KR101868598B1 - Structural defect and inner layer change detection method using UWB RF technology - Google Patents

Structural defect and inner layer change detection method using UWB RF technology Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method to detect defect and an inner layer change of a structure using an ultrawideband radio frequency (UWB RF) technology, using a UWB antenna and an RF module to detect a change and a variance of an inner layer as well as an internal defect of a structure. According to the present invention, the method to detect defect and inner layer change of a structure comprises: a first step of forming and using an embedded UWB sensor system (100), which includes a UWB sensor (110) including the UWB antenna (10) and the RF module (20), a monitor unit (120), a communication unit (130), a power supply unit (140), and a control unit (150) to process a received signal transferred from UWB sensor (110) and to control the monitor unit (120) and the communication unit (130), so as to transmit a signal of an UWB frequency and receive a reflective signal through the antenna (10) in order to detect a defect of a structure and measure a change in the inner layer; a second step of performing zero-phase digital filtering of the received signal; a third step of multiplying a differential weight in accordance with a distance from a target estimated from the received signal to compensate attenuation of the received signal; a fourth step of removing a clutter signal, which is generated by other objects except a desired object within a measurement area of the UWB sensor (110); a fifth step of detecting an edge; and a sixth step of calculating a detection (penetration) depth.

Description

UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법{Structural defect and inner layer change detection method using UWB RF technology}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for detecting structure defects and inner layer changes using UWB RF technology,

본 발명은 구조물의 결함 및 내층의 변화를 탐지하는 방법에 관한 것으로서, 초광대역의 안테나 및 RF 모듈을 이용하여 구조물의 내부 결함을 탐지하는 것뿐만 아니라 내층의 변화 및 변화량을 측정하도록 하는 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a defect in a structure and a change in an inner layer, and more particularly, to a method for detecting an inner defect in a structure using an ultra wideband antenna and an RF module, And to a method for detecting structure defects and inner layer changes using the method.

구조물의 내부 결함으로는 피복 두께의 부족, 콘크리트 내부의 공동 및 표면 균열 깊이, 열화에 의한 강도저하 등이 있으며, 이러한 내부결함을 탐지하기 위한 비파괴 검사 방법으로는 전기저항법, 초음파법, 전파 탐지법, 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) 레이더를 이용한 방법 등이 시도될 수 있다.The internal defects of the structure include lack of coating thickness, depth of cavity and surface crack in concrete, and deterioration of strength by deterioration. Non-destructive testing methods for detecting such internal defects include electric resistance method, ultrasonic method, Method, and a method using an Ultra Wide Band (UWB) radar.

한편, 지하구조 파악 및 지하시설물 탐지방법으로는 GPR(지표투과레이더, Ground Penetrating Radar)이 많이 사용되고 있다. 10MHz~수 GHz 주파수 대역의 전자기 펄스를 이용하여 내층 변화를 탐지하도록 하므로 다른 탐사법에 비해 상대적으로 짧은 파장의 전자기파를 사용하므로 분해능이 높으며, 매질간의 유전율 차이에 의한 전자기파의 반사(Reflection)와 회절(diffraction) 현상 등을 측정하고 이를 해석하여 시설물 및 지하구조의 내층 변화 등을 파악할 수 있다.. On the other hand, GPR (Ground Penetrating Radar) is widely used as an underground structure detection and underground facility detection method. Since it detects the inner layer change by using the electromagnetic pulse in the frequency band of 10MHz to several GHz, it uses the electromagnetic wave with a relatively shorter wavelength than the other probe method. Therefore, the resolution is high and the reflection of the electromagnetic wave and diffraction diffraction phenomena, etc., and analyze the changes in the inner structure of facilities and underground structures.

UWB(Ultra Wide Band, 초광대역)는 일반적으로 기존 주파수 개념과 달리 초광대역의 주파수 대역을 가지며, 수십 피코초 또는 수 나노초 정도의 극도로 짧은 주기를 가지는 임펄스 신호라고 할 수 있으며, 이러한 UWB를 이용한 통신 시스템은 아주 짧은 신호 주기를 가지는 신호를 사용함으로써 기존의 연속파 통신 시스템에 비하여 전력 소모가 적고, 침투(penetration) 특성 및 스펙트럼 효율이 우수하며, 다중채널 구성이 용이한 특징 등을 가지고 있다. 또한, UWB는 초고속 인터넷 접속 또는 전파 탐지기 뿐만 아니라 레이더 기술에도 적용되고 있는데 기존의 펄스 레이더나 연속파 레이더가 가지는 제한적인 성능을 극복할 수 있는 기술로 평가받고 있다.UWB (Ultra Wide Band) is an impulse signal that has an ultra-wide frequency band unlike the conventional frequency concept and has an extremely short period of several tens of picoseconds or several nanoseconds. The communication system uses a signal having a very short signal period to have less power consumption, excellent penetration characteristics and spectral efficiency, and easy to configure multiple channels as compared with the conventional continuous wave communication system. UWB is also applied to radar technology as well as high-speed Internet access or radio wave detector, and it is evaluated as a technology capable of overcoming the limited performance of existing pulse radar or continuous wave radar.

종래기술인 등록특허공보 제10-2004-0092508호에는 하천의 수면 상부를 이동할 수 있는 수상 이동수단과; 상기 수상 이동수단의 상부에 탑재되며, 콘트롤 유니트와 송수신 레이더를 포함하는 지중탐사레이더(GPR) 장치와; 상기 수상이동수단의 상부에 탑재되어 현재의 위치정보를 연산하는 GPS 장치와; 상기 지중탐사레이더 장치 및 GPS 장치에 데이터의 교환이 가능하도록 연결된 정보처리장치;를 포함하여 구성되는 하상 지반 조사 시스템이 기재되어 있다. 그러나 기존 탐지 장비들이 가지고 있는 고비용, 고전력, 이동성의 불편함 등의 문제가 여전히 존재하며, 구조물의 내부 결함 뿐만 아니라 지반 내부의 내층의 변화를 탐지해내지 못하는 문제점 있다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2004-0092508 discloses a water moving means capable of moving on the water surface of a river; An underground survey radar (GPR) device mounted on the water moving means and including a control unit and a transmit / receive radar; A GPS device mounted on an upper portion of the water moving means to calculate current position information; And an information processing apparatus connected to the ground survey radar apparatus and the GPS apparatus so as to exchange data. However, there are still problems such as high cost, high power, and inconvenience of mobility of existing detection equipment, and there is a problem that not only internal defects of the structure but also changes in the inner layer in the ground can be detected.

대한민국 공개특허 제10-2004-0092508호Korean Patent Publication No. 10-2004-0092508

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 초광대역의 안테나 및 RF 모듈을 이용하여 구조물의 내부 결함을 탐지하는 것뿐만 아니라 지반 내부의 내층의 변화를 측정하고자 하는 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to detect internal defects of a structure using an ultra-wideband antenna and an RF module,

또한, 기존 탐지 장비들이 가지고 있는 고비용, 고전력, 이동성의 불편함 등 의 한계를 해결하고자 하는 목적이 있다.In addition, there is a purpose of solving the limitations of the high cost, high power, and inconvenience of the mobility of existing detection devices.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법은, UWB(Ultra Wide Band) 안테나 및 상기 UWB 안테나를 통해 송수신되는 UWB RF(Radio Frequency) 신호를 발생하고 변환 처리하는 RF 모듈을 포함하는 UWB 센서; 모니터부; 통신부; 전원부; 및 상기 UWB 센서로부터 전달받은 수신 신호를 처리하고 상기 모니터부, 통신부를 제어하는 제어부를 포함하는 UWB 센서 임베디드 시스템을 구성하되, According to an aspect of the present invention, there is provided a method for detecting structure defects and inner layer changes using a UWB RF technology, the method comprising: generating a UWB RF (Radio Frequency) signal transmitted and received through an UWB (Ultra Wide Band) A UWB sensor including an RF module for processing; A monitor unit; A communication unit; A power supply unit; And a control unit for processing the received signal received from the UWB sensor and controlling the monitor unit and the communication unit. The UWB sensor embedded system includes:

상기 UWB 센서 임베디드 시스템을 이용하여 구조물의 결함을 탐지하고 내층의 변화를 측정하기 위하여 상기 UWB 안테나로 초광대역의 주파수 신호를 송출하고 반사되는 신호를 수신하는 제1 단계; 수신 신호를 영위상(Zero-Phase) 디지털 필터링 하는 제2 단계; 수신 신호로부터 추정되는 목표물까지의 거리에 따라 차등 가중치를 곱하여 수신 신호의 감쇠를 보상하는 제3 단계; 상기 UWB 센서의 측정 영역 내에서 원하는 물체 외에 다른 물체들에 의해 생성되는 반사 신호인 클러터 신호를 제거하는 제4 단계; 에지를 검출하는 제5 단계; 및 검출 깊이(투과 깊이)를 산출하는 제6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A first step of detecting a defect of a structure using the UWB sensor embedded system and transmitting a UWB frequency signal to the UWB antenna and receiving a reflected signal to measure a change in an inner layer; A second step of zero-phase digital filtering the received signal; Depending on the distance to the target estimated from the received signal A third step of multiplying a differential weight to compensate for attenuation of a received signal; A fourth step of removing a clutter signal which is a reflection signal generated by objects other than a desired object in the measurement area of the UWB sensor; A fifth step of detecting an edge; And a sixth step of calculating a detection depth (penetration depth).

또한, 상기 제2 단계에서의 상기 영위상 디지털 필터링은 상기 수신 신호로부터 사용하고자 하는 소정의 광대역을 제외한 노이즈 대역을 제거하기 위하여 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 적용하며, 상기 대역 통과 필터의 통과 대역은 1.3 ~ 4.4GHz이고 샘플링 주파수는 25GHz인 것을 특징으로 한다.The zero phase digital filtering in the second step may include applying a band pass filter to remove a noise band excluding a predetermined wide band to be used from the received signal, The band is 1.3 to 4.4 GHz, and the sampling frequency is 25 GHz.

또한, 상기 제6단계의 투과 깊이 또는 검출 깊이(D)와 투과 속도(V)는 각각

Figure 112017072367119-pat00001
,
Figure 112017072367119-pat00002
이고,In addition, the penetration depth or detection depth (D) and permeation speed (V) in the sixth step are
Figure 112017072367119-pat00001
,
Figure 112017072367119-pat00002
ego,

T는 신호 도달 시간, c는 빛의 속도, εr은 매질의 상대 유전율이며, 주위 환경의 유전율을 고려하여 상기 투과 깊이를 산출하는 것을 특징으로 한다.T is a signal arrival time, c is a speed of light, and? R is a relative permittivity of the medium, and the permeation depth is calculated in consideration of the dielectric constant of the surrounding environment.

또한, 상기 RF 모듈은 CPWG(Coplanar Waveguide with Ground-plane) 구조인 것을 특징으로 한다.In addition, the RF module has a coplanar waveguide with ground-plane (CPWG) structure.

따라서, 본 발명의 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법은 구조물의 내부결함 탐지 및 내층의 변화를 측정하는 효과가 있다.Therefore, the method of detecting structure defects and inner layer changes using the UWB RF technology of the present invention has an effect of detecting inner defect of the structure and measuring changes in the inner layer.

또한, 기존 탐지 장비들이 가지고 있는 고비용, 고전력, 이동성의 불편함 등 의 한계를 상대적으로 저가의 저전력 UWB 임펄스 솔루션으로 대체 가능한 효과가 있다.In addition, the limitations of high cost, high power, and mobility incompatibility of existing detection devices can be replaced by relatively low cost low power UWB impulse solution.

도 1은 본 발명에 따른 UWB 센서 임베디드 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함을 탐지하는 방법을 적용한 일 실시예를 나타내는 그림,
도 4는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함을 탐지하는 방법을 적용한 다른 실시예를 나타내는 그림,
도 5는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 지반 내부의 내층 변화를 탐지하는 방법을 적용한 실시예를 나타내는 그림이다.1 is a configuration diagram of a UWB sensor embedded system according to the present invention;
FIG. 2 is a flow chart of a method for detecting structure defects and inner layer changes using UWB RF technology according to the present invention,
FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment to which a method for detecting structure defects using UWB RF technology according to the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram illustrating another embodiment of a method for detecting structure defects using UWB RF technology according to the present invention. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of applying a method of detecting inner layer change in a ground using UWB RF technology according to the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 UWB 센서 임베디드 시스템(100)의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 UWB 센서 임베디드 시스템(100)은 UWB 안테나(10) 및 UWB 안테나(10)를 통해 방사되는 UWB RF(Radio Frequency) 신호를 발생하고, UWB 안테나(10)를 통해 수신되는 UWB RF 응답 신호를 전압 신호로 변환 처리하는 RF 모듈(20)을 포함하는 UWB 센서(110), 모니터부(120), 통신부(130), 전원부(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성된다.1 is a configuration diagram of a UWB sensor embedded system 100 according to the present invention. 1, the UWB sensor embedded system 100 of the present invention generates a UWB RF (Radio Frequency) signal radiated through a UWB antenna 10 and a UWB antenna 10, A monitor unit 120, a communication unit 130, a power unit 140, and a controller 150, which include an RF module 20 for converting a UWB RF response signal received through the UWB RF response signal into a voltage signal, .

UWB 센서(110)는 UWB 안테나(10) 및 RF 모듈(20)을 포함하여 구성되는데, UWB 안테나(10)는 600Mhz~4.4Ghz를 사용하는 UWB를 위한 안테나로서, 비발디 안테나 기본에 성능 향상을 위해 튜닝하여 구성된다.The UWB sensor 110 includes a UWB antenna 10 and an RF module 20. The UWB antenna 10 is an antenna for UWB using 600 MHz to 4.4 GHz. Respectively.

본 발명의 상황 인지용 RF 모듈(20)의 설계에 있어서 주요 고려 사항은 인지 거리 향상 및 왜곡 없는 펄스 전송이므로, 이를 위하여 가급적 소자 사용을 배제하고 CPWG(Coplanar Waveguide with Ground-plane) 구조로 RF 모듈(20)을 설계하였다. The main consideration in the design of the context awareness RF module 20 of the present invention is the improvement of the recognition distance and the pulse transmission without distortion. Therefore, it is preferable to use the RF module (20) were designed.

모니터부(120)는 별도로 개발되어 시스템에 탑재된 프로그램을 통해 탐지 결과를 다양한 방법으로 모니터링 할 수 있도록 구성되는데, 본 발명의 UWB 센서 임베디드 시스템(100)은 별도의 모니터부를 구성하지 않고 외부의 모니터링 장치(미도시)와 통신부(130)를 통해 연결될 수도 있다.The UWB sensor embedded system 100 of the present invention may be configured such that the monitoring unit 120 can monitor the detection result through a program installed in the system, (Not shown) and the communication unit 130. [0033] FIG.

통신부(130)는 외부 기기와의 통신을 지원하며, 장치의 성능 및 구조에 대응하여 유선이더넷, 무선 랜 및 근거리 통신 중 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 근거리 통신 모듈은 블루투스(bluetooth), 블루투스 저 에너지(bluetooth low energy), 적외선 통신(IrDA, infrared data association), 와이파이(Wi-Fi), UWB(Ultra Wide band) 및 NFC(Near Field Communication) 등을 포함할 수 있으며, 저전력 중장거리 무선통신 기술(LoRa)을 활용한 통신 모뎀을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 통신부(130)는 통신망을 통해 외부 서버(미도시) 또는 외부 단말(미도시)에 시스템의 출력 정보 등을 전송하거나 공유할 수 있도록 한다.The communication unit 130 supports communication with an external device, and may include one of wired Ethernet, wireless LAN, and short-range communication depending on the performance and structure of the device, and may include a combination thereof. The short-range communication module can be used for various applications such as bluetooth, bluetooth low energy, IrDA (infrared data association), Wi-Fi, UWB (Ultra Wide band) And may comprise a communication modem utilizing low power, medium and long distance wireless communication technology (LoRa). Also, the communication unit 130 can transmit or share the output information of the system to an external server (not shown) or an external terminal (not shown) through a communication network.

전원부(140)는 UWB 센서 임베디드 시스템(100)에 5V의 단일 전원을 공급하도록 한다.The power supply unit 140 supplies a single power supply of 5 V to the UWB sensor embedded system 100.

제어부(150)는 UWB 센서(110), 모니터부(120), 통신부(130) 및 전원부(140)를 제어하되, UWB 센서(110)로부터 전달받은 수신 신호를 디지털 필터링 하고, 수신 신호의 감쇠를 보상하고, UWB 센서(110)의 측정 영역 내에서 원하는 물체 외에 다른 물체들에 의해 생성되는 반사 신호인 클러터 신호를 제거하고, 에지를 검출하고, 최종적으로 검출 깊이를 산출하며 내층 변화를 탐지하는 등 일련의 절차를 수행한다.The control unit 150 controls the UWB sensor 110, the monitor unit 120, the communication unit 130 and the power supply unit 140. The control unit 150 performs digital filtering on the received signal received from the UWB sensor 110, The clutter signal which is a reflection signal generated by the objects other than the desired object in the measurement area of the UWB sensor 110 is removed, the edge is detected, and finally the detection depth is calculated and the inner layer change is detected And so on.

한편, 현장의 변화에 따라서 적응적으로 사용할 수 있는 GUI 프로그램을 개발하여, UWB 센서 임베디드 시스템(100)을 이용한 탐지 및 측정 결과를 다양한 방법으로 모니터링 하도록 하였다.Meanwhile, a GUI program which can be adaptively used according to the change of the field has been developed, and the detection and measurement results using the UWB sensor embedded system 100 are monitored by various methods.

도 2는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법의 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법은 UWB 안테나(10)로 초광대역의 무선 주파수 신호를 송출하고 반사되는 신호를 수신하는 제1 단계, 수신 신호를 영위상(Zero-Phase) 디지털 필터링 하는 제2 단계, 수신 신호로부터 추정되는 목표물까지의 거리에 따라 차등 가중치를 곱하여 수신 신호의 감쇠를 보상하는 제3 단계, UWB 센서(110)의 측정 영역 내에서 원하는 물체 외에 다른 물체들에 의해 생성되는 반사 신호인 클러스터 신호를 제거하는 제4 단계, 에지를 검출하는 제5 단계, 및 검출 깊이(투과 깊이)를 산출하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.FIG. 2 is a flowchart of a method for detecting structure defects and inner layer changes using the UWB RF technology according to the present invention. As shown in FIG. 2, a method for detecting structure defect and inner layer change using UWB RF technology includes a first step of transmitting a UWB radio frequency signal with a UWB antenna 10 and receiving a reflected signal, Phase (Zero-Phase) The second stage of digital filtering, depending on the distance from the received signal to the target A fourth step of removing a cluster signal, which is a reflection signal generated by other objects other than a desired object, within a measurement area of the UWB sensor 110, a fourth step of detecting an edge by multiplying a difference weight by a differential weight, And a sixth step of calculating a detection depth (penetration depth).

제1 단계에서, 신호 측정을 의한 설정은 예를 들어 샘플링 레이트(Sampling Rate) 20 FPS, Offset Diatance from Reference 0.200000002980232, FrameStitch 1(=2M), Iteration 50 으로 하여 진행할 수 있다(S10).In the first step, the signal measurement may be performed at a sampling rate of 20 FPS, Offset Diatance from Reference 0.200000002980232, FrameStitch 1 (= 2M), and Iteration 50 (S10).

제2 단계에서의 영위상(Zero-Phase) 디지털 필터링은 제1 단계를 거친 수신 신호로부터 사용하고자 하는 소정의 광대역을 제외한 노이즈 대역을 제거하기 위하여, 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 적용하며, 대역 통과 필터의 통과 대역은 1.3 ~ 4.4GHz이고 샘플링 주파수(Fs)는 25GHz로 설정할 수 있다(S20).In the zero-phase digital filtering in the second step, a band pass filter is applied to remove a noise band excluding a predetermined wide band to be used from the received signal after the first step, The passband of the band-pass filter is 1.3 to 4.4 GHz and the sampling frequency Fs can be set to 25 GHz (S20).

영위상 필터는 필터링 후 모든 통과 대역에서 입력 신호의 위상 변화가 없는 필터로, 입력 신호의 위상에는 아무런 영향을 미치지 않으면서 진폭 스펙트럼만을 변화시키는 필터이며, 따라서 위상의 왜곡이 없는 필터링을 위하여 적용한다.The zero-phase filter is a filter that does not change the phase of the input signal in all passbands after filtering, and only changes the amplitude spectrum without affecting the phase of the input signal. Therefore, it is applied for filtering without phase distortion .

제3 단계에서는 수신 신호의 감쇠(attenuation)를 보상하도록 한다. 즉, UWB 안테나(10)와 목표물까지의 거리가 멀어질수록 경로 손실로 인하여 수신 신호가 약해지는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 현상은 상대적으로 신호 세기가 강한 가까운 목표물의 신호가 뒤쪽에 위치한 목표물의 신호보다 더 큰 신호 세기를 갖게 됨으로써 목표물 추정에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 수신 신호의 거리에 따라 소정의 차등 가중치를 곱하여 줌으로써 신호 감쇠의 보상 처리 과정을 진행한다(S30).In the third step, the attenuation of the received signal is compensated. That is, as the distance from the UWB antenna 10 to the target is increased, the received signal becomes weak due to the path loss. This phenomenon occurs when a signal of a nearby target having a relatively strong signal intensity is transmitted to the target The signal strength is greater than that of the signal. Accordingly, the signal attenuation compensation process is performed by multiplying a predetermined difference weight according to the distance of the received signal (S30).

다음으로, 제4 단계는 클러터(Clutter) 신호를 제거하는 단계이다. 클러터는 UWB 센서(110)의 측정 영역 내 목표물 이외의 고정된 물체들을 말하고, 클러터 신호는 원하는 물체 외 다른 물체들에 의해 생성되는 반사 신호를 의미하므로, 배경 클러터 신호를 누적하여 목표물 이외의 다른 신호들은 제거하는 과정을 통하여 목표물의 신호를 보다 정확하게 추적할 수 있게 된다(S40).Next, the fourth step is to remove the clutter signal. The clutter refers to fixed objects other than the target in the measurement area of the UWB sensor 110 and the clutter signal refers to the reflection signal generated by objects other than the desired object so that the background clutter signals are accumulated, The signal of the target can be more accurately tracked through the process of removing other signals (S40).

제5 단계는 변위가 발생하는 신호의 에지(edge)를 검출하는 단계(내층 변화를 탐지하는 경우)이며, 미분에 대한 Roberts 근사를 사용하여 모서리를 검출하고, 민감도 임계값을 지정하여 임계값보다 강하지 않은 모든 에지는 무시하도록 한다(S50).The fifth step is to detect the edge of the signal in which the displacement occurs (in the case of detecting the inner layer change), use the Roberts approximation to the derivative to detect the edge, specify the sensitivity threshold, Ignore all non-strong edges (S50).

제6 단계에서는 투과 깊이 또는 검출 깊이(D)를 산출하게 되는데, 투과 깊이 또는 검출 깊이(D), 및 투과 속도(V)는 각각

Figure 112017072367119-pat00003
,
Figure 112017072367119-pat00004
이다.In the sixth step, the transmission depth or the detection depth D is calculated. The transmission depth or detection depth D and the transmission speed V are respectively
Figure 112017072367119-pat00003
,
Figure 112017072367119-pat00004
to be.

이때, T는 신호 도달 시간, c는 빛의 속도, εr은 매질의 상대 유전율이며, 주위 환경의 유전율을 고려하여 투과 깊이를 산출하거나 내층의 변화를 탐지하게 된다(S60).In this case, T is the signal arrival time, c is the speed of light,? R is the relative permittivity of the medium, and the permeation depth is calculated or the change of the inner layer is detected in consideration of the permittivity of the surrounding environment (S60).

유전율은 축전지 커패시터의 용량이 내부 삽입 물질에 따라 변화할 때 볼 수 있는 물리량으로서 전자파의 속도를 결정지어주는 요인으로 작용한다. 전자파의 속도는 유전율에 의해서만 좌우되지는 않지만, GPR(지표투과레이더) 탐사의 경우에 사용되는 주파수 대역에서는 유전율이 일반적으로 전자파 속도를 결정짓는 역할을 한다. The permittivity is a physical quantity that can be seen when the capacity of a capacitor is changed according to the internal material, and it functions as a factor to determine the speed of the electromagnetic wave. Although the speed of electromagnetic waves does not depend solely on the permittivity, the dielectric constant generally plays a role in determining the speed of electromagnetic waves in the frequency band used for GPR (Surface Transmission Radar) probing.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법을 적용한 실시예들을 나타내는 그림이다.FIGS. 3 to 5 are diagrams illustrating embodiments in which structure defect and inner layer change detection method using UWB RF technology according to the present invention is applied.

도 3 및 도 4는 구조물의 내부 결함을 탐지하기 위하여 제작된 시편을 나타내는데, 도 3의 시편은 1000mm(길이)*600mm(폭)*100mm(두께)의 콘크리트 시편이면서, 시편 (a)에는 직경 20mm의 파이프, 시편 (b)에는 직경 40mm의 파이프, 시편 (c)에는 200mm(길이) *600mm(폭)*5mm(두께)의 플레이트를 각각 매설하고 이들 철근의 위치, 크기, 간격 등을 측정하도록 한다. 한편, 도 4의 시편은 1200mm(길이)*400mm(폭)*140mm(두께)의 콘크리트 시편을 길이 1m 이상으로 제작하되, 시편의 내부에 직경 22mm의 파이프들을 일정 간격으로 배치하고, 파이프의 매설 깊이 및 간격을 측정하도록 하고, 본 발명에서 제안한 방법에 따라 후처리 하도록 하였다.3 and 4 show specimens prepared for the purpose of detecting internal defects of a structure. The specimen of FIG. 3 is a concrete specimen of 1000 mm (length) * 600 mm (width) * 100 mm (thickness) (Length) * 600 mm (width) * 5 mm (thickness) are embedded in a pipe of 20 mm in diameter and a pipe of 40 mm in diameter in the specimen (b), and the position, . Meanwhile, the specimen shown in FIG. 4 is manufactured by constructing concrete specimens having a length of 1200 mm (length) * 400 mm (width) * 140 mm (thickness) at a length of 1 m or more, pipes having a diameter of 22 mm are arranged at predetermined intervals in the specimen, The depth and the interval were measured, and post-processing was performed according to the method proposed in the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 UWB RF 기술을 이용한 지반 내부의 내층 변화를 탐지하는 방법을 적용한 실시예를 나타내는 그림으로, 2m(깊이)*1m(폭)로 지반을 천공하여 본 발명의 UWB 센서 임베디드 시스템(100)을 천공한 수직 면에 지반으로부터 1m 하측에 장착/설치한 상태에서, UWB 센서 임베디드 시스템(100)으로부터 소정 거리(L) 이격되도록 소정 크기의 홀을 천공하고, 홀에 목표물을 넣은 후 목표물에 변위를 부여함으로써 내층의 변화 유무를 측정하도록 하였으며, 마찬가지로 본 발명에서 제안한 방법에 따라 후처리 하도록 하였다.FIG. 5 is a diagram showing an embodiment in which a method of detecting the inner layer change in the ground using the UWB RF technique according to the present invention is applied. The ground is punctured at 2 m (depth) * 1 m (width) In the state where the system 100 is installed / installed on the vertical surface of the ground 1 m below the ground, holes having a predetermined size are spaced apart from the UWB sensor embedded system 100 by a predetermined distance L, The post-treatment was performed according to the method proposed by the present invention.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.

110 : UWB 센서 120 : 모니터부
130 : 통신부 140 : 전원부
150 : 제어부110: UWB sensor 120:
130: communication unit 140:
150:

Claims (4)

UWB(Ultra Wide Band) 안테나(10) 및 상기 UWB 안테나(10)를 통해 송수신되는 UWB RF(Radio Frequency) 신호를 발생하고 변환 처리하는 RF 모듈(20)을 포함하는 UWB 센서(110);
모니터부(120); 통신부(130); 전원부(140); 및 상기 UWB 센서(110)로부터 전달받은 수신 신호를 처리하고 상기 모니터부(120), 상기 통신부(130)를 제어하는 제어부(150);를 포함하는 UWB 센서 임베디드 시스템(100)을 구성하며,
상기 UWB 센서 임베디드 시스템(100)을 이용하여 구조물의 결함을 탐지하고 내층의 변화를 측정하기 위하여
상기 UWB 안테나(10)로 초광대역의 주파수 신호를 송출하고 반사되는 신호를 수신하는 제1 단계;
수신 신호를 영위상(Zero-Phase) 디지털 필터링 하는 제2 단계;
수신 신호로부터 추정되는 목표물까지의 거리에 따라 차등 가중치를 곱하여 수신 신호의 감쇠를 보상하는 제3 단계;
상기 UWB 센서(110)의 측정 영역 내에서 원하는 물체 외에 다른 물체들에 의해 생성되는 반사 신호인 클러터 신호를 제거하는 제4 단계;
에지를 검출하는 제5 단계; 및
검출 깊이(투과 깊이)를 산출하는 제6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법.
A UWB sensor 110 including an UWB (Ultra Wide Band) antenna 10 and an RF module 20 for generating and converting a UWB RF (Radio Frequency) signal transmitted and received through the UWB antenna 10;
A monitor unit 120; A communication unit 130; A power supply unit 140; And a control unit 150 for processing the received signal received from the UWB sensor 110 and controlling the monitor unit 120 and the communication unit 130. The UWB sensor embedded system 100 includes a UWB sensor 110,
In order to detect the defects of the structure using the UWB sensor embedded system 100 and to measure changes in the inner layer
A UWB antenna (10) for transmitting a UWB frequency signal and receiving a reflected signal;
A second step of zero-phase digital filtering the received signal;
Depending on the distance to the target estimated from the received signal A third step of multiplying a differential weight to compensate for attenuation of a received signal;
A fourth step of removing a clutter signal which is a reflection signal generated by objects other than a desired object within a measurement area of the UWB sensor 110;
A fifth step of detecting an edge; And
And a sixth step of calculating a detection depth (penetration depth) of the structural defect and the inner layer change using the UWB RF technique.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 단계에서의 상기 영위상 디지털 필터링은 상기 수신 신호로부터 사용하고자 하는 소정의 광대역을 제외한 노이즈 대역을 제거하기 위하여 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 적용하며, 상기 대역 통과 필터의 통과 대역은 1.3 ~ 4.4GHz이고 샘플링 주파수는 25GHz인 것을 특징으로 하는 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법.
The method according to claim 1,
In the zero phase digital filtering in the second step, a band pass filter is applied to remove a noise band excluding a predetermined wide band to be used from the received signal, and a pass band of the band pass filter And the sampling frequency is 25 GHz. A method for detecting structure defects and inner layer changes using UWB RF technology.
청구항 1에 있어서,
상기 제6단계의 투과 깊이 또는 검출 깊이(D)와 투과 속도(V)는 각각
Figure 112017072367119-pat00005
,
Figure 112017072367119-pat00006
이고,
T는 신호 도달 시간, c는 빛의 속도, εr은 매질의 상대 유전율이며, 주위 환경의 유전율을 고려하여 상기 투과 깊이를 산출하는 것을 특징으로 하는 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법.
The method according to claim 1,
The penetration depth or detection depth (D) and permeation speed (V) in the sixth step are
Figure 112017072367119-pat00005
,
Figure 112017072367119-pat00006
ego,
T is the signal arrival time, c is the speed of light, ε r is the relative permittivity of the medium, and the penetration depth is calculated in consideration of the permittivity of the surrounding environment. Method for Detecting Structural Defects and Inner Layer Change Using UWB RF Technology .
청구항 1에 있어서,
상기 RF 모듈(20)은 CPWG(Coplanar Waveguide with Ground-plane) 구조인 것을 특징으로 하는 UWB RF 기술을 이용한 구조물 결함 및 내층 변화 탐지 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the RF module (20) has a CPWG (Coplanar Waveguide with Ground-plane) structure.
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