KR101544590B1 - 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나 - Google Patents

물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 비파괴 검출 장치는 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 송신부; 발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 송신 안테나; 상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 수신 안테나; 및 수신된 상기 임펄스 신호의 첨두치를 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며 유도된 상기 다항식을 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 수신부를 포함한다. 이를 통해, 본 발명은 실시간으로 임의의 매질에 대한 덩어리 상대 유전율의 효율적인 측정이 가능하고, 임의의 매질에 대한 비파괴 검사가 가능하며, 임펄스 신호를 이용하는 매질 특성 해석 장치 등으로 광범위하게 활용이 가능할 수 있다.

Description

물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나{Apparatus for nondestructively detecting bulk dielectric constant and kind of materials and Method thereof and antenna}
본 발명은 유전율 측정 장치에 관한 것으로, 특히 시간영역에서 극초단의 임펄스 신호를 이용하여 고체나 액체 형태의 매질에 대한 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 유전율 측정은 많은 전자소자의 정확한 설계 파라미터를 제공하는 중요한 정보가 될 수 있다. 예를 들어, 절연 케이블의 전력손실, 물질의 저항, 유전율과 밀접한 관련이 있는 유전체 고유 진동수 등을 유전율의 측정으로부터 알 수 있다.
또한, 특정 매질 내의 유전율을 측정하여 매질의 수분 함수량을 측정할 수가 있는데, 이 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들면, 분말 내의 수분 함수량을 측정하거나, 곡식의 건조 정도 등을 점검하기 위해서도 사용되기도 하며, 모래와 같은 건축자재 내의 함수량은 건축물의 경도를 결정하는 중요한 요소이므로 건축용 모래의 함수량 측정은 매우 중요하다.
이러한 산업적 수요 때문에 간편하고 제작이 상대적으로 쉬운 마이크로파를 이용한 매질 내의 유전율을 측정하는 기술은 오래전부터 연구되어 왔지만, 현재까지의 유전율 측정방법은 주로 주파수 영역에서 매질의 전기저항, 축전용량을 측정하여 매질의 유전율을 측정하는 방법들이 대부분이었다.
최근에는 시간영역에서의 극초단 임펄스를 사용하여 균일 매질의 상대 유전율을 측정하는 방법이 개발되었다. 극초단 임펄스를 사용하는 방법은 전기저항, 축전용량을 측정하는 방법에 비해 측정 속도가 빨라 그 활용범위를 급속도로 넓히고 있다.
이와 관련된 종래 기술로서, 공개번호 제2003-0045806호의 “전자파 탐사기에 있어서 매체중 유전율의 측정 방법, 및 전자파 탐사기”가 공개되어 있다.
이를 간략히 설명하면, 상기 특허는 임펄스 신호를 이용한 지반 탐사레이더에서 탐사 지층의 유전상수를 측정하는 방법을 개시하고 있다. 이에 따르면, 사용 주파수는 대략 1GHz의 중심 주파수에서 수십 MHz 이하의 대역폭을 사용하며 임펄스 신호의 지연을 이용하여 각 지층에서의 유전상수를 측정하고 있다.
특히, 상기 특허에서는 cavity를 갖는 보우 타이(bow tie) 안테나를 사용하였다.
그러나 상기 특허에서 제안된 시스템은 신호 대역폭이 작아 임펄스 전파 시간에 의한 신호의 분리가 어렵고 특히 보우 타이 안테나의 급전을 위해 cavity 내부에 전송선이 연결되어 방사효율이 나쁘게 되고, 송수신 임펄스 신호를 심하게 왜곡하게 되어 신호대 잡음비가 열하되어 별도의 신호처리 과정이 요구된다.
따라서 임펄스 신호를 이용하여 임의의 매질에 대한 덩어리 유전 상수 또는 덩어리 상대 유전율을 구하되, 보다 효율적인 시스템이 제시되어 할 것이다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 시간 영역에서 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용하여 진단하고자 하는 매질의 덩어리 유전 상수(bulk dielectric constant) 또는 덩어리 상대 유전율을 구하고자 하는 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호에 대한 상관계수를 이용하여 매질의 종류를 구분하고자 하는 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나를 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치는 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 송신부; 발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 송신 안테나; 상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 수신 안테나; 및 수신된 상기 임펄스 신호의 첨두치를 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며 유도된 상기 다항식을 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율 yεr은 다항식
Figure 112010058015925-pat00001
에 의해 구하고, 여기서, 상기 x는 매질에 대한 첨두치의 비를 나타내고, 상기 다항식의 계수는 수학식
Figure 112010058015925-pat00002
에 의해 구하고, 여기서, 상기 yεri (i=1, 2, ..., N)은 알고 있는 N개의 매질에 대한 상대 유전율 및 덩어리 유전율을 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 송신부는 트리거 신호를 발생하는 트리거신호 발생부; 및 발생된 상기 트리거 신호를 이용하여 삼각 펄스 또는 사각 펄스를 발생하는 펄스 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 분석부는 상대 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고, 상기 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 상기 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 상기 다항식에 적용하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 분석부는 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하고, 상기 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하며, 상기 첨두치의 비를 상기 다항식에 적용하여 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치는 임의의 매질의 종류를 구분하기 위한 극초단의 임펄스 신호를 발생하는 송신부; 발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 송신 안테나; 상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 수신 안테나; 및 수신된 상기 임펄스 신호에 대하여 그 종류를 알고 있는 매질과 구하고자 하는 매질의 상관계수를 구하고 그 상관계수를 이용하여 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 매질의 상관계수 Risu(τ)는 수학식
Figure 112010058015925-pat00003
에 의해 구하고, 여기서, 상기 Sis는 알고 있는 매질에 의해 반사되는 신호를 나타내고, 상기 Siu는 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 신호를 나타내는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 분석부는 그 종류를 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고, 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하며, 수신된 상기 제1 임펄스 신호들과 수신된 상기 제2 임펄스 신호에 대하여 상관 계수를 구하고 그 상관 계수를 이용하여 상기 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 관점에 따른 물질의 덩어리 상대 유전 상수와 종류를 측정하는 장치를 위한 안테나는 밑변은 좁고 윗변으로 갈수록 점점 더 넓어지는 형태로 형성되되, 그 옆변이 직선 또는 스텝 형태로 형성된 방사체; 및 상기 방사체를 형성하는 금속 평판의 하부방향에서 감싸도록 형성된 캐비티(cavity)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 방사체는 방사체의 종단에서 발생되는 시간 영역 사이드브로 또는 링잉을 줄이기 위하여, 그라운드(GND) 면을 바라보는 윗변의 양쪽 모서리 근처에 일정 값의 저항이 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 방사체는 송신 또는 수신 안테나의 주파수 특성이 달라지도록 30도 내지 120도 범위 이내에서 점점 더 넓어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 측면에 따른 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 방법은 매질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 측정하기 위한 측정 모드인지를 확인하는 단계; 상기 측정 모드이면, 덩어리 유전율 또는 종류를 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 수신하는 단계; 및 수신된 상기 제1 임펄스 신호들을 기반으로 N개의 매질에 대한 특성을 구하여 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비파괴 검출 방법은 상기 측정 모드가 아니면, 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및 수신된 상기 제2 임펄스 신호와 저장된 상기 제1 임펄스 신호들을 기반으로 상기 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 측면에 따른 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 방법은 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 단계; 발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 단계; 상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및 수신된 상기 임펄스 신호의 첨두치를 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며 유도된 상기 다항식을 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계는 상대 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 구하고, 상기 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 상기 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 상기 다항식에 적용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계는 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 각각 구하고, 상기 제2 임펄스 신호의 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하며, 구한 첨두치의 비를 상기 다항식에 적용하여 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 측면에 따른 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 방법은 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 단계; 발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 단계; 상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및 수신된 상기 임펄스 신호에 대하여 그 종류를 알고 있는 매질과 구하고자 하는 매질의 상관계수를 구하고 그 상관계수를 이용하여 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 단계를 포함하는 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 매질의 종류를 구분하는 단계는 덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고, 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하며, 수신된 상기 제1 임펄스 신호들과 수신된 상기 제2 임펄스 신호에 대하여 상관 계수를 구하고 그 상관 계수를 이용하여 상기 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 것을 특징으로 한다.
이처럼, 본 발명은 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용함으로써, 실시간으로 임의의 매질에 대한 덩어리 상대 유전율의 효율적인 측정이 가능할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용함으로써, 임의의 매질에 대한 비파괴 검사가 가능할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용함으로써, 임펄스 신호를 이용하는 매질 특성 해석 장치 등으로 광범위하게 활용이 가능할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검출 장치의 구성을 나타내는 예시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 펄스 발생기(130)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 임펄스 발생기에서 삼각펄스를 생성하는 타이밍을 나타내는 예시도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호를 복원하는 타이밍을 나타내는 예시도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 송신 또는 수신 안테나를 나타내는 예시도이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방사체의 다른 형태를 나타내는 예시도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 덩어리 상대 유전율을 측정하는 방법을 나타내는 예시도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 안테나의 투과 특성을 나타내는 예시도이고,
도 9는 도 8의 투과 특성을 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환한 결과를 나타내는 예시도이고,
도 10은 도 9의 결과에 er=1을 적용하여 변환한 결과를 나타내는 예시도이고,
도 11은 도 10의 결과를 이용한 정규화된 3번째 peak 값과 상대 유전율 값을 나타내는 예시도이고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 매질의 종류를 분석하는 방법을 나타내는 예시도이고,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 매질의 측정 및 검출 방법을 나타내는 예시도이고,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 시간 영역 분석을 수행한 결과를 나타내는 예시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나를 첨부된 도 1 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 1)시간 영역에서 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용하여 진단하고자 하는 매질의 덩어리 유전 상수(bulk dielectric constant) 또는 덩어리 상대 유전율을 구할 수 있고 2)이미 알고 있는 매질에 대한 덩어리 상대 유전율과 임의의 매질에서 측정된 덩어리 상대 유전율의 상관관계를 이용하여 매질의 종류를 구분하고자 한다.
더 나아가, 본 발명은 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 수신된 임펄스 신호의 파형 정보를 이용하여 구조물 손상 등을 진단하고자 한다.
이때, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 크게 개선하였는데, 이를 간략히 설명한다.
1)주파수 영역에서 네트워크 분석기 등을 이용한 상대 유전율 측정 방법에 있어서의 복잡함을 개선하였다. 즉, 신호 주파수 대역을 확장하고 임펄스 신호의 전파 시간 지연 정보를 활용하지 않고 임펄스 수신 신호의 첨두치 진폭을 활용하게 된다. 임펄스 수신 신호의 첨두치 진폭은 매질이 없는 경우 수신 신호에서 매질이 있는 경우 수신 신호와의 뺄샘을 통하여 순수하게 매질에 의한 특성 신호로부터 구하게 된다. 또한 다른 특징으로 반사 신호를 활용하여 반사 신호의 왕복 시간을 계산하여 매질의 상대 유전율을 계산하게 된다.
2)작은 주파수 대역폭을 이용한 임펄스 신호 지연 검출 방법에 있어서의 분리 성능의 어려움을 개선하였다.
3)보우 타이 안테나의 문제점을 개선하였다. 즉, cavity-backed 평판형 모노폴 안테나를 제안하였다. 패턴 부분은 역삼각형 또는 유사한 형태의 모양이 가능하다. 삼각형의 크기는 각도로서 정의되며 대략 30도 이상 90도 이하일 수 있다. 캐비티의 내부를 손상시키지 않고 동축선을 이용하여 직접 급전이 가능하다. 또한, 안테나의 종단에는 집중 저항을 사용하여 임펄스 신호를 왜곡시키는 시간영역에서의 임펄스 사이드로브(sidelobe) 또는 링잉(ringing)을 제거하였다.
4)SRD(Step Recovery Diode) 또는 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 사용한 임펄스 발생기를 개선하였다. 즉, 단순히 디지털 논리 회로만을 이용하여 백 MHz 이상의 주기로 임펄스 생성이 가능하며 CMOS와 같은 값싼 집적회로 공정을 이용하여 상승 시간이 500 피코 초 이하인 광대역 삼각 또는 사각 펄스를 생성하게 된다. 반복 펄스의 주기가 빨라 주어진 시간 동안에 샘플링의 회수를 증가하여 신호를 평균할 수 있기 때문에 신호 전력이 증가되고, 잡음 전력은 떨어지게 되어 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
5)유전율 측정 방식 및 무질 검출 방법을 개선하였다. 즉, 임펄스 신호의 반사 특성을 이용하여 덩어리 유전율 측정 방법을 제안하였다. 또한 다양한 매질에 대한 기준 신호를 이용하여 임의의 매질에서 측정한 신호와의 상관 계수(correlation coefficient)를 구하여 임의의 매질을 검출하게 된다.
이때, 물질의 유전율은 다음의 [수학식 1]과 같이 복소 유전율로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
ε = ε' - jε"
여기서, ε' = Re(ε) = εrε0이고, εr은 상대 유전율이며, ε0 = 8.854×10-12 F/m을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 제안하는 방법은 매질에 대한 상대 유전율 εr을 구하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검출 장치의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 비파괴 검출 장치는 트리거신호 발생부(111), 카운터(113), DAC(Digital-to-Analog Converter)(115), VCDL(Voltage Control Delay Line)(117), 펄스 발생기(119)로 이루어진 송신부(110)와 송신 안테나(120) 그리고 분석부(131), 신호 복원부(133), ADC(Analog-to-Digital Converter)(135), RF 수신기(137)로 이루어진 수신부(130)와 수신 안테나(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
송신측에서, 트리거 신호 생성부(111)에서 트리거(trigger) 신호가 입력되면, 펄스 생성부(119)는 삼각파 펄스 파형을 생성하게 되고 송신 안테나(120)를 통해 송신하게 된다. 이와 병행하여 카운터(113)가 동작하여 그 카운팅 값이 DAC(115)에 입력되는데, 카운팅 값이 증가할수록 일정 주기 동안 계속하여 DAC(115)의 전압이 증가하게 된다.
DAC(115)에서 증가된 전압은 지연소자 VCDL(117)에 입력되어 지연시간이 증가되며 이렇게 증가된 지연시간은 샘플링을 수행하기 위한 제어 신호로 수신부에 제공된다.
수신측에서, 수신 안테나(140)를 통해 입력된 신호를 RF 수신기(137)를 거쳐 ADC(135)에 입력되고, ADC(135)는 제어 신호에 따라 입력된 신호에 대한 샘플링 수행하게 된다.
신호 복원부(133)는 샘플링된 값을 저장하고 그 샘플링된 값을 이용하여 수신된 신호를 복원하게 되고, 분석부(131)는 이렇게 복원된 신호를 이용하여 소정의 신호처리 과정을 거쳐 진단하고자 하는 매질의 덩어리 유전 상수를 구하게 된다.
보다 상세히 설명하면, 분석부(131)는 1)덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고, 상기 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며, 상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 상기 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 상기 다항식에 적용하게 된다. 그리고나서 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하고, 상기 제2 임펄스 신호의 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하며, 구한 첨두치의 비를 상기 다항식에 적용하여 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하게 된다.
분석부는 2)덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고, 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하며, 그리고나서 제1 임펄스 신호들과 제2 임펄스 신호에 대한 상관계수를 구하고 그 상관계수를 이용하여 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하게 된다.
이때, 수신 안테나로 입력되는 임펄스 신호는 그림에서 처럼 크게 3가지로 나누어지는데 이를 설명하면 다음과 같다.
1)임펄스 신호 ①은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링 신호로 매질의 유무에 상관없이 항상 존재한다. 수신부에서 배경 잡음으로 제거될 수 있다. 매질이 없는 경우 공기 중에 전자파를 방사하여 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 커플링되는 값을 저장하고 추후에 매질이 있을 경우 커플링 신호를 제거하게 된다.
2)임펄스 신호 ②는 매질의 표면에 반사되는 신호로 매질의 유전상수에 따라 반사량이 달라지게 된다. 이는 다음의 [수학식 2]와 같이 유전 상수에 따라 매질의 특성 임피던스가 달라져 반사되는 신호의 크기도 달라지게 된다.
[수학식 2]
Figure 112010058015925-pat00004
여기서,
Figure 112010058015925-pat00005
을 나타낼 수 있다.
3)임펄스 신호 ③은 매질을 투과하여 반대편 면, 즉 매질이 달라지는 경우에 반사되어 다시 돌아오는 신호로 임펄스 신호 ②에 비해 작다. 그러나 매질 속을 펄스 신호가 진행하여 되돌아 온 것으로 그 크기는 매질의 복소 유전율의 허수 부분과 관련이 있다.
펄스 신호의 전파 시간은 다음의 [수학식 3]과 같이 본 발명에서 구하고자 하는 덩어리 유전율과 관련이 있다.
[수학식 3]
Figure 112010058015925-pat00006
여기서, Td=매질 층을 진행한 시간을 나타내고, c는 3×108m/sec를 나타내며, Dm은 매질 층의 두께를 나타낼 수 있다.
이외에도 송신 안테나, 수신 안테나, 매질 사이에 멀티 반사(reflection)가 존재할 수 있으나 임펄스 신호 ②에 중첩되어 수신될 것으로 예측한다.
도 2는 도 1에 도시된 펄스 발생기(130)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 펄스 발생기(130)는 극초단의 삼각펄스를 생성하는데, D 래치(latch)(210), 제1 지연소자(220), 제2 지연소자(222), AND 게이트(230), 및 출력 드라이브(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
특히, 펄스 발생기(130)는 두 개의 신호를 입력신호로 하는데 하나의 신호 P1은 클럭 신호로서 논리값으로 ‘1’에 해당하는 신호가 입력되며 다른 신호 P2는 디지털 신호처리부로부터 전달되며 외부로 전송하고자 하는 디지털 데이터 신호이다. 클럭 신호가 항상 ‘1’로서 인가되기 때문에 디지털 신호처리부로부터 데이터 신호가 입력될 때에만 동작하게 된다.
D 래치(210)는 보통 D 플립플롭(flip-flop)으로 구성되는 레지스터로서 클럭 펄스의 상승시점에서 입력정보가 입력되고 그 이후의 입력 신호를 입력값에 관계없이 다음 클럭 펄스가 상승하는 지점까지 출력신호로 보존될 수 있다.
D 래치(210)로부터 출력된 신호를 지연경로를 통해 일정 시간 지연되는데, 제1 지연소자(220)와 제2 지연소자(222)가 병렬로 연결되어 D 래치(210)의 출력단과 연결되며, 이에 따라 D 래치(210)로부터 출력된 신호를 제1 지연소자(220)와 제2 지연소자(222)에 각각 나뉘어 처리하게 된다.
이때, 제1 지연소자(220)로는 인버터가 적용될 수 있는데, 지연소자가 홀수로 구비되면 지연소자의 입력단과 출력단의 신호는 서로 180도의 위상차를 갖고 반전하므로 시간지연 뿐만 아니라 위상 반전의 특징도 가질 수 있게 된다. 또한, 제2 지연소자(222)로는 VCDL(Voltage Controlled Delay Line)가 구비되어 전압의 변화에 따라 커패시턴스 값을 변화시켜 입력신호를 지연함에 따라 비교적 용이하게 원하는 시간만큼의 시간 지연을 얻을 수 있으면 안정적으로 동작할 수 있다.
즉, 제2 지연소자(222)의 출력단에서의 구형파 신호 파형 P4는 VCDL에 의해 제1 지연소자(220)의 출력단에서의 구형파 신호 파형 P3와 비교하여 위상이 180도로 반전된 형태의 신호 파형을 가지며, 적절한 시간차로 지연되게 된다.
제1 지연소자(220)와 제2 지연소자(222)를 거친 각 구형파 신호 P3, P4는 AND 게이트(230)를 통해 삼각파형의 임펄스 신호 P5로 변환하는데, 제1 지연소자를 거친 구형파 신호 P3의 상승 파형과 제2 지연소자를 거친 구형파 신호 P4의 하강 파형이 합쳐진 형상으로 삼각파형 P5가 형성되며 제1 지연소자(220)와 제2 지연소자(222)를 통한 지연시간 차이만큼의 시간동안 삼각파형이 이루어지게 된다.
출력 드라이브(240)로는 인버터 체인(inverter chain)이 구현되어 AND 게이트의 출력단에 적정한 전류를 공급해 줄 수 있으며 이러한 인버터 체인은 적은 수의 트랜지스터로 구형이 가능할 뿐만 아니라 주파수 가변범위가 넓은 장점이 있다.
도 3은 도 2에 도시된 임펄스 발생기에서 삼각펄스를 생성하는 타이밍을 나타내는 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 임펄스 발생기를 구성하는 각 논리소자의 출력단에서의 파형을 차례로 나타내고 있다. 즉, 서로 다른 지연경로를 거치면서 위상과 지연시간이 다른 두 출력신호가 AND 게이트에 입력되면 삼각파형의 임펄스 신호가 최종 출력되는 것을 알 수 있다.
이론상의 구형파는 실제 적용시 신호 값이 ‘0’에서 ‘1’로 변하거나 ‘1’에서 ‘0’으로 변할 때 즉각적으로 값이 변하지 못하며 짧은 시간동안의 상승 또는 하강 파형이 나타나므로 실질적으로 사다리꼴 형태의 파형이 된다.
따라서 제1 지연소자를 거친 출력 신호 및 제2 지연소자를 거쳐 제1 지연소자를 거친 출력 신호와 180도 위상차를 갖는 출력 신호가 AND 게이트로 입력되면 삼각파형의 임펄스 신호가 AND 게이트의 출력단에 나타날 수 있다. 그러나 삼각파형의 임펄스 신호는 제1 지연소자와 제2 지연소자의 지연차이가 구형파의 상승시간보다 작으면 피크 전압이 구형파의 피크 전압과 비교하여 절반정도로 낮아지게 되고 상승시간보다 크면 사다리꼴 펄스가 만들어져 원하는 삼각 펄스를 얻을 수 없게 된다.
그래서 제2 지연소자로서 VCDL을 통해 구형파 신호를 일정시간 지연시켜 제1 지연소자를 거친 출력 신호 P3가 상승을 완료하는 시점에서 제2 지연소자를 거친 출력 신호 P4가 하강을 시작하도록 지연시간을 맞추면 지연 시간차를 폭으로 하는 삼각파형의 임펄스 신호 P5가 생성될 수 있으며 이때의 피크 전압은 구형파의 피크 전압과 동일한 값을 갖게 되어 상대적으로 큰 출력을 가질 수 있다.
또한, VCDL을 통해 삼각펄스의 크기 및 폭을 조절할 수 있게 된다.
이처럼, 제안된 펄스 발생기는 기본적인 논리회로만을 이용하여 구현할 수 있으며 또한 보편적인 CMOS 공정을 이용하여 용이하게 제작이 가능하다. 특히, 반도체 공정을 이용함으로서 송신부의 입력 클럭의 상승 시간을 급격히 개선할 수 있어 신호의 주파수 대역폭을 수 GHz까지 활용할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호를 복원하는 타이밍을 나타내는 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 트리거 신호 생성부에서 트리거 신호가 입력되면, 펄스 생성부에서 삼각파 펄스 파형이 생성된다. 이와 병행하여 카운터가 동작하여 그 카운팅 값이 DAC에 입력되는데, 카운팅 값이 증가할수록 일정 주기 동안 계속하여 DAC의 전압이 증가하게 된다.
DAC에서 증가된 전압은 지연소자 VCDL에 입력되어 지연시간이 증가되며 이렇게 증가된 지연시간은 샘플링을 수행하기 위한 제어 신호로 수신부에 제공된다.
수신 안테나를 통해 입력된 신호를 RF 수신기를 거쳐 ADC에 입력되고, ADC는 제어 신호에 따라 입력된 신호에 대한 샘플링 수행하게 된다. 이때, 샘플링 주기는 카운터와 VCDL에 의해 조금씩 지연될 수 있다. 따라서 하나의 수신 파형을 얻기 위하여 샘플링은 여러 번의 송신 주기 동안 수행하여 신호를 복원하며 상황에 따라서는 샘플링 횟수를 증가하여 동일한 시점에서 여러번 샘플링된 값을 얻을 수 있기 때문에 신호대 잡음비를 개선할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 송신 또는 수신 안테나를 나타내는 예시도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 송신 안테나와 수신 안테나는 그 구성일 동일하다. 그림 (a)에서는 패턴 모양을 나타내고 있는데, 방사체는 그 기본적인 패턴이 역삼각형 모양이며 사다리꼴 모양과 같은 변형 구조도 가능하다. 방사체는 PCB에 인쇄된 형태의 평판형 구조이며 방사체의 종단에서 발생되는 시간 영역 사이드로브 또는 링잉을 줄이기 위하여 일정한 값의 저항을 사용할 수 있다. 대개의 경우, 저항 값은 100Ω 내지 700Ω을 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 방사체는 역삼각형 형태로 형성되어 그라운드(GND) 면을 바라보는 윗변의 양쪽 모서리 근처에 일정 값의 저항이 각각 연결된다.
특히, 안테나의 주파수 특성은 역삼각형 방사체의 각도 α에 따라 달라지는데, 여기서 방사체의 각도 α는 30도 내지 120도의 범위인 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방사체의 다른 형태를 나타내는 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사체는 임피던스를 고려하여 밑변은 좁고 윗변으로 갈수록 점점 더 넓어지는 형태로 형성될 수 있는데, 그 옆변이 스텝 형태로 형성될 수 있다.
그라운드(GND) 면을 바라보는 윗변의 양쪽 모서리 근처에 일정 값의 저항이 각각 연결된다.
이처럼, 본 발명에 따른 방사체는 역삼각형 형태와 같이 어떤 특정 형태에 반드시 한정될 필요는 없으며, 밑변은 좁고 윗변으로 갈수록 점점 더 넓어지는 형태로 형성되되, 그 옆변은 직선이 되거나 스텝 형태 등으로 형성될 수 있다.
그림 (b)에서는 캐비티(cavity)를 나타내고 있는데, 방사체를 하부방향에서 감싸는 형태 예컨대, 육면체 또는 파라볼릭 등의 형태로 형성될 수 있다. 이러한 캐비티는 외부의 장애 신호를 차단하기 위하여 사용하게 된다. 이때, 캐비티의 깊이는 중심 주파수 파장의 0.25배인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정될 필요는 없으며 이보다 더 작아도 된다.
그림 (c)에서는 캐비티가 부착된 안테나의 전체 형태를 나타내고 있는데, 역삼각형의 방사체와 방사체가 형성된 금속 평판을 감싸는 캐비티로 이루어진다. 급전부가 캐비티의 옆면에 존재하게 되어 캐비티의 내부를 거의 손상시키지 않게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 덩어리 상대 유전율을 측정하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 먼저, 매질의 덩어리 유전율을 알고 있는 최소 3개 이상의 매질에 대하여 수신되는 임펄스 신호를 구한다. 예컨대, N개의 매질에 대해 각각 수신된 값은 yi(t), i=1,2,3,...,N으로 나타낼 수 있다. 그리고 매질이 없을 경우, 즉 er=1인 경우에 대하여 수신된 임펄스 신호를 구하는데, 이를 y0(t)로 한다.
매질에 의해 반사되는 신호 Si(t)만을 얻기 위하여 공기의 경우에 대해 구한 값으로부터 각 매질에 대해 구한 값을 빼는데, 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다(S710).
[수학식 4]
Si(t) = y0(t)-yi(t), i=1,2,3,...,N
이후, 모든 Si(t)에 대하여 절대치 최대값의 크기 Smax를 구하게 된다. 제안된 본 발명에서는 세 번째 첨두치가 최대값을 가졌으나 사용 주파수에 따라 두 번째 또는 네 번째 첨두치가 절대치 최대값을 가질 수도 있다. 따라서, j번째 첨두치에서의 최대값은 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
[Smax]j = max[|Si(t)|], i=1,2,3,...,N
이렇게 구한 최대 첨두치를 갖는 매질의 j번째 첨두치와 각 매질에 대한 j번째 첨두치 [Si(t)]j와의 비 [Ri]j를 다음의 [수학식 6]과 같이 구하게 된다(S720).
[수학식 6]
[Ri]j = [Si(t)]j/[Smax]j, i=1,2,3,...,N, j=i,2,3,...,M
이렇게 구한 매질에 대한 첨두치의 비 [Ri]j와 덩어리 유전율을 기반으로 임의의 매질에 대한 덩어리 상대 유전율 yεr을 다음의 [수학식 7]과 같이 구할 수 있다(S730).
[수학식 7]
Figure 112010058015925-pat00007
여기서, x는 매질에 대한 첨두치의 비 [Ri]j를 나타낼 수 있다.
이때, 다항식의 계수는 덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에서 구한 첨두치의 비 x와 덩어리 상대 유전율의 관계로부터 다음의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다(S740).
[수학식 8]
Figure 112010058015925-pat00008
예컨대, 도 10의 결과를 이용하면 다항식의 계수를 다음의 [표 1]와 같이 구할 수 있다.
계수(×107) 값 계수(×107) 값
a0 0.0003 a5 -1.106
a1 -0.0062 a6 1.28
a2 0.0497 a7 -0.926
a3 -0.222 a8 0.38
a4 0.617 a9 -0.68
이렇게 구한 다항식의 계수를 앞의 [수학식 7]에 적용하게 된다(S750).
이후, 임의의 매질에 대한 첨두치의 비를 구하는 것과 동일한 방식으로 구하고자 하는 매질에 대한 첨두치의 비를 구하게 된다. 즉, 구하고자 매질에 대하여 수신되는 임펄스 신호를 구하고, 매질이 없을 경우, 즉 er=1인 경우에 대하여 수신된 임펄스 신호를 구하여 매질에 의해 반사되는 신호만을 얻게 된다(S760).
그리고 앞에서 구한 임의의 매질에 대한 최대 첨두치와 구하고자 하는 매질의 j번째 첨두치와의 비를 구하게 된다(S770).
결국, 이렇게 구한 다항식의 계수가 적용된 [수학식 7]에 구하고자 하는 매질에 대한 첨두치의 비를 적용함으로써, 덩어리 상대 유전율 yεr을 구할 수 있다(S780).
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 송수신 안테나의 투과 특성을 나타내는 예시도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 송수신 안테나를 이용하여 주파수 영역에서 시뮬레이션 한 결과를 보여주고 있다. 상대 유전율 er의 변화에 따라 투과 계수(transmission coefficient)의 변화는 매우 적으나 매질에 의해 반사되는 신호는 일정 주파수 대역에서 매우 큰 차이를 가짐을 알 수 있다. 특히 유전율이 높을수록 투과계수가 증가함을 알 수 있다.
여기서, er=1은 공기 중에 신호를 방사한 경우를 나타낼 수 있다.
도 9는 도 8의 투과 특성을 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환한 결과를 나타내는 예시도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 앞의 도 8의 결과에 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)한 결과를 나타내고 있다. 그럼에서처럼 상대 유전율이 증가할수록 두 번째, 세 번째, 네 번째 등의 첨두치의 절대값이 점점 더 증가하는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 좀더 뚜렷하게 관찰하기 위하여 상대 유전율이 1의 결과에서 각각의 상대 유전율에서 얻은 결과를 뺀 결과를 도 10에 나타내고 있다.
도 10은 도 9의 결과에 er=1을 적용하여 변환한 결과를 나타내는 예시도이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 그림에서처럼 두 번째, 세 번째, 네 번째 첨두치의 절대값이 상대 유전율의 증가에 비례하고 있음을 뚜렷하게 알 수 있다.
도 11은 도 10의 결과를 이용한 정규화된 3번째 peak 값과 상대 유전율 값을 나타내는 예시도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 앞의 도 9의 결과로부터 매질 예컨대, 물의 경우에 대한 세 번째 첨두치 값과 이에 대한 상대 유전율 값을 나타내고 있다. 그림에서처럼 정규화된 첨두치 값에 선형적으로 상대 유전율이 일치함을 알 수 있다.
또한, 매질의 덩어리 상대 유전율을 추출하는 방법을 활용하여, 임의의 매질의 종류를 분석하기 위해서도 활용될 수 있는데, 이미 알고 있는 매질에 대한 덩어리 유전율 값을 저장하고 임의의 매질에서 측정된 덩어리 상대 유전율을 비교하여 매질의 종류를 구할 수 있다. 그러나 더 정확한 방법으로는 예컨대, 유사 휘발유, 가짜 양주, 인화물 등이 봉인된 용기에 있을 경우 용기가 밀폐된 상태에서도 매질의 종류를 구분하는 방법을 12를 참조하여 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 매질의 종류를 분석하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 우선 유사 휘발유, 가짜 양주, 인화물, 증류수 등 구분하고자 하는 매질의 샘플을 채취하여, 수신되는 임펄스 신호 yis(t)를 구하게 된다. 그리고 매질이 없을 경우, 즉 er=1인 경우에 대하여 수신된 임펄스 신호 y0(t)를 구하게 된다.
매질에 의해 반사되는 신호 Sis(t)만을 얻기 위하여 공기의 경우에 대해 구한 값으로부터 각 매질에 대해 구한 값을 빼는데, 다음의 [수학식 9]과 같이 나타낼 수 있다(S1210).
[수학식 9]
Sis(t) = y0(t)-yis(t), i=1,2,3,...,S
다음으로, 임의의 매질에 대해 수신되는 임펄스 신호 yiu(t)를 구하게 된다. 그리고 공기 중에서 측정한 y0(t)에서 yis(t) 신호를 빼는데 다음의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다(S1220).
[수학식 10]
Siu(t) = y0(t)-yiu(t), i=1,2,3,...,S
다음으로, Sis(t)와 임의의 매질에서 얻은 Siu(t)에 대하여 상관 계수 Risu(τ)를 구하는데, 다음의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다(S1230).
[수학식 11]
Figure 112010058015925-pat00009
따라서, 이렇게 구한 상관 계수 Risu(τ)를 통해 임의의 매질을 구분하게 된다(S1240).
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 매질의 측정 및 검출 방법을 나타내는 예시도이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 먼저 비피괴 측정 장치는 측정 모드(calibration mode)인지를 확인하고 그 확인한 결과에 따라 물질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 검출하게 된다. 즉, 비파괴 검출 장치는 측정 모드이면, 덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 대한 특성을 측정하고 그 측정한 결과를 저장하게 된다.
예컨대, 1)물질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 경우에는 도 7에서 설명한 것처럼 덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 구하고, 그 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치를 구하여 저장하게 된다. 그리고 2)물질의 종류를 측정하는 경우에는 도 12에서 설명한 것처럼 그 종류를 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 구하여 저장하게 된다.
하지만, 비파괴 검출 장치는 측정 모드가 아니면, 구하고자 하는 매질의 특성을 구하고 이렇게 구한 특성과 앞이 측정 모드시에 구한 N개의 매질에 대한 특성을 기반으로 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 구분하게 된다.
예컨대, 1)물질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 경우에는 도 7에서 설명한 것처럼 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하고, 그 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며, 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 다항식에 적용하게 된다. 그리고 나서 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하여, 그 첨두치의 비를 앞에서 산출된 다항식에 적용함으로써, 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하게 된다.
마찬가지로, 2)물질의 종류를 측정하는 경우에는 도 12에서 설명한 것처럼 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하여 제1 임펄스 신호들과 제2 임펄스 신호에 대하여 상관 계수를 구하고, 그 상관 계수를 이용하여 상기 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하게 된다.
한편, 본 발명은 시뮬레이션을 통하여 설계된 안테나를 제작하였고, 임펄스 발생기는 제안된 안테나의 주파수 특성을 고려하여 선택하였으며, 이를 이용하여 다양한 액체 물질에 대한 시간 영역 분석을 수행하였다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 시간 영역 분석을 수행한 결과를 나타내는 예시도이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 공기 중에서 측정한 값에서 각 매질에 대한 수신 임펄스 모양을 뺀 결과를 나타내고 있다. 시험을 위하여 시료로는 순수한 물, 에탄올(순도 99.9%), 메탄올(순도 99.8%), 에탄올(순도 60%), 가솔린 등을 사용하였다. 주파수에 따라 시료의 상대 유전율은 달라지는데, 중심 주파수인 3GHz 부근에서 측정할 경우 물(εr=78.4)의 상대 유전율이 제일 높고, 메탄올(εr=18.36), 에탄올(순도 99.9%)(εr=5.87), 에탄올(순도 60%)(εr=27.6), 가솔린(εr=2.16)의 순서이다.
이때, 측정한 매질 중 가장 큰 첨두치를 갖는 매질을 기준으로 각 매질의 최대 첨두치와 매질의 상대 유전율에 대한 관계를 앞의 도 11에서 보여주고 있다.
다시 도 11을 보면, 시뮬레이션 결과와 측정한 결과는 어느 정도 일치함을 알 수 있다. 여기서 차이가 발생하는 이유는 실제 매질은 주파수가 증가할수록 상대 유전율이 감소하는 특징이 있지만, 시뮬레이션에서는 일정한 값을 고려하였기 때문이다.
이렇게 측정한 결과를 이용하여 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 [수학식 6]에서의 다항식의 계수는 다음의 [표 2]와 같다.
계수(×103) 값 계수(×103) 값
a0 0.122 a5 0
a1 -0.874 a6 0
a2 2.223 a7 0
a3 -2.360 a8 0
a4 0.967 a9 0
이와 같이, 본 발명은 시간 영역에서 극초단의 임펄스 신호를 송신하여 덩어리 유전율을 이미 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호의 첨두치를 이용하여 진단하고자 하는 매질의 덩어리 유전 상수 또는 덩어리 상대 유전율을 구할 수 있고, 덩어리 유전율을 알고 있는 매질에 의해 반사된 임펄스 신호와 임의의 매질에 의해 반사된 임펄스 신호에 대한 상관관계를 이용하여 매질의 종류를 구분할 수 있다.
본 발명에 의한, 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
100: 송신부
111: 트리거신호 발생부
113: 카운터
115: DAC(Digital-to-Analog Converter)
117: VCDL(Voltage Control Delay Line)
119: 펄스 발생기
120: 송신 안테나
130: 수신부
131: 분석부
133: 신호 복원부
135: ADC(Analog-to-Digital Converter)
137: RF 수신기
140: 수신 안테나

Claims (18)

  1. 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 송신부;
    발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 송신 안테나;
    상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 수신 안테나; 및
    수신된 상기 임펄스 신호의 첨두치를 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며 유도된 상기 다항식을 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 수신부
    를 포함하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율 yεr은,
    다항식
    Figure 112010058015925-pat00010
    에 의해 구하고, 여기서, 상기 x는 매질에 대한 첨두치의 비를 나타내고,
    상기 다항식의 계수는 수학식
    Figure 112010058015925-pat00011
    에 의해 구하고, 여기서, 상기 yεri (i=1, 2, ..., N)은 알고 있는 N개의 매질에 대한 상대 유전율 및 덩어리 유전율을 나타내는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    트리거 신호를 발생하는 트리거신호 발생부; 및
    발생된 상기 트리거 신호를 이용하여 삼각 펄스 또는 사각 펄스를 발생하는 펄스 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부는 분석부를 포함하며,
    상기 분석부는,
    덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고,
    상기 제1 임펄스 신호들 중에서 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하며,
    상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며,
    상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 상기 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 상기 다항식에 적용하는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하고,
    상기 제1 임펄스 신호의 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하며,
    상기 첨두치의 비를 상기 다항식에 적용하여 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  6. 임의의 매질의 종류를 구분하기 위한 극초단의 임펄스 신호를 발생하는 송신부;
    발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 송신 안테나;
    상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 수신 안테나; 및
    수신된 상기 임펄스 신호에 대하여 그 종류를 알고 있는 매질과 구하고자 하는 매질의 상관계수를 구하고 그 상관계수를 이용하여 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 수신부
    를 포함하는 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 매질의 상관계수 Risu(τ)는,
    수학식
    Figure 112010058015925-pat00012
    에 의해 구하고, 여기서, 상기 Sis는 알고 있는 매질에 의해 반사되는 신호를 나타내고, 상기 Siu는 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 신호를 나타내는 것을 특징으로 하는 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 수신부는 분석부를 포함하며,
    상기 분석부는,
    그 종류를 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고,
    구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하며,
    수신된 상기 제1 임펄스 신호들과 수신된 상기 제2 임펄스 신호에 대하여 상관 계수를 구하고 그 상관 계수를 이용하여 상기 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 것을 특징으로 하는 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치.
  9. 물질의 덩어리 상대 유전 상수와 종류를 측정하는 장치를 위한 안테나에 있어서,
    밑변은 좁고 윗변으로 갈수록 점점 더 넓어지는 형태로 형성되되, 그 옆변이 직선 또는 스텝 형태로 형성된 방사체; 및
    상기 방사체를 형성하는 금속 평판의 하부방향에서 감싸도록 형성된 캐비티(cavity)
    를 포함하는 비파괴 검출 장치를 위한 안테나.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 방사체는,
    방사체의 종단에서 발생되는 시간 영역 사이드로브 또는 링잉을 줄이기 위하여, 그라운드(GND) 면을 바라보는 윗변의 양쪽 모서리 근처에 일정 값의 저항이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 비파괴 검출 장치를 위한 안테나.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 방사체는,
    송신 또는 수신 안테나의 주파수 특성이 달라지도록 30도 내지 120도 범위 이내에서 점점 더 넓어지는 것을 특징으로 하는 비파괴 검출하는 장치를 위한 안테나.
  12. 물질의 덩어리 상대 유전 상수와 종류를 측정하는 장치의 측정 방법에 있어서,
    매질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 측정하기 위한 측정 모드인지를 확인하는 단계;
    상기 측정 모드이면, 덩어리 유전율 또는 종류를 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 수신하는 단계; 및
    수신된 상기 제1 임펄스 신호들을 기반으로 N개의 매질에 대한 특성을 구하여 저장하는 단계
    를 포함하는 물질의 덩어리 상대 유전 상수와 종류를 측정하기 위한 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 측정 모드가 아니면, 구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및
    수신된 상기 제2 임펄스 신호와 저장된 상기 제1 임펄스 신호들을 기반으로 상기 구하고자 하는 매질의 덩어리 상대 유전율 또는 종류를 구하는 단계
    를 더 포함하는 물질의 덩어리 상대 유전 상수와 종류를 측정하기 위한 방법.
  14. 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 단계;
    발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 단계;
    상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및
    수신된 상기 임펄스 신호의 첨두치를 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며 유도된 상기 다항식을 기반으로 상기 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계
    를 포함하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계는,
    덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 구하고,
    상기 제1 임펄스 신호들 중에 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 N개의 매질 각각에 대한 첨두치의 비를 구하며,
    상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식을 유도하며,
    상기 첨두치의 비와 알고 있는 N개의 매질의 덩어리 유전율을 이용하여 상기 덩어리 상대 유전율을 구하기 위한 다항식의 계수를 구하여 상기 다항식에 적용하는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 덩어리 상대 유전율을 측정하는 단계는,
    구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 각각 구하고,
    상기 제2 임펄스 신호의 절대치 최대값을 갖는 매질의 첨두치와 구하고자 하는 매질의 첨두치의 비를 구하며,
    구한 첨두치의 비를 상기 다항식에 적용하여 매질에 대한 덩어리 상대 유전율을 구하는 것을 특징으로 하는 물질의 덩어리 유전 상수를 비파괴 검출하기 위한 방법.
  17. 매질의 덩어리 상대 유전율을 측정하기 위한 임펄스 신호를 발생하는 단계;
    발생된 상기 임펄스 신호를 송신하는 단계;
    상기 매질에 의해 반사된 임펄스 신호를 수신하는 단계; 및
    수신된 상기 임펄스 신호에 대하여 그 종류를 알고 있는 매질과 구하고자 하는 매질의 상관계수를 구하고 그 상관계수를 이용하여 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 단계
    를 포함하는 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 매질의 종류를 구분하는 단계는,
    덩어리 유전율을 알고 있는 N개의 매질에 의해 반사된 제1 임펄스 신호들을 각각 수신하고,
    구하고자 하는 매질에 의해 반사된 제2 임펄스 신호를 수신하며,
    수신된 상기 제1 임펄스 신호들과 수신된 상기 제2 임펄스 신호에 대하여 상관 계수를 구하고 그 상관 계수를 이용하여 상기 구하고자 하는 매질의 종류를 구분하는 것을 특징으로 하는 물질의 종류를 비파괴 검출하기 위한 방법.
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