KR20190120984A

KR20190120984A - 레이다 및 사물인터넷을 활용한 자립형 무인경계시스템

Info

Publication number: KR20190120984A
Application number: KR1020180044406A
Authority: KR
Inventors: 조준경; 김성량; 이진규; 박희석
Original assignee: 주식회사 포윈
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-25

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 자립형 무인 경계 시스템은 레이다 및 사물인터넷을 활용한다.

Description

레이다 및 사물인터넷을 활용한 자립형 무인경계시스템{UNMANNED SECURITY SYSTEM USING RADAR AND INTERNET OF THINGS}

본 발명의 실시 예는 레이다 및 사물인터넷을 활용한 자립형 무인경계시스템과 관련된다.

o 무인경계지역의 필요성

- 주요건물 및 중요시설(무인기지국, 무인변전소, 상하수도처리시설 등)에 대해 인력으로 경계가 이뤄질 수 없는 환경 조건을 갖추고 있는 지역의 경우에도 사용자의 요구가 반영되어 3의 센서를 효율적으로 활용하여 전방위 경계하고 필요시 해당 방향만 따로 설정할 수 있음.

- 센서 별 감도조정과 멀티감지방식을 통해 움직임, 침입 등 정확한 탐지성능을 제공함.

o K-band RF 회로 설계 기술

- 주파수가 올라갈수록 파장이 짧아지고 이에 따라 신호를 전송하는 전송로는 인덕턴스로 작용하게 되고 다층 기판 내의 신호는 커패시턴스의 영향을 받게 되어 단순히 입출력 신호를 연결하는 것으로 회로 동작이 이루어지지 않음

- 회로를 구성할 때에 주파수 파장에 따라 정밀하게 전송로 길이를 맞추어야 하며 다층기판 내 유전체의 유전율, 유전율의 두께에도 매우 큰 영향을 받게 됨

- 또한, IC를 회로에 연결하는 납의 양에 따라 신호가 전달되는 크기가 달라짐

- 따라서, 중소기업이 K-band RF 기술을 습득하기는 매우 어려움. 그러나 무선통신이 발달함에 따라 3㎓ 이하에서 사용하던 기술이 점점 주파수가 높아져 최근에는 28㎓대역을 5G 무선통신용으로 사용하고자 함

o K-band RF 회로 시뮬레이션 기술

- 10㎓(

=10cm) 이상의 주파수 대역에서 RF 회로를 설계할 때에는 시뮬레이션을 통해 RF 전송로의 길이, 두께, PCB 제질, PCB 내층 간의 간격, 전송로 사이의 간격, PCB 크기 등을 시뮬레이션 하여 Artwork을 진행하게 됨

- PCB 자삽 후 동작이 불량할 경우 시뮬레이션을 재검토 한 후 Artwork을 진행

- 시뮬레이션 기술이 없을 경우 10㎓이상의 주파수 회로를 설계할 수 없음

o K-band RF 제품 생산 기술

- 10㎓ 이상의 주파수를 사용하는 회로의 경우 IC와 PCB 사이의 납량, 커넥터의 납량, PCB와 기구 사이의 밀착도, PCB 재질, 온도 등에 따라 회로 동작 상태가 달라짐.

- 따라서, 안정적인 수율의 양산을 위해서는 PCB 회로 내 모든 상태를 점검 확인할 수 있어야 함

o PTP(Point to Point) 무선전송 기술

- 개발도상국과 국토가 넓은 미국, 러시아, 캐나다 등 많은 국가에서는 광선로 매설비용이 높아 일부지역은 무선으로 데이터 통신망을 구축하고 있음

- 국내의 경우 오지마을, 방송국 STL(Studio Transmitter Link), 국방 등 폭넓게 이용하고 있음.

o 레이다 방식 레벨 게이지

- 레벨게이지는 물질의 높낮이를 검출하는 계측기로서, 탱크 또는 용기 내부의 분체, 액체, 고체등 물질의 높낮이를 검출하거나, 하천이나 호수의 수위측정, 하수나 배수로의 액체면 측정 등에 이용됨. 레벨게이지는 크게 접촉식과 비 접촉식으로 구분됨.

- 전파를 이용하는 '레이다(radar) 방식 레벨게이지'는 초음파를 이용하는 것보다 온도, 압력, 증기, 분진 등의 영향이 크지 않아 정밀측정 분야에서 선호 되고 있음.

도 1은 경계 시스템의 개요도이다.

o 본 발명의 필요성

- 주요시설 (상수도, 발전소, 군사경계구역, 공장외곽 등) 경계를 위해 인력이 아닌 무인경계 시스템을 요구하는 사업자와 관공서가 많아지고 있음

- 일례로 2017년부터 2024년까지 경계시스템 구축을 통해 군사경계구역 경계를 병사 대신 CCTV로 대체하는 GOP 과학화 경계시스템 등이 있음

- 일반적으로 주요시설 경계 지역은 상용 전원이 없는 경우가 대부분으로 무인 경계 시스템이 별도의 전원 없이 동작할 수 있는 자립형 무인 경계 시스템이 필요 함

- 또한, 인구감소, 인건비 증가 등의 이유로 경계 인력을 최소화 하고자 함. 침입자가 감지되었을 때 경계알람 및 CCTV가 침입지역으로 카메라를 돌려 녹화 및 디스플레이 기능의 수요가 증가하고 있음

본 발명의 목적은 독자적으로 운영되는 자립형 무인경계시스템을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 자립형 무인 경계 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

개시되는 실시 예에 의하면, 레이다 및 사물인터넷을 활용하여 독자적으로 운영되는 자립형 무인경계시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 경계 시스템의 개요도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 270˚ 전방위 멀티센서를 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 270˚ 전방위 근거리 멀티센서의 블록도
도 4는 M/W 센서 3개가 사용된 탐지범위 1M(Min)~20M(Max) 멀티센서를 설명하기 위한 도면
도 5는 PLL 주파수 컨트롤 구조를 설명하기 위한 도면
도 6은 FMCW 마이크로웨이브 회로의 기본 구성을 설명하기 위한 도면
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트웨어 Layer 구성도
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리 플로우 차트
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 GUI 화면의 예시를 나타내는 도면
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ 단방향 멀티센서 형상을 나타내는 도면
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 센서 형상을 나타내는 도면
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 360˚ 전방위 20M 내 탐지용 FMCW 레이다 기술을 활용한 멀티센서를 나타내는 도면
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기후조건에 따른 침투식별의 알고리즘 조건을 나타내는 도면
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합적인 조건하의 침투식별의 알고리즘 조건을 나타내는 도면
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 오차율 감소용의 알고리즘 시험 그래프
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티센서의 제품 구성을 나타내는 도면
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ 레이다 기술과 IoT를 활용한 자립형 무인경계 시스템의 설치를 나타내는 도면
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 측정 시험 구성도
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 VSWR 측정 시험 구성도
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐지거리, 탐지대상, 탐지율 측정 시험 구성도
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 시험 그래프
도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평가 환경 설정을 설명하기 위한 도면
도 24 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ Ant 일체형 송신 모듈 블록도
도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 외형을 나타내는 도면
도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 비트신호의 스펙트럼 추정방법에 따른 거리정보 추출 결과 비교를 나타내는 도면
도 27은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DSP 블록도

이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

이하의 설명에 있어서, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 270˚ 전방위 멀티센서를 설명하기 위한 도면이다.

①FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)방식의 24Ghz 레이다센서와 ANT 모듈, ② 디지털신호처리 프로세스 및 인터페이스 보드, ③NB-IoT 무선통신 모듈이 통합된 멀티 센서와 알람 및 위치 정보를 NB-IoT 무선통신으로 수신하여 PC에서 제어할 수 있는 통합 센서 시스템임.

또한, 전력이 공급되기 어려운 지역에 설치되는 경우를 상정하여 저전력 시스템 설계를 통해 태양광 발전을 이용한 자립형 전방위 무인 경계 시스템 임

본 발명에서는 저전력 자립형 멀티센서와 사용자응용프로그램, 동적 CCTV 제어, NB-IoT를 이용한 알람 및 위치정보 전송 등.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 270˚ 전방위 근거리 멀티센서의 블록도이다.

o 시스템 구성

- 90도 방향으로 감지가 되는 거리측정센서(24GHz FMCW Radar Sensor)가 3개 (동서북) 탑재되어 있는 근거리 이동물체 확인용 멀티 센서임

- 3개의 센서에 대해 각각의 감도조절 기능을 포함하며, 각 현장에 따라 센서 및 탐지범위를 선택적으로 사용할 수 있도록 구성함

- 탐지대상(사람, 동물, 차량 등)에 대해 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)를 활용하여 지형지물에 의한 노이즈까지 제거하여 95%이상 탐지율을 보장함

- 탐지거리 1M~20M 이며, 본 센서는 실외에 설치하기 위하여 방진, 방수, 악천후(비, 눈, 먼지, 모래, 염분 등)에 원활한 작동이 이뤄져야 하며 -32℃ ~ +60℃?의 환경에서 작동이 가능함

- 센서부에 지능형 알고리즘의 학습 데이터를 통해 사람, 동물, 차량을 제외한 주변 환경 데이터 값을 제공하여 오탐율을 감소시키며, 추가적으로 사용자 운용프로그램에서 추적 알고리즘을 통하여 오탐율을 한번 더 최소화시킴(95%이상의 탐지율 목표)

- 지역 내 다수의 멀티센서 신호를 통합 분석하여 외부환경에 대한 식별 및 오경보율 최소화함

- 감지되었을 경우 NB-IoT를 통하여 침투 지역, 거리 등의 알림을 통해 CCTV가 해당 지역을 촬영 및 디스플레이 하여 사용자에게 경보를 알림

- 중요시설 및 보호시설(접근제한 구역 등)에서 실시간으로 대상을 탐지하고, 경보 및 알람을 통해 즉각 대응이 가능하며, 동적 경계 카메라와 연동 하여 효율적인 감지가 가능함

도 4는 M/W 센서 3개가 사용된 탐지범위 1M(Min)~20M(Max) 멀티센서를 설명하기 위한 도면이다.

o 중요시설 및 보호시설(접근제한 구역, 문화재, 사고발생위험지역, 공사현장 등) 설치 필요성(보안)

- 외부인의 접근이 제한되는 구역에 보통 실시간으로 CCTV 및 기타 방법을 활용하여 모니터링을 실시하고 있지만 24시간, 상황을 지킬 수는 없음. 또한 영상만이 촬영되고 있기 때문에 실시간 초동대처에 어려움이 존재함.

- 사람, 동물, 차량 등 구역 내 센서 범위에 움직임이 포착되면 소프트웨어를 통해 경로, 속도 등을 판독 및 기록되고 신호를 전달하여 카메라 연동 시 움직임이 포착된 물체를 카메라가 확인함. 또한 알람을 활용하여 경계지역 통제를 실시간으로 가능하게 함

- 설치된 지역 내 다수의 멀티센서 신호를 통해 오경보율을 최소화하여 움직이는 물체에 대한 빠른 식별, 판독이 가능함.

- 야간 시 시계가 제한적인 밤에도 반사파를 통해 사람, 사물 등 물체의 식별이 가능함.

□ 24㎓ FMCW 복합 레이다 센서

- 3개의 24GHz FMCW M/W모듈을 활용하여 3개 방위(270°)에서 움직이는 물체를 포착하고, 식별 분석(지능형 알고리즘, 추적 알고리즘) 함. 이를 통해 오탐율을 최소화함.

도 5는 PLL 주파수 컨트롤 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 FMCW 마이크로웨이브 회로의 기본 구성을 설명하기 위한 도면이다.

- 기존 근거리 센서(자사제품)에 활용되는 '펄스 도플러 레이다 방식'이 아닌 FMCW 레이다 방식을 활용하여 보다 나은 탐지율을 확보하며(95%이상), 지능형 알고리즘(센서부) 및 추적 알고리즘(응용프로그램)을 적용하여 오탐율을 최소화함

- FMCW 레이다를 활용함으로써 기존의 근거리 레이다에 활용된 펄스 도플러 레이다 방식의 문제점 해결 가능.

- 이를 극복하고자 자사가 개발하여 현재 판매중인 펄스 도플러 레이다의 유지 및 보수 작업을 진행하면서 다수의 펄스 도플러 레이다 오경보 및 오차율을 접하니 기존 자사가 개발한 액체 레벨 게이지에 적용된 기술(FMCW 레이다 기술)과 알고리즘을 활용 시 보다 뛰어난 정확도의 센서 제품이 도출됨.

- 탐지범위에 있는 지형지물, 주변 상황 및 조건, 기상이변 등 노이즈를 배제하는 지능형 알고리즘과 추적 알고리즘으로 움직이는 물체에 대하여 정확한 포착을 통해 신뢰성을 줌.

- 3개의 M/W 모듈은 개별적으로 ON/OFF 설정이 가능하여 사용자가 원하는 방향만을 탐지가 가능하고 또한 단방향 근거리 센서로도 활용이 가능함.

- 설치가 용이하게 설계되어 사용 고객의 입장에서도 이동 및 설치가 간편하며 지능형 알고리즘이 수집한 주변 환경 데이터 값이 계승되어 센서의 위치를 이동 시킬 시 별도의 유지/보수 작업이 불필요함.(사용자 용이성)

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트웨어 Layer 구성도이다.

- 탐지된 객체에 대하여 GUI에 주기적으로 보고하는 기능이 있어 실시간으로 침입 탐지를 유저가 확인 가능

- 고속의 MPU를 사용하여 동시에 3개 센서의 신호(IF 시그널을 입력 받아 FFT 변환)를 이용하여 탐지 알고리즘을 처리하는 기능 수행

- MPU 내장 DAC(Digital Analog Coverter) 모듈을 이용하여 각 센서에서 필요로 하는 Triangle pulse를 소프트웨어 컨트롤 방식으로 발생하여 각 모듈의 VCO 단자로 공급하는 역할을 수행

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리 플로우 차트이다.

o APPLICATION LAYER

- H/W 초기화

√ 시스템 리셋인 경우 H/W를 초기화하는 기능을 수행

√ 시스템 클럭, ADC, DAC, PWM, SPI, I2C, RS-232, Timmer 등의 초기화를 수행

- S/W 자료구조 초기화

√ TI Signal Generator Library 인터페이스를 위한 자료 구조를 초기화

√ 외부 이더넷 모듈 드라이버 인터페이스를 위한 자료 구조를 초기화

√ FFT Library를 위한 자료 구조를 초기화

√ 탐지 알고리즘을 위한 자료 구조를 초기화

√ 시스템 디버깅을 위한 자료 구조를 초기화

√ GUI 메시지 인터페이스를 위한 자료 구조를 초기화

- 삼각파 발생(VCO)

√ FMCW 주파수 modulation을 위한 triangle pulse 발생 기능을 수행

√ DAC 포트와 Timmer0 인터럽트를 이용하여 triangle pulse를 발생

√ Triangle pulse의 주파수와 Offset가 조정 가능

- IF 샘플링(ADC)

√ 센서로 부터의 I, Q 신호를 ADC 포트를 통하여 샘플링하여 데이터를 획득

√ Triangle Pulse와 동기를 맞추어 3개 센서로부터 6개 신호를 입력 받아 샘플링을 수행

√ 필요시에 샘플링 데이터에 소프트웨어 필터링을 수행

√ 샘플링 주기가 조정 가능

- FFT 프로세싱

√ 샘플링 데이터를 입력 받아 Window 적용(BLACKMAN1024)을 수행

√ TI FFT 라이브러리를 이용하여 FFT 계산을 수행

√ FFT는 Up Ramp와 Down Ramp 구간에 대하여 각각 적용

√ FFT magnitude를 구하여 주파수를 계산

√ 주파수를 이용하여 탐지 대상 물체의 거리를 계산

- 탐지 알고리즘

√ FFT 결과로 얻은 주파수 magnitude를 이용하여 Object의 탐지를 수행

√ 시스템 리셋 시에 또는 운용 시에 업데이트되는 주파수 magnitude 레퍼런스 신호와 실시간으로 획득하는 신호를 비교하여 Object 탐지를 수행

√ 주파수 magnitude가 일정값 이상 커질 때 또는 작아질 때를 판단하여 Object 탐지를 수행

√ 지정한 시간 내에 연속하여 또는 불연속하여 일정 횟수 이상 탐지 될 때에 최종 탐지 인식으로 처리

- GUI 메시지 처리

√ 탐지가 된 경우 1초에 한 번씩 자동 보고를 수행

√ 디버깅을 위한 파라메터들을 변경

- 주변장치 메시지 처리

√ 온도 측정을 위하여 센서 모듈과 I2C 인터페이스를 수행

o DRIVER LAYER

- WATCHDOG

√ 응용 프로그램이 1초 이상 응답이 없는 경우 시스템 오류로 간주하여 MPU를 리셋하는 기능

√ TI에서 제공하는 ServiceDog() API를 이용하여 기능처리를 수행

- TIMMER 인터럽트

√ 삼각파 발생, ADC 샘플링, 주기적인 Function Call을 수행하기 위하여 MPU에서제공하는 인터럽트를 사용

√ TI에서 제공하는 xxx_ISR()을 이용하여 기능 처리를 수행

- DAC / PWM

√ 삼각파 발생을 위하여 MPU 내장 DAC 포트를 사용하며 PWM 신호를 이용하여 동기 신호를 제공

√ TI에서 제공하는 Signal Generator Library를 이용하여 기능 처리를 수행

- ADC

√ IF 신호(I, Q) 처리를 위하여 ADC를 사용

√ PWM 동기 신호를 이용하여 삼각파와 동기를 수행

- ETHERNET/SPI

√ GUI 이더넷 통신을 위하여 외부 TCP/IP 모듈(W5500)을 사용

√ 모듈과 MPU는 SPI 포트를 사용하여 통신

√ 외부 모듈 제조사에서 제공하는 드라이버를 사용

- I2C/TEMPERATURE, RS-232/GPS

√ 온도센서와 MPU 내장 I2C 포트를 이용하여 인터페이스

√ 자체 제작한 메시지 파싱 드라이버를 사용

o H/W LAYER

- MPU에 내장 되어 있는 SPI, I2C, RS-232, ADC, DAC, PWM 포트를 이용하여 필요한 주변 인터페이스를 수행

□ 태양광 발전

o 발전 용량 계산

- 국내 태양광 발전의 경우 장마철 시 최대 7일간 흐림 또는 우천으로 인한 태양광 발전 저해가 있음

- 레이다 센서, DSP, IoT 등 주요 IC의 소비전력을 예상하여 발전용량 및 베터리 용량을 계산 하였음

- 태양전지 용량은 소비전력 4W, 손실률, 사용시간, 충전시간으로 계산하였을 때 최소 46W가 필요하며, 충전하기 위한 용량을 포함하여 100W를 산정

- 배터리 용량은 일간 사용량, 배터리 용량을 계산하여 12V 65Ah 용량의 베터리 산정

< 복합센서 소비전력 >

모듈	전압	전류(mA)	수량	소비 전류(mA)	소비전력(mW)
레이다 센서	5	70	3	210	1,050
DSP	5	248.39	1	248.39	1,241.95
IoT	5	50	1	50	250
기타	5	100	1	100	500
예비율	5	73.678	1	101.678	508.39
총합				710.068	3,550.34

<태양 전지 용량 및 배터리 용량>

	사용량(W/H)	손실률	사용시간		충전가용시간		최소 태양전지 용량
태양전지 기준	4	1.7	24		3.5		46.62857143
계산식:사용량(W)1.7(손실율)사용시간/추전가용시간(약3.5h)
	일 사용량(W)	배터리전압(V)		전류용량(A)		총(W)	무충전시 사용일수
배터리용량 1일사용량	85.20816	12		65		780	9.154052851
	일반적인 배터리 용량은 4~5일, 중요기간은 7~10일정도

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 GUI 화면의 예시를 나타내는 도면이다.

o 주요 기능

- 침입자 감지 및 복합센서 동작 상황 확인

- 등록된 지도 내 침입자 표시 및 CCTV 화면 연동

- 사용자 CCTV 화면 이동 및 확대 지원

- 이벤트 로그 저장

- 복합센서 감도 조정

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ 단방향 멀티센서 형상을 나타내는 도면이다.

본 발명의 중요성과 파급 효과는 다음과 같다.

o PTP(Point to Point) 무선전송 기술

- K-band 주파수 발생, 방사 기능에 무선통신 모뎀을 접목시킬 경우 Gigabit PTP 무선통신망을 개발 할 수 있음

o 레이다 방식 레벨 게이지

- 레이다 레벨게이지는 탱크 모양에 상관없이 정밀하게 측정할 수 있고, 기존의 탱크에 간단히 설치가 가능한 장점이 있으나 부피가 크고 가격이 비싼 단점이 있어 이를 보완하기 위해 FMCW 방식의 레이다 센서를 적용하여 구조 경량화 및 가격 절감 효과를 얻을 수 있음.

o 주요시설 경계

- 인건비 상승, 고정비 절감을 목적으로 침입자 통제를 위한 인력은 점차 줄어들고 있음. 또한, 철조망, 담벼락 등과 같이 출입을 통제하는 시설을 철거하는 정책(예 : 동해안 철조망 철거사업)이 꾸준히 추진되고 있음

- 주변경관을 헤치지 않고 시설비와 유지비를 절감할 수 있는 시스템을 요구하는 사용자가 점차 증가하고 있음

- "24㎓ 레이다 기술과 IoT를 활용한 자립형 무인경계 시스템"은 저전력 설계를 통해 태양광 발전을 이용한 시설 설치가 가능하여 전원 설치 공사가 필요 없으며, 가로등과 조합할 경우 주변경관을 헤치지 않고 설치가 가능

- 제안하는 "24㎓ 레이다 기술과 IoT를 활용한 자립형 무인경계 시스템"은 응용을 통해 계량 계측, 무인 경계, 드론 탐지, 비접촉 비파괴 검사 등 다양한 분야에 활용할 수 있음

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 센서 형상을 나타내는 도면이다.

o 단방향 멀티센서

- 자사가 기존에 개발하고 납품 중 이였던 단방향 멀티 센서는 동일한 24GHz의 주파수를 사용하는 모듈과 펄스 도플러 방식을 사용하였음.

- 차량용 전방 근거리 센서에 사용되는 77GHz 주파수를 가진 모듈을 사용하여 탐지거리를 좀 더 확보하는 방안도 있었으나 비용 대비 높은 수익률의 확보가 불가능하였음.

- 또한 펄스 도플러 방식을 사용하는 단방향 멀티센서의 유지 및 보수 과정 중 다양한 오작동 및 오경보를 접하였으며 이를 개선하기 위하여 펌웨어 업데이트 등 다양한 시도를 하였으나 한계가 존재하여 해당 기능을 개선하기 위한 새로운 연구 및 시도가 필요함.

o 복합 센서

- 공군 비행단 내 항공기 보호를 위한 경계·감지·통제장비 구축을 위해 사용될 수 있음

- 레이다 센서를 이용하여 단방향으로 30m까지 물체를 탐지함

- 공군 비행장 경계시스템으로 활용 중에 있음

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 360˚ 전방위 20M 내 탐지용 FMCW 레이다 기술을 활용한 멀티센서를 나타내는 도면이다.

o 360˚ 전방위 20M 내 탐지용 FMCW 레이다 기술을 활용한 멀티센서

- 4방위에 24㎓ FMCW 레이다 센서를 배치하여 반경 20m내 이동하는 물체를 감지하는 센서

- 외부 현장 시험에서 직사광선으로 인한 내부 온도가 75℃까지 상승하여 탐지거리 축소, 오동작 등이 발생하여 레이다 및 함체 개선을 하였음

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기후조건에 따른 침투식별의 알고리즘 조건을 나타내는 도면이다.

- 노이즈 신호가 100 미만으로 10초 이상 유지하면 맑은 날, 100 이상으로 10초 이상 유지될 시 눈, 비 오는 날로 판단함.

- R00=1(값이 0 일 경우 탐지X) 이며 mFW>3, mBW>10(움직이는 방향) 인 상황이 2회 발생시 사람 움직임으로 간주하며 R00=0 경우 탐지된 물체가 없는 것을 뜻함.

도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합적인 조건하의 침투식별의 알고리즘 조건을 나타내는 도면이다.

※ Noise Figure DATA는 눈/비가 오지 않는 날을 기준은 시험한 DATA 값 (눈비가 오지 않는 상황에서 야외시험)

※ AХB, 1000이라는 값은 Rain-Person_0204 DATA 기준으로 5회 이상 연속된 DATA값이 존재함

※ 출력: 침투가 YES일 경우만 출력을 OPEN, 평시상황에서는 SHORT 유지

- NF(노이즈 신호)가 10 이상이면 맑은 날로 판단하며, A+B(움직이는 방향의 합)의 값이 1 이하 이면서 상태가 2회 이상 수집될 경우 침입이 없는 것으로 식별하며, 1 이상 일 경우 침입 중인 것으로 식별함.

- NF가 10 이하일 시 눈/비 날씨로 판단하며, AХB(움직이는 방향의 곱)의 값이 1000 이상의 값이 2회 이상 수집될 경우 침입 중인 것으로 식별하며, 이하일 시 침입이 없는 것으로 식별함.

도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 오차율 감소용의 알고리즘 시험 그래프이다.

- 멀티센서의 오차율, 오경보율을 감소시키기 위하여 알고리즘의 여러 조건을 수립해보고 자체적으로 Test-bed를 구축하여 데이터를 수집하였음.

- 상기 데이터 값은 알고리즘 조건을 수립하고 움직이는 물체가 탐지(R0=0 and 1)가 되는 지, 속도(sF, sB)와 방향(mF, mB)이 감지되는지 측정한 자료임.

o 액체 레벨 게이지 측정 장치

- 밀폐된 공간(주유소 탱크, 물탱크) 적용하고자 개발된 자사의 레벨 게이지 측정 장치에서 액위를 측정하는데 FMCW 레이다 방식을 사용하였으며, 액위를 측정하는데 있어 알고리즘이 적용되면 좀 더 정확한 값이 도출됨을 확인함.

- 오차보정용 알고리즘

통신망을 통해 외부 장치로부터 주변 환경 또는 상태에 적용 가능한 필터 보상 계수를 수신한 후 이를 기반으로 신호 처리를 수행함.

이에 따라 주변 환경 또는 상태에 적응적인 레벨 계측이 가능함.

보유 중인 특허 또한 오차를 보정하기 위한 알고리즘이나, 본 연구 개발 제품에 사용될 알고리즘은 오차도 보정하며 침입과 관련하여 기타 특성을 부여하기 위한 연구개발이 필요함.

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티센서의 제품 구성을 나타내는 도면이고, 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ 레이다 기술과 IoT를 활용한 자립형 무인경계 시스템의 설치를 나타내는 도면이다.

- 1m~20m M/W 센서 모듈과 신호처리 인터페이스 보드(신호처리부)와 결합되어 상호 정보 교환이 이뤄져야함.

- M/W 센서는 탐지용 주파수를 방사하고, 탐지범위내의 탐지대상에서 반사되는 주파수를 수신하여 인터페이스보드의 신호처리부의 신호처리 알고리즘을 통해 탐지정보를 식별 및 판독.

- 식별 및 판독된 데이터 값에서 접근 또는 움직이는 물체가 아닌 경우 해당 과정은 피드백 되어 지속적으로 탐지 및 기록되며 접근 또는 움직이는 물체로 확인될 시 멀티센서 내의 CPU(Central Processing Unit)가 위치 및 알람을 IoT센서를 통한 관리서버에 등재로 넘어가도록 판단을 내림.

- 관리서버에 알람과 좌표가 등록될 시 위치 정보에 맞게 CCTV를 조작하여 해당영상을 GUI에 위치 및 알람, CCTV화면 표시

- GUI(Graphical User Interface)는 설치된 멀티센서들의 알람 정보를 실시간으로 보여주며, 움직이는 물체 탐지 시 GUI 상에 CCTV화면 및 지도상 표기, 경보를 알림.

- 1m~20m를 탐지하는 센서모듈의 가격이 탐지범위의 세분화에 따라 제품가격차이가 있어 자사는 탐지범위에 따라 제품군을 구분함.

<정량적 스펙>

평가 항목 (주요성능 Spec)		단위	전체 항목에서 차지하는 비중(%)	세계최고 수준 보유국/보유기업 ( / )	연구개발 전 국내수준	본 발명
평가 항목 (주요성능 Spec)		단위	전체 항목에서 차지하는 비중(%)	성능수준	성능수준	성능수준
1.	출력	dBm	10	18	10	18
2.	VSWR	dB	10	<1.5	<1.5	<1.5
3.	탐지거리	m	10	1(min)~ 20(max)	1(min)~ 20(max)	1(min)~ 20(max)
4.	탐지율	%	20	95	95	95
5.	탐지대상	-	20	차량, 사람	차량, 사람	차량, 사람
6.	방수방진	-	10	IP67	IP66	IP66
7.	동작온도	℃	10	-40~70	-20~60	-32~60

도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 측정 시험 구성도이다.

① 정량적 스펙 항목의 평가방법

o 24㎓레이더 출력 측정

- 24㎓레이더, 제어 디지털 보드, 고주파수용 RF 케이블, 스펙트럼을 준비

- 고주파수용 RF 케이블을 24㎓레이더 출력과 스펙트럼입력을 연결

- 스펙트럼 중심주파수를 24㎓, Span 400MHz를 설정

- 고주파수용 RF 케이블의 24㎓ 감쇠량을 확인한 후 스펙트럼 감쇠치 보정

- 디지털 보드를 조작하여 24㎓ 레이더 출력 ON

- 스펙트럼 상에 24㎓신호를 확인

- 스펙트럼 분석기의 '채널 파워(Channel Power) 기능'을 활성화 시킨 뒤, 계측기 상에서 측정되는 입력 레벨값이 20.0dBm이 측정되는지 확인

도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 VSWR 측정 시험 구성도이다.

o 24㎓ 레이더 안테나 VSWR 측정

- 24㎓레이더안테나, 고주파수용 RF 케이블, 네트워크 분석기를 준비

- 네트워크 분석기 중심 주파수를 24㎓로 설정, 측정 포맷을 VSWR로 변경

- 네트워크 분석기 출력 파워를 0dBm으로 변경

- 고주파수용 RF 케이블을 24㎓레이더 출력과 네트워크를 연결

- 네트워크 분석기 측정포트 calibration 진행

- 24㎓레이더안테나 입력에 고주파수용 RF 케이블을 연결

- 네트워크 분석기 VSWR을 측정

도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐지거리, 탐지대상, 탐지율 측정 시험 구성도이다.

o 탐지거리, 탐지대상, 탐지율 측정

- 24㎓ 멀티 센서를 "탐지거리, 탐지대상, 탐지율 측정 시험 구성도"와 같이 구성한다.

- 장비에 전원을 인가하고 초기화

- 11~30회 반복 시험을 진행

- 측정거리, 탐지율, 탐지대상 측정결과 확인

- 레이다 센서를 변경하여 측정

도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 시험 그래프이다.

o 동작온도 시험

- 챔버에 24㎓멀티센서를 설치

- 장비를 ON하여 초기화

- 동작상태 확인

- 챔버의 온도를 "온도 시험 그래프"와 같이 설정

- 챔버 시험 중 동작상태를 지속적으로 확인

도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평가 환경 설정을 설명하기 위한 도면이다.

② 정량적 목표 항목의 평가환경

o 평가 환경

- 24㎓ 멀티센서의 감시 반경은 20m로 축구장 1개 구모의 공터에 3개의 멀티센서 설치 가능

- 도심지 환경에 설치 및 동작시험이 어렵기 때문에 바닷가 백사장에서 설치 시험

- 멀티센서 3~5대와 동적 CCTV 1대를 구성하고 감시 반경 내 사람이 접근 하였을 경우 GUI 내 지도 표시 및 CCTV 화면 출력 상태를 확인

도 24 본 발명의 일 실시 예에 따른 24㎓ Ant 일체형 송신 모듈 블록도이다.

② 개발 내용 및 범위

o 24㎓ 대역 Ant 일체형 FMCW 송신모듈과 안테나 개발

- 안테나(Ant) 시뮬레이션 및 회로설계 후 Lay-out 도출, 특성시험 진행

- M/W 모듈 시뮬레이션 및 회로설계 후 PCB Lay-out 도출, 특성시험 진행

- 안테나 일체형 Transceiver 특성시험 진행

도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 외형을 나타내는 도면이다.

o IP66을 만족하는 기구 개발

- 야외에 설치되는 환경을 감안하여 방수 방진을 할 수 있는 구조로 설계

- 직사광선 등으로 인해 내부온도가 상승할 수 있어 방열을 감안하여 설계

- 전파 감쇠가 낮은 재질을 사용하여 케이스 제작

- 태양광 발전기 또는 가로등에 부착될 수 있는 형태로 설계

도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 비트신호의 스펙트럼 추정방법에 따른 거리정보 추출 결과 비교를 나타내는 도면이다.

o 침입 감지 알고리즘 개발

- 일반적인 FFT 스펙트럼 추정방식은 목표물로부터 신호를 획득 할 수 있는 시간에 따라 주파수 해상도뿐만이 아니라 누설현상에 의해 높은 부엽이 나타나게 됨

- Up-down 구간 비트 신호의 스펙트럼 추정을 위해 AR(autoregressive) 방법을 적용하여 거리 및 속도정보 추출

도 27은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DSP 블록도이다.

o 신호처리부 하드웨어 개발

- DSP 보드 회로 설계, Lay-out 도출

- 목표로 하고 있는 이동 물체의 정확하고 신속한 감지 시스템의 구성을 위해서 입력되는 레이다 신호들 중에서 이동하는 물체만을 정확하게 분류.

- 분류된 데이터를 표기하기 위한 데이터 클러스터링 알고리즘 개발

- 데이터 분석을 통해 검지물체의 시간 축에 따른 궤적정보와 속도 및 RCS(Radar Cross Section) 값을 이용한 휴리스틱 알고리즘과 AR방법을 적용하여 구현.

- 구현시켜야 할 알고리즘은 두 개이며, 첫 번째 알고리즘은 물체를 탐지하기 위하여 알고리즘의 조건(예; 물체, 노이즈, 움직임의 범위)을 학습시키도록 한 후 데이터 값이 사람, 동물, 차량에 한정되어 필터링 되도록 구축.

- 두 번째 알고리즘은 센서의 설치 장소가 기존 위치에서 변경되었을 시 데이터 값이 계승되어, 그에 따른 유지/보수가 필요 없도록 적응형 알고리즘을 구축.

- 오경보를 방지하기 위하여 관리/운용 프로그램에 추적 알고리즘을 적용 하여 오경보를 개선함

o IoT를 활용한 네트워크 구성

- 24㎓ FMCW 복합 레이다 센서에서 침입 알람이 올라올 경우 위치, 속도 등의 정보를 IoT를 통해 등록된 서버에 저장

- 서버에 알람정보가 올라오면 CCTV를 침입위치로 카메라를 이동하고 영상정보와 위치정보를 GUI에 전달하고 휴대폰 전화번호가 등록된 사용자에게 문자로 침입알람 및 위치, 캡쳐화면을 MMS(Multimedia Message Service)로 알림

- GUI에 침입알람, 지도상 표기, CCTV 화면을 출력

o GUI

- 사용자에게 침입 위치를 정확히 알리기 위해 지리정보를 화면에 표시

- 침입자의 동선 및 신원파악을 위해 CCTV를 이용하여 침입지역을 중계 GUI 상에 표시

- 실시간으로 현황을 파악하고 탐지 기록 및 모니터링이 가능한 운용 GUI.

이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

레이다 및 사물인터넷을 포함하는, 자립형 무인 경계 시스템.