KR100758706B1

KR100758706B1 - 3d location detection apparatus and method using ultra wide band signal

Info

Publication number: KR100758706B1
Application number: KR1020050046914A
Authority: KR
Inventors: 이대헌; 유승갑; 조상우; 황인호; 이종태
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2007-09-14
Also published as: KR20060125093A

Abstract

본 발명은 투과 특성 및 해상도가 우수한 초광대역신호를 이용하여 금속 및 비금속 물질의 3차원 위치를 비파괴적으로 탐지할 수 있는 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 송신 안테나와, 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나로 이루어진 안테나부; 물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호처리부; 디지털 신호처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 송신 안테나로 출력하는 송신부; 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 디지털 신호처리부로 출력하는 수신부; 및 디지털 신호처리부와 통신하여 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 컴퓨터로 구성되어 하나의 송신 안테나에 대해 4 구간의 방향에 수신 안테나를 배치한 다음, 각 수신 안테나를 통해 들어오는 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정밀하게 탐지할 수 있다.The present invention relates to a three-dimensional position detection device and a detection method capable of non-destructively detecting the three-dimensional position of the metal and non-metallic material using the ultra-wideband signal having excellent transmission characteristics and resolution. An apparatus of the present invention comprises: an antenna unit comprising a transmitting antenna for transmitting a predetermined radio signal toward a detector and a plurality of receiving antennas for receiving a reflected signal reflected back from the detector; A digital signal processor for generating an accurate trigger signal for detecting an object, performing analog-to-digital conversion of the received signal, and outputting a result value; A transmitter for generating a predetermined transmission pulse according to a trigger signal of the digital signal processor and outputting the predetermined transmission pulse to a transmission antenna; A receiver for amplifying the reflected pulse signals received from the receiving antennas and outputting the amplified pulse signals to the digital signal processor; And a computer which communicates with the digital signal processor to display the position information of the detector on the screen based on the detection data received from the digital signal processor, wherein the receiving antennas are arranged in four sections with respect to one transmitting antenna. Next, by measuring the arrival time of the reflected pulses coming through each receiving antenna, it is possible to detect non-destructively precise three-dimensional position of the object.

초광대역(UWB), 레이더, 신호처리, 안테나, TOA, TDOA Ultra Wide Band (UWB), Radar, Signal Processing, Antenna, TOA, TDOA

Description

초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법{3D LOCATION DETECTION APPARATUS AND METHOD USING ULTRA WIDE BAND SIGNAL} 3D LOCATION DETECTION APPARATUS AND DETECTION METHOD USING ULTRA-WIDEBAND SIGNALS {3D LOCATION DETECTION APPARATUS AND METHOD USING ULTRA WIDE BAND SIGNAL}

도 1은 본 발명에 따른 위치 탐지 개념도,1 is a conceptual diagram of position detection according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치의 블록도,2 is a block diagram of a three-dimensional position detection apparatus using an ultra-wideband signal according to the present invention;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 송수신 안테나의 구성도,3 is a block diagram of a transmission and reception antenna according to an embodiment of the present invention;

도 4a는 종래의 실시간 샘플링(Real Time Sampling) 개념도,4A is a conceptual diagram of a conventional real time sampling;

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 등가 시간 샘플링 개념도,4B is an equivalent time sampling conceptual diagram according to an embodiment of the present invention;

도 5a는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 정면 조립도,5A is a front assembly view of the transmit / receive antenna shown in FIG. 2;

도 5b는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 측면 조립도,5B is a side assembly view of the transmit / receive antenna shown in FIG. 2;

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 정합 특성을 도시한 그래프,6 is a graph illustrating matching characteristics of an antenna according to the present invention;

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 과정을 설명하는 순서도,7 is a flowchart illustrating a three-dimensional position detection process according to an embodiment of the present invention,

도 8a는 본 발명에 따라 탐지체 유무에 따른 수신 안테나의 수신 펄스 파형,8a is a receiving pulse waveform of a receiving antenna according to the present invention according to the present invention;

도 8b는 본 발명에 따라 수신된 탐지체에 의한 반사 펄스 파형,8b is a reflection pulse waveform by a detector received in accordance with the present invention,

도 8c는 본 발명에 따라 수신된 각 수신 안테나의 반사 펄스 파형,8C is a reflected pulse waveform of each receive antenna received in accordance with the present invention;

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 장치에 의해 모니터 상에 표시되는 탐지 결과 화면 예를 나타낸 도면이다9 is a diagram showing an example of a detection result screen displayed on the monitor by the three-dimensional position detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

10: 디지털 신호 처리부 20: 탐지신호 송신부10: digital signal processing unit 20: detection signal transmission unit

30: 탐지신호 수신부 40: 송수신 안테나부30: detection signal receiving unit 40: transmitting and receiving antenna unit

41: 송신 안테나 41~45: 수신 안테나41: transmitting antenna 41 to 45: receiving antenna

50: 안테나 급전부 51: TEM Horn 상판50: antenna feed part 51: TEM Horn top plate

52: TEM Horn 하판 53: TEM Horn 고정대52: Lower TEM Horn 53: TEM Horn Fixture

54: 안테나 결합부 55: 반사판54: antenna coupling portion 55: reflector

56: 레이돔56: radome

본 발명은 근거리 레이더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투과 특성 및 해상도가 우수한 초광대역(Ultra Wide-Band) 신호를 이용하여 금속 및 비금속 물질의 3차원 위치를 비파괴적으로 탐지할 수 있는 3차원 위치 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다.The present invention relates to a near-field radar, and more particularly, a three-dimensional position capable of non-destructively detecting three-dimensional positions of metals and non-metallic materials using ultra wide-band signals having excellent transmission characteristics and resolution. It relates to a detection device and a detection method.

종래의 은폐 물체를 탐지하기 위한 방법에는 비선형 탐지장비(Non Linear Junction Detector)를 이용한 레이더 탐지법이 많이 사용된다. 비선형 탐지장비는 트랜지스터, IC 등으로 제작된 물체에 고주파 신호를 방사하고, 반사되는 2,3 고조파 신호를 수신하여 탐지체의 존재여부를 확인하는 기술이다. In the conventional method for detecting a concealed object, a radar detection method using a nonlinear detection device is widely used. Non-linear detection equipment is a technology for radiating high frequency signals to objects made of transistors, ICs, etc., and receiving reflected 2 or 3 harmonic signals to check the presence of a detector.

따라서 종래에는 탐지체의 은폐 유무만 확인될 뿐, 탐지체의 정확한 위치와 크기를 검출하기 어려운 문제점이 있다.Therefore, in the related art, only the presence or absence of the detection body is confirmed, and it is difficult to detect the exact position and size of the detection body.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속 및 비금속성의 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정확하게 탐지할 수 있는 탐지 장치 및 탐지 방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a detection apparatus and a detection method capable of detecting non-destructively and accurately three-dimensional positions of metal and non-metallic objects.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 송신 안테나와, 상기 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 복수의 수신 안테나로 이루어진 안테나부; 물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호 처리부; 상기 디지털 신호 처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 상기 송신 안테나로 출력하는 송신부; 상기 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 상기 디지털 신호 처리부로 출력하는 수신부; 및 물체탐지를 위한 소정의 프로그램이 탑재되고, 상기 디지털 신호 처리부와 통신하여 상기 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 상기 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 정보제공수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus of the present invention, the antenna unit consisting of a transmitting antenna for transmitting a predetermined radio signal toward the detector, and a plurality of receiving antenna for receiving the reflected signal reflected back from the detector ; A digital signal processor for generating an accurate trigger signal for detecting an object, performing analog-to-digital conversion of the received signal, and outputting a result value; A transmitter for generating a predetermined transmission pulse according to a trigger signal of the digital signal processor and outputting the predetermined transmission pulse to the transmission antenna; A receiver for amplifying the reflected pulse signals received from the receiving antennas and outputting the amplified pulse signals to the digital signal processor; And information providing means for mounting a predetermined program for detecting an object and for communicating with the digital signal processor to display the positional information on the screen on the screen based on the detection data received from the digital signal processor. It is characterized by.

여기서, 상기 안테나부는 1개의 송신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나와, 4개의 수신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나로 구성될 수 있고, 상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 x축상에 좌,우로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내고, 상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 y축상에 상,하로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아낼 수 있다.Here, the antenna unit may be composed of one transmission TEM horn antenna and four reception TEM horn antennas, and the transmission TEM horn antenna is disposed left and right on an x axis with the transmission TEM horn antenna therebetween. Applied time of arrival (TOA) and time of difference (TDOA) methods are applied to the two receiving antennas to find the position of the detector with respect to the xz plane, and on the y axis with the transmitting TEM antenna interposed. It is possible to find the position of the detector with respect to the yz plane by applying the arrival time (TOA) method and the arrival time difference (TDOA) method to the two receiving antennas.

그리고 디지털 신호 처리부는 클럭을 분배하기 위한 클럭분배기와, 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 상기 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기와, 상기 고정 지연된 클럭을 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기와, 상기 수신부로부터 수신된 신호를 상기 가변 지연기에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러와, 상기 샘플러에 의해 샘플링된 아날로그신호를 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기와, 상기 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버를 거쳐 상기 정보제공수단으로 전달하는 디지털 신호 프로세서를 구비한다.The digital signal processor includes a clock divider for distributing a clock, a fixed delay for delaying the distributed clock for a fixed time to compensate for a delay value generated in a transmission / receive end path, and the fixed delayed clock according to a control signal. A variable delay for delaying, a sampler for sampling the signal received from the receiver according to the clock delayed by the variable delayer, an analog to digital converter for converting the analog signal sampled by the sampler into digital, And a digital signal processor for controlling the delay time and processing the received digital data and transmitting the received digital data to the information providing means via a communication driver.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계; 반사파의 첨두치를 검출하기 위한 제1 임계치(TDOA)와 제2 임계치(TOA)를 조정하고, 수신된 반사파 데이터를 수집하 는 반사파 데이터 수집 단계; 상기 수집된 안테나 별 반사파 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원으로 표시하는 2차원 표시 단계; 수신된 반사파의 첨두치를 판별하여 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 첨두치 검출 단계; 상기 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원 좌표를 생성하는 3차원 좌표 생성 단계; 및 상기 탐지체의 3차원 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 탐지체 위치 표시 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method of the present invention comprises: a unit setting step of inputting a detection time and setting criteria of a radiation unit; A reflected wave data collection step of adjusting a first threshold value TDOA and a second threshold value TOA for detecting a peak value of the reflected wave and collecting the received reflected wave data; A two-dimensional display step of displaying the collected reflected wave data for each antenna in terms of time and magnitude in two dimensions; A peak value detecting step of determining a peak value of the received reflected wave to detect a time at which the peak value appears; A three-dimensional coordinate generation step of generating three-dimensional coordinates in which a detector exists using the time at which the peak value appears; And a detector position display step of outputting a three-dimensional position of the detector as a coordinate value and a graph.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a three-dimensional position detection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1a 및 도 1b의 탐지 개념도를 참조하여 본 발명의 원리에 대해 설명한다.First, the principle of the present invention will be described with reference to the detection conceptual diagrams of FIGS. 1A and 1B.

탐지체에서 반사된 신호의 왕복 시간을 측정함으로써 탐지체까지의 거리를 알아내는 레이더에서의 거리 분해능은 다음의 수학식 1과 같이 된다.The distance resolution in the radar which finds the distance to the detector by measuring the round trip time of the signal reflected from the detector is expressed by Equation 1 below.

여기서, d는 거리 분해능[cm], c는 특정 매질에서의 전파 속도[cm/s], BW는 시스템 대역폭(Bandwidth)이다.Where d is distance resolution [cm], c is propagation speed [cm / s] in a particular medium, and BW is system bandwidth.

본 발명에서는 근거리 영역에서 수 cm의 거리 분해능을 가지는 3차원 위치 탐지 장치 및 방법을 제안하기 위해 시스템 대역폭을 6 GHz로 설계하여, 탐지체에 조사되는 펄스의 폭을 200 ps로 결정하였다.In the present invention, in order to propose a three-dimensional position detection apparatus and method having a distance resolution of several cm in the near area, the system bandwidth was designed to 6 GHz, the width of the pulse irradiated to the detector was determined to 200 ps.

탐지체의 위치를 찾는 방법으로는 도착시간(TOA:Time Of Arrival) 방식과 도착시간차(TDOA: Time Difference Of Arrival) 방식이 많이 사용된다. As a method of locating the detector, a time of arrival (TOA) method and a time difference of arrival (TDOA) method are widely used.

도착시간(TOA) 방식은 도 1a에서 보는 바와 같이, 송신 안테나 Tx에서 펄스를 방사하고 탐지체에서 반사된 신호를 각 수신 안테나 Rxi, Rxj 에서 수신하여 도착 시간 Ti, Tj를 측정한다. 측정된 도착 시간을 거리 R로 환산하면 R=cT 로 된다. 도착 시간 Ti, Tj에 대해서 거리 Ri,Rj 가 결정되면, 다음 수학식 2와 같은 송신 안테나와 각 수신 안테나를 초점으로 하는 타원이 형성되고 타원의 교점이 실제 탐지체가 존재하는 위치가 된다.As shown in FIG. 1A, the arrival time (TOA) method emits pulses from the transmitting antenna Tx and receives signals reflected from the detector from each receiving antenna Rxi and Rxj to measure the arrival times Ti and Tj. When the measured arrival time is converted into the distance R, R = cT. When the distances Ri and Rj are determined for the arrival times Ti and Tj, an ellipse focusing on the transmitting antenna and each receiving antenna is formed as shown in Equation 2 below, and the intersection of the ellipses becomes the position where the actual detector is present.

도착시간차(TDOA) 방식은 도 1b에서 보는 바와 같이, 탐지체에서 반사된 펄스를 각 수신 안테나 Rxi, Rxj, Rxk에서 도착 시간을 측정한 후, 수신 안테나 Rxi, Rxj 조합에 대해서 도착 시간의 차이를 구한 후, TOA 방법과 마찬가지로 거리로 환산한다. 환산된 거리를 이용하면 다음 수학식 3과 같은 수신 안테나 Rxi, Rxj를 초점으로 하는 쌍곡선이 형성된다.As shown in FIG. 1B, the arrival time difference (TDOA) method measures the arrival time of the pulses reflected from the detector at each reception antenna Rxi, Rxj, and Rxk, and then compares the arrival time difference with respect to the combination of the reception antennas Rxi and Rxj. After the determination, the distance is converted in the same manner as in the TOA method. By using the converted distance, a hyperbolic curve is formed which focuses on the reception antennas Rxi and Rxj as shown in Equation 3 below.

같은 방법으로 수신 안테나 Rxi, Rxk 조합에 대해서도 쌍곡선이 형성된다. 두 쌍곡선의 교점을 구함으로써 실제 탐지체가 존재하는 위치를 결정짓는다. 본 발명에서는 위치의 정확도를 높이기 위하여 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 동시에 적용한다.In the same manner, a hyperbola is formed for the combination of the reception antennas Rxi and Rxk. By finding the intersection of two hyperbolas, we determine where the actual detector is located. In the present invention, the TOA method and the TDOA method are simultaneously applied to increase the accuracy of the position.

본 발명에 따른 초광대역 신호를 이용한 3차원 위치 탐지장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 컴퓨터(1)와, 디지털 신호처리부(10), 송신부(20), 수신부(30), 송수신 안테나부(40)로 구성되어 탐지체(5)의 3차원 위치를 탐지하여 컴퓨터의 디스플레이상에 3차원 이미지로 표시할 수 있다.As shown in FIG. 2, a three-dimensional position detection apparatus using an ultra-wideband signal according to the present invention includes a computer 1, a digital signal processor 10, a transmitter 20, a receiver 30, a transceiver antenna unit ( 40) to detect the three-dimensional position of the detector (5) can be displayed as a three-dimensional image on the display of the computer.

도 2를 참조하면, 컴퓨터(1)는 소정의 기능을 포함한 프로그램이 탐재되고, 디지털 신호 처리부(10)에서 출력되는 결과 값에 근거하여 탐지체(5)에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시킨다.Referring to FIG. 2, the computer 1 detects a program including a predetermined function and displays the positional information of the detector 5 on the screen based on a result value output from the digital signal processing unit 10. .

디지털 신호 처리부(10)는 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버(19)를 거쳐 컴퓨터(1)으로 전달하는 디지털 신호처리 프로세서(DSP: 11)와 부트 롬(12-1), 플래시 롬(12-2), SRAM(12-3), 클럭을 분배하기 위한 클럭(CLK) 분배기(13-1,13-2), 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기(Fixed Delay)14-1~14-3), 고정 지연된 클럭을 DSP의 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기(Programmable Delay: 15), 수신부(30)로부터 수신된 신호를 가변 지연기(15)에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러(Sampler: 16), 샘플 앤 홀더(S/H: 17-1), 아날로그 디지털 변환기(ADC:17-2), 선입선출버퍼(FIFO:18), USB 드라이버(19)로 구성되어 송신부(20)로 정확한 트리거(trigger) 신호를 발생하여 제공하고, 수신부(30)로부터 수신된 반사파 신호를 실시간 A/D 변환을 하여 그 결과 값을 USB 드라이버(19)를 통해 컴퓨터(1)로 출력한다. The digital signal processor 10 controls the clock delay time, processes the received digital data, and transmits the received digital data to the computer 1 through the communication driver 19 and the boot ROM 12-. 1), the flash ROM 12-2, the SRAM 12-3, the clock divider (CLK) dividers 13-1 and 13-2 for distributing the clock, and to compensate for delay values occurring in the transmission / reception paths. Fixed Delay 14-1 to 14-3 for delaying a fixed clock by a fixed time, Programmable Delay 15 for variable delaying a fixed delayed clock according to a DSP control signal, and a receiver ( A sampler (Sampler) 16, a sample-and-holder (S / H: 17-1), an analog-to-digital converter (ADC: 17-) for sampling the signal received from the signal 30 according to the clock delayed by the variable delay unit 15; 2) First-in, first-out buffer (FIFO: 18), USB driver (19) to generate a precise trigger (trigger) signal to the transmitter 20 The real-time A / D conversion of the reflected wave signal received from the receiver 30 is performed, and the resultant value is output to the computer 1 through the USB driver 19.

송신부(20)는 디지털 신호 처리부(10)의 트리거신호에 따라 펄스를 발생시키는 펄서(Pulser:21)와 감쇄기(ATT:22)로 구성되어 송신 안테나(41)에 상승 시간과 하강 시간은 수십 피코 초(pico-seconds)를 가지며, 폭은 수백 피코 초(pico-seconds)를 가지는 펄스 신호를 제공한다.The transmitter 20 is composed of a pulser 21 and an attenuator ATT 22 that generate pulses according to the trigger signal of the digital signal processor 10, so that the rise time and the fall time of the transmit antenna 41 are several tens of pico. It provides a pulse signal with seconds of pico-seconds and a width of several hundred pico-seconds.

송수신 안테나부(40)는 송신부(20)의 펄스신호를 탐지체(5)측을 향해 방사하는 하나의 송신 안테나(41)와, 탐지체(5)로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 4개의 수신 안테나(42~45)로 구성된다.Transmitting and receiving antenna unit 40 is one transmitting antenna 41 for radiating the pulse signal of the transmitting unit 20 toward the detector 5 side, and 4 for receiving the reflected signal reflected back from the detector 5 Two receiving antennas 42 to 45.

수신부(30)는 4개의 수신 안테나(42~45)중 하나의 안테나를 선택하기 위한 스위치(SW: 31)와, 스위치(31)에 의해 선택된 안테나의 신호를 증폭하기 위한 증폭기(32), 증폭기(AMP: 32)의 출력레벨을 적절하게 제어하기 위한 감쇄기(ATT: 33), 증폭기(AMP: 34), 및 리미터(Limiter)로 구성되어 수신 안테나(42~45)에서 받은 미약한 반사 펄스 신호를 적절하게 증폭시켜 디지털 신호 처리부(10)의 샘플러(sampler:16)로 전달한다.The receiver 30 includes a switch (SW) 31 for selecting one of the four reception antennas 42 to 45, an amplifier 32 for amplifying a signal of the antenna selected by the switch 31, and an amplifier. A weak reflected pulse signal received from the receiving antennas 42 to 45, consisting of an attenuator (ATT: 33), an amplifier (AMP: 34), and a limiter for appropriately controlling the output level of the (AMP: 32). A is appropriately amplified and delivered to a sampler (sampler: 16) of the digital signal processor 10.

본 발명에서는 탐지체(5)의 3차원 위치(x, y, z)를 알아내기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 송수신 안테나를 구성한다. In the present invention, in order to find the three-dimensional position (x, y, z) of the detector 5 is configured a transmission and reception antenna as shown in FIG.

도 3을 참조하면, 송수신 안테나부(40)는 안테나 케비티(47)안의 중앙에 위치하는 하나의 송신 안테나(41)와, 송신 안테나(41)를 둘러싸고 4방향에 각각 위치하는 4개의 수신 안테나(42~45)로 구성된다. 송신 안테나(41)는 중앙에 위치하여 전방으로 펄스를 방사하게 되고, 각 방향에 존재하는 4개의 수신 안테나(42~45)는 탐지체(5)에서 반사된 펄스를 수신한다. Referring to FIG. 3, the transmit / receive antenna unit 40 includes one transmitting antenna 41 positioned in the center of the antenna cavity 47 and four receiving antennas respectively positioned in four directions surrounding the transmitting antenna 41. It consists of 42-45. The transmitting antenna 41 is located at the center to emit pulses forward, and four receiving antennas 42 to 45 existing in each direction receive the pulses reflected from the detector 5.

도 3의 안테나 구조에서 송신 안테나(45)를 사이에 두고 x축상에 좌우로 배치된 42번, 44번 수신 안테나에 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체(5)의 위치를 찾아내고, 동시에 송신 안테나(45)를 사이에 두고 y축상에 상하로 배치된 43번, 45번 수신 안테나에도 상기의 TOA 방식과 TDOA 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체(5)의 위치를 찾아낸다. 본 발명에서는 이상과 같은 4개의 수신 안테나(Quadruple Receiving Antenna, 이하 QRA)를 이용하여 3차원에서 탐지체의 정확한 위치를 찾아낸다.In the antenna structure of FIG. 3, the TOA method and the TDOA method are applied to the receiving antennas 42 and 44 disposed on the left and right on the x-axis with the transmitting antennas 45 interposed therebetween, so that the detector 5 can Finding the position and applying the TOA method and the TDOA method to the 43th and 45th receiving antennas disposed up and down on the y-axis with the transmitting antennas 45 interposed at the same time, the detector 5 is applied to the yz plane. Find a location. In the present invention, the exact position of the detector in three dimensions is found by using the four quadruple receiving antennas (QRA).

도 4a는 종래의 실시간 샘플링(Real Time Sampling) 개념도이고, 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 등가 시간 샘플링(Equivalent Time Sampling) 개념도이다.4A is a conventional conceptual diagram of real time sampling, and FIG. 4B is a conceptual diagram of equivalent time sampling according to an embodiment of the present invention.

도착 시간을 측정하는 초광대역 레이더의 해상도는 시스템에 사용되는 샘플러(16)에 의해 결정되며, 다이나믹 레인지(dynamic range)는 ADC(17-2)의 비트 수에 의해 결정된다. The resolution of the ultra-wideband radar measuring the arrival time is determined by the sampler 16 used in the system, and the dynamic range is determined by the number of bits of the ADC 17-2.

만약, 수 센티미터의 해상도를 갖기 위해서는 20 GS/S 이상의 샘플링을 요구한다. 그러나 현재 존재하는 칩 타입의 ADC는 이 사양을 만족하기 어렵다. 따라서 도 4a와 같은 실시간 샘플링(Real Time Sampling)은 이러한 제한적 요인 때문에 적용하기에 매우 어렵다.If you have a resolution of a few centimeters, it requires more than 20 GS / S sampling. However, existing chip-type ADCs do not meet this specification. Therefore, real time sampling as shown in FIG. 4A is very difficult to apply due to this limiting factor.

그러나 반사 펄스가 일정 시간 동안 변하지 않는다고 가정하면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각의 펄스 주기 동안 반사 펄스의 일부만 샘플링하는 방식을 적용하여 전체 반사 펄스를 샘플링할 수 있다. However, assuming that the reflected pulse does not change for a predetermined time, as shown in FIG. 4B, a method of sampling only a part of the reflected pulse during each pulse period may be applied to sample the entire reflected pulse.

도 4b를 참조하면, 수신 입력(Receive Input)의 첫번째 펄스 반복주기(First Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 첫번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 첫번째 샘플을 구하고, 수신 입력(Receive Input)의 두번째 펄스 반복주기(Second Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 두번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 두번째 샘플을 구하며, 수신 입력(Receive Input)의 세번째 펄스 반복주기(Third Pulse Repetion Interval(100 ns))에서 세번째 샘플클럭(Sample Clock)에 의해 세번째 샘플을 구한다. 이와 같이 각각의 펄스 주기 동안 반사 펄스의 일부만 샘플링하는 방식을 등가 시간 샘플링(Equivalent Time Sampling)이라 한다. Referring to FIG. 4B, the first sample is obtained by the first sample clock at the first pulse repetition interval (100 ns) of the receive input, and the second of the receive input is received. The second sample is obtained by the second sample clock at the second pulse repetition interval (100 ns), and the third pulse repetition period (100 ns) of the receive input is obtained. The third sample is obtained by the third sample clock. As such, a method of sampling only a part of the reflected pulses during each pulse period is called equivalent time sampling.

본 발명에서는 등가 시간 샘플링을 적용하기 위하여 도 2의 블록도에서 보는 바와 같이, 디지털 신호 프로세서(DSP:11)가 가변 지연(Programmable Delay) 소자(15)를 제어하여 샘플러(16)로 들어가는 클럭신호를 지연시킨다.In the present invention, as shown in the block diagram of FIG. 2 to apply an equivalent time sampling, a digital signal processor (DSP) 11 controls a variable delay element 15 to enter a clock signal entering the sampler 16. Delay.

도 2에서 고정 지연(Fixed Delay) 소자(14-1~14-3)는 송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하여, 송신 안테나-> 탐지체-> 수신 안테나로의 순수한 도달 시간만을 측정하도록 한다.In FIG. 2, the fixed delay elements 14-1 to 14-3 compensate for the delay value occurring in the transceiver path, so that only the pure arrival time from the transmitting antenna to the detector to the receiving antenna is measured. do.

통상, 대부분의 안테나는 관심 주파수 영역에서 동작하도록 설계된다. 그러 나 초광대역 안테나는 25% 이상의 상대 대역폭을 요구하므로 설계시에 많은 어려움이 따른다. 펄스 신호의 원래 모양을 유지하면서 대역폭, 정합, 크기를 모두 만족시키기는 어렵다. 따라서 제한된 대역폭과 임피던스 매칭 특성이 나쁜 안테나는 출력 펄스에 링잉(ringing) 효과와 펄스의 모양을 왜곡시키는 효과를 줄 수 있다.Typically, most antennas are designed to operate in the frequency region of interest. However, because the ultra-wideband antenna requires a relative bandwidth of 25% or more, there are many difficulties in design. It is difficult to satisfy bandwidth, matching and magnitude while maintaining the original shape of the pulse signal. Therefore, an antenna having poor bandwidth and impedance matching characteristics may have a ringing effect on the output pulse and a distortion of the shape of the pulse.

도 5a는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 정면 조립도이고, 도 5b는 도 2에 도시된 송수신 안테나의 측면 조립도이다.5A is a front assembly view of the transmit / receive antenna shown in FIG. 2, and FIG. 5B is a side assembly view of the transmit / receive antenna shown in FIG. 2.

본 발명에서는 6 GHz 이상의 대역폭을 구현하기 위하여 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이, 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나 구조를 채택하여 중앙의 송신 안테나(41)에 4개 방향으로의 수신 안테나(42~45)를 배치하였다. In the present invention, as shown in FIGS. 5A and 5B to implement a bandwidth of 6 GHz or more, a TEM horn antenna structure is adopted to receive antennas 42 in four directions in the central transmission antenna 41. 45).

도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 참조번호 50은 안테나 급전부이고, 참조번호 51은 티이엠 혼(TEM Horn) 상판이며, 참조번호 52는 티이엠 혼(TEM Horn) 하판, 참조번호 53은 티이엠 혼(TEM Horn) 고정대, 참조번호 54는 안테나 결합부, 참조번호 55는 반사판, 참조번호 56은 레이돔을 나타낸다.5A to 5B, reference numeral 50 is an antenna feeder, reference numeral 51 is a top plate of a TEM horn, reference numeral 52 is a bottom plate of a TEM horn, and reference numeral 53 is a tee. TEM horn holder, reference numeral 54 denotes an antenna coupling, reference numeral 55 denotes a reflector, and reference numeral 56 denotes a radome.

도 6은 본 발명에 따라 주파수에 따른 안테나의 정합 특성을 나타내는 그래프로서, 초광대역 안테나의 정재파비 대역폭 특성을 나타내고 있다. 6 is a graph showing matching characteristics of an antenna according to frequency according to the present invention, and shows standing wave ratio bandwidth characteristics of an ultra-wideband antenna.

도 6을 참조하면, 횡축은 주파수를 나타내고 종축은 정재파비(SWR)를 나타내는데, 도시된 그래프에 따르면 3 GHz(Mark 1)~10 GHz(Mark 2) 대역에 걸쳐 초광대역 특성을 보이고 있다. 종래의 협대역 안테나가 공진형 안테나인 반면, 본 발명의 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나는 진행파형 안테나로서 초광대역으로 동작하고 있다.Referring to FIG. 6, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents standing wave ratio (SWR). According to the graph, the ultra-wideband characteristic is shown over a 3 GHz (Mark 1) to 10 GHz (Mark 2) band. While the conventional narrowband antenna is a resonant antenna, the TEM horn antenna of the present invention operates in an ultra wide band as a traveling wave antenna.

그리고 도 6에 도시된 그래프에 따르면 2:1 대역폭이 중심주파수를 기준으 로 105% 이상 확보됨을 볼 수가 있다. 따라서 매우 넓은 대역에서 임피던스 정합이 이루어지고 있음을 알 수 있다.And according to the graph shown in Figure 6 can be seen that the 2: 1 bandwidth is secured more than 105% based on the center frequency. Therefore, it can be seen that impedance matching is performed in a very wide band.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 과정을 설명하는 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a three-dimensional position detection process according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 3차원 위치 탐지방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계(S10)와, 첨두치를 검출하기 위한 임계치1(TDOA)과 임계치2(TOA)를 조정하고, 수신 데이터 수집을 시작하는 데이터 수집 및 샘플링 단계(S11)와, 샘플링된 안테나 별 수신 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원(2D)으로 표시하는 단계(S12)와, 반사파의 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 단계(S13)와, 첨두치의 유무를 판단하는 단계(S14)와, 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원(3D) 좌표를 생성하는 단계(S15, S16, S17)와, 탐지체의 3D 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 단계(S18)로 구성된다.In the three-dimensional position detection method according to the present invention, as shown in Figure 7, the unit setting step (S10) for inputting the detection time and the setting criteria of the radiation unit, the threshold value 1 (TDOA) and the threshold value 2 for detecting the peak value Adjusting the TOA, collecting and sampling the data to start receiving data (S11), and converting the sampled received data for each antenna into values of time and magnitude and displaying them in two dimensions (2D) (S12). Detecting a time at which the peak value of the reflected wave appears (S13), determining whether there is a peak value (S14), and generating three-dimensional (3D) coordinates in which the detector exists using the time at which the peak value appears. (S15, S16, S17), and the step (S18) of outputting the 3D position of the detector as a coordinate value and a graph.

도 7을 참조하면, 첨두치 검출 단계(S13)는 먼저 수신 안테나별로 탐지체가 없을 때의 수집된 데이터와 탐지체가 있을 때의 수집된 데이터의 차를 구한다. 4개의 수신 안테나 신호에 대해 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 6개의 첨두치를 구하고, 4개의 수신 안테나와 기준 신호와의 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 4개의 첨두치를 계산한다. 상기의 6개의 첨두치가 나타나는 시간이 TDOA의 시간 차이 값에 해당되며, 상기 4개의 첨두치가 나타나는 시간이 TOA 도달 시간 값이 된다.Referring to FIG. 7, the peak-to-peak detection step S13 first obtains a difference between collected data when there is no detector and received data when there is a detector for each receiving antenna. Six peaks are obtained through the cross-correlation process for the four receive antenna signals, and four peaks are calculated through the cross-correlation process between the four receive antennas and the reference signal. . The time at which the six peaks appear is the time difference value of TDOA, and the time at which the four peaks appear is the TOA arrival time value.

3D 좌표를 생성하는 단계(S15, S16, S17)는 Z축 셋(set)을 구성하는 단계(15)와 포인트 서치 반복(Point Search Iteration)단계(S16), 3차원 좌표 생성단계(S17)로 구성되는데, 상기 첨두치 검출 단계(S13)에서 구한 6개의 TDOA 시간 차이 값과 4개의 TOA 도달 시간 값으로 10개 방정식의 공통 해를 수치 해석 방법으로 푸는 단계이다.Steps S15, S16, and S17 of generating 3D coordinates include a step 15 of constructing a Z-axis set, a point search iteration step S16, and a three-dimensional coordinate generation step S17. It is composed of six TDOA time difference values and four TOA arrival time values obtained in the peak value detection step S13.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 바람직한 실시한 예에 따른 안테나별 수신 신호를 나타내는 그래프로서, 도 8a는 탐지체 유무에 따른 수신 안테나의 수신 펄스 파형이고, 도 8b는 탐지체에 의한 반사 펄스 파형이며, 도 8c는 각 수신 안테나의 반사 펄스 파형이다. 본 발명의 실시예에서 탐지체의 위치는 안테나의 정면에 위치((x, y, z)=(0, 0, z1))하는 것으로 한다.8A to 8C are graphs illustrating a reception signal for each antenna according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 8A is a reception pulse waveform of a reception antenna according to the presence or absence of a detector, and FIG. 8B is a reflection pulse waveform of the detection body. 8C is a reflection pulse waveform of each receiving antenna. In the embodiment of the present invention, the position of the detector is located in front of the antenna ((x, y, z) = (0, 0, z1)).

도 8a에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1000~2500)를 나타내고 종축은 진폭(Amplitude:-0.15~0.10 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 탐지체 유무에 따른 수신 신호를 나타내고 있다. 도 8a에 도시된 그래프에서 실선은 탐지체가 있는 경우의 수신신호(Target Signal)이고, 점선은 탐지체가 없는 경우의 수신신호(No Target Signal)이다.In FIG. 8A, the horizontal axis represents the number of samples (1000 to 2500), the vertical axis represents the amplitude (Amplitude: -0.15 to 0.10 Volts), and the graph shown represents a received signal according to the presence or absence of a detector. In the graph shown in FIG. 8A, the solid line is a target signal when there is a detector, and the dotted line is a target signal when there is no detector.

도 8b에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1000~2500)를 나타내고, 종축은 진폭(Amplitude:-0.015~0.020 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 탐지체 신호와 무탐지체 신호와의 차 신호를 나타내어 탐지체에 의한 순수 반사파 신호(True Target Signal)만을 보여주고 있다. In FIG. 8B, the horizontal axis represents the number of samples (1000 to 2500), the vertical axis represents the amplitude (Amplitude: -0.015 to 0.020 Volts), and the graph shown shows a difference signal between the detector signal and the non-detector signal. Only the true target signal by the detector is shown.

도 8c에서 횡축은 샘플수(Sample Number: 1900~2300)를 나타내고, 종축은 진 폭(Amplitude:-0.020~0.025 Volts)을 나타내며, 도시된 그래프는 4개의 수신 안테나별(Rx1~Rx4)로 순수 반사 펄스를 비교해서 나타내고 있는데, 첨두치는 약 30 sample 정도의 차이를 나타내고 있다. In FIG. 8C, the horizontal axis represents the number of samples (Sample Number: 1900 to 2300), the vertical axis represents the amplitude (Amplitude: -0.020 to 0.025 Volts), and the graph shown is pure by four receiving antennas (Rx1 to Rx4). The reflected pulses are compared and shown, but the peak represents a difference of about 30 samples.

도 8a 내지 도 8c에서 실제로 본 측정값은 1 sample=1 ps로 샘플링하였기 때문에 약 30 [ps]의 시간적 차이를 나타내고 있으며, 이는 거리로 1 cm에 해당된다. 따라서 실제 탐지체가 안테나의 정면에 위치함을 확인할 수 있다.In FIG. 8A to FIG. 8C, the measured value actually shows a time difference of about 30 [ps] because it is sampled at 1 sample = 1 ps, which corresponds to 1 cm in distance. Therefore, it can be confirmed that the actual detector is located in front of the antenna.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 위치 탐지 장치에 의해 모니터 상에 표시되는 탐지 결과 화면 예를 나타낸 도면이다. 도 8c에 도시된 바와 같은 수신 안테나별 신호에 대해 디지털 신호 처리부(10)에서 도 7의 데이터 연산 과정으로 처리하여 최적의 결과 화면을 컴퓨터(1)의 모니터 상에 이미지 형태로 디스플레이시킨다. 9 is a diagram illustrating an example of a detection result screen displayed on a monitor by a three-dimensional position detection apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention. The digital signal processor 10 processes the signal for each reception antenna as shown in FIG. 8C by the data calculation process of FIG. 7 to display an optimal result screen in the form of an image on the monitor of the computer 1.

도 9를 참조하면, GUI(Graphic User Interface) 프로그램이 내장된 컴퓨터(1)를 구동하여 벽돌 뒤에 철판을 둔 상태에서 측정한 결과이다. 상기 프로그램은 최초에 보정 작업을 거친 후 측정하였다. 그 측정 결과 탐지체가 실제로 존재하는 3D 위치가 높은 정밀도를 가지고 검출 가능함을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, the measurement result is obtained by driving a computer 1 in which a GUI (Graphic User Interface) program is embedded and placing an iron plate behind a brick. The program was initially measured after calibration. As a result of the measurement, it can be seen that the 3D position where the detector actually exists can be detected with high precision.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 하나의 송신 안테나에 대해 4 구간의 방향에 수신 안테나를 배치한 다음, 각 수신 안테나를 통해 들어오는 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 물체의 3차원 위치를 비파괴적으로 정밀하게 탐지할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention non-destructively positions the three-dimensional position of the object by arranging the receiving antennas in the direction of four sections with respect to one transmitting antenna, and then measuring the arrival time of the reflected pulses received through each receiving antenna. The effect can be detected precisely.

또한 본 발명에 따른 물체의 탐지장치 및 탐지방법에서는 송신 안테나에서 200ps의 극히 짧은 펄스를 방사하고 송신 안테나 주위에 배치된 4개의 수신 안테나에서 반사 펄스의 도달 시간을 측정함으로써 경험이 많은 숙련된 기술자가 아닌 초보자라도 탐지체의 3차원 위치를 정확하게 측정할 수 있다.In addition, in the apparatus and method for detecting an object according to the present invention, an experienced technician by radiating an extremely short pulse of 200 ps from a transmitting antenna and measuring the arrival time of a reflected pulse from four receiving antennas arranged around the transmitting antenna Even beginners can accurately measure the three-dimensional position of the detector.

그리고 상술한 본 발명은 비파괴 감시 장비, 침입 탐지 시스템, 근거리 레이더 시스템 등에 응용이 가능하다.In addition, the present invention described above can be applied to non-destructive monitoring equipment, intrusion detection system, short-range radar system and the like.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims.

Claims

탐지체를 향해 소정의 무선신호를 송출하는 1개의 송신 티이엠 혼(TEM Horn) 송신 안테나와, 4개의 수신 티이엠 혼(TEM Horn) 안테나로 구성된 QRA(Quadruple Receiving Antenna)이며, 상기 탐지체로부터 반사되어 되돌아오는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나로 이루어진 안테나부;QRA (Quadruple Receiving Antenna) composed of one transmitting TEM Horn transmitting antenna and four receiving TEM Horn antennas for transmitting a predetermined radio signal toward the detector. An antenna unit comprising a reception antenna for receiving a reflected signal returned from the reflection;

물체를 탐지하기 위한 정확한 트리거 신호를 발생하고, 수신된 신호를 아날로그-디지털 변환을 하여 그 결과 값을 출력하는 디지털 신호 처리부;A digital signal processor for generating an accurate trigger signal for detecting an object, performing analog-to-digital conversion of the received signal, and outputting a result value;

상기 디지털 신호 처리부의 트리거신호에 따라 소정의 송신 펄스를 발생하여 상기 송신 안테나로 출력하는 송신부;A transmitter for generating a predetermined transmission pulse according to a trigger signal of the digital signal processor and outputting the predetermined transmission pulse to the transmission antenna;

상기 수신 안테나들로부터 수신된 반사 펄스 신호를 증폭시켜 상기 디지털 신호 처리부로 출력하는 수신부; 및A receiver for amplifying the reflected pulse signals received from the receiving antennas and outputting the amplified pulse signals to the digital signal processor; And

물체탐지를 위한 소정의 프로그램이 탑재되고, 상기 디지털 신호 처리부와 통신하여 상기 디지털 신호처리부로부터 수신된 탐지 데이터에 근거하여 상기 탐지체에 대한 위치 정보를 화면상에 디스플레이시키는 정보제공수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.A predetermined program for detecting an object is mounted, and having information providing means for communicating with the digital signal processing unit to display positional information on the screen on the screen based on detection data received from the digital signal processing unit. Ultra-wideband three-dimensional position detection device characterized in.

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제1항에 있어서, 상기 위치탐지장치는The method of claim 1, wherein the position detecting device

상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 x축상에 좌,우로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 xz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내고, Finding the position of the detector with respect to the xz plane by applying the arrival time (TOA) method and the arrival time difference (TDOA) method to the two receiving antennas arranged on the left and right on the x axis with the transmission TI antennas interposed therebetween,

상기 송신 티이엠 안테나를 사이에 두고 y축상에 상,하로 배치된 2개의 수신 안테나에 도달시간(TOA) 방식과 도달시간차(TDOA) 방식을 적용하여 yz 평면에 대해서 탐지체의 위치를 찾아내는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.Finding the position of the detector with respect to the yz plane by applying the arrival time (TOA) method and the arrival time difference (TDOA) method to the two receiving antennas arranged up and down on the y axis with the transmission TEM antennas interposed therebetween. Ultra-wide band three-dimensional position detection device.

제1항에 있어서, 상기 안테나부는The method of claim 1, wherein the antenna unit

주파수 대역이 3~10 GHz인 광대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.Ultra-wideband three-dimensional position detection device characterized in that operating in a wide band of 3 to 10 GHz frequency band.

제1항에 있어서, 디지털 신호 처리부는The method of claim 1, wherein the digital signal processing unit

클럭을 분배하기 위한 클럭분배기와, A clock divider for distributing clocks,

송수신단 경로에서 발생하는 지연 값을 보상하기 위하여 상기 분배된 클럭을 고정된 시간 지연시키는 고정 지연기와, A fixed delay unit configured to delay the distributed clock for a fixed time delay to compensate for a delay value occurring in a transceiver path;

상기 고정 지연된 클럭을 제어신호에 따라 가변 지연시키는 가변 지연기와,A variable delayer configured to variably delay the fixed delayed clock according to a control signal;

상기 수신부로부터 수신된 신호를 상기 가변 지연기에 의해 지연된 클럭에 따라 샘플링하기 위한 샘플러와, A sampler for sampling the signal received from the receiving unit according to a clock delayed by the variable delay unit;

상기 샘플러에 의해 샘플링된 아날로그신호를 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기와, An analog-digital converter for converting the analog signal sampled by the sampler into digital;

상기 클럭의 지연시간을 제어하고 수신된 디지털 데이터를 처리하여 통신 드라이버를 거쳐 상기 정보제공수단으로 전달하는 디지털 신호 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.And a digital signal processor controlling the delay time of the clock, processing the received digital data, and transmitting the received digital data to the information providing means through a communication driver.

제5항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는The method of claim 5, wherein the digital signal processing unit

상기 가변 지연 소자에 의해 등가 샘플링 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.An ultra-wideband three-dimensional position detection device characterized by operating in an equivalent sampling method by the variable delay element.

제1항에 있어서, 상기 송신부는The method of claim 1, wherein the transmitting unit

상기 디지털 신호처리부의 트리거신호에 따라 펄스를 발생하기 위한 펄서를 구비한 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.Ultra-wide band three-dimensional position detection device comprising a pulser for generating a pulse in accordance with the trigger signal of the digital signal processor.

제7항에 있어서, 상기 펄서는The method of claim 7, wherein the pulsar

상승 시간과 하강 시간은 수십 피코 초(pico-seconds)를 가지며, 폭은 수백 피코 초(pico-seconds)를 가지는 펄스 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.An ultra-wideband three-dimensional position detection device characterized by generating a pulse signal having a rise time and a fall time of several tens of pico-seconds and a width of several hundred pico-seconds.

제1항에 있어서, 상기 수신부는The method of claim 1, wherein the receiving unit

4개의 수신 안테나중 하나의 안테나를 선택하기 위한 스위치와, 상기 스위치에 의해 선택된 안테나의 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지 장치.And an amplifier for amplifying a signal of the antenna selected by the switch, the switch for selecting one of the four receiving antennas.

제1항에 있어서, 상기 정보제공수단은The method of claim 1, wherein the information providing means

컴퓨터 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이상에 표시되는 이미지는 3차원 이미지인 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지장치.And a computer display, wherein the image displayed on the display is a three-dimensional image.

방사 유닛의 탐지 시간과 설정 기준을 입력하는 유닛 설정 단계;A unit setting step of inputting a detection time and setting criteria of the radiation unit;

반사파의 첨두치를 검출하기 위한 제1 임계치(TDOA)와 제2 임계치(TOA)를 조정하고, 수신된 반사파 데이터를 수집하는 반사파 데이터 수집 단계;A reflected wave data collection step of adjusting a first threshold value TDOA and a second threshold value TOA for detecting the peak value of the reflected wave, and collecting the received reflected wave data;

상기 수집된 안테나 별 반사파 데이터를 시간과 크기의 값으로 환산하여 2차원으로 표시하는 2차원 표시 단계;A two-dimensional display step of displaying the collected reflected wave data for each antenna in terms of time and magnitude in two dimensions;

수신된 반사파의 첨두치를 판별하여 첨두치가 나타나는 시간을 검출하는 첨두치 검출 단계;A peak value detecting step of determining a peak value of the received reflected wave to detect a time at which the peak value appears;

상기 첨두치가 나타나는 시간을 이용하여 탐지체가 존재하는 3차원 좌표를 생성하는 3차원 좌표 생성 단계; 및A three-dimensional coordinate generation step of generating three-dimensional coordinates in which a detector exists using the time at which the peak value appears; And

상기 탐지체의 3차원 위치를 좌표 값과 그래프로 출력하는 탐지체 위치 표시 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.And a detector position display step of outputting a three-dimensional position of the detector as a coordinate value and a graph.

제11항에 있어서, 상기 3차원 좌표 생성 단계는The method of claim 11, wherein the three-dimensional coordinate generation step

4개의 수신 안테나 신호에 대해 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 도달시간차(TDOA)방식의 시간 차이값에 해당되는 6개의 첨두치를 구하고, 4개의 수신 안테나와 기준신호와의 크로스 코릴레이션(Cross-Correlation) 과정을 거쳐 도달시간(TOA)방식의 도달 시간값을 나타내는 4개의 첨두치 계산하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.The six peaks corresponding to the time difference value of the TDOA method are obtained through the cross-correlation process for the four reception antenna signals, and the cross correlation between the four reception antennas and the reference signal is obtained. Ultra-wideband three-dimensional position detection method characterized by calculating the four peak values representing the arrival time value of the time-of-arrival (TOA) method through a cross-correlation process.

제12항에 있어서, 상기 3차원 좌표 생성 단계는The method of claim 12, wherein the three-dimensional coordinate generation step

상기 첨두치 검출 단계에서 구한 6개의 TDOA 시간 차이 값과, 4개의 TOA 도달 시간 값으로 10개 방정식의 공통 해를 수치 해석 방법으로 푸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.Ultra wide band three-dimensional position detection method further comprising the step of solving the common solution of the ten equations by the six TDOA time difference value obtained in the peak detection step and four TOA arrival time value by numerical analysis method .

제11항에 있어서, 상기 3차원 위치 탐지방법은The method of claim 11, wherein the three-dimensional position detection method

근거리 영역에서 수 cm의 거리 분해능을 가지도록 시스템 대역폭을 6 GHz로 설계하여, 탐지체에 조사되는 펄스의 폭이 200 ps인 것을 특징으로 하는 초광대역 3차원 위치 탐지방법.Ultra wide band three-dimensional position detection method characterized in that the width of the pulse irradiated to the detector is designed to have a system bandwidth of 6 GHz to have a distance resolution of several cm in the near area.