KR101539599B1 - 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법 - Google Patents

다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치에 관한 것으로서, 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하는 펄스 레이저, 상기 구조물에 생성된 초음파를 측정하는 초음파 측정기, 상기 펄스 레이저와 상기 초음파 측정기를 제어하는 회전 거울, 상기 초음파 생성점과 측정점 쌍에서 수집된 신호를 해석하고 손상반사 초음파 성분을 추출하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 손상반사 추출모듈, 단일 경로에서 양방항 초음파 신호를 수집하고 상관관계를 분석하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 상관관계 분석모듈 및 상기 초음파 측정기에서 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치는 구조물을 저밀도로 스캐닝하여 손상반사 추출모듈 또는 상관관계 분석모듈로 대략적인 손상위치를 추정하고 추정된 손상영역에 대하여 고밀도로 스캐닝하여 영상처리하여, 대형 구조물을 빠르고 정확하게 손상 진단을 수행하는 장점이 있다.

Description

다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법{Accelerated structural damage visualization through multi-level noncontact laser ultrasonic scanning and visualization method thereof}
본 발명은 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 구조물 전체를 소정의 기준값 이하의 저밀도로 레이저 스캐닝한 후 상기 손상반사 추출모듈 또는 상기 상관관계 분석모듈을 이용하여 손상위치를 추정하고, 상기 손상 추정 영역은 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계의 스캐닝 밀도 이상의 고밀도로 레이저 스캐닝한 후 상기 영상처리모듈을 이용하여 손상영역을 시각화하는 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법에 관한 것이다.
일반적으로 구조물은 콘크리트 외에도 강재 등을 재료로 하여 일정한 설계에 따라 건설되는 것으로서, 거주용 건물과 비거주용 건물이 포함된다. 거주용 건물에는 아파트와 주택 등이 포함되고, 비거주용 건물에는 사회 기반시설인 터널, 교량, 원전 또는 플랜트 배관 등이 포함된다. 구조물의 강도는 시간이 지남에 따라 저하되므로, 구조물에 대한 안전한 사용을 위해서는 구조물에 대한 검사가 꾸준히 이루어져야 한다. 구조물에 대한 안전 검사 중에서 비파괴검사는 구조물에 대한 파괴 없이 구조물 내부의 기공이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결합 등을 검사한다.
초음파는 작은 결함에 민감하고 작은 감쇠로 비교적 긴 거리에 도달하기 때문에 토목, 기계, 항공 시스템을 보호하는 초음파 기반의 구조 상태 모니터링 (SHM, structural health monitoring)기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 기존 접촉식 센서 기반의 초음파 방식 비파괴검사는 구조물에 부착된 센서(압전소자 등)가 초음파 가진과 센싱 기능을 하고, 센서에서 계측된 초음파 신호를 해석하여 구조물의 손상 여부를 판별한다. 그러나, 기존 접촉식 센서 기반의 비파괴검사는 소수지점에서만 측정이 가능하여 충분한 공간해상도와 시간해상도를 얻을 수 없고, 크기가 작은 손상에 대하여 신뢰성 있게 감지하지 못하는 문제점이 있다.
또한 구조물에 부착된 센서는 시간이 지남에 따라 외부 환경변화에 의하여 노후화되고, 센서와 연결된 전력케이블의 길이가 길어질수록 신호 감쇠 및 왜곡이 발생하여 구조물 검사에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히 원전과 같이 고온/고압/방사능 등의 극한 환경하에서는 센서가 정상적으로 작동하기 힘들어 안전진단 및 관리 시스템의 적용 자체가 힘들어지는 경우가 많다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 센서 설치를 요구하지 않는 비접촉식 손상 진단 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 현재 안전진단 및 관리 시스템의 대부분을 차지하는 접촉식 센서의 활용을 대체할 수 있기에 막대한 시장성 가치를 가진다.
종래기술로서, 특허문헌 1은 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법에 관한 것으로서, 높은 영상 해상도를 통하여 구조물의 손상을 검출하고 시각화하는 방법을 제안하고 있으나, 고밀도의 비접촉식 레이저 스캐닝을 수행함으로 거대 구조물 등 넓은 영역을 검사 시 오랜 검사 시간이 소용되는 단점이 있다.
검사 영역에 대해 수 mm 간격으로 레이저를 조사해야 하기 때문에 검사 영역의 면적이 넓어질수록 소요 시간이 기하급수적으로 증가하게 된다. 5 cm X 5 cm 영역에 대해 검사를 수행할 때 약 20~30분이 소요되는 것으로 보고된 바 있다. 이는 실제 현장에서 풍력 발전기, 송유관, 교량 등 대형 구조물을 대상으로 해당 기술을 적용할 때 큰 문제가 될 수 있다. 따라서 대형 구조물에 대해서도 빠른 속도로 손상 진단을 수행할 수 있는 기법이 필요한 실정이다.
1. 한국 등록특허 제10-1281582호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법의 한계를 극복하고자 구조물을 저밀도로 스캐닝하여 손상반사 추출모듈 또는 상관관계 분석모듈로 대략적인 손상위치를 추정하고 추정된 손상영역에 대하여 고밀도로 스캐닝하여 영상처리하여, 대형 구조물을 빠르고 정확하게 손상 진단을 수행하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법을 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법은 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하고 상기 구조물에 생성된 초음파를 측정함으로써 소정의 기준값 이하의 저밀도 이하의 저밀도로 구조물 전체를 레이저 스캐닝하고 측정된 신호를 처리하여 구조물의 대략적인 손상위치를 추정하는 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100) 및 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계에서 추정된 손상영역에 대해 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계의 스캐닝 밀도 이상의 고밀도로 레이저 스캐닝하고 초음파 영상화를 통하여 손상을 시각화하는 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는 (a) 생성된 초음파의 생성점과 측정된 초음파의 측정점 쌍에서의 초음파 신호를 수집하는 단계(S111), (b) 상기 (a)단계에서 수집된 신호를 해석하여 손상에서 반사 되는 초음파 성분을 추출하는 단계(S112), (c) 상기 (b)단계에서 추출된 손상에서 반사된 초음파 성분으로 손상위치의 확률 분포를 계산하는 단계(S113), (d) 다른 위치의 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S114) 및 (e) 각 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 계산된 상기 손상위치의 확률 분포를 통합하여 손상위치를 추정하는 단계(S115)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는 (a) 단일 경로에 대해 양방향의 초음파 신호를 수집하는 단계(S121), (b) 상기 (a)단계에서 수집된 신호의 상관관계(correlation)를 분석하여 상반성(reciprocity)을 확인하는 단계(S122), (c) 상기 (b)단계에서 확인된 상반성으로 손상지수(damage index)를 계산하는 단계(S123), (d) 다른 경로에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S124), (e) 각 경로에서의 양방항 초음파 신호에 대해 계산된 상기 손상지수를 바탕으로 이상치분석(outlier analysis)을 실시하여 손상지수가 한계치보다 높은 경로를 파악하는 단계(S125) 및 (f) 상기 (e)단계에서 파악한 손상경로를 바탕으로 손상위치를 추정 단계(S126)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 상반성 확인 단계(S122)는 수집된 경로 근처에 손상이 없어 양방향의 초음파 신호가 높은 상관관계를 가지는 경우는 상반성이 확인되고, 상기 수집된 경로 근처에 손상이 있어 양방향의 초음파 신호가 낮은 상관관계를 가지는 경우는 상반성이 확인되지 않은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 손상지수 계산 단계(S123)는 상반성이 확인된 경로는 한계치보다 낮은 손상지수를 가지고, 상기 상반성이 확인되지 않은 경우는 한계치보다 높은 손상지수를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 손상지수가 한계치보다 높은 경로를 파악하는 단계(S125)는, 상기 손상지수를 오름차순으로 정렬하는 단계, 정렬된 상기 손상지수를 확률분포를 적용하여 한계치(threshold level)를 구하는 단계, 상기 한계치를 각 경로의 손상지수와 비교하는 단계 및 각 경로의 손상지수가 한계치보다 크면 이상치로 간주하여 손상이 있다고 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)는 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210), 상기 구조물에 생성되는 초음파를 초음파 측정기로 비접촉식으로 측정하는 단계(S220) 및 상기 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S230)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치는, 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하는 펄스 레이저, 상기 구조물에 생성된 초음파를 측정하는 초음파 측정기 및 상기 초음파 생성점과 측정점 쌍에서 수집된 신호를 해석하고 손상반사 초음파 성분을 추출하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 손상반사 추출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하는 펄스 레이저, 상기 구조물에 생성된 초음파를 측정하는 초음파 측정기 및 단일 경로에서 양방항 초음파 신호를 수집하고 상관관계를 분석하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 상관관계 분석모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 펄스 레이저와 상기 초음파 측정기에서 조사된 레이저 광선을 제어하는 회전 거울을 포함하고, 상기 초음파 측정기에서 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 초음파 측정기는 상기 생성된 초음파를 수신하는 레이저 진동계 또는 공기 결합 트랜스듀서인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치 및 이의 진단 방법은 구조물을 저밀도로 스캐닝하여 손상반사 추출모듈 또는 상관관계 분석모듈로 대략적인 손상위치를 추정하고 추정된 손상영역에 대하여 고밀도로 스캐닝하여 영상처리하여, 대형 구조물을 빠르고 정확하게 손상 진단을 수행할 수 있다.
또한, 비접촉식으로 구조물의 손상 여부를 감지하므로 부착센서와 이에 수반되는 전력 및 데이터 전송 케이블의 설치가 필요 없고, 이들에 대한 유지 보수 과정도 요구되지 않는 효과가 있다.
또한, 원하는 영역에 대해 자유롭게 검사를 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 원자력발전설비나 화학 플랜트설비에 사용되는 고온의 구조물에 대한 정밀 감지가 가능한 효과가 있다.
또한, 구조물의 손상여부를 자동으로 감지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치를 이용한 레이저 스캐닝 방법을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법의 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법의 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법을 나타낸 흐름도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손상반사 추출모듈을 이용한 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상관관계 분석모듈을 이용한 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)에서 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210)를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)에서 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판단하는 단계(S230)를 나타낸 도면.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치를 이용한 레이저 스캐닝 방법을 나타낸 도면으로서, 구조물 손상 진단 고속화 장치는 펄스 레이저(10), 초음파 측정기(20), 회전 거울(30), 손상반사 추출모듈, 상관관계 분석모듈, 영상처리모듈을 포함한다.
펄스 레이저(10)는 구조물(40)에 레이저를 조사하여 초음파를 생성한다. 이러한 펄스 레이저(10)가 구조물(40)에 조사되면, 구조물(40) 표면에서의 열적 팽창을 유발하여 열탄성파가 생성된다. 이러한 열탄성파는 펄스 파형을 가지므로 광대역의 주파수 영역에 걸쳐 분포되며 구조물에 입사되는 경우 초음파를 생성한다.
초음파 측정기(20)는 상기 구조물(40)에 생성된 초음파를 측정한다. 초음파 측정기(20)는 구조물(40)에서 생성된 초음파를 비접촉식으로 측정한다. 상기 초음파 측정기(20)는 상기 구조물(40)에 생성된 초음파를 수신하는 레이저 간섭계일 수 있다. 초음파 측정기(20)는 비접촉식으로 초음파를 측정할 수 있는 레이저 진동계가 사용될 수도 있다. 또한 펄스 레이저를 이용한 초음파 생성과 공기 결합 트랜스듀서에 의한 측정을 결합한 방식을 사용할 수도 있다.
회전 거울(30)은 상기 펄스 레이저와 상기 초음파 측정기를 제어한다. 펄스 레이저(10)는 구조물(40)에 레이저를 조사하고, 회전 거울(30)은 펄스 레이저(10)와 구조물(40) 사이에 위치되고, 펄스 레이저(10)를 다지점으로 분산한다. 즉, 펄스 레이저(10)는 구조물(40)의 동일 지점을 향해 지속적으로 레이저를 조사하고, 회전 거울(30)은 레이저의 진행 방향을 변경하여 구조물(40)상의 목표 지점으로 레이저가 도달되도록 한다. 회전 거울(30)은 갈바노 거울일 수 있다. 이러한 갈바노 거울(galvano mirror)은 전압에 따라 거울의 각도가 변경되어 펄스 레이저 신호를 원하는 위치로 반사시킨다.
회전 거울(30)을 대신하여 갈바노 거울 외에 펄스 레이저의 조사 각도를 변경할 수 있는 로봇장비나 기타 매니퓰레이터를 활용할 수 있다. 여기서 로봇장비는 자동으로 펄스 레이저의 조사 각도를 변경하는 기계장치를 통칭하고, 매니퓰레이터를 사람의 팔 형상을 하여 펄스 레이저의 조사각도를 변경하는 장치를 일컫는다.
손상반사 추출모듈은 초음파 생성점과 측정점 쌍에서 수집된 신호를 해석하고 손상반사 초음파 성분을 추출하여 상기 구조물의 손상위치를 추정한다. 초음파 생성점과 측정점 쌍에서 초음파 신호를 분석하여 손상에서 반사되어 온 초음파 성분을 추출하고, 이를 통해 손상위치의 확률 분포를 계산한다. 이 과정을 여러 초음파 생성점과 측정점 쌍에 대해 반복하여 확률 분포를 통합함으로써 손상위치를 추정한다.
상관관계 분석모듈은 단일 경로에서 양방항 초음파 신호를 수집하고 상관관계를 분석하여 상기 구조물의 손상위치를 추정한다. 손상이 없는 구조물에서 양방향 초음파 신호의 대칭성을 고려할 때, 양방향의 초음파 신호는 동일하여야 한다. 이러한 상반성 원리가 구조물에서 손상이 없는 영역에서는 성립되나, 구조물의 손상된 영역에서는 성립되지 않는다는 점을 이용한다.
영상처리모듈은 상기 초음파 측정기에서 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별한다. 영상처리부는 측정된 초음파 신호를 영상 이미지로 구현함으로써, 검사자가 구조물의 손상 여부를 시각적으로 판단할 수 있도록 안내한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법의 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면이고, 도 3은 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 구조물 손상 진단 고속화 장치는 구조물 전체를 소정의 기준값 이하의 저밀도로 레이저 스캐닝한 후 상기 손상반사 추출모듈 또는 상기 상관관계 분석모듈을 이용하여 손상위치를 추정하고, 손상 추정 영역은 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계의 스캐닝 밀도 이상의 고밀도로 레이저 스캐닝한 후 상기 영상처리모듈을 이용하여 손상영역을 시각화한다. 구조물의 크기와 진단 시간 또는 필요에 따라 저밀도와 고밀도의 기준값은 변할 수 있다. 예를 들면, 대형 구조물의 손상을 효율적인 동시에 정확하게 진단하기 위하여 구조물을 단위면적당 측정지점수 400개수/m2 이하의 낮은 밀도로 스캐닝하여 대략적인 손상위치를 빠르게 추정하고, 추정된 손상영역에 대하여 단위면적당 측정지점수 40,000개수/m2 이상의 높은 밀도로 스캐닝하여 손상을 진단할 수 있다. 즉, 저밀도 스캐닝은 구조물 전체를 스캐닝하여 손상위치를 추정하는 단계이고, 고밀도 스캐닝은 추정된 손상위치에 대하여 정밀하게 스캐닝하여 시각화하는 단계이다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법을 나타낸 흐름도로서, 본 발명에 따른 구조물 손상 진단 고속화 방법은 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100) 및 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 포함한다.
저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는 초음파를 생성하여 구조물에 펄스 레이저를 조사하고 상기 구조물에 유도된 초음파를 측정하여 수cm 이상의 낮은 밀도로 구조물 전체를 레이저 스캐닝하고 측정된 신호를 처리하여 구조물의 대략적인 손상위치를 추정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 손상반사 추출모듈을 이용한 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면으로서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는 (a) 상기 생성된 초음파의 생성점와 상기 측정된 초음파의 측정점 쌍에서의 초음파 신호를 수집하는 단계(S111), (b) 상기 초음파 신호 수집 단계에서 수집된 신호를 해석하여 손상반사 초음파 성분을 추출하는 단계(S1112), (c) 상기 추출된 손상반사 초음파 성분으로 손상위치의 확률 분포를 계산하는 단계(S113), (d) 다른 위치의 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S114) 및 (e) 각 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 계산된 상기 손상위치의 확률 분포를 통합하여 손상위치를 추정하는 단계(S115)를 포함한다.
도 5a와 같이, 상기 생성된 초음파의 생성점와 상기 측정된 초음파의 측정점 쌍에서의 초음파 신호를 수집하고, 도 5b와 같이, 상기 초음파 신호 수집 단계에서 수집된 신호를 해석하여 손상반사 초음파 성분을 추출한다.
도 5c는 상기 추출된 손상반사 초음파 성분으로 계산된 손상위치의 확률 분포이고, 도 5d는 각 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 계산된 상기 손상위치의 확률 분포를 통합하여 추정된 손상위치이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상관관계 분석모듈을 이용한 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)를 나타낸 도면으로서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는, (a) 단일 경로에 대해 양방향의 초음파 신호를 수집하는 단계(S121), (b) 상기 초음파 신호 수집 단계에서 수집된 신호의 상관관계(correlation)를 분석하여 상반성(reciprocity)을 확인하는 단계(S122), (c) 상기 확인된 상반성으로 손상지수(damage index)를 계산하는 단계(S123), (d) 다른 경로에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S124), (e) 각 경로에서의 양방항 초음파 신호에 대해 계산된 상기 손상지수를 바탕으로 이상치 분석(outlier analysis)을 실시하여 손상지수가 한계치보다 높은 경로를 파악하는 단계(S125) 및 (f) 상기 파악한 손상 경로를 바탕으로 손상위치를 추정 단계(S126)를 포함한다.
도 6a와 같이, 단일 경로에 대해 양방향의 초음파 신호를 수집한다. 상기 상반성 확인 단계(S122)는 상기 수집된 경로 근처에 손상이 없어 양방향의 초음파 신호가 높은 상관관계를 가지는 경우는 상반성이 확인되고, 상기 수집된 경로 근처에 손상이 있어 양방향의 초음파 신호가 낮은 상관관계를 가지는 경우는 상반성이 확인되지 않는다. 단일 경로에 대해 양방향의 초음파 신호를 얻은 후, 두 신호의 상관관계를 분석한다. 경로 근처에 손상이 있는 경우 선형 상반성의 붕괴로 인하여 두 신호 간의 상관관계가 약해진다.
상기 손상지수 계산 단계(S123)는 상기 상반성이 확인된 경로는 한계치보다 낮은 손상지수를 가지고, 상기 상반성이 확인되지 않은 경우는 한계치보다 높은 손상지수를 가진다. 두 신호간의 상관관계가 약해지면 손상지수가 증가하게 된다.
한편, 구조물의 손상 여부를 판별하는 단계에서 손상지수(damage index: DI)의 계산은 아래의 수식에 의한다.
Figure 112013114253958-pat00001
Figure 112013114253958-pat00002
여기서, fi와 fj는 단일 경로의 양방향에서 측정된 계측신호이고,
Figure 112013114253958-pat00003
는 fi의 평균값이며, σfi는 fi의 표준편차이고, N은 측정된 fi의 시간영역에서의 데이터 포인트의 수이며,
Figure 112013114253958-pat00004
는 시간지연을 일컫는다.
즉, 손상지수는 상술한 초음파 경로의 동일성에 따라 계산된 것으로서, 구조물에 손상이 존재하지 않는 경우, 모든 손상지수의 값이 0에 가까워진다.
그리고, 구조물에 손상이 존재하는 경우, 구조물의 손상지점을 지나는 경로에서 얻은 계측신호가 포함된다. 따라서, 구조물에 손상이 존재하면, 손상지수가 증가한다. 이 과정을 여러 경로에 대해 반복함으로써 각 경로에 대해 손상지수를 얻는다.
한편, 상술한 손상지수를 모두 계산한 이후에는 손상지수에 대한 이상치분석(outlier analysis)을 실시하여 구조물에서 손상지수가 높은 경로를 파악하게 된다.
이상치분석은 먼저 손상지수를 모두 오름차순으로 정렬한 다음에, 가장 작은 손상지수부터 순차적으로 하나씩 개수를 늘려가면서(예를 들면 “1번째”부터 “m-1번째”까지의 손상지수) 확률분포를 적용하여 한계치(threshold level)를 구하게 된다.
그리고, 이렇게 구한 한계치를 그 다음단계의 손상지수 (예를 들어 “m번째” 손상지수)와 비교할 때, 만일 손상지수가 한계치보다 크면 이를 이상치로 간주하여 손상이 있다고 판별하게 된다.
참고로, 앞서 언급한 바와 같이, 손상이 있는 경로가 포함된 경우에서의 손상지수는 크게 나타나기 때문에, 손상지수가 이상치로 간주된다는 것은 구조물에 손상이 존재한다는 의미이다.
한편, 손상지수의 범위는 0과 1을 경계로 하기 때문에, 손상지수의 분포를 모사하기 위하여 다음과 같은 베타분포(beta distribution)를 도입한다.
Figure 112013114253958-pat00005
<수학식 3>에서 B는 베타함수이고, α와 β는 베타분포의 형상을 결정하는 변수이다.
콜모고로프-스미르노프(Kolmogorov-Smirnov) 검증법(Ross 2004)을 통하여 적합도검증(goodness-of-fit test)을 수행한 결과, 손상이 없는 구조물에서의 손상지수의 분포를 베타분포가 잘 모사함을 확인할 수 있다. 이때, 한계치는 신뢰구간의 편측으로 99.7% (3σ) 수준의 값으로 정한다.
도 6b와 같이, 다른 경로에 대해 반복 수행하고, 각 경로에서의 양방항 초음파 신호에 대해 계산된 상기 손상지수를 바탕으로 이상치분석(outlier analysis)을 실시하여 손상지수가 높은 경로를 파악한다. 도 6c와 같이, 상기 파악한 손상 경로를 바탕으로 손상위치를 추정하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 나타낸 도면으로서, 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)는 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계에서 추정된 손상영역에 대해 수mm 이하의 높은 밀도로 레이저 스캐닝하고 초음파 영상화를 통하여 손상을 시각화한다. 위에서 추정된 손상위치 주변의 좁은 영역에 대해서만 고밀도 초음파 스캐닝을 수행하여 손상의 시각적 정보를 얻음으로써 대형 구조물을 빠르고 정확하게 손상 진단을 수행할 수 있다.
상기 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)는, 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210), 상기 구조물에 생성되는 초음파를 초음파 측정기로 비접촉식으로 측정하는 단계(S220), 상기 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S230)를 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)에서 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210)를 나타낸 도면으로서, 상기 펄스 레이저를 조사하는 단계(S210)는 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계에서 추정한 구조물의 손상영역에 대한 이미지를 촬영하여 좌표를 설정하는 단계(S211), 상기 손상영역에 상기 펄스 레이저를 조사하여 표식을 형성하는 단계(S212), 상기 좌표의 기준점과 상기 표식을 일치화하는 단계(S213), 상기 이미지 상에서 상기 펄스 레이저의 조사범위를 설정하는 단계(S214) 및 상기 펄스 레이저를 조사하는 단계(S214)를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)에서 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판단하는 단계(S230)를 나타낸 도면으로서, 상기 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S230)는 한 지점에서 단위 계측시간별로 수신된 계측값을 색상별로 표시하여 2차원 이미지를 형성하는 단계(S231), 한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 얻어진 2차원 이미지들을 통합하여 영상화하는 단계(S232), 진동수-주파수 영역 조작을 통하여 정상파 성분을 추출하는 단계(S233), 상기 정상파 성분을 통하여 정상파 운동에너지를 추출하는 단계(S234), 상기 정상파 운동에너지에 라플라스 필터를 적용하여 배경 노이즈를 제거하는 단계(S235), 상기 구조물의 손상 부분에 대한 이미지를 추출하는 단계(S236) 및 상기 구조물의 손상 부분에 대한 이미지를 이용하여 상기 구조물의 손상 여부를 자동으로 판별하는 단계(S237)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)과 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 통하여 10kW급 풍력 발전기 블레이드에 대해 적용한 결과 전체에 대해 고밀도 스캐닝을 수행할 때 보다 약 0.5%의 시간만 소요하고 손상의 감지가 가능하다. 풍력 발전기 블레이드뿐만 아니라 장대교량, 원자력 발전소 등 비접촉식 손상이 요구되는 사회기반시설물과 열차, 항공기 등 센서 설치가 힘든 구조물에 대해 응용될 수 있다.
이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 펄스 레이저
20: 초음파 측정기
30: 회전 거울
40: 구조물

Claims (14)

  1. 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하고, 상기 구조물에 생성된 초음파를 측정함으로써 소정의 기준값 이하의 저밀도로 구조물 전체를 레이저 스캐닝하고, 측정된 신호를 처리하여 구조물의 대략적인 손상위치를 추정하는 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100) 및
    상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계에서 추정된 손상영역에 대해 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계의 스캐닝 밀도 이상의 고밀도로 레이저 스캐닝하고, 초음파 영상화를 통하여 손상을 시각화하는 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는,
    (a) 생성된 초음파의 생성점과 측정된 초음파의 측정점 쌍에서의 초음파 신호를 수집하는 단계(S111);
    (b) 상기 (a)단계에서 수집된 신호를 해석하여 손상에서 반사되는 초음파 성분을 추출하는 단계(S112);
    (c) 상기 (b)단계에서 추출된 손상에서 반사된 초음파 성분으로 손상위치의 확률 분포를 계산하는 단계(S113);
    (d) 다른 위치의 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S114); 및
    (e) 각 초음파 생성-측정점 쌍에 대해 계산된 상기 손상위치의 확률 분포를 통합하여 손상위치를 추정하는 단계(S115)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S100)는,
    (a) 단일 경로에 대해 양방향의 초음파 신호를 수집하는 단계(S121);
    (b) 상기 (a)단계에서 수집된 신호의 상관관계(correlation)를 분석하여 상반성(reciprocity)을 확인하는 단계(S122);
    (c) 상기 (b)단계에서 확인된 상반성으로 손상지수(damage index: DI)를 계산하는 단계(S123);
    (d) 다른 경로에 대해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복 수행하는 단계(S124);
    (e) 각 경로에서의 양방항 초음파 신호에 대해 계산된 상기 손상지수를 바탕으로 이상치분석(outlier analysis)을 실시하여 손상지수가 한계치보다 높은 경로를 파악하는 단계(S125); 및
    (f) 상기 (e)단계에서 파악한 손상경로를 바탕으로 손상위치를 추정 단계(S126)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 손상지수(DI)를 계산하는 단계(S123)는 하기 수학식으로 계산하며,
    수집된 경로에 손상이 없는 경우 양방향의 초음파 신호가 대칭적이어서 한계치보다 낮은 손상지수를 가지고,
    수집된 경로에 손상이 있는 경우 양방향의 초음파 신호가 상이하여 한계치보다 높은 손상지수를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
    (수학식)
    Figure 112014118191123-pat00021

    Figure 112014118191123-pat00022

    여기서, fi와 fj는 단일 경로의 양방향에서 측정된 계측신호이고,
    Figure 112014118191123-pat00023
    는 fi의 평균값이며, fi는 fi의 표준편차이고, N은 측정된 fi의 시간영역에서의 데이터 포인트의 수이며,
    Figure 112014118191123-pat00024
    는 시간지연임.
  6. 제3항에 있어서, 상기 손상지수가 한계치보다 높은 경로를 파악하는 단계(S125)는,
    상기 손상지수를 오름차순으로 정렬하는 단계;
    정렬된 상기 손상지수를 확률분포를 적용하여 한계치(threshold level)를 구하는 단계;
    상기 한계치를 각 경로의 손상지수와 비교하는 단계; 및
    각 경로의 손상지수가 한계치보다 크면 이상치로 간주하여 손상이 있다고 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계(S200)는,
    펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210);
    상기 구조물에 생성되는 초음파를 초음파 측정기로 비접촉식으로 측정하는 단계(S220); 및
    상기 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계(S210)는,
    상기 저밀도 비접촉식 레이저 스캐닝 단계에서 추정한 구조물의 손상영역에 대한 이미지를 촬영하여 좌표를 설정하는 단계(S211);
    상기 손상영역에 상기 펄스 레이저를 조사하여 표식을 형성하는 단계(S212);
    상기 좌표의 기준점과 상기 표식을 일치화하는 단계(S213);
    상기 이미지상에서 상기 펄스 레이저의 조사범위를 설정하는 단계(S214); 및
    상기 펄스 레이저를 조사하는 단계(S214)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S230)는,
    한 지점에서 단위 계측시간별로 수신된 계측값을 색상별로 표시하여 2차원 이미지를 형성하는 단계(S231);
    한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 얻어진 2차원 이미지들을 통합하여 영상화하는 단계(S232);
    진동수-주파수 영역 조작을 통하여 정상파 성분을 추출하는 단계(S233);
    상기 정상파 성분을 통하여 정상파 운동에너지를 추출하는 단계(S234);
    상기 정상파 운동에너지에 라플라스 필터를 적용하여 배경 노이즈를 제거하는 단계(S235);
    상기 구조물의 손상 부분에 대한 이미지를 추출하는 단계(S236); 및
    상기 구조물의 손상 부분에 대한 이미지를 이용하여 상기 구조물의 손상 여부를 자동으로 판별하는 단계(S237)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 방법.
  10. 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하는 펄스 레이저;
    상기 구조물에 생성된 초음파를 측정하는 초음파 측정기;
    초음파 생성점과 측정점 쌍에서 수집된 신호를 해석하고 손상에서 반사되는 초음파 성분을 추출하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 손상반사 추출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치.
  11. 구조물에 레이저를 조사하여 초음파를 생성하는 펄스 레이저;
    상기 구조물에 생성된 초음파를 측정하는 초음파 측정기;
    단일 경로에서 양방항 초음파 신호를 수집하여 상관관계를 분석하여 상기 구조물의 손상위치를 추정하는 상관관계 분석모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 펄스 레이저와 상기 초음파 측정기를 제어하는 회전 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 초음파 측정기에서 측정된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 초음파 측정기는,
    상기 생성된 초음파를 수신하는 레이저 진동계 또는 공기 결합 트랜스듀서 인 것을 특징으로 하는 다중 밀도 비접촉식 레이저 스캐닝을 통한 구조물 손상 진단 고속화 장치.
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