[논문]금속/비금속 복합센서기반 위험물 탐지기술 개발

유동수; 김석환; 이정엽; 이석재

doi:10.5302/j.icros.2014.13.9003

금속/비금속 복합센서기반 위험물 탐지기술 개발
Development of Hazardous Objects Detection Technology based on Metal/Non-Metal Detector 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.2, 2014년, pp.120 - 125

유동수 (현대로템 주식회사 기술연구소) , 김석환 (현대로템 주식회사 기술연구소) , 이정엽 (현대로템 주식회사 기술연구소) , 이석재 (대구보건대학교 방사선과)

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional handheld metal detectors use a single induction coil to detect the metallic parts of explosive objects, and the detector generates an acoustic signal from its magnetic response to a metallic object so that an operator can confirm the existence of mines. Though metal detectors have very useful detection mechanisms to find mines, it is easy to cause a high false alarm ratio due to the detection of non-explosive metallic items such as cans, nails and other pieces of metal, etc. Also, because of the physical characteristic of a metal detector it is hard to detect non-metallic objects such as mines made of wood or plastic. Furthermore, the operator must move it to the left and right slowly and repeatedly to attain enough sensor signals to confirm the existence of mines using only a monotonous acoustic signal. To resolve the disadvantages of handheld detectors, many new approaches have been attempted, such as an arrayed detector and a visualization algorithm based on metal/non-metal sensor. In this paper, we introduce a visualization algorithm with a metal/non-metal complex sensor, an arrayed metal/non-metal sensor and the their testing and evaluation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 상용 휴대형 금속/비금속 복합센서를 활용하여 신호융합기법과 영상 가시화 알고리즘을 개발하고, 이를 야지 시험평가 및 분석을 통하여 실 매설형 지뢰 탐지에 적합함을 검증하였다. 또한, 시험결과 획득된 기술을 기반으로 탐지속도를 향상시키는 배열식 금속/비금속 복합 센서를 개발하고 야지 실물시험을 통하여 복합신호처리, 영상가시화 및 탐지기법의 타당성을 입증하였다.
본 연구에서는 지하에 매설된 지뢰를 효과적으로 탐지하기위하여 기존 금속탐지기의 단점을 보완하는 금속/비금속 복합센서 기반의 지뢰탐지장치를 위한 신호융합 및 영상가시화 알고리즘을 제안하였다. 또한, 영상가시화 알고리즘을 시험 및 평가하기 위해 자동 스캔이 가능한 지뢰탐지 구동장치를 개발하였다.

제안 방법

복합센서 기반의 지뢰탐지 탐지 및 영상 가시화 시험 이외에 다수의 센서를 이용한 배열식 지뢰탐지 센서를 개발하고 탐지 시험을 수행하였다. 개발된 배열식 지뢰탐지 센서는 배열식 지표투과레이더와 배열식 금속탐지장치로써 배열식 복합센서 연동 시험을 수행하였다.
지뢰탐지 제어기는 지하에 매설된 표적의 탐지 데이터를 획득하기 위해 다자유도 지뢰탐지구동장치의 구동제어를 수행하고, 구동장치에 장착된 위치센서 기반의 기구학 정보를 통하여 지뢰탐지센서의 이동 위치와 이에 대응되는 지뢰탐지센서 데이터를 획득하는 역할을 한다. 또한 C++로 구현된 영상가시화 알고리즘을 제어기에 설치 하여 지뢰탐지 제어기가 알고리즘을 수행할 수 있도록 하였다.
복합센서 기반 영상가시화 알고리즘을 시험하기 위해 실외 야지에 연습용 지뢰를 매설하였고, 지뢰종류, 탐지높이, 매설깊이 및 탐지 속도를 변경하여 다양한 시험을 수행하였다. 또한 본 기술을 기반으로 배열식 금속탐지센서 및 배열식 지표투과레이더를 개발하였고 두 센서를 연동하여 다채널 센서 수신 시험 및 복합센서기반 탐지 및 영상가시화 시험을 수행하였다.
또한 지뢰탐지를 수행하기 위한 지뢰탐지 구동장치와 구동장치 제어 및 센서 신호 획득/처리를 위한 지뢰탐지 제어기를 개발하였다. 지뢰탐지 제어기는 지하에 매설된 표적의 탐지 데이터를 획득하기 위해 다자유도 지뢰탐지구동장치의 구동제어를 수행하고, 구동장치에 장착된 위치센서 기반의 기구학 정보를 통하여 지뢰탐지센서의 이동 위치와 이에 대응되는 지뢰탐지센서 데이터를 획득하는 역할을 한다.
또한, 실외 시험장소까지 지뢰탐지장치 이동을 위해 지뢰탐지장치용 전동시험장치대를 개발하였고, 전동시험장치대에 장착된 지뢰탐지장치를 이용하여 지뢰탐지 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 지하에 매설된 지뢰를 효과적으로 탐지하기위하여 기존 금속탐지기의 단점을 보완하는 금속/비금속 복합센서 기반의 지뢰탐지장치를 위한 신호융합 및 영상가시화 알고리즘을 제안하였다. 또한, 영상가시화 알고리즘을 시험 및 평가하기 위해 자동 스캔이 가능한 지뢰탐지 구동장치를 개발하였다. 복합센서 기반 영상가시화 알고리즘을 시험하기 위해 실외 야지에 연습용 지뢰를 매설하였고, 지뢰종류, 탐지높이, 매설깊이 및 탐지 속도를 변경하여 다양한 시험을 수행하였다.
배열식 금속탐지장치는 5개의 자기장 발생 및 수신 코일 일체형의 센서를 장착하여, 5채널의 금속탐지 신호를 동시에 수신할 수 있도록 개발하였다.
또한, 영상가시화 알고리즘을 시험 및 평가하기 위해 자동 스캔이 가능한 지뢰탐지 구동장치를 개발하였다. 복합센서 기반 영상가시화 알고리즘을 시험하기 위해 실외 야지에 연습용 지뢰를 매설하였고, 지뢰종류, 탐지높이, 매설깊이 및 탐지 속도를 변경하여 다양한 시험을 수행하였다. 또한 본 기술을 기반으로 배열식 금속탐지센서 및 배열식 지표투과레이더를 개발하였고 두 센서를 연동하여 다채널 센서 수신 시험 및 복합센서기반 탐지 및 영상가시화 시험을 수행하였다.
복합센서 기반의 지뢰탐지 탐지 및 영상 가시화 시험 이외에 다수의 센서를 이용한 배열식 지뢰탐지 센서를 개발하고 탐지 시험을 수행하였다. 개발된 배열식 지뢰탐지 센서는 배열식 지표투과레이더와 배열식 금속탐지장치로써 배열식 복합센서 연동 시험을 수행하였다.
복합센서는 Vallon사의 VMR2 Minehound를 사용하였고 지뢰탐지 구동장치에 장착하기 위해 센서 모듈을 개조하였다.
복합센서탐지 및 매설물 영상 가시화 시험을 수행하기 위해, 복합센서 기반의 금속/비금속 지뢰탐지 센서를 지뢰 탐지 구동장치에 장착하고, 군에서 사용하고 있는 3종의 연습용 지뢰를 매설하여 복합센서 탐지시험 및 영상가시화 시험을 수행하였다.
이 알고리즘은 지뢰탐지제어기 운용 소프트웨어에 이식하기 위해 MATLAB으로 기 개발된 소스를 C++ 언어로 코딩하였으며, 소스코드를 소프트웨어 모듈화하여, 기존 동일한 언어로 개발된 지뢰탐지구동제어 소프트웨어에 쉽게 이식할 수 있도록 하였다.
표 1의 연습용 지뢰를 토양에 매설하고 지뢰탐지센서가 장착된 지뢰탐지 구동장치를 이용하여 탐지 시험을 수행하였다. 아래 그림과 같이 야지에 연습용 지뢰를 실제로 매설 하여 탐지 시험을 수행하였다.

대상 데이터

매설된 시험대상 3종의 지뢰에 대하여 금속/비금속 센서를 활용하여 시험한 결과 그림 10과 같이 융합신호처리를 통한 가시화 영상을 획득하였다. 또한, 매설된 지뢰별로 영상 가시화 기반의 탐지기법이 우수함을 확인하였다.
배열식 금속탐지장치 및 지표투과레이더를 동시에 장착 하여 아래와 같이 각 센서의 5채널 데이터 획득 시험을 수행하였다.
배열식 지표투과레이더는 5개의 GPR 모듈을 직렬료 장착하여 5채널의 GPR 신호를 동시에 획득할 수 있도록 구성되었다.
시험장치의 구성은 그림 13과 같이 시험용 로봇 매니퓰레이터에 배열식 금속탐지장치와 배열식 지표투과레이더를 부착하였고, 시험용 수조에 KM15, KM19 대전차지뢰 및 KM16 대인지뢰를 매설하였다. 시험용 토양은 마사토를 사용하였다.
시험장치의 구성은 그림 13과 같이 시험용 로봇 매니퓰레이터에 배열식 금속탐지장치와 배열식 지표투과레이더를 부착하였고, 시험용 수조에 KM15, KM19 대전차지뢰 및 KM16 대인지뢰를 매설하였다. 시험용 토양은 마사토를 사용하였다.
표적의 탐지깊이, 탐지높이, 탐지속도 등의 시험 파라미터를 변화시켜 다양한 시험 조건에서의 MD/GPR 데이터 획득 및 DSBP 기법에 의한 영상 이미지 데이터를 획득하였다. 센서 탐지속도는 상용센서의 탐지성능이 가장 뛰어난 0.

이론/모형

이러한 형태는 직관적이지 않기 때문에, 영상 가시화 알고리즘을 통하여 위치-위치 영역의 신호로 변화시켜 상기 우측 그림과 같이 사용자가 직관적으로 알 수 있는 패턴으로 변화시키는 것이다. 이러한 이미지 패턴을 생성하는 알고리즘은 여러 가지가 있으나, 본 지뢰탐지장치에는 DSBP (Delayed Sum Back Projection) 알고리즘[3,4]을 사용하였다. DSBP 기법은 상기 그림 6과 같이 위치-시간 영역의 데이터인 B-Scan 데이터를 그림 8과 같은 위치-위치 영역의 데이터로 변화시키는 알고리즘이다.

성능/효과

매설된 시험대상 3종의 지뢰에 대하여 금속/비금속 센서를 활용하여 시험한 결과 그림 10과 같이 융합신호처리를 통한 가시화 영상을 획득하였다. 또한, 매설된 지뢰별로 영상 가시화 기반의 탐지기법이 우수함을 확인하였다.
본 연구에서는 상용 휴대형 금속/비금속 복합센서를 활용하여 신호융합기법과 영상 가시화 알고리즘을 개발하고, 이를 야지 시험평가 및 분석을 통하여 실 매설형 지뢰 탐지에 적합함을 검증하였다. 또한, 시험결과 획득된 기술을 기반으로 탐지속도를 향상시키는 배열식 금속/비금속 복합 센서를 개발하고 야지 실물시험을 통하여 복합신호처리, 영상가시화 및 탐지기법의 타당성을 입증하였다.
시험결과 그림 14 및 그림 15와 같이 배열식 금속탐지장치(MD) 및 배열식 지표투과레이더 영상을 획득하였으며, 결합된 배열식 MD/GPR 센서 및 인접한 5채널의 동종 센서들 간의 상호 간섭없이 센서신호가 동시 획득되어 정상적으로 매설물 탐지가 가능함을 확인하였다.

후속연구

향후 현 보유 기술을 바탕으로 탐지센서의 해상도 증대를 위한 센서 모듈 집적화, 다채널 신호 동시 수신을 위한고속 신호처리 시스템 개발, 다양한 환경에서 도출된 탐지데이터 기반의 센서 설계 요소 도출, 탐지데이터베이스 기반의 자동 탐지 알고리즘 개발, 클러터(clutter) 제거 알고리즘 개발, 영상가시화 고속 출력 알고리즘, 비정형 지형 노면추종 탐지 알고리즘 개발 등을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매설된 지뢰를 탐지하는 금속탐지 센서의 단점은 무엇인가?	금속탐지센서(MD; Metal Detector)의 금속성 폭발물 탐지 능력은 매우 탁월하나, 캔, 못, 금속 폐기물 등과 같은 비폭발성 금속성 물체도 탐지하기 때문에 오탐지율이 높다는 단점을 가지고 있다. 또한 금속탐지센서는 목함지뢰 또는 플라스틱 지뢰와 등은 탐지하기가 어려운 단점을 지니고 있다[1]. 이와 같은 금속탐지 센서의 탐지 신뢰성의 저하 및 높은 오탐지율로 인해 지뢰탐지 운용병의 사망 또는 부상의 위험이 도사리고 있다. 그리고 단일 센서를 사용함에 따라 센서를 좌/우로 세밀하게 스캔을 해야 하므로 탐지시간이 많이 소요되며, 운용자가 헤드셋을 통하여 탐지신호 음향으로 감지해야 하므로, 탐지 결과가 직관적이지 못하고 운용자가 쉽게 피로감을 느끼는 단점을 가지고 있다.
	지뢰 탐지에 금속탐지센서의 단점을 보완하기 위한 기법들은 무엇이 있는가?	이와 같은 금속탐지센서의 단점을 보완하기 위해, 최근에는 금속탐지센서와 지표투과레이더, 적외선 탐지센서, 초음파 센서, 중성자 센서, 화학/생물학 센서 등을 융합하여 사용하는 복합탐지기법이 각광을 받고 있다. 특히, 지표투과레이더(GPR; Ground Penetrating Radar)는 일반적인 레이더와는 달리 지반 투과성이 좋은 초광대역 주파수의 전자기파를 땅 속에 투사하여 매설물을 탐지는 방식으로, 고고학, 토목공사 및 하수도 배관 검사 등에 널리 사용되어 왔다[2].
	지뢰로 인한 민간인 사상자가 자주 발생하는 이유는 무엇인가?	전 세계적으로 살포 및 매설된 지뢰로 인해, 매년 수많은 사람들이 사망하거나 부상당하고 있다. 특히, 내전 이후 민간인 거주 지역에 매설된 지뢰로 인해 민간인 사상자가 발생하고 있으며, 이는 지뢰 매설 이후 발생한 산사태 및 홍수와 같은 자연적 현상으로 인해 매설된 지뢰의 정확한 위치를 파악할 수 없기 때문에 이와 같이 의도치 않은 사고가 발생한다. 매설된 지뢰를 탐지하는 수단은 20세기 초중반부터 사용되어온 탐침봉이나 금속탐지센서이며, 이중에 금속탐지센서는 오늘날까지도 군사 및 민간 분야에서 널리 사용되고 있다.

참고문헌 (4)

J. Lim and C. Oh, "Implementation of the pulse induction metal detector," Proc. of Information and control, The Korean Institute of Electrical Engineers (in Korean), pp. 404-405, Oct. 2011.
Y. J. Park, K. H. Kim, and W. T. Lee, "High resolution ground penetrating image radar using ultra wideband (UWB) impulse waveform," Journal of the Electronics and Information Engineers (in Korean), vol. 42, TC, no. 11, pp. 101-106, Nov. 2005.
D. Kim, J. Y. Hong, and K. Kim, "Comparison of time-domain imaging algorithms for ultra-wideband radar with one dimensional synthetic aperture," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (in Korean), vol. 19, no.10, pp. 1175-1184, Oct. 2008.

원문보기 상세보기
L. Wentai, H. Chunlin, and S. Yi, "A realtime back projection imaging algorithm for impulse surface penetrating radar," IEEE, International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 1734-1737, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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