KR101371388B1 - 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 표적에 대한 탐색 및 추적을 위한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치에 관한 것으로서,
정속으로 회전하는 슬립링(30)의 상부에 설치되어 표적 영상에 대한 적외선 정보를 수집하는 수광부(10)와; 슬립링(30)의 하부에 위치되며 수광부(10)에서 수집된 적외선 정보를 이용하여 영상을 생성하는 영상생성부(20);를 포함하고, 상기 수광부(10)는 수평 축을 중심으로 하는 회전을 통해 각도 조절이 가능한 구동 거울(13)과 반사거울을 통해 적외선 광학창(12)을 통해 유입되는 적외선 정보를 영상생성부(20)로 보내고, 영상생성부(20)는 원적외선 검출기(22)와 중적외선 검출기(23)를 이용하여 대역별로 적외선 정보를 검출하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 따르면, 파장 대역별 다중 선형검출기를 일정한 방위각 간격으로 두고 정속으로 회전하면서 적외선 정보를 수집하게 되므로 사용 검출기 수만큼 영상갱신률을 증가시킬 수 있고, 수평축을 중심으로 회전되는 구동거울을 이용하여 고각 구동시 동일 수평시계를 확보할 수 있으므로, 탐지표적에 대한 탐지거리 성능증가와 고속이동 표적에 대한 탐지추적 성능이 향상된다.

Description

다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치{Generator for Rotation type Omnidirectional 360 Degree Panoramic Infrared Image Using Multi-Linear Detector}

본 발명은 고속 표적에 대한 탐색 및 추적을 위한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치에 관한 것으로서, 특히 파장 대역별 선형 검출기를 일정한 방위각 간격으로 두고 이들을 정속으로 회전시킴으로써 사용 검출기의 수만큼 영상갱신율을 증가시켜 고속 표적에 대한 탐색 추적이 용이한 다중 선형 검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치에 관한 것이다.

일반적으로 회전형 전방위 360° 파노라믹 적외선 영상 생성 방법은 파장 대역별로 한 개의 선형 검출기를 회전시키면서 영상을 갱신하여 파노라믹 적외선 영상을 획득하는 방법이다. 이러한 통상의 단일 선형 검출기를 이용한 회전형 전방위 360° 파노라믹 적외선 영상 생성 방법에서는 표적 탐지를 위한 적외선 검출기의 충분한 노출 적분시간을 고려할 때 현재 기술로는 약 1~1.4㎐의 영상 갱신율을 확보할 수 있다. 이에 따라 마하 2(Mach 2) 이상의 고속 표적에 대한 탐색 작업 및 탐지 후 추적이 곤란하다.

이에 따라 마하 2 이상의 고속 표적에 대한 탐색 작업 및 탐지 후 추적이 가능한 다양한 방법 및 장비가 연구되고 있다.

이러한 방법 중의 하나가, 2개 이상의 선형 검출기를 일정한 방위각 간격으로 위치시키거나 대칭되게 위치시킨 상태에서 정속 회전하도록 하여 보다 향상된 영상 갱신율을 얻을 수 있도록 하는 방법이다. 동일 파장 대역에 대하여 180도 간격으로 선형 검출기를 2개 배치하는 경우에는 2~3㎐, 90도 간격으로 4개를 배치하는 경우에는 최대 4~5.6㎐의 영상 갱신율을 얻을 수 있다.

또, 도 1에 도시된 바와 같이, 주사거울을 이용한 분할시계 초점면 적외선 검출기를 사용하여 영상 갱신율을 향상시키기도 한다. 상기한 초점면 적외선 검출기(320× 240, 640× 480, 1024× 1280)를 이용한 고정형 적외선 탐색 추적장비는 전방위 360° 파노라믹 적외선 영상의 생성을 위해 최소 3~4개의 적외선 검출기를 동시에 이용하는 주사 시계분할 방법 및 9~12개의 적외선 검출기를 동시에 이용하는 완전 고정 시계분할(30~40°) 방법에 적용되고 있다. 이러한 고정형 적외선 탐색 추적장비에서는 30㎐ 이상의 영상 갱신율을 얻을 수 있으며, 광시계(Wide Field of View, WFOV)로 인하여 근거리 표적에 대한 탐지 및 추적만이 가능하다. 따라서 광시계를 지닌 고정형 적외선 탐색 추적장비는 근거리 비대칭 위협표적에 대한 탐지추적을 위해 운용될 수 있다.

그런데, 10° 이하의 협시계(狹視界)를 갖는 장거리용 탐색추적장비의 경우 필요한 검출기의 수가 36개 이상으로 증가하게 되므로, 완전 고정 시계분할 방법을 이용한 파노라믹 적외선 영상 생성 장비는 광시계로 단거리용으로만 사용이 가능한 단점이 있다. 더욱이 상기한 완전 고정 시계 분할 방법을 이용한 파노라믹 적외선 영상 생성 장비는 설계제작의 복잡도 증가, 무게 및 부피 증가와 더불어 비용 증가를 야기하기 때문에, 이러한 장비는 효용성이 매우 낮은 편이다.

이에 따라 사용 초점면 검출기의 수를 줄일 수 있는 방법이 연구되고 있는데, 이러한 방법으로는 주사 시계분할 방식이 있다. 주사 시계분할 방식은 주사거울 장치를 이용하여 시계를 분할하는 방법으로서, 수광광학계의 앞에 주사거울 장치를 두고 이 주사거울 장치의 구동을 제어함에 따라 시계의 분할이 가능하게 된다. 이러한 주사 시계분할 방법에서 1개의 초점면 적외선 검출기로 확보 가능한 분할시계는 60~120°범위이며, 분할시계의 적외선 영상 생성을 위해서는 최소 6~7회의 수평구간의 정밀 주사 구동제어가 필요하다.

그런데, 주사 시계분할 방식에서는 고각으로 구동할 경우 고각 구동범위가 커질수록 분할시계 내의 구간별 수직시계가 도 2와 같이 무지개 형태로 나타나게 되고, 그로 인해 가용한 전방위 360° 파노라믹 영상의 수직시계가 축소되는 단점이 있어, 고각 구동이 제한되고 있다.

안정화 장치가 없을 경우 주사 시계분할 방식에서는 도 3과 같이 함 요동에[ 따른 파노라믹 영상의 수직 유효시계의 감소가 발생한다. 또한, 주사 시계분할 방식에서 구동 고각 증가시 시계분할별 수직시계는 도 4와 같이 변화하게 된다.

즉, 안정화 장치가 없을 경우 주사 시계분할 방식에서 구동 고각이 변경될 경우 매 번 시계분할별 수직시계 위치 변화가 나타나고, 파노라믹 영상생성에서 수직 유효시계가 감소하게 되는 것이다. 또 구동 고각 변화에 따라 파노라믹 영상생성시 운용자에게 제공되는 전시영상의 수직시계 변화로 운용에 불편을 초래할 뿐 아니라 파노라믹 영상생성의 복잡도가 증가한다.

도 5를 참조하여 파노라믹 영상생성 과정을 설명하면 다음과 같다. 단위센서모듈의 주사구간별 광학계의 수직시계 22.5도, 수평시계 18도로 설계하여 주사구동을 6회 한다면, 단위센서모듈에서 수평시계가 약 96도인 파노라믹 영상을 생성할 수 있다. 이때 단위센서모듈 내 주사구간 영상중첩 영역을 약 2.4도로 하고 단위센서모듈 간 영상 중첩영역을 약 6도로 할 경우 4개의 단위센서모듈로 360도 파노라믹 영상을 생성할 수 있다.

이때, 단위센서모듈의 파노라믹 영상의 유효 수평시계는 함 요동과 고각 구동각에 따라 감소하며, 시 스테이트(sea state) 5단계 또는 6단계를 가정할 경우 안정화 기능이 없다면 유효수직시계는 약 5도 범위에서만 구현이 가능하다.

한편, 도 7과 8에 도시된 바와 같이 2축 김벌 장치에 설치된 선형 검출기를 이용하여 파노라믹 영상을 생성하는 방법도 있다. 보통 2축 김벌 장치는 지지부의 동요에 관계없이 측정장치가 수평을 유지하도록 전후 방향축과 좌우 방향축에 대하여 각각 회전을 허용하는 회전허용 기구를 의미한다.

이러한 2축 김벌 장치를 이용한 파노라믹 영상 생성장치는, 회전 가능한 슬립링(100)의 상측에 설치된 고각 안정화부(110)와, 상기 고각 안정화부(110)와 직교하게 설치되며 상기 고각 안정화부(110)의 상측에 설치된 롤 안정화부(120) 및 검출기(136)가 구비된 다중 적외선 센서(135)가 내부에 설치되고 원주 방향을 따라 다수의 광학창(132)이 형성된 하우징(131)을 포함하는 영상처리부(130)를 포함하고 있다.

일반적으로 파노라믹 영상 생성장치는, 함정 및 항공기 등 탑재 대상에 따라 상이한 외부 운동변화가 주어지는 외란환경에서 수평면 또는 특정 관성면(Inertial plain)에 대해 일정한 속도로 회전하면서 영상획득을 획득할 수 있도록 외부 외란을 차단할 수 있는 안정화장치가 필요하다.

이러한 안정화장치는 360도 파노라믹 영상 생성을 위해 방위각 방향으로 정속도로 회전 구동하여야 하며, 장착부를 통해 유입되는 외란에도 흔들리지 않는 영상을 제공하기 위해 외란에 대한 고각 및 롤각의 안정화를 수행하여야 한다. 이때, 고각 구동부는 고저각 방향으로 특정 표적위치를 지향할 수 있도록 고각 변경(-20 ∼ 60도)이 가능하여야 하며, 롤 구동부는 롤 방향(-20 ∼ +20도)의 외란에 대한 보상을 하기 위하여 롤 축 보상이 이루어져야 한다.

안정화구동장치는 안정화 서보 구동부와 방위각 구동부 및 안정화 서보 제어부로 구성되며, 안정화 서보 구동부는 각 축 외란에 대한 각속도를 감지하는 자이로, 각 축에 대한 위치정보를 감지하는 리졸버, 각 축 김벌을 구동하는 토크모터로 구성된다. 그리고 방위각 구동부에서는 영상센서부와의 동기신호 발생을 위한 엔코더(encoder)가 추가된다.

안정화 서보 제어부는 아날로그신호처리부, 디지털신호처리부 그리고 3축에 대한 모터구동부로 구성된다. 영상센서부를 탑재하는 안정화 서보 구동부는 방위각, 고각, 롤에 대한 위치 및 각속도 센서를 장착하고 안정화 서보제어부와 통신을 통해 각축의 안정화를 제어한다. 즉, 파노라믹 영상 제공을 위한 방위각 정속 구동 및 고각과 롤각에 대한 안정화가 안정화 서보 제어부를 통해 수행된다.

안정화 서보 제어부는 아날로그 신호처리부와 디지털신호처리부로 구성되며, 아날로그 신호처리모듈에서 R/D(Resolver to Digital), A/D(Analog to Digital)변환을 수행하고 디지털신호처리모듈에서 제어명령을 생성함으로써 안정화 서보 구동부에 제어신호를 보내는 동시에 영상센서부와 동기화 통신을 수행한다.

구체적으로 아날로그 신호처리부는 안정화 서보 구동부에 장착된 센서정보를 읽어 안정화 제어 알고리즘을 실행하는 디지털 신호처리부로 전송하고, 상기 디지털신호처리부는 아날로그 센서정보 신호를 A/D(Analog to Digital) 변환, 리졸버 정보를 디지털 신호처리부로 입력될 수 있도록 R/D(Resolver to Digital) 변환 및 모터구동 신호를 모터구동부에 전송하기 위한 D/A(Digital to Analog) 변환을 각각 수행한다.

통상적으로 아날로그신호처리부에서 전송된 센서정보가 제어 S/W에 인가되면 제어 S/W는 속도제어 루프와 위치제어 루프에 의해 모터 구동명령을 발생시키고, 엔코더에서 발생하는 동기신호를 영상센서부로 전송하게 된다. 그리고 디지털 신호처리부는 A/D변환된 센서신호를 연산처리하여 위치계산 및 위치 제어를 수행하며 사용자 인터페이스로부터 고각 명령시 고각 구동제어 및 RS-422 통신으로 외부 모듈과의 위치/상태 정보 교환을 수행한다.

그리고, 슬립링은 파노라믹 안정화 구동부에서 회전 구동부와 비회전부의 전기적/기계적/광학적 인터페이스 역할을 수행하게 된다. 구체적으로 전원, 서보 자료, 타이밍, 제어 신호를 영상센서부와 방위각/고각/롤 구동부에 각각 전달하는 것이다. 이때, 영상자료는 광학 회전조인트를 통하여 전달된다.

그러나, 상기한 종래의 2축 김벌 장치를 이용한 파노라믹 적외선 영상 생성장치는 다중 적외선 센서가 센서 광학계의 내부에 고정되어 있어 고각 구동시 각각의 검출기가 서로 다른 고각의 영상을 획득하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수평축을 중심으로 하여 일정 범위 내에서 회전되는 구동 거울을 이용하여 원하는 방향의 적외선 정보를 수광한 후 이를 이용하여 영상을 생성하되 슬립링의 정속 회전을 통해 360도 방향의 파노라믹 적외선 영상을 얻을 수 있도록 한 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 정속으로 회전하는 슬립링의 상부에 설치되어 표적 영상에 대한 적외선 정보를 수집하는 수광부와; 상기 슬립링의 하부에 위치되며 상기 수광부에서 수집된 적외선 정보를 이용하여 영상을 생성하는 영상생성부;를 포함하는 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치로서,

상기 수광부는 원주 방향을 따라 복수의 적외선 광학창이 형성된 수광부 하우징과, 상기 적외선 광학창을 통해 유입되는 적외선 정보를 반사하며 수평 축을 중심으로 하는 회전을 통해 각도 조절이 가능한 구동 거울과, 상기 수광부 하우징 내에 설치되어 상기 구동 거울로부터 입사되는 적외선 정보를 중심 방향으로 반사하는 제1반사거울과, 상기 슬립링에 설치되어 상기 제1반사거울에서 입사되는 적외선 정보를 상기 영상생성부로 반사시키는 제2반사거울을 포함하고,

상기 영상생성부는, 내부에 원적외선 정보를 검출하는 복수의 원적외선 검출기와 중적외선 정보를 검출하는 복수의 중적외선 검출기가 구비된 영상생성부 하우징과, 상기 제2반사거울에서 입사되는 적외선 정보를 대역별로 분리하여 원적외선 정보는 상기 원적외선 검출기 방향으로 반사하고 중적외선 정보는 통과시키는 광분리기와, 상기 광분리기를 통과한 중적외선 정보를 상기 중적외선 검출기 방향으로 반사하는 반사거울과, 상기 광분리기와 원적외선 검출기 사이 및 상기 반사거울과 중적외선 검출기 사이에 각각 설치되는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치에 따르면, 상기 제2반사거울과 광분리기 사이에는 회전 보상 페칸프리즘이 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상생성장치는, 파장 대역별 다중 선형검출기를 일정한 방위각 간격으로 두고 정속으로 회전하면서 적외선 정보를 수집하게 되므로 사용 검출기 수만큼 영상갱신률을 증가시킬 수 있고, 수평축을 중심으로 회전되는 구동거울을 이용하여 고각 구동시 동일 수평시계를 확보할 수 있으므로, 탐지표적에 대한 탐지거리 성능증가와 고속이동 표적에 대한 탐지추적 성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 주사거울을 이용한 분할시계 초점면 적외선 검출기를 이용한 시계 분할 영상획득 형태를 나타낸 개념도.
도 2는 주사 시계분할 방식에서 고각 구동시 나타나는 시계분할 영상획득 형태를 나타낸 참고도.
도 3은 주사 시계분할 방식에서 롤방향 안정화장치가 없을 경우 함요동에 따른 수직 유효시계를 나타낸 참고도
도 4는 주사 시계분할 방식에서 구동 고각 증가시 시계분할별 수직시계 변화를 나타낸 참고도.
도 5는 주사 시계분할 방식에서 구동 고각에 따른 시계분할별 수직 유효시계를 나타낸 참고도.
도 6은 단위센서모듈의 90도 파노라믹 수평시계의 영상정합과 유효수평시계 생성하는 과정을 나타낸 참고도.
도 7은 종래의 2축 김벌 장치를 이용한 파노라믹 적외선 영상 생성장치가 도시된 구성도.
도 8은 도 3의 파노라믹 적외선 영상 생성장치에서 고각 구동시의 모습이 도시된 참고도.
도 9는 도 3의 파노라믹 적외선 영상 생성장치에서 고각 구동시 유효 수직 시계를 나타낸 참고도.
도 10은 본 발명에 의한 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치가 도시된 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치는 도 10에 도시된 바와 같이, 정속으로 회전하는 슬립링(30)의 상부에 설치되어 표적 영상에 대한 적외선 정보를 수집하는 수광부(10)와; 상기 슬립링(30)의 하부에 위치되며 상기 수광부(10)에서 수집된 적외선 정보를 이용하여 영상을 생성하는 영상생성부(20);를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 수광부(10)는 원주 방향을 따라 복수의 적외선 광학창(12)이 형성된 수광부 하우징(11)과, 상기 적외선 광학창(12)을 통해 유입되는 적외선 정보를 반사하며 수평 축을 중심으로 하는 회전을 통해 각도 조절이 가능한 구동 거울(13)과, 상기 수광부 하우징(10) 내에 설치되어 상기 구동 거울(13)로부터 입사되는 적외선 정보를 중심 방향으로 반사하는 제1반사거울(14)과, 상기 슬립링(30)에 설치되어 상기 제1반사거울(14)에서 입사되는 적외선 정보를 상기 영상생성부(20)로 반사시키는 제2반사거울(15)을 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 영상생성부(20)는, 내부에 원적외선 정보를 검출하는 복수의 원적외선 검출기(22)와 중적외선 정보를 검출하는 복수의 중적외선 검출기(23)가 구비된 영상생성부 하우징(21)과, 상기 제2반사거울(15)에서 입사되는 적외선 정보를 대역별로 분리하여 원적외선 정보는 상기 원적외선 검출기(22) 방향으로 반사하고 중적외선 정보는 통과시키는 광분리기(24)와, 상기 광분리기(24)를 통과한 중적외선 정보를 상기 중적외선 검출기(23) 방향으로 반사하는 반사거울(25)과, 상기 광분리기(24)와 원적외선 검출기(22) 사이 및 상기 반사거울(25)과 중적외선 검출기(23) 사이에 각각 설치되는 광학계(26) 및 상기 제2반사거울(15)과 광분리기(24) 사이에 설치되는 회전 보상 페칸프리즘(27)을 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치는 정속으로 회전하는 슬립링을 이용하여 표적 영상에 대한 적외선 정보를 수집하며, 고각 구동거울을 안정화시켜 동일한 광학적 수평 시계를 확보할 수 있도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

10...수광부
11...수광부 하우징
12...적외선 광학창
13...고각 구동 안정화 거울
14...제1반사거울
15...제2반사거울
20...영상생성부
21...영상생성부 하우징
22...원적외선 검출기
23...중적외선 검출기
24...광분리기
25...반사거울
26...광학계
27...회전 보상 페칸프리즘
30...슬립링

Claims (2)

1. 정속으로 회전하는 슬립링(30)의 상부에 설치되어 표적 영상에 대한 적외선 정보를 수집하는 수광부(10)와;
   상기 슬립링(30)의 하부에 위치되며 상기 수광부(10)에서 수집된 적외선 정보를 이용하여 영상을 생성하는 영상생성부(20);를 포함하는 안정화 거울 방식의 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치로서,
   상기 수광부(10)는 원주 방향을 따라 복수의 적외선 광학창(12)이 형성된 수광부 하우징(11)과, 상기 적외선 광학창(12)을 통해 유입되는 적외선 정보를 반사하며 수평 축을 중심으로 하는 회전을 통해 각도 조절이 가능한 구동 거울(13)과, 상기 수광부 하우징(10) 내에 설치되어 상기 구동 거울(13)로부터 입사되는 적외선 정보를 중심 방향으로 반사하는 제1반사거울(14)과, 상기 슬립링(30)에 설치되어 상기 제1반사거울(14)에서 입사되는 적외선 정보를 상기 영상생성부(20)로 반사시키는 제2반사거울(15)을 포함하고,
   상기 영상생성부(20)는, 내부에 원적외선 정보를 검출하는 복수의 원적외선 검출기(22)와 중적외선 정보를 검출하는 복수의 중적외선 검출기(23)가 구비된 영상생성부 하우징(21)과, 상기 제2반사거울(15)에서 입사되는 적외선 정보를 대역별로 분리하여 원적외선 정보는 상기 원적외선 검출기(22) 방향으로 반사하고 중적외선 정보는 통과시키는 광분리기(24)와, 상기 광분리기(24)를 통과한 중적외선 정보를 상기 중적외선 검출기(23) 방향으로 반사하는 반사거울(25)과, 상기 광분리기(24)와 원적외선 검출기(22) 사이 및 상기 반사거울(25)과 중적외선 검출기(23) 사이에 각각 설치되는 광학계(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2반사거울(15)과 광분리기(24) 사이에는 회전 보상 페칸프리즘(27)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치.

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