대략 6 dB에 의해 감소되며, 현재의 수직 편광된 크로스 편광은 동일한 량으로 감소된다. 하지만, 무기의 크로스 편광은 비교적 일정하게 유지된다. 이는, 1.4 dB 차이는 현재에 평균 7.4 dBrk 되며, 이에 따라 몸체들에서의 변화 효과는 감소된다. 따라서, 타겟이 인간인 때에, 수평 편광을 송신하고, 수평 및 수직 편광 모두를 수신하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예의 전형적인 동작을 도시한다. 보호 공간 또는 "Safe Zone™"으로 들어가는 사람들은 이 경우에서 수평 편광된 무선 파장들로 방사된다. 이 무선 파장들의 일부는 흡수되지만, 일부는 송신기로 반사된다. 송신기가 권총이 없는 사람을 방사하는 때에, 도 7의 상부 그래프의 2개의 커브와 같다. 이 2개의 커브는, Chirp-Z 변환(하기에서 설명됨)을 적용한 이후에 시간 도메인에서 검출기로 반사된 수평 편광 에너지의 진폭("α"로 표시된 상위 커브)과 검출기로 반사된 수직 편광 에너지의 진폭("β"로 표시된 하위 커브)을 나타낸다.
도 7의 하부 그래프는 시간 도메인에서 사람이 검출기에 의해 감지되는 권총을 소지한 때에 발생되는 2개의 커브를 포함한다. 상부 그래프에서와 같이, 2개의 커브들은 시간 도메인에서 사람으로부터 반사된 수평 편광 무선 파장들의 에너지 레벨("У"로 표시된 상위 커브)과 사람으로부터 반사된 수직 편광 무선 파장들의 에너지 레벨("δ"로 표시된 하위 커브)을 나타낸다. "델타 B"로 표시된 커브의 최대 진폭 차이는 통상적으로 "델타 A"로 표시된 상부 그래프의 차이보다 다소 좁다. 일반적으로, 사람이 권총, 또는 실질적인 반사 실체를 제공하는 임의의 다른 물체를 갖는 때에, 물체로부터 반사된 수직 편광 에너지 성분은 증가한다.
도 8 및 9는 권총 검출 실험 동안에 발생된 2쌍의 파형들의 측정된 시간 도메인 테스트 장비 플롯이다. 도 8에서, 사람은 권총을 소지하지 않고 있으며, 2개의 커브의 최대값들은 29.6 dB만큼 떨어져 있다. 입사 편광은 수평이므로, 따라서 수평 수신 편광이 수직 수신 편광보다 크다. 도 9에서, 동일한 사람이 권총을 소지하고 있으며, 2개의 커브의 최대값들의 차이는 단지 7.9 dB이며, 이는 권총의 존재를 표시한다.
2개의 수신 편광들 사이의 진폭들에서의 차이 감소가 한 번의 테스트에 대해 꽤 놀랄만한 것이지만, 다른 경우들에서 이는 매우 적은데, 이에 따라 이러한 측정은 항상 신뢰될 수 없을 것이다. 따라서, 무기의 존재에 관한 결정을 하는 때에, 추가적인 파라메터들 또는 기준이 고려되어야 한다. 더욱이, 무-반향(anechoic) 챔버가 아닌 실제 세계에서, 지면 반사들에 의해 야기된 다중경로 효과들 및 주위 환경에서의 클러터(clutter)로 인해 신호들은 페이딩(fading)된다. 바람직하게, 다중경로 효과들은 상술한 바와같이 넓은 범위의 주파수들에 대한 레이더 스위핑(sweeping)으로 최소화되는데, 이는 일 주파수에서의 소거가 다른 주파수에서 동일한 효과를 갖지 않기 때문이다. 넓은 범위의 주파수들에 대한 스위핑은, 주파수 도메인에서 사용되는 스펙트럼이 넓을수록, 적절한 변환이 적용된 이후에 시간 도메인에서 진폭 및 시간에 대한 분해능이 더 양호하게 된다는 점에서 추가적인 이점을 제공한다.
본 발명에서 바람직하게 사용되는 다른 기준은 2개의 반사 신호들의 상대적인 피크 타이밍이 변한다는 것이다. 사람이 권총 또는 폭탄을 소지하고 있는 경우에, 주로 무기에 의해 생성되는 수직 편광 신호의 상당한 부분이 주로 몸체로부터 반사된 수평 반사에 대하여 시의적절하게 앞으로 이동한다. 이러한 시간 이동은 무기 검출 확률에 기여하는 다른 파라메터이다.
더욱이, 편광된 반사들 모두의 형상은, 사람이 무장한 때에 더욱 분산되는 경향이 있는데, 이는 반사 일부가 무기로부터 오며, 일부가 몸체로부터 오기 때문이다. 따라서, 각 반사에 대해 커브 아래의 면적 대 피크값 비율의 측정은 바람직하게 물체 검출 확률 결정에 기여하게 된다.
마지막으로, co-pol 반사(전형적으로, 수평 편광됨)의 절대 진폭은 사람이 무장화된 때에 무기로부터의 반사로 인해 더 클 수 있는데, 이는 다른 사람들에서의 크기 변화 때문에 자체로서 크게 가중되는 파라메터가 아니다. 만일 co-pol 반사가 매우 큰 사람에 대해 통상적인 값보다 매우 큰 경우에, 이는 홀로 특정 개인에 있어서의 불균형을 나타내며, 가능하게는 은닉 물체를 표시한다. 이 파라메터는 사람이 유산탄을 포함하는 폭탄을 착용하는 때에 상당히 중요하다.
바람직하게, 본 발명은 은닉 무기들을 소지하지 않은 사람들로부터 반사된 신호들을 나타내는 저장값들의 표준 세트를 사용하는 알고리즘을 풀게 됨으로써 구현된다. 바람직하게 복수의 사람들을 사용하여 측정되어 컴파일되는 이 데이터는 도 7의 상부 그래프 및 도 8에서 나타난 정보를 공급한다. 또한, 은닉 무기를 소지하는 사람들로부터 반사된 신호들을 나타내는 저장값들의 표준 세트가 사용된다. 또한, 바람직하게 복수의 사람들을 사용하여 측정되어 컴파일되는 이 데이터는 도 7의 하부 그래프 및 도 9에서 나타난 정보를 공급한다. 본 발명의 개선된 구현에서, 검출기는 무기들을 소지하지 않은 채로, "Safe Zone™"에 들어가 있는 많은 사람들에 의해 발생된 반사 신호들에 관해 점차적으로, 연속적으로 알게 됨으로써 환경에 적응할 수 있다. 이는 임의 개수의 알려진 시스템들 중 하나를 이용함으로써 수행될 수 있는데, 이는 신경망을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
본 발명의 권총 검출 구성에서의 가장 어려운 문제점들 중 하나는 인간 몸체의 변화이다. 현재까지 도시된 모든 데이터는 측정된 주파수 도메인에서 디스플레이된 시간 도메인 플롯으로 전환하기 위해 진폭 입력만을 사용하였다. 하지만, 상술한 바와같이, 이것이 무기 또는 다른 물체의 존재에 대한 신뢰성있는 표시를 제공하기에는 부적절하다.
"물체 검출 시스템"이라는 명칭의 미국특허 제 6.342.696호는 은닉 무기들을 검출하기 위한 신규한 방법들 및 장치들을 개시하는데, 이는 타겟 영역으로부터의 co-pol 및 cross-pol 반사 사이에서의 진폭 차이가 무기가 존재하는지를 결정하는데에 사용되는 시간 도메인 방법의 이용을 포함한다. 위상 정보를 변환에 포함시킴으로써 진폭 및 위상 데이터 모두를 수용할 수 있는 Complex Chirp-Z Transform(CZT)을 이용하는 알고리즘이, 물체 검출의 감도를 개선하는데에 바람직하게 이용된다. CZT는 주파수에 관한 정보를 시간에 관한 정보로 변환하는데에, 즉 주파수 도메인에서 시간 도메인으로 변환하는데에 사용되는 수학적 표현이다. CZT는 라플라스 변환의 이산 형태인 Z Transform의 일반화이다.
은닉 무기를 소지할 수 있는 사람으로부터 반사된 편광 파장들의 위상 측정이 중요한데, 이는 은닉 무기로부터 반사된 편광 파장과 인간 몸체로부터 반사된 편광 파장들이 꽤 다르게 행동하기 때문이다. 일반적으로, 은닉 무기로부터의 반사들은 일정하지는 않지만 비교적 제한된 범위 내에서 변한다. 대조적으로, 인간 몸체로부터의 반사들은 시의적절하게 변하는데, 이는 몸체가 깊이를 가지며, 반사들이 몸체의 다양한 깊이들에서 발생되기 때문인데, 이에 따라 반사들은 비-평탄하게 된다. 변환된 반사의 중심은 몸체 표면 아래에 있는 지점이다. 본 발명은 바람직하게 이러한 특성을 이용하는데, 이는 인간 몸체로부터의 일반적으로 시간/거리 가변 신호들로부터 은닉 무기로부터의 비교적 콤팩트(compact)한 신호들을 구별하는 신호 처리 방법들을 사용함으로써 된다. 비-평탄 데이터를 사용한 결과는 인간 몸체로부터의 반사의 감소인데, 이는 은닉 무기들을 검출하는 본 발명의 성능 및 시스템 감도를 증가시킨다. 따라서, CZT는 인간 몸체와 같은 타겟으로부터 반사된 방사에 의해 발생된 제 2 신호로부터 물체에 의해 반사된 방사에 의해 발생된 제 1 신호의 분리를 돕는다.
복소 변환이 각 주파수 성분의 상대적인 위상 천이에 대한 지식을 요구하는데, 이에 따라, CZT를 사용하기 위해, 진폭 및 위상 정보 모두가 측정기간 동안에 수집되어야 한다. 따라서, 도 2를 참조하면, 위상 검출기가 구현에 도입되었다. 위상 검출기는 사실상 2개의 섹션으로 구축되는데, 섹션들 각각에는 서로에 대해 90°오프셋된 동일 신호들이 공급된다. 하나의 섹션 유닛이 원의 서로다른 4분면들에서 값들을 반복하기 때문에, 위상 검출기에서 불명확성을 제거하기 위해 이러한 직교위상 검출기가 요구된다. 단 하나의 주파수가 소정의 시간에서 존재하기 때문에, 송신 신호에 대한 위상을 측정하는 것이 바람직하다. 바람직하게 cross-pol 반사 신호의 위상 측정이 바람직하게 IF 신호에서 수행된다. 대안으로서, 위상 측정은 큰 차이없이 무선 주파수(RF) 신호에서 수행될 수 있다. 하지만, RF에서 정확한 측정들을 획득하는 것은 더욱 어려우며 비용이 많이 든다. 어느 방법에서나, 송신 신호에 대한 반사 신호의 위상을 측정하는데에 위상 판별기(phase discriminator)가 사용된다. 하지만, IF에서 코히어런시를 유지하는 것에 관한 관심이 존재한다.
바람직하게, 이러한 코히어런시는 반사 신호의 정확한 IF에서 기준을 제공하기 위해 추가 채널을 이용함으로써 유지될 수 있다. 바람직하게, 이는 송신 및 국부 발진기들 모두를 샘플링함과 아울러 위상 검출기 기준을 발생하도록 이들을 혼합함으로써 수행된다. 타겟에 매우 근접하여 있음으로 인해, 반사 신호 수신에 있어서 지연이 단지 나노세컨드이기 때문에, 잡음은 최소화된다. 바람직하게, 하나의 위상 검출 채널이 사용되며, co-pol 및 cross-pol channel들의 개별 위상 측정들을 허용하기 위해 시간 다중화된다. 안정한 기준을 생성하는 대안적인 방법이 IF에서 동작하는 안정한 발진기(stable oscillator)를 이용하여 IF 기준을 사용하는 국부 발진기와 송신 발진기들을 합성하는 것이다.
도 10은 인간 몸체로부터의 샘플 크로스-폴 진폭 및 위상 응답들을 일반적으로 도시하였다. 이 정보는 Complex Chirp-Z 변환을 사용하여 처리된다. 도 10의 파형은 하기와 같이 정의될 수 있다.
S(f) = Afil(t)×A(f)e(2πft + δ(f))
여기서, Afil(t) = 주파수 도메인에서 대역통과 필터의 진폭 응답
A(f) = 주파수 도메인에서 크로스-폴 반사의 진폭 응답
f = 주파수(GHz)
t = 시간(ns)
P(f)= δ(f)= 주파수 도메인에서 크로스-폴 반사의 위상 응답
관심있는 주파수 대역이 세그먼트들 또는 빈(bin)들로 분해된다. 빈들의 개수 "N"는 제로에서 무한대로 접근하는 수인 임의의 실제적인 값이 될 수 있다.
레이더 신호로부터 획득된 데이터는 각 주파수에서 반사된 신호의 진폭 및 위상으로 구성된다. 유용성을 갖기 위해, 이 값들은 시간에 대한 크기를 나타내는 값들로 변환되어야 한다. 하기 내용이 레이더 파라메터들의 정의들이다.
N = 측정이 이루어지는 주파수 샘플들의 개수
F_step = 샘플들 사이의 주파수 단계들의 크기
F_span = 전체 주파수 범위(N×F_step).
주파수 신호를 시간으로 변환하는 표준 방법은 역 이산 퓨리에 변환(IDFT)의 사용을 통한 것이다. IDFT는 N개의 주파수 샘플들을 N개의 시간 샘플들로 변환한다. 결과적인 시간 샘플들은 1/F_span의 해상도로 시간(0)에서 시간(1/F_step)으로 균등하게 이격된다.
IDFT는 하기와 같이 정의된다.
Figure 112007089436753-PCT00001
여기서, X(k)는 N개의 주파수 샘플들(복소)이며, x(n)은 N개의 시간 샘플들이다.
예를 들어, N = 128이며, F_step = 7.8125 MHz인 경우에, IDFT는 128 시간 샘플들을 제공하는데, 여기서 샘플들 각각은 시간 0에서 128 ns에 대해 1 ns로 이격되어 있다. 하지만, 이 방법은 2가지 이유로 부적합한 것으로 판명된다. 우선, 0에서 128의 모든 시간에 관심을 갖지 않으며, 타겟과 물체로부터의 반사가 존재하는, 단지 아주 작은 시간 구간(~10 ns)에만 관심을 갖는다. 둘째로, 1 ns 시간 분해능은 너무 대충적(coarse)이므로, 본 발명에 대해 바람직한 정확한 시간 측정을 할 수 없다는 것이다.
이 2개의 부정확성들은 주파수에서 시간으로 변환하는 Chirp-Z 변환을 사용함으로써 해결된다. Chirp-Z는 IDFT와 동일한 원리에서 동작하지만, 관심대상 영역에서 확대할 수 있는 성능을 허용한다. 포워드(시간에서 주파수) Chirp-Z 변환이 하기와 같이 제공된다.
Figure 112007089436753-PCT00002
여기서,
Figure 112007089436753-PCT00003
Figure 112007089436753-PCT00004
그리고, k = 0,1,...,M-1
A0는 Chirp-Z 초기 반경을 결정한다.
W0는 Chirp-Z 변환의 "스파이럴 팩터(spiral factor)"를 결정한다.
θ0는 전체 간격의 일부로서 시작 위치를 결정한다.
φ0는 전체 간격의 일부로서 단계 크기를 결정한다.
N은 입력(시간) 값들의 개수이다
M은 출력(주파수) 값들의 개수이다.
상기 식들을 사용하고, A0, W0, θ0, φ0, N 및 M에 대한 적절한 값들을 선택함으로써, 변환의 간격 및 분해능이 선택될 수 있다. 본 발명에 대해, A0 및 W0는 바람직하게 1로 세팅된다.
상기 식들은 포워드(시간에서 주파수로의) Chirp-Z 변환을 위한 것이다. 역방향 Chirp-Z 변환은 주파수 데이터의 복소 컨쥬게이트(complex conjugate) 변환의 복소 컨쥬게이트를 취함으로써 계산된다. 예를 들어, N =128 및 M =64를 갖는, 30 ns 내지 40 ns의 시간에서의 값들을 계산하기 위해, 하기와 같이 세팅한다.
θ0= 3D/128(전체 시간으로 나뉘어진 시작 시간)
φ0= (10/128)/64(출력 샘플들의 개수의 의해 나뉘어진 전체 시간에 의해 나뉘어진 타임 스위프)
바람직하게, CWD 시스템을 위한 데이터 처리는 하기의 단계들을 포함한다.
1. 주파수 크기 및 위상 값들을 획득한다
2. 해밍 윈도우(Hamming Window)를 값들에 적용한다
3. 크기 및 위상 값들을 실수 및 허수 값들로 변환한다.
4. 복소값들을 컨쥬게이트한다.
5. Chirp-Z 변환을 수행한다.
6. 결과를 컨쥬게이트한다.
7. 실수 및 허수 값들로부터의 결과를 크기 값들로 변환한다.
다음의 참조 문헌들은 Chirp-Z 변환에 대한 보다 상세한 사항을 제공한다: "The Chirp-Z Transform Algorithm and Its Applications", L. Rabiner 등, MIT Lincoln Laboratory, Bell System Journal, May-June 1969; "Using the Inverse Chirp-Z Transform for Time Domain Analysis of Simulated Radar Signals", Dean A. Frickey, Idaho National Engineering Laboratory; "Linear Filtering Approach to the Computation of Discrete Fourier Transform", L. Bluestein, GT&E, IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, December 1970; 그리고 FredericdeCoulon, Signal Theory and Processing. 이들 참조 문헌 전체는 본원의 참조로서 인용된다.
고속 푸리에 변환에 대한 Chirp-Z 변환의 주요 장점은 수십 피코초의 해상도와 함께 매우 정확한 시간 시프트 데이터가 얻어질 수 있다는 것이다. 이는, 1인치 미만의 해상도를 갖는 코-폴 반사에 대해 크로스-폴 반사 발생의 공간적 위치에 관한 정보를 제공한다. 이는 또한, 크로스-폴이 사람의 몸 내에서 또는 사람의 몸 앞의 물체 또는 그렇지 않으면 사람의 외관에 의해 발생되었는 지의 여부에 관한 정보를 제공한다. 하기 설명되는 신경망은 바람직하게는 결정을 행하는 프로세스의 일부로서 이러한 정보를 이용한다.
타겟으로부터의 2개의 레이더 반사(이들은 서로 다른 극성을 갖는다)를 분리하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는 2개의 개별적인 안테나를 이용하여, 이중 피드(feed)를 갖는 안테나를 이용하는 바, 그중 하나는 코-폴을 위한 것이고 다른 하나는 단면-폴을 위한 것이다. 제 1 안테나는 바람직하게는 수평으로 편광된 파들을 전송하고 동일한 극성(코-폴)으로 수신한다. 제 2 안테나는 바람직하게는 반대 극성(크로스-폴)으로만 수신하고, 전송은 하지 않는다. 보통, 이러한 레이더들은 2개의 수신기 채널들을 이용하여, 수신된 2개의 신호들이 분리되게 한다. 대안적으로, 본 발명의 장치는 신호들을 다중화하고, 마이크로웨이브 스위치를 이용하여 수신기 채널을 안테나들 각각에 교번적으로 접속시킴으로써, 제 2 수신기의 비용을 절약한다. 이러한 절약의 양은 상당하다. 이러한 시도는 각 극성에 대해 개별적인 피드를 이용하는 안테나 설계에도 적용될 수 있다.
바람직하게는, 시간 다중화는 각 입력이 각 안테나에 의해 피드되는 수신기에 대한 입력에 SP2T를 부가함으로써 달성된다. 바람직하게는, 전송된 신호는, 단일 펄스와 대비되는, 약 1 마이크로초 등의 주기에 의해 분리되는 펄스들의 버스트이다. 그룹의 각 펄스로부터의 반사들은 평균화되어, 임의의 설명되지 않는 가끔씩의 이상한 기록(read)들을 무효화(negate)시킨다. 본 응용에 대해서는, 바람직하게는 3 내시 5 펄스들의 그룹이 적절하다.
사람의 몸이 이동하는 데에 걸리는 시간에 대한 측정의 속도로 인해, 세트가 바람직하게는 1 밀리초의 임의 시간 미만 내에 완료되는 한, 상기 기록들은 다양한 시퀀스로 취해질 수 있다. 이에 의해, 코-폴 측정 및 크로스-폴 측정이 각 주파수에서 행해지는 지의 여부, 또는 모든 코-폴 측정이 하나의 주파수 스위프(sweep)에 대해 먼저 행해진 다음, 크로스-폴 측정이 교대의 주파수 스위프에서 행해지는 지의 여부는 문제가 되지 않기 때문에, 시스템은 가장 단순화된 형태로 설계될 수 있다. 후자의 방법은 극성 스위치를 이용하여 코-폴 반사 및 이후 크로스-폴 반사를 선택하고, 단지 1개의 수신기 만을 이용하여 양쪽 모두를 측정할 수 있게 한다. 이렇게 되면, 50 내지 100 나노초의 스위칭 시간을 갖는 비교적 느린 스위치가 이용될 수 있다. 바람직하게는 약 10㎑의 반복율에 의해 측정 스위프는 적절한 시간 내에 완료될 수 있게 된다.
바람직하게는, 수집되는 다양한 타입의 데이터에 가중 함수가 적용된다. 시간 영역으로 변환된 이후 제로 타임에서의 크로스-폴 크기와 시간 영역으로 변환된 이후 제로 타임에서의 코-폴 신호 크기 간의 차이 외에, 귀중한 다른 데이터 부분이 있다. 예를 들어, 보다 큰 사람이 보다 작은 사람보다 약 3dB 더 큰 반사를 생성하기는 하지만, 코-폴 반사 및 크로스-폴 반사의 크기 및 위상 모두의 값들은 사람에 대한 금속(또는 다른 레이더 반사 물질)의 양에 대한 어떠한 표시를 제공한다. 하지만, 폭탄을 가지고 있는 사람은 큰 사람보다 훨씬 더 큰 반사를 생성할 수 있다. 또한, 바람직하게는, 약 300 밀리초가 걸리는 동안, 각 기록에 대한 복수의 주파수 스위프, 및 평균이 계산된다. 안전한 실체(어떠한 종류의 무기도 없다)는 5개의 값들에서 있어서 상당한 편차(큰 표준 편차)를 생성하지만, 무기를 갖는 사람은 훨씬 더 타이트한 패턴을 생성한다. 전자의 조건은 5 또는 그 이상의 dB의 스프레드를 가질 수 있고, 후자는 전형적으로 3dB 미만의 스프레드를 나타낸다. 따라서, 이러한 표준 편차는 귀중한 데이터이다.
본 발명은 바람직하게는 이러한 복수의 파라미터들에 포인터들을 할당하지만, 다른 파라미터들도 이용될 수 있다. 제 1 바람직한 파라미터는 코-폴 반사의 크기이다. 이 자체는 빈약한 판별기(discriminator)이지만, 다른 측정들에 대한 기준의 역할을 한다. 포인트들은, 그 값이 매우 커서 이러한 실체와 관련된 커다른 기형이 있음을 나타낼 때에, 이러한 파라미터들에만 할당된다. 예를 들어, 코-폴 크기가 -47dBm 보다 큰 경우, 3개의 포인트들이 할당될 수 있고, -50dBm 보다 큰 경우에는, 2개의 포인트들이 할당될 수 있으며, -55dBm 보다 큰 경우에는, 1개의 포인트가 할당될 수 있다. 단위 uBm은 1밀리와트에 대한 전력의 절대 측정이다. 제 2 바람직한 파라미터는 복소 크로스-폴 반사의 크기이다. 예를 들더, X-폴 크기가 -60dBm 보다 큰 경우, 2개의 포인트가 할당될 수 있고, -62dBm 보다 큰 경우에는, 1개의 포인트가 할당될 수 있다. 제 3 바람직한 파라미터는 코-폴 반사의 크기와 크로스-폴 반사의 크기 간의 결과적인 차이이다. 예를 들어, 그 차이가 5dB 미만인 경우, 4개의 포인트가 할당될 수 있고, 그 차이가 8dB 미만인 경우, 2개의 포인트가 할당될 수 있으며, 그리고 그 차이가 10dB 미만인 경우, 1개의 포인트가 할당될 수 있다. 제 4 바람직한 파라미터는 크로스-폴 신호와 코-폴 신호 간의 시간 시프트이다. 제 5 바람직한 파라미터는 크로스-폴 파형의 형태로서, 변화된 신호의 시간에 있어서의 스프레드가 커질수록, 이러한 실체 상의 몇 개의 중요한 반사기들의 결과로서 반사되는 가능성이 커진다. 실험적으로 결정된 임계치들과 관련하여 이러한 파라미터들의 측정된 값에 의존하여, 각각에는 복수의 포인트들이 할당되는 것이 바람직하다.
이후, 바람직하게는, 각각의 바람직한 파라미터에 대한 포인트들이 부가되고, 총계가 임의로 또는 통계적으로 결정된 상위 임계치 보다 큰 경우, 그 사람이 무기 또는 다른 물제를 가지고 있다는 것을 증명할 수 있으며, 총계가 하위 임계치와 상위 임계치 간에 있다면, 경고(즉, 재시험)가 보고되는 것이 바람직하며, 총계가 하위 임계치 보다 작은 경우에는, 그 사람은 안전하다는 것이 증명되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 2개의 연속적인 "경고"가 야기되면, 무기 또는 물체를 가지고 있는 것으로 결정한다.
바람직하게는 타겟의 3개의 연속적인 "스냅샷(snapshot)들"의 러닝 합계가 행해진다. 스냅샷들은 바람직하게는 1/4초 증분 시에 취해진다. 따라서, "스냅샷들"은 바람직하게는 3초 미만에 완료되며, 사람이 범위 게이트를 통해 이동하는 것과 약간 다른 위치들에서 취해진다. 이것은, 무기가 한 위치에서 분실되고 다른 위치에서 검출되기 때문에, 훨씬 더 의미있다. 대안적으로, 타겟에 대해 특정량, 예를 들어 120도 회전할 것을 선택에 따라 요구할 수 있는 바, 각 위치에서 기록이 행해진다. 또한, 1개 이상의 장치가 서로 다른 위치들에 배치되어, 서로 다른 방위들로부터 동시에 타겟을 조사하는 것이 바람직하다. 3개의 스냅샷들중 임의의 하나가 무기가 있는 것으로 결정하면, 무기가 있다고 발표하는 것이 바람직하다. 하지만, 3개의 연속적인 스냅샷 포인트들이 총계되는 경우에는, 이러한 발표의 정확성이 상당히 증가하게 된다. 선택에 따라, 무기의 발표는, 스냅샷들 각각이 3개의 연속적인 스냅샷들에 대한 최소수를 갖는 기준에 따라 결정될 수 있다.
상기 방법은 패턴 인식 시스템의 수동적인 구현을 설명한다. 각 파라미터에 할당되는 포인트들 및 이러한 파라미터들의 값들을 갖는 그 편차는 주체적 사람 결정의 결과로서 수동으로 할당된다. 파라미터 값들(포인트 할당)의 가중화를 결정하는 보다 정확한 방법을 달성함에 있어서의 다음 단계는, 인위적인 지능 또는 패턴 인식 기술, 바람직하게는 인위적인 신경망 처리를 이용하는 것이다. 본 발명은 "패턴 인식 워크벤치"(PRW)라 불리는 소프트웨어를 이용하지만, 임의의 유사한 소프트웨어가 적용될 수 있다. 프로그램은 데이터 + 정확한 답을 입력함으로써 트레이팅되며, 이후 프로그램은 데이터를 평가하고, 각 파라미터의 최적의 가중치를 결정하여 정확도를 최대화한다. 타겟들(예를 들어, 사람)의 작은 샘플을 이용하게 되면, 데이터 세트는 100% 정확해질 수 있다. 출력은 컴퓨터 코드로서, 실제 처리를 행하게 될 컴퓨터에 저장된다. 내부컴퓨터는 "핸드 오프(hands off)" 모드에서 동작하여, 임의의 새로운 데이터에 관한 결정이 누적되게 한다. 여기에서 적용될 때, 결과들은 몹시 놀라운 것으로서, 수동으로 선택된 가중에 대한 약 80%로부터 인위적 지능 선택 가중에 대한 98% 이상으로 예측 정확도를 개선한다. 이는, 신경망이 언제 에러가 있는 지를, 예를 들어 가변 크기 및 형상을 갖는 보다 많은 사람들이 테스트되고 일부가 기존의 패턴과 일치하지 않는 때를 알기 때문이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예의 동작을 설명하는 흐름도를 나타낸다.
시스템은 바람직하게는 "무장/비무장" 또는 "대상/비대상" 판단을 출력하도록 설정된다. 시스템은 선택적으로 오퍼레이터에게 특정 판단의 측정치인 스코어 또는 랭킹을 제공한다. 이것은 오퍼레이터가 자신의 판단을 상황에 적용(예를 들어, 대상의 외관을 고려하는 것 등)할 수 있게 한다. 본 발명의 말단 시스템은 바람직하게는 비디오 카메라 및 레이저를 포함한다. 비디오 카메라는 오퍼레이터가 원격으로 안전 지대에 위치하여 검사 대상을 관찰할 수 있게 한다. 또한, 대상의 스코어 및 신경망 결정은 바람직하게는 비디오 화면상의 오버레이(overlay)로서 보여진다. 또한, 상기 유닛들은 바람직하게는 컴퓨터 키보드 또는 유사한 장치를 수용하여 오퍼레이터가 유닛의 동작을 시작 및 정지할 수 있도록 한다. 오퍼레이터는 바람직하게는 키보드를 통해 시스템 민감성(sensitivity)을 변화시키고, 대상이 돌아설 필요가 있는 상황들에서 전면 또는 후면 감지를 선택할 수 있다.
레이저는 바람직하게는 시스템 설치 및 설정 동안 상기 유닛들이 조준하도록 사용될 수 있다. 레이저는 또한 바람직하게는 키보드를 통해 작동되어 오퍼레이터가 시스템이 적절히 설치되었는지를 확인하고 그리고 누가 검사 될 것인지 체크한다.
시스템은 또한 바람직하게는 제 2 비디오 출력을 포함하여 제 2 TV 스크린이 대상을 프롬프트(prompt)하는데 사용되도록 한다. 시스템 레인지 게이트(range gate)에서 대상의 검사시에, 대상으로의 명령들은 프롬프터 스크린상에 나타난다. 정지 상태에서, 명령들은 단순히 '검사영역으로 입장하시오(ENTER TEST AREA)' 등의 메시지일 수 있다. 대상이 들어가게 되면, 스크린은 그 대상에게 예를 들어 양팔을 벌리라는 지시를 한 후에, 그 다음 검사가 완료되었음을 대상에게 알려준다. 이 스크린은 바람직하게는 검사 결과를 보여주지 않으며 오직 원격 오퍼레이서의 스크린에서만 나타난다.
시스템은 또한 바람직하게는 알람 또는 도어락(door lock)과 같은 임의의 장치를 트리거링하는데 사용될 수 있는 단순한 접촉 클로져 출력을 포함한다. 예를 들면, 적색 및 녹색 라이트와 들을 수 있는 호출장치(beeper)를 구비하는 매우 작은 지시자 박스가 트리거링 될 수 있다. 이러한 유형의 박스는 또한 단순한 결정 출력으로서 기능할 수도 있다. 그러나, 비디오 출력은 오퍼레이터에게 훨씬 더 유용하며 또한 키보드 작동에 대한 피드백을 제공할 수도 있다.
은닉된 무기들을 검출하는 것 외에, 본 발명은 대안적으로 임의의 유형 또는 임의의 수의 대상들(명백한 형태를 가지는 물품, 제조품 또는 재공품을 포함하지만 이것들로 한정되지는 않음)을 검출하여 그리고/또는 찾아내도록 채택될 수 있다. 본 발명은 선택적으로 예를 들어 자동 문 열림, 닫힘 기능을 포함하는 것과 같은 자동 문 제어 시스템, 또는 잠금 장치로 통합될 수 있다. 시스템은 또한 폭발물 검출 장치로서 채용될 수도 있다. 다른 대상들의 검출은 어느 주파수 대역이 해당 대상에 대한 최대 정보를 산출하여 인공지능망을 트레이닝하도록 충분한 데이터를 축적할 것인지를 결정하는 문제이다.
지속파 동작
본 발명의 바람직한 실시예는 펄스화된 레이더보다 오히려 지속파 또는 CW, 레이더를 사용한다. CW 동작에 대해 많은 장점이 있다. 생산에 있어 비용이 더 적게 드는데, 왜냐하면 회로 복잡도가 더 낮기 때문이며, 그리고 펄스화된 시스템과 함께 짧은 범위 레이터에 대해 요구되는 좁은 펄스들을 발생시키기에 충분히 빠른 컴포넌트들이 사용되어야만 한다. 추가로, 위상 측정의 정확도가 크게 증가되고 그리고 처프-Z 변환으로부터 얻어진 시간 영역 출력 파형은 더 균일하고, 안정적이고 그리고 정확하다.
도 12는 본 발명의 바람직한 CW 실시예를 구현하기 위한 회로의 도식적 블록도의 비한정적인 예를 나타내고 있다. 낮은 파워 무선 전송기(112)는 제 1 방향성 커플러(113)를 통해 스위치(120)와 전송기 출력 증폭기(118)에 연결되고, 이것은 밴드 패스 필터(116)를 통해 전송 안테나(181)에 연결된다. CW 동작 신호 전송 및 수신은 바람직하게는 동시에 수행되기 때문에, 개별 안테나들은 바람직하게는 각각의 기능을 위해 사용된다. 이제 더 이상 전송/수신 스위치 또는 범위 게이트 스위치가 필요 없는데, 왜냐하면 범위 게이팅은 바람직하게는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 소프트웨어 프로세싱을 통해 수학적으로 수행되기 때문이다. 직교 편광에서 에너지를 검출하는 코폴 안테나(180)와 크로스폴 안테나(182)가 타겟으로부터 다시 반사된 에너지를 수집한다. 대안적으로, 단일의 이중-편광 안테나가 선택적으로 사용될 수 있다. 수신 경로에서의 극성 선택 스위치(124)가 수평 혹은 수직 극성 안테나 또는 포트를 선택하고 그리고 어느 신호가 어떤 주어진 시간에 수신기에 공급되는지를 결정한다. 그 다음에 입력 신호는 밴드 패스 필터(136)와 수신 낮은-노이즈 증폭기(134)를 통해 혼합기(132)에 공급된다. 위상 잠김 로컬 오실레이터(phase locked local oscillator)(130)의 출력은 또한 제 2 방향성 커플러(111)를 통해 혼합기(132)에 공급된다.
중간 주파수 이득 제어 증폭기(140)는 밴드 패스 필터(141)를 통해 혼합기(132)로부터 메인 신호 입력을 수신한다. 그 다음에 증폭기(140)로부터의 출력은 파워 분할기(144)에 건네지고, 이것은 신호를 두 개의 출력으로 분할한다. 하나의 출력은 검출기(146)에서 진폭 변조되고 그리고 그 다음에 프로세서(126)에 다시 공급되기 전에 아날로그-대-디지털 변환기(168)에서 디지털화된다. 파워 분할기(144)로부터의 제 2 출력은 위상 검출기(165)로 공급되어 반사된 신호의 위상 시프트를 측정한다. 전송 신호의 샘플의 기준 위상은 방향성 커플러(113)를 통해 전송기로부터 취해지고 그리고 방향성 커플러(111)를 통해 로컬 오실레이터(130)로부터 취해진 로컬 오실레이터 신호의 샘플과 함께 혼합기(109)에 공급된다. 혼합기의 출력은 증폭기(107)에 공급되고 그리고 그 다음으로 위상 검출기(165)에 공급된다. 위상 검출기(165)의 출력은 아날로그이고 그리고 후속적으로 아날로그-대-디지털 변환기(168)에서 디지털화된다. 디지털화된 신호들은 후속 프로세싱을 위해 제어기(126)에 공급된다.
본 발명의 확산 스펙트럼 레이더는 다음과 같이 동작하는 것이 바람직한바, 소정 시간 간격동안의 동작을 위해서 제 1 주파수가 선택되며, 이후 그 주파수에서의 반사된 신호의 크기 및 위상이 바람직하게 측정된다. 이와같은 프로세스는, 원하는 주파수 범위를 전부 다 커버할 때까지 다른 주파수들에 대해서도 반복된다. 이에 의해 주파수 도메인 파형이 생성된다. 상기 파형의 원하는 부분을 선택하도록, 해밍(hamming) 필터가 사용되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 해밍 윈도우는 소정 팩터에 의해서 데이터를 축적화하여, 샘플링된 주파수들의 유한 넘버에 의해 야기되는 링잉(ringing)을 감소시킨다. 결과적인 주파수 도메인 패턴은 Chirp-Z 변환에 의해 프로세싱되는바, 레인지-게이트된 시간 도메인 신호를 생성한다. 즉, 출력 신호는 특정한 시간 범위를 스팬(span)한다. 상기 시간 범위는 타겟까지의 거리의 특정한 범위와 연관되므로, 시스템은 타겟으로부터 반사된 리턴의 그 부분만을 오직 선택할 수 있는바, 즉, 장치로부터 원하는 거리에서 마치 물리적인 레인지 게이트 스위치가 사용된 것과 유사하다. 상이한 시간에 도달한 상이한 물체들로부터의 신호들은 무시되는 것이 바람직하다. 따라서, 수리적인 레인지 게이팅(mathematical range gateing)으로 인해서, 상기 유닛이 설치되었을 때 조작자가 더 용이하게 거리를 설정할 수 있을뿐만 아니라 가령, 상기 유닛이 나중에 이동되는 경우에도 조작자는 원하는 거리를 용이하게 변경할 수 있다. 해밍 필터링 이전에 대수에서 스칼라 값으로의 전환 및 Chirp-Z 변환 이후에 대수 값으로 다시 전환하는 것은, 선택적으로 수행될 수도 있다. 신경망 네트워크 또는 다른 회로를 통해서 신호를 프로세싱하는 것은 앞서 설명된 바와같이 진행되는 것이 바람직하다.
다중 유닛 동작
본 발명의 하나 이상의 검출기가 물체 검출 성능을 향상시키기 위해 동일 타켓에서 대략 동시에 혹은 순차적으로 그러나 매우 짧은 시간 프레임(예컨대, 밀리세컨드)내에서 사용될 수 있다. 예컨대, 유닛들이 타겟을 에워싸는 서로 다른 위치들에 장착되어 서로 다른 뷰포인트를 제공함으로써, 상기 검출기들중 하나와 반대방향에 있는 타겟의 측부에서 숨겨진 무기 또는 다른 물체가 하나의 다른 검출기에 노출되게된다. 예컨대, 복수의 유닛들은 동일 높이 혹은 서로 다른 높이로 하지만 서로 다른 방위각들로부터 대상을 바라보도록 위치된다. 이러한 다중 유닛들은 서로에 대해 독립적으로 판단을 내릴 수 있게 한다.
추가로, 검출의 정확성은 그들 사이에서 다양한 데이터를 공유하는 2개 이상의 유닛들을 사용함으로써 크게 향상될 수 있다. 일 실시예에서, 각 유닛은 신호를 전송 및 수신하는데 있어 독립적으로 동작할 수 있으며, 따라서 이 유닛들은 예컨대 이들의 저장된 co-pol 신호 진폭들 각각을 공유한다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 유닛들이 이들 자신의 전송 및 다른 유닛들의 전송으로부터 기인하는 co-pol 신호 진폭 데이터를 수집한다. 따라서, 평균 co-pol이 결정되어, 다른 판독 값들에 대한 보다 정확한 기준을 제공하는데 이용될 수 있다. 이어서, 각 유닛은 cross-pol 진폭을 그 자신의 co-pol 판독 값 뿐만 아니라 모든 co-pol 판독 값의 평균과 비교한다. cross-pol 신호를 평균화함과 아울러 다른 파라메터들을 이용하는 것은 유용한 것으로 나타났다. 일 예(오로지 이에 국한되는 것은 아님)에서, 2개의 유닛을 이용하여 숨겨진 무기들을 검출하는데 유용한 것으로 나타난 파라메터들의 수는 16개로서 이는 통상적으로 단일 유닛으로부터 단지 6개인 것과는 상반되는 것이다. 이들 파라메터들 각각은 바람직하게도 긍정적 경향을 보여주고 있으며, 이들 각각이 50% 이상의 정확도를 갖는 한, 많은 결과들을 결합은 시스템의 정학성 및 결정의 강건성(robustness)을 크게 증대시킨다. 파라메터의 또 다른 가능한 예로서, co-pol 기준의 정확성을 조사하고 반사들 간의 미소한 시간차를 측정하는 것이 있다.
다중 유닛들이 사용될 때, 단지 하나의 유닛은 주어진 시간에 전송을 행해야만 한다. 따라서, 각 유닛의 CW 동작은 중단된다. 이는 레이다를 펄싱하는 것과는 동일하지 않은바, 그 이유는 각 유닛이 동작하는 시가 주기가 레이다부터 타겟으로그리고 다시 타겟으로부터 레이다로의 신호의 전송시간과 비교하여 매우 길며, 또한 회로의 시정수의 측정과 비교하여 매우 길기 때문이다. 이 시스템은 주파수를 대략 매 27마이크로세컨드마다 변화시켜, 만일 3개의 유닛이 한 시스템에서 (예컨대, 모든 아지무스로부터 타겟을 동시에 뷰잉할 수 있도록 하는데) 이용되는 경우, 각 유닛은 각 주파수에서 판독을 행하는데 대략 6 또는 7 마이크로세컨드를 갖는다. 이 시간은 충분히 긴 시간이다. 이와 같은 인터레이싱(interlacing)은 3개의 유닛으로부터의 판독 값을 3개의 유닛으로부터의 판독 값이, 다른 사스템들이 1개의 유닛으로부터 판독 값을 얻는데 필요한 것과 동일한 시간 량으로 얻어질 수 있게 해준다.
소프트웨어는 그래픽 유저 인터페이스(GUI)의 이용에 대한 용이성을 지니고 있다. 설치기는 시스템에서의 유닛들의 수의 선택을 쉽게 선택할 수 있고, 모든 유닛들이 통신하는 것을 쉽게 체크할 수 있으며, 시간 도메인 플롯을 실제로 볼 수 있다. 이는 오퍼레이터가 건물 층의 레바(rebar) 혹은 벽의 금속 스터드와 같은 그러한 은폐된 클러터가 있는지 여부를 판단하는데 도움을 준다. GUI는 역시 오퍼레이터로 하여금 시스템의 감도(sensitively)를 세팅하기 위한 결정 드레쉬홀드(decision thersholds)를 선택할 수 있게 해준다.
예 1
검출을 위해 테스트되는 타겟들은, .22 구경 권총, 글록(Glock) 9mm 반자동식 권총, Uzi 습격 라이플총(Uzi assault rifle)을 포함한 다양한 무기들, 및 유산탄으로서의 네일(nail)을 구비하는 것들, 유산탄 및 유산탄없는 폭발성 시뮬레이션 포켓으로서의 고무총 볼을 포함한 다양한 테러리스트 스타일의 폭탄을 포함한다. 표 2는 9.5 내지 10.7㎓ 주파수 대역을 이용하고 수평 편광에 의해 조사되는 본 발명에 따른 다양한 무기들의 검출과 관련된 샘플 테스트 데이터를 디스플레이한다. 데이터는 정면에서만 취해졌다. 이러한 데이터는, 그 크기 및 가중치가 약 100 파운드에서 220 파운드에 이르고 높이가 5'0" 내지 6'2"인 12명의 서로 다른 사람들을 이용하여 취해졌다. 나타낸 바와 같이, 시스템은 116개의 안전한 경우들중에서 115개에 대해 정확했으며, 이에 따라 283개의 무기 경우들 중에서 단지 1개의 잘못된 양(positive) 및 0개의 잘못된 음(negative)을 산출한다. (NA는 적용할 수 없음을 의미한다.)
경우 테스트 수 정확한 것 정확한 % 잘못된 음 잘못된 양 경고
.22 권총 60 60 100% 0 NA 0
볼 59 59 100% 0 NA 0
글럭 57 57 100% 0 NA 0
네일 62 62 100% 0 NA 0
Uzi 45 45 100% 0 NA 0
무기없슴 116 115 99% NA 1 0
비록 본 발명이 특정의 바람직하고 대안적인 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었지만, 다른 실시예들이 동일한 결과를 달성할 수 있다. 당업자라면 하기의 청구항의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 개선이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 발명의 변경 및 변형은 당업자에게 명백하며, 이러한 모든 변형 및 등가를 포함하는 것으로 의도된다. 상기 개시된 회로 구성 요소들은 본 명세서를 읽는 사람들에게 특정의 바람직하고 대안적인 실시예들에 관하여 교시하고자 한 것이며, 본 발명의 한계 또는 청구항의 범위를 강제하고자 하는 것은 아니다. 비록 특정의 하드웨어 구성 또는 주파수 대역을 특정하게 강조하면서 바람직한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명은 다양한 회로 구성 요소들 또는 주파수 범위를 이용하여 구현될 수 있다. 비록 Chirp-Z 변환을 특정하게 강조하면서 특정의 신호 처리 방법 및 장치가 설명되었지만, 본 발명의 대안적인 실시예들은 다양한 다른 수학적 방법들을 이용하여 구현될 수 있다. 상기 인용된 모든 특허 및 공표물의 전체 개시는 본원의 참조로서 인용된다.

Claims (18)

  1. 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법으로서,
    주파수 범위 내에서 선택된 주파수들에서 상기 타겟에 연속적인 파 전자기 방사를 전송하는 단계와;
    각각의 선택된 주파수에서 상기 타겟으로부터 반사된 2개의 직교 편광된 신호들을 수신하는 단계와;
    상기 반사된 신호들의 진폭 및 위상을 측정하는 단계와;
    주파수 도메인 파형을 발생시키는 단계와;
    상기 파형을 상기 타겟에 대한 거리에 해당하는 시간 윈도우에서 시간 도메인으로 변형하는 단계와; 그리고
    상기 물체가 상기 타겟 상에 은닉되었는 지를 결정하기 위해, 상기 시간 도메인 파형을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 도메인 파형을 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터링 단계는 해밍 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 단계는 Chirp-Z 변환을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 단계는 상기 신호의 범위 게이팅을 야기하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 복수의 유닛들을 이용하며, 각 유닛은 상기 전송 단계 및 수신 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유닛들은 상기 전송 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 유닛의 연속적인 파 전송은 다른 유닛들이 방사를 전송할 수 있도록 인터럽트되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 유닛의 연속적인 파 전송의 시간은 상기 유닛으로부터 타겟으로의 그리고 다시 유닛으로의 방사의 전송 시간과 오래 비교되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 유닛들은 상기 수신 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 각 유닛은 그 자신의 전송기에 의해서만 전송되는 신호들을 수신하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 유닛은 다른 유닛의 전송기에 의해 전송되는 신호들을 수신하는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 유닛들에 의해 수신되는 반사 신호들은 비교되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 유닛에 의해 수신되는 신호 진폭들은 평균되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 유닛들은 상기 타겟에 대해 다른 높이로 배치되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 유닛들은 다른 관점으로부터 상기 타겟을 조사하도록 방위가 정해지는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 무기, 화기, 폭탄, 자살 조끼, 폭발물, 상품, 태그, 재공품, 재고품 및 제조품으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 가게 좀도둑질 또는 재고품 절도를 막도록 수행되는 것을 특징으로 하는 타겟에 은닉된 물체를 검출하는 방법.
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