군용뿐만 아니라 상업용으로 헬리콥터의 사용 빈도가 높아지면서, 무엇보다 헬기의 안정성이 가장 중요한 요소가 되었다. 단순히 조종사에 의한 시계 비행을 할 경우 야간 운항이 불가능하며 안개, 눈, 비 등의 기후 조건에서는 매우 불안전하다. 그리고 주간 비행 중에도 전선과 같은 장애물로 인한 사고가 발생하고 있다. 그러므로 헬기의 안전운항을 위해서는 단순한 시계 비행에서 벗어나 장애물 탐지 시스템을 이용한 자동항법 개념을 도입해야 한다. 자동항법을 위한 장애물 탐지 시스템은 안개, 눈, 비 등의 기후 조건하에서 주간 및 야간에도 정상적으로 동작해야 한다. 본 논문에서는 밀리미터파 레이다 시스템을 이용하여 전선 장애물의 탐지 기술 획득을 위한 기초 연구를 수행하였다. 서론에서는 헬기 운항에 장애가 되는 요소들을 탐지하기 위한 여러 방법들에 대해서 살펴봤다. 본론에서는 밀리미터파를 이용한 장애물 탐지 시스템과 실험 장치에 대해서 다루고 결론에서는 실험 결과 및 향후 연구 방향에 대해서 다루고 있다.
군용뿐만 아니라 상업용으로 헬리콥터의 사용 빈도가 높아지면서, 무엇보다 헬기의 안정성이 가장 중요한 요소가 되었다. 단순히 조종사에 의한 시계 비행을 할 경우 야간 운항이 불가능하며 안개, 눈, 비 등의 기후 조건에서는 매우 불안전하다. 그리고 주간 비행 중에도 전선과 같은 장애물로 인한 사고가 발생하고 있다. 그러므로 헬기의 안전운항을 위해서는 단순한 시계 비행에서 벗어나 장애물 탐지 시스템을 이용한 자동항법 개념을 도입해야 한다. 자동항법을 위한 장애물 탐지 시스템은 안개, 눈, 비 등의 기후 조건하에서 주간 및 야간에도 정상적으로 동작해야 한다. 본 논문에서는 밀리미터파 레이다 시스템을 이용하여 전선 장애물의 탐지 기술 획득을 위한 기초 연구를 수행하였다. 서론에서는 헬기 운항에 장애가 되는 요소들을 탐지하기 위한 여러 방법들에 대해서 살펴봤다. 본론에서는 밀리미터파를 이용한 장애물 탐지 시스템과 실험 장치에 대해서 다루고 결론에서는 실험 결과 및 향후 연구 방향에 대해서 다루고 있다.
This paper describes the detection method of wire-like obstacles using millimeter-wave radar system. Passive sensor like CCD camera can be used for the detection of high power electric cables on the hills or mountains and it can give very good quality of obstacle target information. But this system ...
This paper describes the detection method of wire-like obstacles using millimeter-wave radar system. Passive sensor like CCD camera can be used for the detection of high power electric cables on the hills or mountains and it can give very good quality of obstacle target information. But this system is very limited to use by bad weather condition. The detection capability for different diameters of wire targets using millimeter radar system have been accomplished. To simulate the target on the moving helicopter, rotating targets are used with fixed radar system. In the experiment 11mm, 16mm and 22mm diameter of wires have been detected in single, two and three wires in one position. The detected signal from single wire was very clear on gray level image. Three wires placed very closely together could be recognized in range, cross range image plane. For two and three wires, blur effect due to mutual scattering effect is observed.
This paper describes the detection method of wire-like obstacles using millimeter-wave radar system. Passive sensor like CCD camera can be used for the detection of high power electric cables on the hills or mountains and it can give very good quality of obstacle target information. But this system is very limited to use by bad weather condition. The detection capability for different diameters of wire targets using millimeter radar system have been accomplished. To simulate the target on the moving helicopter, rotating targets are used with fixed radar system. In the experiment 11mm, 16mm and 22mm diameter of wires have been detected in single, two and three wires in one position. The detected signal from single wire was very clear on gray level image. Three wires placed very closely together could be recognized in range, cross range image plane. For two and three wires, blur effect due to mutual scattering effect is observed.
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문제 정의
향후 이 시스템은 안테나에 수직, 수평 편파를 적용할 수 있는 모드 변환 회로를 첨부하여 편파의 .변환에 따른 수신 신호의 특성을 고찰 하려 고 한다.
본 논문에서는 헬기의 자동 항법을 위한 장애물 탐지 특히 전선을 검출하기 위한 밀리미터파 레이다에 대한 시스템과 신호 검출 방법에 대한 연구를 수행하였다. 특히 밀리미터파 레이다를 이용한 실험을 통하여 전선과 같은 아주 작은 레이다 단면적을 갖는 장애물의 검출 가능 여부를 확인하였다.
전선이 3개가 동시에 있을 때는 각 전선의 레이다 단면적으로부터의 전자파 산란에 의하여 3개의 전선에서 돌아오는 전파 신호가 일부 서로 혼합되어 수신기에 돌아오므로 각 전선에서 돌아오는 신호의 분리가 명확하지 않지만 그럼에도불구하고 실험 결과에서는 3개의 전선을 확인할 수 있었다. 본 실험결과를 바탕으로 하여 헬기에 장착할 수 있는 장애물 탐지용 센서 시스템의 개발을 위한 기술의 확보를 가능케 하였다. 향후 이 시스템은 안테나에 수직, 수평 편파를 적용할 수 있는 모드 변환 회로를 첨부하여 편파의 .
본 연구에서는 야간 비행이나 저공 비행, 그리고 이착륙 시에 나타나는 장애물들을 탐지할'수 있는 센서 시스템 개발을 목적으로 실험을 수행하고 있다. 여러가지 장애물들 중 전선과 나무를 선택하여 현재 실험실의 환경에서 가능한 실내 측정 방법을 이용하여 장애물 검출 실험을 수행했다.
본 연구에서는 헬리콥터의 전천후 비행에 필수적으로 요구되는 장애물의 탐지를 위한 센서를 개 발하기 위한 핵심 기술을 연구함으로써 추후 장애물을 피할 수 있는 헬리콥터의 자동 항법 시스템 ( Automatic Guidance and Control System for Helicopter Obstacle Avoidance) [2]을 개발 하려고 한다. 특히 헬리콥터 비행에 가장 위험한 장애물이 될 수 있는 탐지가 어려운 "wire-like-obstacle" 을 검출하기 위한 연구가 수행되 었으며 실험 결과 전선의 굵기가 11 mm인 전선도 검출할 수 있었다.
장애물로 가정한 전선에 대한 검출 실험결과를 살펴보고자 한다. 그림 (4a) 는 지름이 22 nun인 전선의 측정을 위한 측정구도이다.
특히 밀리미터파 레이다를 이용한 실험을 통하여 전선과 같은 아주 작은 레이다 단면적을 갖는 장애물의 검출 가능 여부를 확인하였다. 실험 결과에서 보듯이 1개의 전선이 위치하여 있을 때 뿐만 아니라 11 mm, 16mm, 22mm 의 지름을 갖는 전선이 동시에 나란히 서로 인접하여 있을 때도 명확한 전선의 신호를 검출할 수가 있었다.
제안 방법
격리 처리된 챔버에서 측정하였다. 각 각 의회 전 각도에서 주파수 응답은 HP-VEE 프로그램을 이용한 순차적인 제어 에 의해서 측정하였으며 표 (1) 에 실험에서 전선을 검출하기 위하여 이용된 파라미터 들을 제시 하였다.
적용해 거리 방향 정보를 얻는다. 각각의 회전 위치에서 같은 거리상의 데이타들을 동위상 처리함으로써 수직거리 방향의.정보가 얻어진다.
본 실험에서 사용된 전선의 굵기는 11, 16, 22 mm이며 전선간의 최소 간격은 90 mm까지 설정 하였다. 고해상도의 전선 영상신호를 얻기 위하여 ISAR 방법을 이용하여 신호처리 과정을 수행 하였고 검출된 전선 영상 신호에 edge enhancement 필터를 이용하여 수신 신호에 대한 영상의 질을개선하였다.
여러가지 장애물들 중 전선과 나무를 선택하여 현재 실험실의 환경에서 가능한 실내 측정 방법을 이용하여 장애물 검출 실험을 수행했다. 그림 3은 전선을 검출하기 위한 밀리미터파 장애물 탐지 실험 장치를 보여주고 있다.
장애물 측정 시스템은 RF 신호원과 송수신 안테 나, 방향성 결합기, 주파수 변환기 그리고 수신기로 구성되었다. 장애물의 회전은 I/O 보드와 결합된 PC를 이용하여 모터의 회전각을 제어하도록 하였으며 수신 데이타에, 대한 신호 처리는 역시 PC에서 HP-IB를 통해서 수행 하도록 하였다.
그러나, 여기서 이용하고자 하는 고해상도 장애물 관측 레이다는 넓은 빔 폭을 갖는 작은 안테 나를 이용해 서 고해상도의 목표물을 관측 하려는 것이다. 전선을 검출하기 위한 센서 시스템 은 물체 가 정 지 해 있고 레 이 다가 상대운동을 유발하는 경우의 장애물 검출 개념을 적용하는 것이 바람직 하지만, 우선 실험실에서 구현 가능한 방법으로 장애물이 회전운동을 하며 레이다가 정지한 경우의 신호 검줄 개념을 적용하여 전선, 나무 등의 장애물들을 관측할 수 있도록 하는 ISAR 신호획득 및 신호처리 개념을 이용하여 측정 실험 장치를 구성하였다. 물체가 회전운동을 할 경우 거리 방향 (range axis) 해 상도는 다음과 같다.
측정 대상물에 의한 반사 신호 외의 다른 잡음 신호를 최소화 하는 환경을 만들어 주기 위해 전파 흡수체로 격리 처리된 챔버에서 측정하였다. 각 각 의회 전 각도에서 주파수 응답은 HP-VEE 프로그램을 이용한 순차적인 제어 에 의해서 측정하였으며 표 (1) 에 실험에서 전선을 검출하기 위하여 이용된 파라미터 들을 제시 하였다.
대상 데이터
고찰할 수 있었다. 본 실험에서 사용된 전선의 굵기는 11, 16, 22 mm이며 전선간의 최소 간격은 90 mm까지 설정 하였다. 고해상도의 전선 영상신호를 얻기 위하여 ISAR 방법을 이용하여 신호처리 과정을 수행 하였고 검출된 전선 영상 신호에 edge enhancement 필터를 이용하여 수신 신호에 대한 영상의 질을개선하였다.
서로 다른 굵기의 전선에 대한 탐지 실험을 하기 위하여 그림 (5a)와 같이 11mm, 16mm, 22mm의 굵기를 갖는 전선을 91mm와 610mm의 간격으로 배치하여 측정하였다. 이때 안테나와의 위치는 그림 (4a) 와 같다.
.장애물 측정 시스템은 RF 신호원과 송수신 안테 나, 방향성 결합기, 주파수 변환기 그리고 수신기로 구성되었다. 장애물의 회전은 I/O 보드와 결합된 PC를 이용하여 모터의 회전각을 제어하도록 하였으며 수신 데이타에, 대한 신호 처리는 역시 PC에서 HP-IB를 통해서 수행 하도록 하였다.
성능/효과
특히 헬리콥터 비행에 가장 위험한 장애물이 될 수 있는 탐지가 어려운 "wire-like-obstacle" 을 검출하기 위한 연구가 수행되 었으며 실험 결과 전선의 굵기가 11 mm인 전선도 검출할 수 있었다. 전선이 1 개가 있는 경우에서부터.
중앙에 위치한 전선에 비하여 양쪽 가상 자리에 위치한 전선은 비교적 상호 산란 영향을 적게 받아 수신 신호가 선명히 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 본 실험에서 설정한 전선의 굵기나 전선간의 간격은 아주 극단적으로 하였으며 실제 고압선의 간격은 본 실험에서 설정한 최소 간격 90mm보다 5배 내지 10 배 이상의 간격으로 위치하고 있어 실제 상황에서는 이 러 한 문제가 아주 미 약할 것으로 예상된다.
특히 밀리미터파 레이다를 이용한 실험을 통하여 전선과 같은 아주 작은 레이다 단면적을 갖는 장애물의 검출 가능 여부를 확인하였다. 실험 결과에서 보듯이 1개의 전선이 위치하여 있을 때 뿐만 아니라 11 mm, 16mm, 22mm 의 지름을 갖는 전선이 동시에 나란히 서로 인접하여 있을 때도 명확한 전선의 신호를 검출할 수가 있었다. 물론 11mm 직경의 전선이 한 개만 존재하고 있을 때는 3개의 전선이 나란히 위치하여 있을때 보다 아주 명확히 검출되는 것을 확인할 수 있었다.
위의 실험에서 전선이 1개가 있는 경우에는 아주 선명한 전선의 영상을 얻을 수 있었으나 전선이 2개가 동시에 근접하여 위치해 있는 경우에는 전선이 1 개 가 있는 경우보다 수신 신호로부터 획득한 영상이 선명하지 못하고 blur 현상이 일어나는 것을 관찰할 수가 있었다. 이러한 현상은 전선이 3개가 있는 경우에도 발생하였으며 특히 전선이 3개가 있는 경우 중앙에 위치한 전선은 blur 현상이 아주 심하여 edge 필터를 이용하여야만 전선을 영상으로 인식할 수 가 있었다.
밀리미터파를 이용한 레이다 시스템은 비교적 파장이 짧은 높은 주파수에서 작동하므로 작은 안테나를 이용하여서도 높은 분해능을 갖는 장애물 검출 장치를 구현할 수 있다. 이상의 시스템 비교를 통해 기후에 의한 영향이 적을 뿐만 아니라 야간에도 이용 가능한 밀리미터 파 레 이 다가 단거리 에서 높은 해 상도가 요구되 는장애물 탐지 시 스템으로 가장 적 합함을 알 수 있다.
물론 11mm 직경의 전선이 한 개만 존재하고 있을 때는 3개의 전선이 나란히 위치하여 있을때 보다 아주 명확히 검출되는 것을 확인할 수 있었다. 전선이 3개가 동시에 있을 때는 각 전선의 레이다 단면적으로부터의 전자파 산란에 의하여 3개의 전선에서 돌아오는 전파 신호가 일부 서로 혼합되어 수신기에 돌아오므로 각 전선에서 돌아오는 신호의 분리가 명확하지 않지만 그럼에도불구하고 실험 결과에서는 3개의 전선을 확인할 수 있었다. 본 실험결과를 바탕으로 하여 헬기에 장착할 수 있는 장애물 탐지용 센서 시스템의 개발을 위한 기술의 확보를 가능케 하였다.
후속연구
또한 밀리미터파 장애물 탐지 시스템에 목표물에 대한 고해상도 획득을 위한 기술을 응용한다면 단지 장애물의 존재 유무 뿐 아니라 고해상도 의 영상으로도 장애물 관측이 가능해진다. 일반적으로 레이다가 보는 방향의 수직 방향 해상도를 높이기 위해서는 작은 빔 폭의 안테나가 필요하게 된다.
본 실험결과를 바탕으로 하여 헬기에 장착할 수 있는 장애물 탐지용 센서 시스템의 개발을 위한 기술의 확보를 가능케 하였다. 향후 이 시스템은 안테나에 수직, 수평 편파를 적용할 수 있는 모드 변환 회로를 첨부하여 편파의 .변환에 따른 수신 신호의 특성을 고찰 하려 고 한다.
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