KR101332957B1 - 유전체 물체의 유전율을 결정하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 공학의 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 유전체의 유전율의 원격 측정에 관한 것이다. 반사체를 배경으로 유전체 물체의 유전율을 결정하기 위해, 유전체 물체가 N개의 주파수에서 코히어런트 극초단파 복사로 조사되어 유전체 물체 및 반사체의 3차원 극초단파 이미지가 생성되고, 극초단파 복사 소스에 동기화된 둘 이상의 비디오 카메라가 비디오 이미지를 생성하기 위해 사용된다. 비디오 이미지는 디지털 형식으로 변환되며, 주어진 영역의 3차원 비디오 이미지가 구성된다. 3차원 비디오 이미지 및 극초단파 이미지는 일반 좌표계로 변환된다. 극초단파 복사 소스와 유전체 물체가 없는 반사체 사이의 거리 Z₁, 및 극초단파 복사 소스와 유전체 물체의 영역 내의 반사체의 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₂가 계산된다. 비디오 이미지에 기초하여, 극초단파 복사 소스와 유전체 물체의 비디오 이미지 사이의 거리 Z₃가 일반 좌표계에서 결정된다. 그런 다음, 유전체 물체의 유전율은 관계식 (Ⅰ)로부터 결정된다. 본 발명은 움직이는 불규칙한 형상의 유전체 물체의 유전율을 원격으로 결정하는 것을 가능하게 한다.

Description

유전체 물체의 유전율을 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE DIELECTRIC PERMITTIVITY OF A DIELECTRIC OBJECT}

본 발명은 전기 공학의 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 유전체의 유전율의 원격 측정에 관한 것이다.

물질의 유전율을 결정하는 공지된 방법들 중 하나는, 더블-아암 방출기(double-arm emitter)를 이용하여 전자기파로 샘플을 조사(irradiating)하고, 방출기의 아암들 내에서의 신호의 위상들 간의 차이를 변경하고, 소정 각도로 투과되는 파동의 진폭을 측정하며, 유전율을 결정하는 것으로 구성된다. 방출기의 아암들 내에서의 신호의 위상들 간의 차이를 변경함으로써, 투과되는 파의 진폭이 아암의 길이에 의존하지 않게 된다. 유전율은 이하의 수학식에 의해 결정된다:

여기에서, λ₀는 자유공간 파장이고, λ_b는 더블-아암 방출기에서의 파장이며, Δ는 투과되는 파동에 대한 진폭 "제로"의 주기이며, 각도 θ는 관계식:

에 따라 선택되고, 여기에서 d_k는 방출기의 아암의 최대 크기이며, USSR 특허 번호SU1800333 A1을 참조하기 바란다.

이러한 방법의 단점은, 방출기와, 유전율이 결정될 물체 간의 접촉을 요한다는 것이다. 또한, 이러한 샘플은 방출기와의 접촉을 보장하도록 평평한 표면을 가져야 한다. 이러한 요건들은 물체들의 유전율의 원격 결정을 위해 이러한 방법을 사용하는 것을 허용하지 않는다.

유전체 물체의 유전율을 결정하는 다른 공지된 방법은 N개의 주파수에서 코히어런트 극초단파 복사(coherent microwave radiation)로 유전체 물체를 조사(irradiating)하는 것을 이용한다. 조사는 반사체들의 배경에 대해(against) 수행되며, 그에 따라 물체의 층들 사이의 경계들, 또는 유전체 물체와 공기 사이의 경계, 또는 검사되는 유전체 물체가 놓여져 있는 신체가 반사체로서 작용한다. 유전체 물체 및 반사체로부터 반사된 신호가 기록된다. 검출된 신호들은 시간 영역에서 변환된다. 시간적 스펙트럼 내의 피크 시간 성분들이 결정되며, 결정된 피크 시간 성분들의 시간들이 측정된다. 이러한 데이터는 층들의 유전율 및 두께를 결정하는 데 사용된다. 탐지 및 수신은 소정 섹터의 각도들 내에서 수행된다. 그런 다음, 층들의 유전율 및 두께는 수학식:

;

로부터 결정되며, 여기에서 i는 층의 수이고, ε_i 및ε_p는 층 i 및 p의 유전율이고, ε₁은 신호들의 탐지 및 수신이 수행되는 매질의 유전율이고, Δl_i는 i층의 두께이고,

(여기에서 h₁ 및 h₂는 각각 제1 층과 제2 층의 경계와, 탐지가 수행되는 지점들 및 신호 수신 지점들 사이의 높이)이고,

는 층 i와 층 i+1 사이의 경계로부터 반사된 수신된 신호의 각도이고, c는 빛의 속도이고, t_i는 층 i와 층 i+1 사이의 경계로부터의 신호의 반사에 대응하는 시간 스펙트럼의 피크 i 구성성분의 주파수이고, d는 탐지 지점과 신호 수신 지점 사이의 거리의 탐지 표면 상으로의 투영이다(러시아 특허 번호 RU 2039352 C1 참조).

본 발명에 대한 원형이 되는 이러한 방법의 단점은 유전체 물체의 층들의 평행한 배열이라는 요건이다. 물체가 단일 층으로 구성된 경우에는, 그것의 측면들이 평행해야 한다. 따라서, 이러한 방법은 요구되는 피쳐들을 갖는 주문 제작 물체들에 대해서만 사용될 수 있다. 또한, 이러한 방법은 유전체 물체를 향한 극초단파 복사의 입사 및 반사의 각도들이 잘 정의될 것을 요구한다.

전술된 것은 평행하지 않은 층들 또는 측면들을 갖는 움직이고 은폐된 물체의 유전율을 결정하기 위해, 특히 인체에 은폐된 유전체 폭발성 화합물의 존재의 은밀한 검출을 위해 이러한 방법을 실제로 사용하는 것을 불가능하게 한다. 그러한 화합물들 중 대부분의 유전율이 2.9 내지 3.1이라는 것이 알려져 있다.

본 발명의 목적은 불규칙한 형상의 움직이는 유전체 물체의 유전율을 원격으로 결정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 반사체의 배경에 대하여(against) 유전체 물체의 유전율을 결정하기 위한 방법으로서,

N개의 주파수에서 코히어런트 극초단파 복사로 유전체 물체를 조사하는 단계,

유전체 물체 및 반사체로부터 반사된 신호를 검출하는 단계,

검출된 신호를 코히어런트 처리(coherent processing)하고, 유전체 물체 및 반사체의 3차원 극초단파 이미지를 수신하는 단계,

극초단파 복사 소스에 동기화된 둘 이상의 비디오 카메라를 사용하여, 유전체 물체 및 반사체가 놓인 영역의 비디오 이미지를 추가적으로 획득하는 단계,

획득된 비디오 이미지를 디지털 형식으로 변환하고, 상기 영역의 3차원 비디오 이미지를 구성하는 단계,

3차원 비디오 이미지 및 극초단파 이미지를 일반 좌표계(general system of coordinates)로 변환하는 단계,

일반 좌표계 내의 극초단파 이미지로부터, 극초단파 복사 소스와, 유전체 물체가 없는 반사체의 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₁, 및 극초단파 복사 소스와, 유전체 물체의 섹션 내의 반사체의 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₂를 결정하는 단계,

비디오 이미지에 기초하여, 일반 좌표계에서 극초단파 복사 소스와 유전체 물체의 비디오 이미지 사이의 거리 Z₃를 결정하는 단계

를 포함하며, 이에 따라 유전체 물체의 유전율 ε이 관계식:

으로부터 결정되는 방법을 제공한다.

본 출원인은 청구된 발명의 주제와 동일한 어떠한 기술적 해결책들도 알지 못한다. 이것은 본 발명이 신규성 요건을 만족함을 시사한다.

본 발명의 특유의 특징의 구현은 청구된 발명의 주제의 새로운 중요한 특징들을 야기한다. 특히, 본 발명은 움직이는 불규칙한 형상의 유전체 물체의 유전율을 원격으로 결정하는 것을 가능하게 한다.

본 출원인은 본 발명의 특유한 특징과 달성되는 기술적 효과 사이의 관계에 관한 어떠한 지식을 제공할 만한 정보의 어떠한 출처도 알지 못한다. 출원인의 의견으로는, 위에서 개략적으로 서술된 청구되는 발명의 주제의 새로운 특징들은 본 발명의 발명 주제가 비-자명성의 요건을 만족함을 보여준다.

이하에서, 본 발명은 도 1을 참조하여 예시의 상세한 설명에 의해 설명된다.

반사체의 배경에 대하여 유전체 물체의 유전율을 결정하기 위한 방법을 설명하기 위해, 반사체로서의 역할을 하는 인체를 모방하기 위해 테스트 더미(test dummy)가 사용되었다. 더미는 인체에 부착된 유전체 물체(밀랍)를 가졌다. 실험의 목적은 밀랍의 유전율을 결정하는 것이었다. 유전체 물체가 부착된 테스트 더미가 8 내지 12㎓ 주파수 범위 내의 14개의 등간격 주파수에서의 코히어런트 극초단파 복사로 조사되었다. 조사는, 육각형 구성의 방출 소자들을 가지며 256개의 주 방출기로 이루어진 스위치형 평면 안테나 어레이(switched planar antenna array)를 사용하여 수행되었다. 두 개의 직각 성분의 형태로 된 반사된 신호가 두 개의 병렬 수신 채널에 의해 수신되었으며, 12-디지트 아날로그-디지털 변환기들에 의해 검출되었다. 검출된 산란된 전자기장의 전기적 성분에 대응하는 수신 채널들의 출력으로부터의 데이터가 컴퓨터로 전송되었으며, 거기에서 포커싱 방법(focusing method)을 사용하여 극초단파 이미지가 형성되었다(코히어런트 프로세싱). 극초단파 이미지는 유전체 물체 및 반사체의 재구성된 형태의 산란체들의 강도의 최대 값에 대응하는 점들로 형성되는 오직 하나의 3차원 표면에 대응했다. 극초단파 복사에 의한 조사와 동시에, 유전체 물체 및 반사체의 비디오 이미지가 두 대의 공간적으로 분리된 디지털 비디오 카메라 SDU-415를 사용하여 획득되었다. 이러한 데이터를 사용하여, 유전체 물체 및 반사체를 갖는 섹션의 3차원 비디오 이미지가 구성되었다. 극초단파 이미지 및 3차원 비디오 이미지가 일반 좌표계로 변환되었다. 이러한 특정한 경우에서, 일반 좌표계는 안테나 어레이 평면 및 그 평면에 수직하며 안테나를 그것의 중심에서 교차하는 축에 의해 설정되었다. 극초단파 이미지 및 3차원 비디오 이미지는 일반 좌표계에서 분석되었다. Z₁의 값, 즉 극초단파 복사의 소스와, 유전체 물체가 없는 반사체의 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리가 결정되었으며, 극초단파 복사의 소스와, 유전체 물체가 놓여져 있는 반사체의 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₂가 결정되었다. 비디오 이미지를 사용하여, 극초단파 복사 소스와 유전체 물체의 비디오 이미지 사이의 거리 Z₃가 결정되었다. 반사체를 배경으로 한 물체의 유전율은 관계식:

으로부터 결정되었다.

여기에서의 특정한 예에서, 거리들은:

Z₁ = 122㎝, Z₂ = 128㎝, Z₃ = 112㎝이었으며,

ε = 2.56 이었다.

검사된 물체에 대한 ε의 결정된 값에 기초하여, 이 물체가 TNT, 헥소겐(hexogen), 테트릴(tetryl), 또는 플라스틱 폭발물과 같은 널리 보급되고 현재 사용되는 폭발성 화합물에 속하지 않는다는 결론을 내릴 수 있다.

이러한 방법은 예를 들어 전기 산업에서 사용되는 유전체들의 물리적 특성들을 결정하는 등의 다른 목적으로도 사용될 수 있다.

본 발명의 실시를 위해 공지의 재료들 및 장비가 사용된다. 따라서, 출원인의 의견으로는 본 발명은 산업상 이용가능성의 요건을 만족한다.

Claims (1)

1. 반사체와 접촉하는 유전체 물체의 유전율을 결정하기 위한 방법으로서,
   두 개 이상의 주파수들에서 코히어런트 극초단파 복사(coherent microwave radiation)로 상기 유전체 물체를 조사(irradiating)하는 단계;
   상기 유전체 물체 및 상기 반사체로부터 반사된 신호를 검출하는 단계
   를 포함하며, 상기 방법은,
   상기 검출된 신호를 코히어런트 처리(coherent processing)하고, 상기 유전체 물체 및 상기 반사체의 3차원 극초단파 이미지를 수신하는 단계;
   극초단파 복사 소스에 동기화된 둘 이상의 비디오 카메라를 사용하여, 상기 유전체 물체 및 상기 반사체가 놓여 있는 영역의 비디오 이미지를 추가적으로 획득하는 단계;
   상기 획득된 비디오 이미지를 디지털 형식으로 변환하고, 상기 영역의 3차원 비디오 이미지를 구성하는 단계;
   상기 3차원 비디오 이미지 및 극초단파 이미지를 일반 좌표계(general system of coordinates)로 변환하는 단계;
   상기 일반 좌표계 내의 상기 극초단파 이미지로부터, 상기 극초단파 복사 소스와, 상기 유전체 물체가 없는 상기 반사체의 상기 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₁, 및 상기 극초단파 복사 소스와, 상기 유전체 물체의 섹션 내의 상기 반사체의 상기 극초단파 이미지의 섹션 사이의 거리 Z₂를 결정하는 단계;
   상기 비디오 이미지에 기초하여, 상기 일반 좌표계에서 상기 극초단파 복사 소스와 상기 유전체 물체의 상기 비디오 이미지 사이의 거리 Z₃를 결정하는 단계
   를 더 포함하며, 이에 의해 상기 유전체 물체의 유전율 ε이 관계식:
   

   

   
   으로부터 결정되는 유전율 결정 방법.

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