KR20160105178A - 침입자 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20160105178A
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Abstract

본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호에 기초하여 제1 신호와 상기 제1 신호에 대응되는 제2 신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 제1 신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부, 상기 제1 신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 상기 제1 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제3 신호 및 상기 제2 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제4 신호에 기초하여 상기 송신신호와 상기 반사신호의 위상차를 산출하는 위상차 산출부, 그리고 상기 위상차에 기초하여 상기 목표물의 침입자 여부를 판별하는 침입자 판별부를 포함한다.

Description

침입자 탐지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING INVADER}
침입자 탐지 장치 및 방법이 제공된다.
보안 문제와 관련하여 실내외 무단 침입자를 탐지하는 장치가 사용되고 있다. 실내외 무단 침입자를 탐지하기 위한 장치는 레이더를 이용하여 전파를 발사하고 침입자에 의한 반사파를 감지하여 침입자를 판별할 수 있다.
침입자를 탐지하기 위한 장치는 고정된 물체뿐만 아니라 쥐와 같은 작은 생물을 침입자로 인식하지 않아야 한다. 따라서, 사람을 침입자로 판별하기 위해서는 레이더를 이용하여 물체의 면적을 측정할 수 있어야 한다. 또한, 침입자의 이동 및 위치를 파악하기 위하여 물체까지의 거리를 측정할 수 있어야 한다.
물체의 거리를 측정하기 위한 레이더로 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더가 사용될 수 있다. FMCW 레이더는 주파수가 변조된 전파를 연속으로 발사하여 물체에 의해 반사되는 반사파를 수신하고, 도플러 주파수에 기초하여 물체의 속도 및 거리를 감지하는 레이더이다.
종래의 FMCW 레이더를 이용하는 장치는 수신한 반사파로부터 도플러 주파수 정보를 얻기 위해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하였지만, 하드웨어적으로 복잡하고, 높은 비용이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 특히 실내에서 침입자를 탐지하는 경우 실내에 위치하는 물체나 벽으로부터 반사되는 반사파에 의해 노이즈(noise)가 발생할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 침입자를 탐지하기 위한 장치의 하드웨어를 간소화하기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 침입자를 탐지하기 위한 장치에 감지되는 노이즈를 제거하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호에 기초하여 제1 신호와 상기 제1 신호에 대응되는 제2 신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 제1 신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부, 상기 제1 신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부, 상기 제1 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제3 신호 및 상기 제2 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제4 신호에 기초하여 상기 송신신호와 상기 반사신호의 위상차를 산출하는 위상차 산출부, 그리고 상기 위상차에 기초하여 상기 목표물의 침입자 여부를 판별하는 침입자 판별부를 포함한다.
여기서, 상기 제1 신호는 상기 송신신호에 대한 코사인(cos) 신호일 수 있고, 상기 제2 신호는 상기 송신신호에 대한 사인(sin) 신호일 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 저역통과필터(low pass filter)를 이용하여 상기 제3 신호와 상기 제4 신호를 필터링하는 필터링부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 위상차 산출부는 필터링된 상기 제4 신호의 값을 필터링된 상기 제3 신호의 값으로 나누고 아크탄젠트(arctan)를 취하여 상기 위상차를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 필터링된 신호에서 상기 탐지 공간에 존재하는 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈(background noise)를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 노이즈 제거부는 상기 필터링된 신호의 첫 번째 인덱스(index)부터 한 주기까지의 신호인 기준신호를 저장하고, 상기 기준신호 이후의 각 주기의 신호에서 상기 기준신호를 빼서 상기 백그라운드 노이즈를 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교하여 상기 목표물의 출현시점을 검출하는 출현시점 검출부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 출현시점 검출부는 상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 인덱스 그룹에서 미리 정해진 크기의 파워보다 큰 파워를 갖는 인덱스의 개수가 미리 정해진 개수 이상인 경우 상기 인덱스 그룹에 대응되는 시점을 상기 목표물의 출현시점으로 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 상기 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 상기 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출하는 도플러 주파수 산출부, 상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 거리 산출부, 그리고 상기 목표물까지의 거리, 상기 송신신호의 파워, 그리고 상기 반사신호의 파워에 기초하여 상기 목표물의 면적을 산출하는 면적 산출부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 침입자 판별부는 상기 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 상기 목표물을 침입자로 판별할 수 있다.
또한, 상기 침입자 판별부는 상기 도플러 주파수에 기초하여 상기 침입자의 속도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더를 이용할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 침입자 탐지 방법은 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호에 기초하여 제1 신호와 상기 제1 신호에 대응되는 제2 신호를 생성하는 단계, 상기 제1 신호를 탐지 공간에 방사하는 단계, 상기 제1 신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 단계, 상기 제1 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제3 신호 및 상기 제2 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제4 신호에 기초하여 상기 송신신호와 상기 반사신호의 위상차를 산출하는 단계, 그리고 상기 위상차에 기초하여 상기 목표물의 침입자 여부를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 저역통과필터를 이용하여 상기 제3 신호와 상기 제4 신호를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 필터링된 상기 제4 신호의 값을 필터링된 상기 제3 신호의 값으로 나누고 아크탄젠트(arctan)를 취하여 상기 위상차를 산출할 수 있다.
또한, 필터링된 신호에서 상기 탐지 공간에 존재하는 고정 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈를 제거하는 단계, 그리고 상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교하여 상기 목표물의 출현시점을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 상기 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출하는 단계, 상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 단계, 그리고 상기 목표물까지의 거리, 상기 송신신호의 파워, 그리고 상기 반사신호의 파워에 기초하여 상기 목표물의 면적을 산출하는 단계를 더 포함하고, 상기 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 상기 목표물을 침입자로 판별할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 침입자를 탐지하기 위한 장치의 하드웨어를 간소화할 수 있고, 침입자를 탐지하기 위한 장치에 감지되는 노이즈를 제거할 수 있다.
도 1은 FMCW 레이더를 이용하여 목표물 감지하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 송신신호의 예시이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백그라운드 노이즈와 목표물의 출현시점을 나타내는 신호의 예시이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 예시이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 송신신호와 수신신호의 예시이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치의 상세 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 방법의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 위상차를 이용하여 침입자를 판별하는 방법의 순서도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 FMCW 레이더를 이용하여 목표물 감지하는 도면이다.
본 발명의 목표물이라 함은 침입자 탐지 장치가 탐지하는 공간에 출현하여 침입자로 판별될 수 있는 대상을 의미한다.
FMCW 레이더는 송신기에서 주파수가 변하는 전파를 연속으로 송신하고, 수신기에서 목표물에 의해 반사된 반사신호를 수신한다. 송신기는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성할 수 있다. 송신기에서 생성된 송신신호는 φtx의 위상을 갖는 신호로 FMCW 레이더의 외부로 송신될 수 있다. 수신기는 목표물에 의해 반사되어 φrx의 위상을 갖는 반사신호를 수신할 수 있다. 송신기에서 송신된 신호는 일정한 지연시간 후에 수신기에 의해 반사신호로 감지될 수 있고, 목표물의 거리가 멀수록 지연시간이 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 FMCW 레이더를 이용하여 실내 또는 실외의 침입자를 탐지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 탐지 공간에 설치되어 해당 공간에 침입한 사람을 판별하고, 쥐와 같은 작은 생물체가 침입한 경우에는 침입자로 판별하지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 목표물의 면적을 산출하여 해당 면적이 미리 정해진 크기 이상이 되는 경우, 목표물을 사람으로 인식하여 침입자로 판별할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 목표물까지의 거리를 산출하여 침입자의 위치를 알아낼 수 있고, 도플러 주파수를 산출하여 침입자의 속도를 알아낼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 이하에서 설명하는 바와 같이 고속 푸리에 변환을 수행하지 않고 단순한 삼각함수 계산을 통해 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출하여 목표물의 면적, 목표물까지의 거리, 도플러 주파수 등을 산출할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 7을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치에 대하여 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치의 블록도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 송신신호의 예시이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백그라운드 노이즈와 목표물의 출현시점을 나타내는 신호의 예시이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 예시이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 송신신호와 수신신호의 예시이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치의 상세 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 신호 생성부(110), 신호 송신부(120), 신호 수신부(130), 필터링부(140), 노이즈 제거부(150), 그리고 신호 처리부(160)를 포함한다. 신호 처리부(160)는 출현시점 검출부(161), 위상차 산출부(162), 도플러 주파수 산출부(163), 거리 산출부(164), 면적 산출부(165), 그리고 침입자 판별부(166)를 포함한다.
신호 생성부(110)는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성한다. 예를 들어, 신호 생성부(110)는 도 3과 같이 주파수가 일정한 기울기로 증가하다가 감소하는 삼각파 형태의 송신신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 신호 생성부(110)는 침입자 탐지 장치로부터 목표물을 탐지하기 위한 최소 거리에 기초하여 샘플링 주파수 및 샘플링 신호의 주파수 상승폭을 설정할 수 있다. 예를 들어, 신호 생성부(110)는 침입자 탐지 장치로부터 최소 1m 거리의 목표물을 탐지하기 위하여 샘플링 주파수를 150MHz, 샘플링 신호의 주파수 상승폭을 6.6kHz로 설정할 수 있다. 도 3의 송신신호는 주파수 변조폭(Modulation B)이 50MHz인 신호로, -25MHz에서 25MHz의 주파수 범위와 100μs의 주기를 갖는 신호이다.
신호 생성부(110)는 생성된 신호를 송신하기 위해 송신신호를 특정 위상 값을 갖는 아날로그 신호의 형태로 변환할 수 있다. 예를 들어, 신호 생성부(110)는 생성된 신호를 코사인(cos) 신호와 이에 대응되는 사인(sin) 신호로 변환할 수 있다. 이 경우, 코사인(cos) 신호는 침입자 탐지 장치 외부로 송신하기 위한 신호일 수 있고, 사인(sin) 신호는 반사신호와 곱해져서 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출하기 위한 신호일 수 있다.
신호 송신부(120)는 신호 생성부(110)에서 생성된 송신신호를 침입자 탐지 장치의 외부인 탐지 공간에 방사한다. 침입자 탐지 장치는 고정된 목표물을 탐지하는 것이 아니고, 해당 공간 어디든지 출현될 수 있는 침입자를 탐지하는 장치이기 때문에 송신신호를 방사하여 침입자를 탐지할 수 있다. 신호 송신부(120)는 신호 생성부(110)에서 생성된 신호 중 코사인(cos) 신호를 방사할 수 있다.
신호 수신부(130)는 신호 송신부(120)로부터 방사된 송신신호가 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신한다.
필터링부(140)는 저역통과필터(low pass filter)를 이용하여 송신신호와 반사신호의 곱에 대한 신호를 필터링한다. 필터링부(140)는 저역통과필터를 이용하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출하기 위한 신호를 얻을 수 있다.
송신신호와 반사신호의 곱은 다음의 수학식 1 및 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, Φtx는 송신신호의 위상을 나타내고, Φrx는 반사신호의 위상을 나타낸다. 그리고, cos(Φtx)와 sin(Φtx)는 각각 신호 생성부(110)에서 생성된 코사인(cos) 신호와 사인(sin) 신호이다.
필터링부(140)는 수학식 1 및 수학식 2의 두 개의 수식으로 표현되는 신호를 저역통과필터를 이용해 필터링할 수 있다. 신호 생성부(110)에서 생성된 코사인(cos) 신호와 반사신호를 곱하여 생성된 신호는 저역통과필터를 통과하여 송신신호와 반사신호의 위상차 정보를 포함하는 신호가 된다. 그리고, 신호 생성부(110)에서 생성된 사인(sin) 신호와 반사신호를 곱하여 생성된 신호는 저역통과필터를 통과하여 송신신호와 반사신호의 위상차 정보를 포함하는 신호가 된다. 필터링부(140)를 통과한 신호는 다음의 수학식 3 및 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
필터링부(140)는 저역통과필터를 이용하여 수학식 3 및 수학식 4와 같이 송신신호와 반사신호의 위상차(Φtx-Φrx) 정보만 포함된 신호, A 및 B를 얻을 수 있다.
노이즈 제거부(150)는 필터링된 신호에서 탐지 공간에 존재하는 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈(background noise)를 제거한다. 필터링된 신호에는 목표물의 출현신호와 탐지 공간에 존재하는 물체에 의한 신호가 포함될 수 있으므로, 노이즈 제거부(150)는 백그라운드 노이즈를 제거하여 목표물의 출현신호만 검출할 수 있다. 따라서 목표물이 출현하지 않은 경우, 필터링된 신호에는 탐지 공간에 존재하는 물체에 의한 반사신호만 존재하므로 노이즈 제거부(150)에 의해 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워는 0에 가까운 신호가 될 수 있다. 도 4 및 도 5와 같이 노이즈 제거부(150)는 목표물의 출현시점(B) 전의 백그라운드 노이즈(A)를 제거하여 백그라운드 노이즈가 제거된 신호(A＇)를 얻을 수 있다.
예를 들어, 노이즈 제거부(150)는 필터링된 신호의 첫 번째 인덱스(index)부터 한 주기까지의 신호인 기준신호를 저장하고, 기준신호 이후의 각 주기의 신호에서 기준신호를 빼서 백그라운드 노이즈를 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 노이즈 제거부(150)에서 백그라운드 노이즈를 제거함으로써 특히 실내에서 발생될 수 있는 노이즈의 영향을 감소시킬 수 있다.
신호 처리부(160)는 노이즈 제거부(150)에서 노이즈가 제거된 신호를 이용하여 목표물의 출현시점, 송신신호와 반사신호의 위상차, 도플러 주파수, 목표물까지의 거리, 목표물의 면적 등 다양한 정보를 산출하고, 침입자 여부를 판별한다.
출현시점 검출부(161)는 노이즈 제거부(150)에서 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정하여 목표물의 출현시점을 검출한다. 목표물이 출현하지 않는 경우, 출현시점 검출부(161)는 도 5와 같이 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 매우 작은 값으로 측정할 수 있다. 따라서, 출현시점 검출부(161)는 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정하여 미리 설정된 크기보다 큰 경우, 목표물의 출현시점을 검출할 수 있다.
예를 들어, 출현시점 검출부(161)는 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 인덱스 그룹에서 미리 정해진 크기의 파워보다 큰 파워를 갖는 인덱스의 개수가 미리 정해진 개수 이상인 경우 인덱스 그룹에 대응되는 시점을 목표물의 출현시점으로 검출할 수 있다. 구체적으로, 출현시점 검출부(161)는 백그라운드 노이즈가 제거된 신호 중 처음 20개 인덱스를 하나의 그룹으로 지정하여 첫 그룹의 평균 파워를 측정할 수 있다. 출현시점 검출부(161)는 다음 그룹의 인덱스 별로 파워를 측정하고, 첫 그룹의 평균 파워보다 1.5배 큰 인덱스가 17번 이상인 경우 해당 그룹에 대응되는 시점을 목표물의 출현시점으로 검출할 수 있다.
출현시점 검출부(161)에서 목표물의 출현을 검출하는 경우, 침입자 탐지 장치는 이하에서 설명하는 것과 같이 목표물의 다양한 정보를 산출하여 목표물의 침입자 여부를 판별할 수 있다.
위상차 산출부(162)는 송신신호 및 반사신호를 이용하여 생성된 신호에 기초하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출한다. 예를 들어, 위상차 산출부(162)는 송신신호 중 코사인(con) 신호와 반사신호를 곱하여 생성된 신호 및 송신신호 중 사인(sin) 신호와 반사신호를 곱하여 생성된 신호에 기초하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출할 수 있다. 이 경우, 위상차 산출부(162)는 수학식 3 및 수학식 4의 A 신호 값과 B 신호 값을 이용하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출할 수 있다.
위상차 산출부(162)는 다음의 수학식 5와 같이 수학식 3 및 수학식 4의 A 신호 값과 B 신호 값으로 이루어진 식에 아크탄젠트(arctan)를 취하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출할 수 있다.
Figure pat00005
도플러 주파수 산출부(163)는 위상차 산출부(162)에서 산출한 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 산출한 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출한다. 예를 들어, 도플러 주파수 산출부(163)는 위상차 산출부(162)에서 산출한 위상차를 누적하고 평균을 취하여 도플러 위상을 산출할 수 있고, 산출한 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출할 수 있다.
도 3과 같이 송신신호의 주파수 범위를 특정 음의 값부터 상기 음의 값과 절대값이 동일한 양의 값까지로 생성하여 신호를 송신한 경우, 목표물의 움직임이 없으면 산출한 위상차를 누적하고 평균을 취한 값은 0이 될 수 있다. 목표물의 움직임에 의한 도플러 위상이 생기는 경우, 산출한 위상차를 누적하고 평균을 취한 값은 0이 되지 않을 수 있다. 따라서, 도플러 주파수 산출부(163)는 위상차 산출부(162)에서 산출한 위상차를 누적하고 평균을 취하여 도플러 위상을 산출할 수 있다.
도플러 주파수 산출부(163)에서 산출한 도플러 주파수의 존재를 통해 침입자 탐지 장치는 물체의 움직임을 여부를 확인할 수 있고, 도플러 주파수에 기초하여 침입자의 속도를 산출할 수 있다.
거리 산출부(164)는 송신신호와 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 목표물까지의 거리를 산출한다. 예를 들어, 거리 산출부(164)는 위상차 산출부(162)에서 산출한 위상차에서 도플러 주파수 산출부(163)에서 산출한 도플러 위상을 빼주어 도플러 효과가 제거된 송신신호와 반사신호 사이의 위상차를 산출할 수 있다. 도플러 효과가 제거된 위상차를 주파수로 변환한 값이 도 6의 주파수 차이(Freq. difference) 값이다.
거리 산출부(164)는 도 6과 같이 송신신호(ftx)의 주파수 변화 기울기 값과 주파수 차이 값을 이용하여 송신신호(ftx)와 반사신호(frx) 사이의 지연시간(Delay)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 거리 산출부(164)는 주파수 차이 값을 주파수 변화 기울기 값으로 나누어 지연시간을 산출할 수 있다. 거리 산출부(164)는 산출한 지연시간을 거리로 환산하여 침입자 탐지 장치와 목표물까지의 거리를 산출할 수 있다.
면적 산출부(165)는 거리 산출부(164)에서 산출한 목표물까지의 거리, 송신신호의 파워, 반사신호의 파워에 기초하여 목표물의 면적을 산출한다. 예를 들어, 면적 산출부(165)는 다음의 수학식 6를 이용하여 목표물의 면적을 산출할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, A는 목표물의 면적이고, R은 목표물까지의 거리, Srx는 반사신호의 파워, 그리고 Stx는 송신신호의 파워이다.
침입자 판별부(166)는 면적 산출부(165)에서 산출한 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 목표물을 침입자로 판별한다. 예를 들어, 쥐나 고양이와 같은 작은 생명체는 면적이 미리 정해진 크기 미만이기 때문에 침입자 판별부(166)는 쥐나 고양이를 침입자로 판별하지 않을 수 있다. 또한, 침입자 판별부(166)는 도플러 주파수 산출부(163)에서 산출한 도플러 주파수에 기초하여 침입자의 속도를 산출할 수 있다.
이하에서는 도 7을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치의 회로 구성에 대하여 설명한다. 도 2의 침입자 탐지 장치의 블록도는 도 7과 같은 회로를 이용하여 구성될 수 있다.
송신신호를 생성하는 경우, 신호 생성부(110)는 합산부(111), 코사인(cos) 신호 생성부(112), 사인(sin) 신호 생성부(113), 디지털 아날로그 컨버터(114)를 포함할 수 있다. 신호 생성부(110)는 샘플마다 주파수가 바뀌는 송신신호(fM(i))에 fbias를 더하여 주파수 대역을 조절할 수 있다. 필터링부(140)는 fbias에 의해 고주파 대역으로 올라간 신호를 저역통과필터(LPF)로 제거하여 송신신호와 반사신호의 위상차 정보가 포함된 신호를 쉽게 얻을 수 있다.
신호 생성부(110)는 합산부(111)를 이용하여 송신신호 각각의 샘플 주파수를 합산하여 송신신호의 위상을 산출할 수 있다. 코사인(cos) 신호 생성부(112)와 사인(sin) 신호 생성부(113)는 산출한 위상을 이용하여 코사인(cos) 신호와 사인(sin) 신호를 생성할 수 있다. 또한, 신호 생성부(110)는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)(114)를 이용하여 코사인(cos) 신호와 사인(sin) 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.
신호 송신부(120)는 믹서(mixer)(121)를 이용해 변환된 송신신호에 반송파(cosfc)를 곱하여 송신신호의 주파수 대역을 이동시킬 수 있다. 신호 송신부(120)는 주파수 대역이 이동된 신호를 탐지 공간으로 방사할 수 있다.
신호 수신부(130)는 반사신호를 수신하여 믹서(131)를 이용해 반송파와 곱하고, 다운 샘플링하여 기저대역(baseband)으로 반사신호의 주파수 대역을 이동시킬 수 있다.
기저대역의 반사신호는 수학식 1 및 수학식 2와 같이 믹서(132)에 의해 코사인(cos) 신호 및 사인(sin) 신호와 곱해질 수 있다. 반사신호와 송신신호의 곱에 대한 신호는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(133)에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있다.
필터링부(140)는 저역통과필터(LPF)를 이용하여 변환된 신호의 고주파 성분을 제거하고, 디지털 신호 처리기(DSP)(170)에 송신신호와 반사신호의 위상차 정보를 포함하는 신호를 보내줄 수 있다.
노이즈 제거부(150) 및 신호 처리부(160)는 디지털 신호 처리기(DSP)(170)에 의해 구현될 수 있다. 디지털 신호 처리기(DSP)는 앞에서 설명한 내용과 같이 백그라운드 노이즈 제거 및 도플러 주파수, 목표물까지의 거리, 목표물의 면적 등을 산출하여 침입자를 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출하는 과정에서 고속 푸리에 변환을 하지 않으므로 연산이 간단해질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 장치는 실외보다 실내에 더 존재하는 백그라운드 노이즈를 제거하여 실내에서 침입자를 용이하게 탐지할 수 있다.
이하에서는 도 8 및 도 9를 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 실시예에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 침입자 탐지 방법의 순서도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 위상차를 이용하여 침입자를 판별하는 방법의 순서도이다.
침입자 탐지 장치는 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호를 생성하고(S101), 송신신호를 탐지 공간에 방사한다(S102). 이 경우, 침입자 탐지 장치는 송신신호를 코사인(cos) 신호 성분과 이에 대응하는 사인(sin) 신호 성분으로 변환하고, 코사인(cos) 신호 성분만 탐지 공간에 방사할 수 있다. 침입자 탐지 장치는 송신신호가 탐지 공간에 존재하는 목표물을 포함하는 물체에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신한다(S103).
침입자 탐지 장치는 저역통과필터를 이용하여 수학식 1 및 수학식 2와 같은 송신신호와 반사신호의 곱에 대한 신호를 필터링하고(S104), 필터링된 신호에서 탐지 공간에 존재하는 고정 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈를 제거한다(S105).
침입자 탐지 장치는 백그라운드 노이가 제거된 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교하여 목표물의 출현시점을 검출한다(S106). 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워가 미리 설정된 크기보다 큰 경우, 침입자 탐지 장치는 노이즈가 제거된 신호에 아크탄젠트(arctan)를 취하여 송신신호와 반사신호의 위상차를 산출한다(S107). 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워가 미리 설정된 크기보다 크지 않은 경우, 침입자 탐지 장치는 목표물이 출현할 때까지 계속하여 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교할 수 있다.
마지막으로, 침입자 탐지 장치는 송신신호와 반사신호의 위상차에 기초하여 목표물의 침입자 여부를 판별한다(S108).
이하에서 도 9를 참고로 하여 침입자 탐지 장치가 송신신호와 반사신호의 위상차에 기초하여 목표물의 침입자 여부를 판별하는 방법을 설명한다.
침입자 탐지 장치는 산출된 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출한다(S11). 침입자 탐지 장치는 송신신호와 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 목표물까지의 거리를 산출한다(S12). 그리고, 침입자 탐지 장치는 목표물까지의 거리, 송신신호의 파워, 반사신호의 파워에 기초하여 목표물의 면적을 산출한다(S13).
침입자 탐지 장치는 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 목표물을 침입자로 판별한다(S108).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110 : 신호 생성부 120 : 신호 송신부
130 : 신호 수신부 140 : 필터링부
150 : 노이즈 제거부 160 : 신호 처리부
161 : 출현시점 검출부 162 : 위상차 산출부
163 : 도플러 주파수 산출부 164 : 거리 산출부
165 : 면적 산출부 166 : 침입자 판별부

Claims (17)

  1. 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호에 기초하여 제1 신호와 상기 제1 신호에 대응되는 제2 신호를 생성하는 신호 생성부,
    상기 제1 신호를 탐지 공간에 방사하는 신호 송신부,
    상기 제1 신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 신호 수신부,
    상기 제1 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제3 신호 및 상기 제2 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제4 신호에 기초하여 상기 송신신호와 상기 반사신호의 위상차를 산출하는 위상차 산출부, 그리고
    상기 위상차에 기초하여 상기 목표물의 침입자 여부를 판별하는 침입자 판별부
    를 포함하는 침입자 탐지 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 신호는 상기 송신신호에 대한 코사인(cos) 신호이고, 상기 제2 신호는 상기 송신신호에 대한 사인(sin) 신호인 침입자 탐지 장치.
  3. 제2항에서,
    저역통과필터(low pass filter)를 이용하여 상기 제3 신호와 상기 제4 신호를 필터링하는 필터링부를 더 포함하는 침입자 탐지 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 위상차 산출부는 필터링된 상기 제4 신호의 값을 필터링된 상기 제3 신호의 값으로 나누고 아크탄젠트(arctan)를 취하여 상기 위상차를 산출하는 침입자 탐지 장치.
  5. 제3항에서,
    필터링된 신호에서 상기 탐지 공간에 존재하는 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈(background noise)를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하는 침입자 탐지 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 노이즈 제거부는 상기 필터링된 신호의 첫 번째 인덱스(index)부터 한 주기까지의 신호인 기준신호를 저장하고, 상기 기준신호 이후의 각 주기의 신호에서 상기 기준신호를 빼서 상기 백그라운드 노이즈를 제거하는 침입자 탐지 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교하여 상기 목표물의 출현시점을 검출하는 출현시점 검출부를 더 포함하는 침입자 탐지 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 출현시점 검출부는 상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 인덱스 그룹에서 미리 정해진 크기의 파워보다 큰 파워를 갖는 인덱스의 개수가 미리 정해진 개수 이상인 경우 상기 인덱스 그룹에 대응되는 시점을 상기 목표물의 출현시점으로 검출하는 침입자 탐지 장치.
  9. 제1항 또는 제 7항에서,
    상기 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 상기 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출하는 도플러 주파수 산출부,
    상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 거리 산출부, 그리고
    상기 목표물까지의 거리, 상기 송신신호의 파워, 그리고 상기 반사신호의 파워에 기초하여 상기 목표물의 면적을 산출하는 면적 산출부를 더 포함하는 침입자 탐지 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 침입자 판별부는 상기 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 상기 목표물을 침입자로 판별하는 침입자 탐지 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 침입자 판별부는 상기 도플러 주파수에 기초하여 상기 침입자의 속도를 산출하는 침입자 탐지 장치.
  12. 제1항에서,
    FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더를 이용하는 침입자 탐지 장치.
  13. 미리 정해진 주기 동안 주파수가 변하는 송신신호에 기초하여 제1 신호와 상기 제1 신호에 대응되는 제2 신호를 생성하는 단계,
    상기 제1 신호를 탐지 공간에 방사하는 단계,
    상기 제1 신호가 상기 탐지 공간에 존재하는 목표물에 의해 반사되어 돌아오는 반사신호를 수신하는 단계,
    상기 제1 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제3 신호 및 상기 제2 신호와 상기 반사신호를 이용하여 생성된 제4 신호에 기초하여 상기 송신신호와 상기 반사신호의 위상차를 산출하는 단계, 그리고
    상기 위상차에 기초하여 상기 목표물의 침입자 여부를 판별하는 단계
    를 포함하는 침입자 탐지 방법.
  14. 제13항에서,
    저역통과필터를 이용하여 상기 제3 신호와 상기 제4 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는 침입자 탐지 방법.
  15. 제14항에서,
    필터링된 상기 제4 신호의 값을 필터링된 상기 제3 신호의 값으로 나누고 아크탄젠트(arctan)를 취하여 상기 위상차를 산출하는 침입자 탐지 방법.
  16. 제14항에서,
    필터링된 신호에서 상기 탐지 공간에 존재하는 고정 물체에 의한 반사신호인 백그라운드 노이즈를 제거하는 단계, 그리고
    상기 백그라운드 노이즈가 제거된 신호의 파워를 측정해 미리 설정된 크기와 비교하여 상기 목표물의 출현시점을 검출하는 단계를 더 포함하는 침입자 탐지 방법.
  17. 제13항 또는 제16항에서,
    상기 위상차에 기초하여 도플러 위상을 산출하고, 상기 도플러 위상을 주파수로 변환하여 도플러 주파수를 산출하는 단계,
    상기 송신신호와 상기 반사신호 사이의 지연시간에 기초하여 상기 목표물까지의 거리를 산출하는 단계, 그리고
    상기 목표물까지의 거리, 상기 송신신호의 파워, 그리고 상기 반사신호의 파워에 기초하여 상기 목표물의 면적을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 목표물의 면적이 미리 정해진 크기 이상인 경우 상기 목표물을 침입자로 판별하는 침입자 탐지 방법.
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