KR101501458B1 - 단일 방사선 영상장치를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 제 1 지점(C1)으로 고정하여 방사선원의 방향 (θ₁)을 파악하는 제 1 단계; CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 상기 제 1 지점과는 다른 제 2 지점(C2)으로 이동 고정하여 방사선원의 방향 (θ₂)을 파악하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 통하여 산출된 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 방사선원의 위치를 파악하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 도출된 위치를 통하여 방사선원의 거리를 파악하는 제 4 단계를 포함하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법에 관한 것이다.
상기와 같은 방사선원 3차원 위치 추출방법을 통해, 본 발명은 기존 방사선 영상장비에 비해 방사선원의 세기 측정이 가능할 뿐 아니라, 복잡한 환경에서 방사선원 오염물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

단일 방사선 영상장치를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법{3-DIMENSION POSITION DETECTING METHOD USING SINGLE CCD-CAMERA}

본 발명은 방사선원 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 방사능 측정 센서부를 사용하여 방사선원의 방향정보(X, Y) 뿐만 아니라 거리(Z)정보까지 측정할 수 있는 소형 경량의 방사선원 3차원 위치 추출방법에 관한 것이다.

임의의 공간에서 방사능 누출사고가 발생하거나 원자력발전소가 수명을 다하여 폐로과정을 진입할 경우 방사선 (오염)원의 위치를 찾는 일은 중요하다. 방사능 준위가 높을 경우 방사선 작어 구역에 대한 작업자의 접근은 방사능과 피폭으로 직결되므로 방사능 측정기를 사용한 직접 방사선원 탐지는 작업자의 안전을 위협하는 요소가 된다.

전방의 임의 공간에 대하여 방사선원을 찾는 장치는 이미 선진국에서는 개발을 완료하고 Radscan, GammaCam, 등의 상품명으로 시판 중에 있다. 이 시스템들은 일정 각도의 전방향에 대해 방사선을 탐지하여 위치정보를 방사선 탐지장치를 중심으로 이차원(X-Y)으로 알려주거나 카메라 가시영상에 방사선 정보를 중첩하여 표시해 주는 기능도 갖추고 있다.

그러나 이 장치들은 측정기로부터의 방사선원 방향만을 알려줄 뿐 방사선원까지의 거리(Z)에 대한 정보는 측정하지 못하는 단점이 있다. 따라서 방사선원까지의 거리정보가 없으므로 탐지된 방사선원의 세기는 알 수가 없다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 방사선원까지의 거리정보를 측정하는 기술 및 장치에 대한 기술개발이 다년간 시도되어 오고 있다.

그 해결책 가운데 한 가지는 스테레오 카메라 방식을 채용한 것으로서, 선행기술문헌인 한국 등록특허공보 제10-0806072호에 개시된 것과 같이 두 개의 방사선 측정센서를 방사선원을 향한 삼각 형태로 구성하여 좌우 센서로부터 측정된 두 개의 방사선원의 방향정보를 삼각법으로 합성하여 두 센서의 중심과 방사선원간의 거리를 측정하는 방법이다. 다른 한 가지는 스테레오 삼각법의 원리를 사용하되 하나의 센서만을 사용하여, 좌/우의 한곳으로부터 먼저 방사선원의 위치를 측정한 다음 이동체를 통해 우/좌로 센서를 이동시킨 다음 같은 작업을 반복하여 얻는 좌우 시차가 다른 방사선원의 위치정보를 이용하는 방식이다.

이 두 가지 방법 가운데 전자는 고밀도 물질의 차폐가 요구되는 두 개의 고하중 센서가 사용되므로 무게와 부피가 큰 부담이 된다. 또한 후자는 하나의 센서를 좌우로 이동시키는 이동체가 부가되어야 하므로 역시 부피가 부담이 되어 현장 사용에 어려움이 있다.

따라서 하나의 방사능 탐지센서를 사용하여 방사선원까지의 거리정보를 추출할 수 있는 소형 경량의 방사선원의 3차원 정보가시화 장치와 기술에 대한 개발의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

1. 한국 등록특허공보 제10-0806072호 "두 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치탐지방법 및 그 장치"(공개일자: 2007. 10. 17.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 방사능 측정 센서부를 사용하여 방사선원의 방향정보(X, Y) 뿐만 아니라 거리(Z)정보까지 측정할 수 있는 소형 경량의 방사선 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탐지하고자 하는 방사선원까지의 거리 정보를 통하여 방사선원의 세기를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 복잡한 환경에서 방사선원 오염물질을 제거할 수 있는 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 1개의 CCD카메라센서가 3차원 방사선원을 측정하는 센서부와; 상기 CCD카메라센서를 고정지지하고 상하좌우 회전시키는 구동부와; 상기 센서부 및 구동부와 회로연결되어 구동부 제어에 의해 상하좌우 각도로부터 CCD카메라센서로 입력되는 최대방사광 입사영상 신호를 입력받아 분석하여 3차원 방사선원을 검출하는 방사선 측정장치(PC)로 구성하고, 상기 CCD카메라센서는, 방사광을 집속시키도록 내부에 광통로가 형성된 콜리메이터와; 콜리메이터 후단에 설치되어 검은 막으로서 CCD로 입사되는 일반 가시광을 차폐시키는 암막과; 상기 암막 후단에 설치되어 콜리메이터를 통과한 방사광을 가시광으로 변환시키는 신틸레이터와; 상기 신틸레이터를 통과한 빛을 전기적인 신호로 바꿔주는 광센서 반도체인 CCD센서 및 상기 CCD센서를 방사선으로부터 차폐시키는 외부를 감싸는 납 차폐케이스로 구성된 것을 특징으로 하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 탐지장치를 제공한다.

상기 구동부는, CCD카메라 센서가 일정거리 이격되어 고정설치되는 단일 회전판과; 상기 회전판의 하부에 장치되어 회전판을 패닝(Pnning) 및 틸팅(Tilting)시키는 팬틸트로 구성되고, 상기 콜리메이터 내부에 형성된 광통로는 핀홀형 광통로로 형성된다.

또한, 본 발명은 CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 제 1 지점(C1)으로 고정하여 방사선원의 방향 (θ₁)을 파악하는 제 1 단계; CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 상기 제 1 지점과는 다른 제 2 지점(C2)으로 이동 고정하여 방사선원의 방향 (θ₂)을 파악하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 통하여 산출된 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 방사선원의 위치를 파악하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 도출된 위치를 통하여 방사선원의 거리를 파악하는 제 4 단계를 포함하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법을 제공한다.

상기 제 1 단계에서 방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(a)를 측정하고, θ₁=tan^-1 (C1/a)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악할 수 있고, 상기 제 2 단계에서 방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(b)를 측정하고, θ₂=tan^-1 (C2/b)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악할 수 있다. 또한, 상기 제 3 단계에서 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 tan θ₁ = R1 / (a+c), tan θ₂=R1 / (b+c) 의 두 식을 통하여 방사선원의 위치(c, R1)를 파악할 수 있으며, 상기 제 4 단계에서의 방사선원까지의 거리는 제 3 단계에서 구한 R1 및 c를 이용하여 도출해 낼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 단일 방사능 측정 센서부를 사용하여 방사선원의 방향정보(X, Y) 뿐만 아니라 거리(Z)정보까지 측정할 수 있는 소형 경량의 방사선원 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법을 제시한다.

이에 따라, 기존 방사선 영상장비에 비해 방사선원의 세기 측정이 가능할 뿐 아니라, 복잡한 환경에서 방사선원 오염물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 세계 원자력 분야의 대규모 폐로에 있어 방사선 오염원의 탐지 및 추출을 효과적으로 대응할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단일 방사선 장치를 통해 방사선원 3차원 위치정보를 추출방법을 나타내는 개략도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 단일 방사선 영상장치를 이용한 방사선원 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 적용되는 방사선 측정장치는, 팬틸트 인터페이스로 회로연결되어 CCD카메라센서 각도를 제어하는 팬틸트 구동 제어프로그램과, 상기 CCD카메라와 USB인터페이스로 회로연결되어 CCD카메라센서로부터 각각 입력되는 최대방사광 입사 영상 신호를 분석하여 방사선의 방향과 위치정보를 추출하는 영상처리프로그램을 저장한 저장부를 구비하여 저장된 프로그램을 중앙처리장치(CPU)에서 실행시키는 원격 PC 및 이를 모니터링하는 디스플레이장치로 구성된다.

상기와 같이 구성된 CCD카메라센서로 입사되는 방사선을 처리하는 과정을 살펴보면 방사선이 콜리메이터를 통하여 좁은 핀홀형 광통로로 집속된 후 신틸레이터에서 가시광으로 변환된 다음 CCD에서 가시광으로 감지된다. 이때 신틸레이터 전단에 암막이 위치하여 CCD로 입사되는 일반 가시광을 차단하게 된다, 이에 따라 CCD는 일반 가시광이 아닌 방사광이 변환된 가시광만을 측정하게 된다.

CCD에서 감지된 CCD카메라센서 영상을 원격의 방사선 측정장치로 전송되고 영상처리프로그램에 의해 영상처리과정을 거쳐 고감도의 가시광 영상과 그때의 팬틸트 위치정보를 통해 최대 방사광 입사에 대한 방향을 탐지함으로써 방사선의 방향이 탐지된다.

이때 구동부를 구성하는 팬틸트의 상부에 장치된 회전판에 탑재된 두 개의 CCD카메라센서가 방사선을 스캔하는 과정에서 팬틸트의 패닝(Panning) 작용으로 좌우 일정 각도로 회전하면서 좌우 카메라로 최대 방사광이 입력되는 지점을 탐지하게 되고, 이 과정은 일정 범위 내의 틸팅(Tilting) 작용에 따라 상하 각도를 달리하면서 반복된다.

방사광이 신틸레이터를 통해 변환되어 CCD카메라센서로 탐지되는 가시광영상은 원격 PC로 전송된 후 다음과 같은 영상처리프로그램을 거쳐 필요한 정보만을 증대시킨다. 즉, 영상 취득 후 디지털로 변환한 다음 초기영상에서 CCD카메라센서에서의 열발생 잡음 및 주변 간섭 노이즈를 제거하여 방사광관련 영상정보만을 뽑아내고 이 정보만을 중첩함으로써 감도를 개선하게 된다. 이어서 영상의 전체 광량(Intensity)을 추출하고 팬틸트와 연동하여 최대 광량의 입사지점을 반복하여 검사하는 과정을 나타낸다.

본 발명에 따른 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법 은 다른 CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 제 1 지점(C1)으로 고정하여 방사선원의 방향 (θ₁)을 파악하는 제 1 단계; CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 상기 제 1 지점과는 다른 제 2 지점(C2)으로 이동 고정하여 방사선원의 방향 (θ₂)을 파악하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 통하여 산출된 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 방사선원의 위치를 파악하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 도출된 위치를 통하여 방사선원의 거리를 파악하는 제 4 단계를 포함한다.

상기 제 1 단계에서 방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(a)를 측정하고, θ₁=tan^-1 (C1/a)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악한다.

우선적으로, 방사선 영상을 촬상한 후 CCD 중심에 촬상되었는지를 먼저 확인하는 과정을 거치는데, 이는 θ₁의 추출시 방사선원이 CCD 셀의 중심에 촬상시에는 각이 형성되지 않아 방사선원의 방향정보를 찾을 수 없기 때문에 카메라의 팬(pan) 또는 틸트(tilt)를 일정거리 움직여서 촬상위치를 CCD 중심으로부터 벗어나게 하는 과정이 필요하다.

상기 제 1 단계를 상세히 설명하면, 도 1에 개시된 것과 같이 먼저 콜리메이터의 위치를 C₁ 에서 CCD에 방사영상을 촬상시키고, 방사선 영상 최대 수광값 수광 위치 측정하는데, SR_{1 - C1} 지점인 콜리메이터 중심축으로부터 거리가 a가 되는 것을 알 수 있다. 다음으로 최대 수광 위치가 CCD 센서의 중심부에 위치할 경우 카메라를 고정하고 있는 pan or tilt를 구동시켜 중심으로부터 가장자리 방향으로 일정량 이동시키는데, 상기 이동량은 콜리메이터의 변위량과 방사선원의 거리에 딸 가변적으로 변한다. 이와 같은 방법을 통해 방사선원 R₁은 CCD로부터 θ_{1 (X-Y)} 방향에 위치하는 것을 파악할 수 있고, 이를 통해서 θ₁=tan^-1 (C1/a)(=const.)계산으로 방사선원(R₁, R₂, R₃)의 방향을 측정할 수 있다.

다음으로 제 2 단계에서 방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(b)를 측정하고, θ₂=tan^-1 (C2/b)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악하는 방법에 대해서 설명하면 하기와 같다.

도 1에 개시된 것과 같이 먼저 콜리메이터의 위치를 C₂ 에서 CCD에 방사영상을 촬상시키고, 방사선 영상 최대 수광값 수광 위치 측정하는데, SR_{2 - C2} 지점인 콜리메이터 중심축으로부터 거리가 b가 되는 것을 알 수 있다. 다음으로 최대 수광 위치가 CCD 센서의 중심부에 위치할 경우 카메라를 고정하고 있는 pan or tilt를 구동시켜 중심으로부터 가장자리 방향으로 일정량 이동시키는데, 상기 이동량은 콜리메이터의 변위량과 방사선원의 거리에 따라 가변적으로 변한다. 이와 같은 방법을 통해 방사선원 R₁은 CCD로부터 θ_{2 (X-Y)} 방향에 위치하는 것을 파악할 수 있고, 이를 통해서 θ₂=tan^-1 (C2/b)(=const.)계산으로 방사선원(R₁, R₂, R₃)의 방향을 측정할 수 있다.

다음으로 제 3 단계에서 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 하기의 두 식을 통하여 방사선원의 위치(c, R1)를 파악할 수 있다.

도 1을 참조하면, c의 계산과 zR₁의 계산은 θ₁, θ₂ 를 한 예각으로 하고 zR₁을 공통의 높이변으로 이루어지는 두 직각삼각형으로부터 계산할 수 있다. 즉, 이는 하기 식과 같다.

<식1> tan θ₁ = zR1 / (a+c)

<식2> tan θ₂ = zR1 / (b+c)

상기 두 개의 식에서 zR1을 기준으로 하기와 같은 식이 만들어지고,

zR1 = (a+c)tan θ₁ = (b+c)tan θ₂

상기 식에서 c를 좌변에 두어 c 값을 구할 수 있다.

∴ c = (Tb-a)/(1-t) (T=tan θ_2/tan θ₁ )

마지막으로, 제 4 단계에서의 방사선원까지의 거리는 제 3 단계에서 구한 R1 및 c를 이용하여 도출해 낼 수 있다. 즉, R1 및 c를 통하여 피타고라스 정리를 통하여 방사선원까지의 거리인 CR1을 하기와 같이 계산할 수 있다.

∴ CR₁ = sprt(c² + zR1²)

상기와 같이 본 발명은 단일 방사능 측정 센서부를 사용하여 방사선원의 방향정보(X, Y) 뿐만 아니라 거리(Z)정보까지 측정할 수 있는 소형 경량의 방사선원 3차원 위치 탐지장치 및 위치 추출방법을 제시한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 제 1 지점(C1)으로 고정하여 방사선원의 방향 (θ₁)을 파악하는 제 1 단계;
   CCD 카메라센서 내부의 콜리메이터의 위치를 상기 제 1 지점과는 다른 제 2 지점(C2)으로 이동 고정하여 방사선원의 방향 (θ₂)을 파악하는 제 2 단계;
   상기 제 1 단계 및 상기 제 2 단계를 통하여 산출된 방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 방사선원의 위치를 파악하는 제 3 단계; 및
   상기 제 3 단계에서 도출된 위치를 통하여 방사선원의 거리를 파악하는 제 4 단계를 포함하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법.
   
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 단계에서
   방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(a)를 측정하고, θ₁=tan^-1 (C1/a)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악하는 것을 특징으로 하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 단계에서
   방사선 영상 최대 수광값이 포착시 측정된 수광 위치가 기준점으로부터 떨어진 위치(b)를 측정하고, θ₂=tan^-1 (C2/b)를 통해서 방사선원 R1의 방향을 파악하는 것을 특징으로 하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 3 단계에서
   방사선원의 방향 θ₁ 및 θ₂를 통하여 하기의 두 식을 통하여 방사선원의 위치(c, R1)를 파악하는 것을 특징으로 하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법.
   
   <식1> tan θ₁ = zR1 / (a+c)
   <식2> tan θ₂ = zR1 / (b+c)
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제 4 단계에서의 방사선원까지의 거리는 제 3 단계에서 구한 R1 및 c를 이용하여 도출해내는 것을 특징으로 하는 한 대의 CCD 카메라를 이용한 방사선원 3차원 위치 추출방법.

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