[논문]지뢰탐지용 48채널 배열 UWB 임펄스 레이더 방식 지면투과레이더시스템 개발

권지훈; 곽노준; 하성재; 한승훈; 윤여선; 양동원

doi:10.5573/ieie.2016.53.12.003

지뢰탐지용 48채널 배열 UWB 임펄스 레이더 방식 지면투과레이더시스템 개발
Ground Penetrating Radar System for Landmine Detection Using 48 Channel UWB Impulse Radar 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.12 = no.469, 2016년, pp.3 - 12

권지훈 (서울대학교 융합과학기술대학원) , 곽노준 (서울대학교 융합과학기술대학원) , 하성재 (한국폴리텍대학교 정보통신시스템 대전캠퍼스) , 한승훈 (한화시스템 레이다연구소) , 윤여선 (한화시스템 레이다연구소) , 양동원 (국방과학연구소)

초록
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본 논문은 지뢰탐지용 48채널 배열 UWB 임펄스 레이다 방식의 지면투과레이다 구현과 시험에 대해 기술한다. 지면투과레이더는 기존 금속탐지기의 한계인 비금속 지뢰 탐지의 어려움과 매질 내 금속 성분에 의해 발생하는 높은 오경보 문제점을 극복한다. 본 논문에서는 펄스폭이 600ps 급인 미세한 모노싸이클(Monocycle) 펄스 파형을 사용해, 높은 해상도의 지뢰 전자파 영상을 제공토록 시스템을 구현한다. 특히 신호처리를 통해 지뢰가 매설된 지점을 자동으로 추정하고, 해당 지점에서의 분할된 상세 지뢰 전자파 영상을 사용자에게 제공한다. 기준 성능 분석을 위해 한국 대표 토양인 거친 사양토를 사용한 실내 시험장을 구축하고, 시험장 내의 자동화된 측정 플랫폼에 구현한 레이다를 장착하여 영상 획득 및 탐지심도 분석 등의 시험을 수행한다. 지뢰는 비무장 지대에 매설된 지뢰와 동일한 형태의 모형 지뢰를 사용한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the development of the ground penetrating radar (GPR) system using UWB impulse radar with 48 Channel array. GPR is an effective alternative technology to resolve th disadvantages of metal detectors. Metal detectors have a very low detection probability of non-metallic landmine and high false alarm rates caused by metallic materials under the ground. In this paper, we use the mono-cycle pulse waveform with about 600 ps pulse width to obtain high resolution landmine microwave images. In order to analyze performances of this system, we utilize indoor test facility that made up of rough sandy loam which representative Korean soil. The mimic landmine models of metal/non-metal and anti-tank/anti-personnel landmines buried in DMZ (demilitarized zone) of Korea are used to analyze the detection depth and the shape of the mines using microwave image.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 지뢰탐지용 48채널 배열 UWB 임펄스 레이더의 시스템, 하드웨어, 신호처리 및 시험/분석에 관해 기술하였다. 특히 기준 성능을 분석하기 위해 한국 대표 토양을 사용한 전용 실내 시험장 내에서 시험을 수행하였고, 비무장 지대에 매설된 지뢰와 동일한 모형 지뢰를 매설하여, 지뢰 전자파 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 서브 나노초 이하의 임펄스 파형을 사용하는 초광대역 임펄스 레이더를 다룬다. 특히 Single Channel 또는 수 채널 수준의 배열 레이더를 구현한 기존 연구^[7～11]와 달리, 채널 간섭을 극복토록 설계한 48채널 배열 임펄스 레이더 지뢰탐지 시스템을 구현하고, 지뢰 전자파 영상을 실시간으로 획득하고 분석한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 윈도우시간(Window time) 동안에 각 깊이에서의 평균잡음전력 크기를 계산하고, 평균 잡음전력 대비 SNR_required dB 이상을 윈도우 시간내에 존재하는 값들로부터 적응적 임계치(threshold)를 계산하고, 임계치 이상의 신호만을 검출하는 방식으로 처리한다. 또한, 신호처리 편리성을 위해 임계치 이하의 값은 0으로 sparse 처리한다.
제한기(Limiter)의 회복시간보다 고속으로 송수신이 근거리에서 동작하기 때문에 수신기 보호용 제한기 사용이 불가능하다. 따라서 안테나 송수신간에 높은 격리도가 요구되며, 본 개발의 경우 수신기의 물리적 특성을 고려하여 25dB 이상을 유지토록 설계한다.
획득 결과 본 논문 시험조건 기준으로 지뢰 #1(대전차/금속)과 지뢰 #2(대전차/비금속)의 경우 깊은 심도까지 탐지되었고, 지뢰 #3(대인/비금속)과 지뢰 #4(대인/금속)의 경우 중간 심도까지 탐지됨을 분석하였다. 또한 채널별로 획득한 데이터를 처리해 48채널 영상을 합성하고, 합성된 영상을 처리해 지뢰 위치정보를 추정하였다. 추정한 위치 정보를 활용하여 Down-track 방향의 분할된 지뢰 상세 이미지를 제공토록 처리하였다.
본 논문에서 심도는 표면부터 최대탐지심도를 분할하여 표기한 ‘표면, 얕은, 중간 및 깊은’이란 용어로 대체하여 표현한다.
시험에 사용된 지뢰는 대전차지뢰와 대인지뢰로 구분하고, 재질에 따라서 금속과 비금속 지뢰로 구분한다. 시험방법은 실 지뢰와 동일한 모형인 지뢰 #1(대전차/ 금속), 지뢰 #2(대전차/비금속), 지뢰 #3(대인/비금속) 및 지뢰 #4(대인/금속)를 각각 표면, 얕은 심도, 중간 심도 및 깊은 심도에 매설하고, 지뢰 전자파 영성을 획득 및 합성한다. 본 논문에서 심도는 표면부터 최대탐지심도를 분할하여 표기한 ‘표면, 얕은, 중간 및 깊은’이란 용어로 대체하여 표현한다.
시험에 사용된 지뢰는 대전차지뢰와 대인지뢰로 구분하고, 재질에 따라서 금속과 비금속 지뢰로 구분한다. 시험방법은 실 지뢰와 동일한 모형인 지뢰 #1(대전차/ 금속), 지뢰 #2(대전차/비금속), 지뢰 #3(대인/비금속) 및 지뢰 #4(대인/금속)를 각각 표면, 얕은 심도, 중간 심도 및 깊은 심도에 매설하고, 지뢰 전자파 영성을 획득 및 합성한다.
시험은 전용 실내시험장에서 수행하며, 자동화된 측정 장비에 구현한 투과레이더를 장착하여 측정한다. 이를 그림 17에 보인다.
특히 Single Channel 또는 수 채널 수준의 배열 레이더를 구현한 기존 연구^[7～11]와 달리, 채널 간섭을 극복토록 설계한 48채널 배열 임펄스 레이더 지뢰탐지 시스템을 구현하고, 지뢰 전자파 영상을 실시간으로 획득하고 분석한다. 이를 위해 자동화된 실내 전용시험장을 구축하고, 국내 비무장지대에 매설된 것으로 추정되는 지뢰와 동일한 모형 지뢰를 실 환경 토양(국내 대표 토양) 내에 매설하여 신호를 획득 및 분석한다.
앞 절 그림 14에서 찾아진 3개의 지뢰 추정 영상으로부터 지뢰여부를 판단하기 위해서는 Down-track 방향으로 영상을 탐색한다. 이를 위해서는 앞 절에서 찾은 Hough transform으로부터 찾은 peak의 Cross-track 인덱스 및 Down-track 인덱스 정보를 활용해, 탐색해야할 채널 영상 및 지점을 선택한다. 선택된 지점의 A-scan 데이터로부터 peak를 찾고, 해당 지점에서 이미지를 분할한다.
찾아진 peak들 간의 거리를 계산하고, 지뢰의 크기를 고려한 임계치를 설정하고, peak를 군집 분류처리한다. 군집 분류 후에 군집 내에 있는 점들의 평균좌표를 계산해, 중심을 추정한다.
이를 그림 19에 보인다. 추정된 위치정보를 통해 채널을 선택하고, 선택된 채널의 Down-track 방향 영상으로부터 Down-track time index 지점에서의 A-scan 방향의 지뢰 신호를 탐지해, 분할 처리된 지뢰 영상을 제공한다. 이를 그림 20에 보인다.
또한 채널별로 획득한 데이터를 처리해 48채널 영상을 합성하고, 합성된 영상을 처리해 지뢰 위치정보를 추정하였다. 추정한 위치 정보를 활용하여 Down-track 방향의 분할된 지뢰 상세 이미지를 제공토록 처리하였다.
본 연구에서는 서브 나노초 이하의 임펄스 파형을 사용하는 초광대역 임펄스 레이더를 다룬다. 특히 Single Channel 또는 수 채널 수준의 배열 레이더를 구현한 기존 연구^[7～11]와 달리, 채널 간섭을 극복토록 설계한 48채널 배열 임펄스 레이더 지뢰탐지 시스템을 구현하고, 지뢰 전자파 영상을 실시간으로 획득하고 분석한다. 이를 위해 자동화된 실내 전용시험장을 구축하고, 국내 비무장지대에 매설된 것으로 추정되는 지뢰와 동일한 모형 지뢰를 실 환경 토양(국내 대표 토양) 내에 매설하여 신호를 획득 및 분석한다.

대상 데이터

48채널 배열 UWB 임펄스 레이더 방식의 지면투과 레이더는 안테나모듈, TRX모듈, 신호처리 모듈 및 전력모듈로 구성한다. 각각의 안테나모듈 및 TRX모듈은 각각 16개의 송수신안테나 및 임펄스 레이더 트랜시버를 갖는다.
이를 그림 17에 보인다. 토양은 한국 대부분의 지형에서 관찰되는 사양토를 사용하였고, 지름 5cm 수준 이하의 돌을 포함하고 있다. 크기는 가로×세로×깊이 기준 00m×00m×2m 로 조성되었다.
본 논문은 지뢰탐지용 48채널 배열 UWB 임펄스 레이더의 시스템, 하드웨어, 신호처리 및 시험/분석에 관해 기술하였다. 특히 기준 성능을 분석하기 위해 한국 대표 토양을 사용한 전용 실내 시험장 내에서 시험을 수행하였고, 비무장 지대에 매설된 지뢰와 동일한 모형 지뢰를 매설하여, 지뢰 전자파 영상을 획득하였다. 획득 결과 본 논문 시험조건 기준으로 지뢰 #1(대전차/금속)과 지뢰 #2(대전차/비금속)의 경우 깊은 심도까지 탐지되었고, 지뢰 #3(대인/비금속)과 지뢰 #4(대인/금속)의 경우 중간 심도까지 탐지됨을 분석하였다.

이론/모형

48채널 합성된 탑뷰 영상으로부터 Hough peak 검출법을 적용해 분할 처리된 Top view 지뢰 전자파영상과 위치정보(채널번호, Down-track time index)를 찾는다. 이를 그림 19에 보인다.
48채널을 합성하여, Gaussian Smoothing Filter를 적용한, TOP view 영상을 생성한다. 지뢰가 존재할 가능성이 높은 영역이 더 많은 에너지가 수신됨을 고려하여, Hough transform을 통한 peak 검출법을 적용해서 추정점들을 찾아낸다. 이를 그림 13에 보인다.
초광대역 신호를 생성하는 방법은 광대역 FMCW 레이더 방식과 임펄스(Impulse) 레이더 방식 등으로 구현한다. 광대역 FMCW 레이더 방식은 광대역 Chirp 신호를 사용하는 것으로 평균송신출력을 높게 사용할 수 있기 때문에 탐지거리에 이점을 갖는다.

성능/효과

시험결과 대전차지뢰인 지뢰#1 및 지뢰#2의 경우 깊은 심도 내에 매설된 지뢰까지 탐지되었고, 측정된 영상이 클러터와의 구분이 용이한 형태 및 강도를 보였다. 한편, 상대적으로 크기가 작은 지뢰 #3 및 지뢰 #4의 경우는 중간 심도 내의 매설된 지뢰까지 탐지되었다.
특히 기준 성능을 분석하기 위해 한국 대표 토양을 사용한 전용 실내 시험장 내에서 시험을 수행하였고, 비무장 지대에 매설된 지뢰와 동일한 모형 지뢰를 매설하여, 지뢰 전자파 영상을 획득하였다. 획득 결과 본 논문 시험조건 기준으로 지뢰 #1(대전차/금속)과 지뢰 #2(대전차/비금속)의 경우 깊은 심도까지 탐지되었고, 지뢰 #3(대인/비금속)과 지뢰 #4(대인/금속)의 경우 중간 심도까지 탐지됨을 분석하였다. 또한 채널별로 획득한 데이터를 처리해 48채널 영상을 합성하고, 합성된 영상을 처리해 지뢰 위치정보를 추정하였다.

후속연구

개발된 시스템은 클러터영상과 지뢰영상과의 확연한 차이를 통해 지하 내 매설된 지뢰 의심 물체를 찾는데 효과적으로 활용할 수 있다. 또한 신호 강도에 의존한 단순 임계치 비교 방식으로 지뢰의 유무를 알려주는 기존 재래식 무기에 비해, 지하 내부를 시각적 정보로 살펴볼 수 있어 내부의 형태 등을 복합적으로 판단할 수 있는 장점을 갖는다.
향후 시스템 성능 안정화를 위해, 많은 수의 시험 데이터를 획득할 예정이며, 패턴인식 기반 분류알고리즘을 적용해 Down-track 방향의 지뢰 상세 이미지를 분류처리토록 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광대역 FMCW 레이더 방식의 장점은 무엇인가?	초광대역 신호를 생성하는 방법은 광대역 FMCW 레 이더 방식과 임펄스(Impulse) 레이더 방식 등으로 구현한다. 광대역 FMCW 레이더 방식은 광대역 Chirp 신호를 사용하는 것으로 평균송신출력을 높게 사용할 수있기 때문에 탐지거리에 이점을 갖는다. 하지만, 광대역 대역폭을 지원하는 선형 신호생성기 구현이 어렵고, 특히 주파수 변조를 위한 스윕 시간(Sweep time)이 요구 되므로, 탐지 속도에 제약을 받는다.
	금속탐지기는 어떤 원리로 작동하는가?	전통적 지뢰탐지장치는 금속탐지기(자성센서, Metal detector)를 이용하였다. 금속탐지기는 자기장의 변화를 감지하여 금속 물질을 감지하는 방식이다. 개발이 쉽고, 비용이 낮기 때문에 전 세계적으로 널리 개발 및 활용 되고 있다 [2～3] .
	지면투과레이더의 한계는 무엇인가?	한편, 전자파 신호를 송수신하여 지하 내에 매설된 물질 또는 단층 등을 탐지하는 지면투과레이더(지하투과레이더 또는 지하탐사레이더 등, Ground penetrating radar)가 개발되어 지뢰탐사에 활용되고 있다 [2～5] . 그러나 사용 주파수에 따라 전자파의 매질 투과율이 다르기 때문에, 매질에 따라 성능이 떨어지는 한계가 있다 [3～4] . 이러한 문제를 극복하기 위해 초광대역레이더(Ultra wideband Radar)의 기술을 접목한 광대역 지면투과레이더에 대한 연구가 진행되고 있다 [6～10] .

참고문헌 (12)

Korea Legislation Research Institute, A Study on Making Law on Landmine Removal Project for Private Businesses, 2007
Gooneratne, C. P., S. C. Mukhopahyay, and G. Sen Gupta. "A review of sensing technologies for landmine detection: Unmanned vehicle based approach." Proceedings of the 2nd International Conference on Autonomous Robots and Agents, Palmerston North, New Zealand. 2004.
Siegel, Rob. "Land mine detection." Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE 5.4, pp. 22-28, 2002

상세보기
MacDonald, Jacqueline, et al., Alternatives for landmine detection, No. RAND/MR-1608-OSTP. RAND CORP SANTA MONICA CA, 2003.
Ivashov, S. I., et al. "A review of the remote sensing laboratory's techniques for humanitarian demining." Proceedings of the International Conference on Requirements and Technologies for Detection, Removal and Neutralization of Landmines and UXO, Brussels, Belgium. Vol. 1. 2003.
Daniels, David J., Ground penetrating radar, John Wiley & Sons, Inc., 2005.
Yarovoy, Alexander G., et al. "UWB array-based sensor for near-field imaging." Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 55.6, pp. 1288-1295, 2007

상세보기
Yarovoy, Alexander, et al. "UWB array-based radar for landmine detection." Radar Conference, 2006. EuRAD, 2006.
Gonzalez-Huici, Maria A., Ilaria Catapano, and Francesco Soldovieri. "A comparative study of GPR reconstruction approaches for landmine detection." Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, IEEE Journal of 7.12, pp. 4869-4878, 2014

상세보기
Ji-Hoon Kwon, Dong-Hyun Kim, Seoung-Hoon Han, "Research to synthesize landmine GPR image using UWB impulse signal", IEIE Conference 2014, pp. 466-467, 2014.6
Savelyev, Timofey, Alexander Yarovoy, and Leo Ligthart. "Experimental evaluation of an array GPR for landmine detection." Microwave Conference, 2007. European. IEEE, 2007.
Jol, Harry M., ed. Ground penetrating radar theory and applications. elsevier, 2008.

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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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