[논문]EO/IR 카메라 및 레이더를 이용한 공항 이물질(FOD) 자동탐지 실험

홍재범; 강민수; 김윤섭; 김민수; 홍교영

doi:10.12673/jant.2018.22.6.522

EO/IR 카메라 및 레이더를 이용한 공항 이물질(FOD) 자동탐지 실험
Experiment on Automatic Detection of Airport Debris (FOD) using EO/IR Cameras and Radar 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.6 = no.93, 2018년, pp.522 - 529

홍재범 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과) , 강민수 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과) , 김윤섭 ((주)웨이브텍) , 김민수 ((주)웨이브텍) , 홍교영 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과)

초록
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FOD는 항공기에 위험을 줄 수 있는 위험요인을 지닌 각종 금속, 비금속의 이물질을 총칭한다. FOD는 활주로 및 유도로, 정비시설 등 특정구역 및 시간을 가리지 않고 발생하며, 항공기의 이동 및 이착륙 시 항공기의 안전에 치명적인 위험을 내재하고 있다. 이에 활주로 내 FOD 발생 시 신속하고 효과적인 탐지 및 제거가 필요하다. 최근 항공 안전 기술 개발의 일환으로 공항 내 활주로 이물질 자동 탐지 시스템 개발이 진행 중에 있다. 본 논문에서는 한서대학교 태안캠퍼스에서 EO/IR 카메라 및 레이더를 이용한 이물질 자동 탐지 실험을 진행하여 주야간 정상적으로 탐지되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

FOD refers to various metals and non-metallic foreign substances that pose a risk to aircraft. FODs occur in all areas and time zones, including runways, taxiways, and maintenance facilities, and pose a fatal hazard to aircraft safety during aircraft movements and take-off and landing. Rapid and effective detection and removal of FODs in the runway is required. As part of recent developments in aviation safety technologies, automatic detection of debris in runways in airports is under way. In this paper, we conducted an automated detection test using the EO/IR camera and radar at the Taean campus of Hansu University to confirm normal detection during the day and night.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. FOD 자동탐지시스템 구성도 Fig. 1. Automatic FOD detection system.
그림 그림 2. 고정형 FOD 자동탐지 시스템 Fig. 2. Fixed FOD detection system.
그림 그림 3. 이동형 FOD 자동탐지 시스템 Fig. 3. Mobile FOD detection system.
그림 그림 4. 통합 운영 시스템 Fig. 4. Intergrated operating system.
그림 그림 5. 고정형 레이더 센서 모듈 구성도 Fig. 5. Fixed radar sensor module configuration diagram.
표 표 1. 레이더 스캐닝 유닛 구성 Table 1. Configuration of radar scanning unit.
그림 그림 6. 고정형 EO / IR Laser Light 센서 모듈 Fig. 6. Fixed EO / IR Laser Light Sensor Module.
그림 그림 7. 2 cm 쇠구슬 FOD Fig. 7. 2 cm iron beads FOD.
그림 그림 8. 레이더 대상 FOD 물질 활주로 배치 Fig. 8. Arrangement of radar target FOD material runway.
그림 그림 9. 레이더 FOD 탐지 Fig. 9. Radar FOD detection.
표 표 2. 고정형 EO / IR Laser light 카메라 규격 Table 2. Fixed EO / IR laser light camera standards.
표 표 3. 고정형 PTZ 규격 Table 3. Fixed PTZ Standards.
그림 그림 10. EO/IR 카메라 대상 FOD 물질 활주로 배치 Fig. 10. Arrangement of EO/IR camera target FOD material runway.
그림 그림 11. EO/IR 카메라 FOD 탐지 Fig. 11. EO/IR camera FOD detection.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 한서대학교 태안비행장에서 EO (electrooptic) /IR(infra-red) laser light 카메라 및 레이더 센서를 이용한 이물질 자동 탐지 실험을 진행하여 활주로 상에 존재하는 FOD를 탐지 및 탐지과정에서 발생한 미탐지, 에러요인을 분석하고 해결방법을제시하였다.

가설 설정

EO/IR 센서는 높은 각도에서 활주로 위의 이물질을 탐지하기 때문에 스패너와 같은 수직 성분이 낮은 물체에 대하여 미탐지율이 높았다. 활주로의 정보표시선 또는 기타 구조물에 대하여 FOD 오인탐지가 발생해 최대 탐지 FOD 크기를 설정하였다. 하지만 이로인해 백색 혹은 황색의 정보표시선 위에 존재하는 FOD에 대하여 미탐지율 또한 높았다.

제안 방법

고정형 FOD 자동탐지 시스템 실험은 한서대학교 태안비행장에서 수행 하였다. EO 카메라는 광센서를 사용하여 빛의 양이 많을 경우, 광학을 사용하여 주간에 실험을 하였고, 야간 및 악기상을 경우 IR을 사용하여 FOD를 탐지 하였다. 레이더의 경우 주 야간, 악기상 상관없이 FOD 탐지가 가능하다.
획득한 영상을 신호 처리하고 표적탐지를 하기 위한 프로세서로 신호처리 알고리즘과 표적탐지 알고리즘 이물질 정보 전송 프로그램으로 구성된다. 신호처리 알고리즘에서는 EO 센서 카메라에서 RTSP (real-time streaming protocol) 영상을 수신하여 수신영상을 디코딩한 후 영상 처리 및 표출을 하고, 표적탐지 알고리즘에서 입력 영상을 전처리 후 엣지를 검출해낸 후 추출된 FOD 후보롤 정밀 분류하고 최종 FOD를 판정한다. 판정한 FOD는 이물질 정보 전송 프로그램을 이용하여 이물질 확인 시간, 크기정보, 위치정보를 전송한다.
획득한 영상을 신호 처리하고 표적탐지를 하기 위한 프로세서로 신호처리 알고리즘과 표적탐지 알고리즘 이물질 정보 전송 프로그램으로 구성된다. 신호처리 알고리즘에서는 EO 센서 카메라에서 RTSP (real-time streaming protocol) 영상을 수신하여 수신영상을 디코딩한 후 영상 처리 및 표출을 하고, 표적탐지 알고리즘에서 입력 영상을 전처리 후 엣지를 검출해낸 후 추출된 FOD 후보롤 정밀 분류하고 최종 FOD를 판정한다.

대상 데이터

EO/IR 카메라와 EO/IR laser light 모듈은 시스템 랙에 장착되어 획득한 영상을 분석하고 활주로 내 FOD를 탐지하는 EO 센서 프로세서로 전송한다. EO/IR 카메라는 400 m에서 20 mm × 20 mm 크기의 FOD를 탐지할 수 있도록 1500 mm의 렌즈를 탑재하여 설계되었다. 눈, 비, 안개, 야간 등 악기상에서도 FOD 탐지를 위해 860 mm 밴드패스 필터를 탑재한다[6],[7].
고정형 FOD 자동탐지 시스템 실험은 한서대학교 태안비행장에서 수행 하였다. EO 카메라는 광센서를 사용하여 빛의 양이 많을 경우, 광학을 사용하여 주간에 실험을 하였고, 야간 및 악기상을 경우 IR을 사용하여 FOD를 탐지 하였다.
본 논문에서는 항공기 운항 안전에 심각한 위험을 초래할 뿐만 아니라 경제적 손실을 발생시키는 FOD에 대해 자동탐지가 가능한 시스템 개발 실험을 한서대학교 태안비행장에서 진행하였다. EO/IR 카메라 및 레이더를 사용하여 눈, 비, 강풍과 같은 악천후에서도 24시간 탐지가 가능하며, 주야간 테스트를 통해 FOD를 탐지한 것을 확인하였다.

성능/효과

24시간 365일 무중단 이물질 탐지가 가능하며, 원거리에서 고정된 형태로 이물질을 탐지하기 때문에 공항을 운영하는데 시스템이 간섭을 주지 않고 운영 효율성을 증대할 수 있다는 장점이 있다. 설치 위치는 해당 공항 규정을 준수하며 위치를 선정 해야 하는데 필요에 따라 항공학적 검토 및 보안성 검토가 필요할 수 있으며 설치 위치에 따라 플랫폼의 대수를 결정해야 한다.
현재 EO/IR 카메라의 경우 최대 400 m까지 탐지가 가능하며, 그 이상 거리에서는 포커스 문제로 인하여 탐지가 불가능하다. EO/IR 센서는 높은 각도에서 활주로 위의 이물질을 탐지하기 때문에 스패너와 같은 수직 성분이 낮은 물체에 대하여 미탐지율이 높았다. 활주로의 정보표시선 또는 기타 구조물에 대하여 FOD 오인탐지가 발생해 최대 탐지 FOD 크기를 설정하였다.
본 논문에서는 항공기 운항 안전에 심각한 위험을 초래할 뿐만 아니라 경제적 손실을 발생시키는 FOD에 대해 자동탐지가 가능한 시스템 개발 실험을 한서대학교 태안비행장에서 진행하였다. EO/IR 카메라 및 레이더를 사용하여 눈, 비, 강풍과 같은 악천후에서도 24시간 탐지가 가능하며, 주야간 테스트를 통해 FOD를 탐지한 것을 확인하였다.
판정한 FOD는 이물질 정보 전송 프로그램을 이용하여 이물질 확인 시간, 크기정보, 위치정보를 전송한다. EO센서가 고정형 플랫폼 상단에 위치하여, 높은 각도에서 활주로의 이물질을 탐지하기 때문에, 각도로 인한 포착 면적이 작아져, 수직 성분이 낮은 물체에 대해 미탐지율이 높은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 기존 활주로에 존재하는 정보표시선 또는 기타 구조물에 대해 FOD 오인탐지를 방지하기 위하여 FOD에 대해 최대 탐지 크기를 설정하였으나, FOD가 활주로의 백색 혹은 황색의 정보표시선 위에 존재 하였을 때, 정보표시선 자체를 최대 탐지가 가능한 FOD를 초과하는 것으로 판단하여, 정보표시선 위에 존재하는 FOD에 관하여 미탐지율이 높은 것을 확인할 수 있었다[6].
따라서 FOD는 공항 전체 지역에서 제고되어야 하는 요소이고 특히 활주로와 같은 항공기 이동지역에서 발생 가능성 제거 및 FOD 발생 시 신속하고 효과적인 탐지 및 제거가 필요하다. FOD 자동 탐지 시스템은 운영 중이거나 준비 중인 활주로 및 공항의 운영특성을 반영 해야하며, 주야간과 강설, 강우, 안개와 같은 악기상 상황에 관계없이 실시간으로 FOD의 발생을 정확하게 탐지해야 한다. FOD를 탐지하게 되면 이물질의 유형 분석 및 판별을 한 후 운영자에게 최종적으로 발생 경보 및 위치정보를 제공해야 한다.
고정형 레이더 센서 모듈은 밀리미터파 레이더 기술을 사용하여 일반적 레이더보다 짧은 파장의 밀리미터파를 사용해 야간, 눈, 비와 같은 저시정에서도 수 cm의 크기의 이물질 탐지가 가능하다. 그림 5와 같이 고정형 레이더 센서 모듈은 크게 레이더 스캐닝 유닛, 레이더 인터페이스 유닛으로 구성된다[6].
EO센서가 고정형 플랫폼 상단에 위치하여, 높은 각도에서 활주로의 이물질을 탐지하기 때문에, 각도로 인한 포착 면적이 작아져, 수직 성분이 낮은 물체에 대해 미탐지율이 높은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 기존 활주로에 존재하는 정보표시선 또는 기타 구조물에 대해 FOD 오인탐지를 방지하기 위하여 FOD에 대해 최대 탐지 크기를 설정하였으나, FOD가 활주로의 백색 혹은 황색의 정보표시선 위에 존재 하였을 때, 정보표시선 자체를 최대 탐지가 가능한 FOD를 초과하는 것으로 판단하여, 정보표시선 위에 존재하는 FOD에 관하여 미탐지율이 높은 것을 확인할 수 있었다[6].
레이더의 경우 주 야간, 악기상 상관없이 FOD 탐지가 가능하다. 레이더를 통하여 활주로상의 이물질을 탐지하고, RTK (real time kinematic)를 통해 얻은 정확한 위치로 EO/IR 카메라를 통해 이물질을 탐지 및 확인하여 FOD 탐지 확률을 높였다. 그림 7은 대략 2 cm 쇠구슬을 그림 8과 같이 활주로에 배치하였을 때, 고정형 플랫폼으로부터 430 m 떨어진 곳에서 레이더를 통해 정상적으로 FOD 탐지가 된 것을 그림 9에서 볼 수 있다.
설치에 따른 제약사항이 없고 비용도 고정형 시스템 대비 저렴하게 운영이 가능하며, 군 공항과 같은 상시적 이물질 탐지가 불필요한 공항 및 유지보수 및 운영을 고려하였을 때, 소형 공항에 적합한 방식이다. 공항의 구조를 고려하여 차량의 크기를 선정해야하며, 높이는 최대 3 m 이내를 준수해야한다.
활주로의 정보표시선 또는 기타 구조물에 대하여 FOD 오인탐지가 발생해 최대 탐지 FOD 크기를 설정하였다. 하지만 이로인해 백색 혹은 황색의 정보표시선 위에 존재하는 FOD에 대하여 미탐지율 또한 높았다. 렌즈의 경우 온도 변화에 의해 포커스가 틀어지는 현상이 발생하였는데, 이는 렌즈 경통내 렌즈들이 온도에 따라 팽창 혹은 수축하는 것으로 EO/IR카메라의 경우 정확한 위치제어 및 분해능을 필요로하기 때문에, 스텝모터를 이용하여, 온도보상을 시행하였다.
고정형(또는 이동형) 이물질 자동탐지 시스템으로부터 탐지된 결과를 유무선으로 전달받아 탐지된 이물질을 확인한다. 확인된 결과를 바탕으로 후속조치를 가능하게 하며 공항의 항행안전 시스템 및 운항정보관리 시스템으로부터 항공기의 운항정보 및 항행정보를 수신해 공항 운용의 효율성을 증대할 수 있다[6].

후속연구

따라서 FOD는 공항 전체 지역에서 제고되어야 하는 요소이고 특히 활주로와 같은 항공기 이동지역에서 발생 가능성 제거 및 FOD 발생 시 신속하고 효과적인 탐지 및 제거가 필요하다. FOD 자동 탐지 시스템은 운영 중이거나 준비 중인 활주로 및 공항의 운영특성을 반영 해야하며, 주야간과 강설, 강우, 안개와 같은 악기상 상황에 관계없이 실시간으로 FOD의 발생을 정확하게 탐지해야 한다.
또한, 본 시험결과는 EO/IR 카메라와 레이더를 각각 독립적으로 운영하여 탐지한 것으로 추후 EO/IR 카메라와 레이더를 통합하여 운용한다면 더 정확한 탐지가 가능할 것이라고 예상한다.
렌즈의 경우 온도 변화에 의해 포커스가 틀어지는 현상이 발생하였는데, 이는 렌즈 경통내 렌즈들이 온도에 따라 팽창 혹은 수축하는 것으로 EO/IR카메라의 경우 정확한 위치제어 및 분해능을 필요로하기 때문에, 스텝모터를 이용하여, 온도보상을 시행하였다. 현재 지속적인 실험을 통하여 프로그램 수정 및 하드웨어 추가로 보다 효율적인 온도보상 방법을 지속적으로 연구해나갈 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FOD란?	FOD는 항공기에 위험을 줄 수 있는 위험요인을 지닌 각종 금속, 비금속의 이물질을 총칭한다. FOD는 활주로 및 유도로, 정비시설 등 특정구역 및 시간을 가리지 않고 발생하며, 항공기의 이동 및 이착륙 시 항공기의 안전에 치명적인 위험을 내재하고 있다.
	이동형 이물질 자동탐지 시스템의 장점은?	이동형 이물질 자동탐지 시스템은 그림3과 같이 이동할 수 있는 플랫폼의 상단에 탐지 센서들을 장착하여 탐지하고자 하는 활주로 상을 이동하면서 이물질을 탐지해내는 시스템이다. 고정형 이물질 자동탐지 시스템을 이용하기에 넓은 공간의 계류장, 복잡한 유도로등 고정형 이물질 자동탐지 시스템을 사용하기 어려운 지역에서 사용이 용이하다. 또한 시스템 사용자가 원하는 시간에 활주로를 스캔할 수 있다는 장점이 있다[6].
	FOD 육안 식별의 한게는?	현재 공항에서는 FOD 피해를 최소화하기 위해 육안으로 이를 식별하고 있지만 야간 및 악시정 상황에서는 FOD 식별이 힘들 뿐만 아니라 활주로 전체를 육안으로 점검 시 많은 시간이 소요되어 악시정 상관없이 전천후 탐지 시스템 구축이 필요한 시점이다. 이에 국내에서는 항공 안전 기술 사업의 일환으로 공항 내 활주로 이물질 자동탐지 시스템 개발이 진행중이다[4],[5].

참고문헌 (7)

K. B. Lee, FOD automatic detection system a study on the development direction for localization, Ph.D. dissertation, Incheon University, Incheon, Korea, July 2014.
J. G. Lee, Development of automatic detection system for FOD in runways, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, pp.3-5, 2014.
I. McCreary, Runway safety: FOD, birds, and the case for automated scanning, insight SRI, pp.103-153, 2010.
K. B. Lee, J. G. Lee, and D. H. Kim, "A study for efficient foreign object debris detection on runways," The Journal of Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 22, No. 1, pp. 130-135, Mar. 2014.

원문보기 상세보기
J. G. Lee, Inside Runway FOD automatic detection system development planning final report, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Korea, Technical Report MONO1201509307, pp.3-5, 2014.
A Study on the design of the automatic detection system for airport aircraft movement area, Wavetech, Anyang, 2017-FOD-AN-02, Jan. 2018.
H. S. Shin, G. Y. Hong, J. B. Hong, Y. S. Choi, and Y. S. Kim, Automatic FOD detection test using EO/IR laser light camera, The Journal of Korea Navigation Institute, Vol.21, No.6, pp. 638-642, 2017

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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