KR101887482B1 - Impact detection system and impact detection method - Google Patents
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Abstract
충격 감지 시스템은 광섬유 및 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱하는 적어도 하나의 센서를 각각 포함하고, 서로 교차하여 배열되는 복수의 광섬유 채널들 및 광섬유 채널들로부터 충격 모니터링 신호를 수신하고, 충격 모니터링 신호에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지하는 인터로게이션 시스템을 포함한다.An impact detection system includes an optical fiber and an optical fiber channel, each of which includes at least one sensor configured to sense an impact monitoring signal, receives an impact monitoring signal from a plurality of optical fiber channels and fiber channels arranged crossing each other, And an interrogation system for detecting an impact on the structure based on the detected impact.
Description
본 발명은 충격 감지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 센서를 이용한 충격 감지 시스템 및 충격 감지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an impact detection system, and more particularly, to an impact detection system and an impact detection method using an optical fiber sensor.
일반적으로, 인공위성, 국제 우주 정거장과 같은 우주 구조물은 궤도에 따라 다양한 극한의 환경들에 노출된다. 우주 구조물은 유성진, 우주 파편, 등에 의해 발생되는 초고속 대역의 충격에 노출될 수 있다. 예를 들어, 인공위성과 같은 우주 구조물의 개수가 증가함에 따라, 우주 구조물의 발사 단계, 도킹 단계 등 다양한 운영 과정 중에서 크고 작은 우주 파편들이 증가하고 있다. 이러한 우주 파편들은 초고속 대역을 포함하는 다양한 상대 속도(예를 들어, 3-70km/s)를 갖고 있어서 운영중인 우주 구조물에 초고속 대역의 충격을 가할 수 있는 위협적인 요소에 해당한다.In general, space structures such as satellites and the International Space Station are exposed to various extreme environments depending on the orbit. Space structures can be exposed to high-speed bands generated by planets, space debris, and so on. For example, as the number of space structures such as satellites increases, large and small space debris are increasing among various operating processes such as the launching stage of the space structure, the docking stage and so on. These aerospace fragments have various relative velocities (eg, 3 to 70 km / s), including high-speed bands, which are threats to the impact of high-speed bands on an active space structure.
우주 구조물의 제작, 배치, 운영은 큰 예산이 소요되기 때문에 우주 구조물의 건전성을 상시 판단할 수 있어야 한다. 종래에는 우주 구조물의 신호 수신 여부, 지상에서 망원경으로 포착가능한지 여부, 등으로 우주 구조물의 대략적인 상태를 파악하였으나, 우주 구조물의 기능 및 수명이 점점 늘어나면서 더 과학적인 방법으로 우주 구조물의 건전성을 확인할 필요가 있다. 특히, 초고속 대역의 충격은 한번에 우주 구조물의 주요 장비를 손상시키고, 이에 따라 인명 피해, 임무 조기 중단, 등의 상황이 발생할 수 있으므로, 초고속 대역 충격의 감지의 중요성이 높아지고 있다.Since the production, deployment and operation of space structures requires a large budget, it is necessary to be able to judge the health of space structures at all times. Conventionally, the approximate state of a space structure was grasped by whether it received a signal from a space structure or whether it could be captured by a telescope on the ground. However, as the function and life span of the space structure gradually increased, There is a need. Particularly, the impact of a high-speed band can damage the main equipment of a space structure at once, resulting in personal injury, premature termination of the mission, and the like.
구조물에 가해지는 저속 및 고속 대역(0~2000 m/s)의 충격은 다양한 기법을 이용하여 감지될 수 있다. 예를 들어, 압전 재료를 이용한 센서, 가속도계, 전류가 흐르는 필름/종이 등을 구조물에 부착함으로써 충격 유무 등을 판별될 수 있다. 반면에, 구조물에 가해지는 초고속 대역(2-3km/s 이상)의 충격을 감지하는 방법은 NASA 등의 우주 연구 기관에서 연구되고 있으나, 초고속 대역의 충격에 대한 충격 감지 방법 및 충격 위치 검출 방법은 충격에 의해 센서가 손상되거나, 충격에 의한 흔들림 영향으로 충격 감지의 내구성 및 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.The impact of low and high speed bands (0 to 2000 m / s) on the structure can be detected using a variety of techniques. For example, a sensor using a piezoelectric material, an accelerometer, and a film / paper through which current flows can be attached to a structure to determine whether or not there is an impact. On the other hand, NASA and other space research institutes have been studying a method of detecting an impact of an ultra high-speed band (2-3 km / s) applied to a structure, but an impact detection method and an impact position detection method for an ultra- There is a problem that the durability and the reliability of the shock detection deteriorate due to the damage of the sensor due to the impact or the shaking due to the impact.
본 발명의 일 목적은 초고속 대역의 충격을 감지할 수 있는 충격 감지 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an impact detection system capable of detecting an impact of an ultra high-speed band.
본 발명의 다른 목적은 상기 충격 감지 시스템의 충격 감지 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a shock detection method of the impact detection system.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 시스템은 광섬유 및 상기 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱하는 적어도 하나의 센서를 각각 포함하고, 서로 교차하여 배열되는 복수의 광섬유 채널들, 및 상기 광섬유 채널들로부터 상기 충격 모니터링 신호를 수신하고, 상기 충격 모니터링 신호에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지하는 인터로게이션 시스템을 포함할 수 있다.In order to accomplish one object of the present invention, an impact detection system according to embodiments of the present invention includes an optical fiber and at least one sensor formed on the optical fiber and sensing an impact monitoring signal, And an interrogation system for receiving the impact monitoring signal from the fiber channels and sensing an impact on the structure based on the impact monitoring signal.
일 실시예에 의하면, 상기 광섬유 채널들 각각의 적어도 일부는 상기 구조물의 내부에 삽입될 수 있다. 상기 광섬유 채널들 각각은 상기 구조물의 외부와 내부의 경계 영역에서 상기 광섬유를 둘러싸는 보호 튜브를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, at least a portion of each of the optical fiber channels may be inserted into the interior of the structure. Each of the optical fiber channels may further include a protective tube surrounding the optical fiber in a boundary region between the outside and the inside of the structure.
일 실시예에 의하면, 상기 광섬유 채널들 각각은 상기 구조물의 일면에 부착될 수 있다.According to one embodiment, each of the optical fiber channels may be attached to one surface of the structure.
일 실시예에 의하면, 상기 광섬유 채널들에 각각에 포함된 상기 센서는 서로 동일한 방향으로 배치될 수 있다.According to an embodiment, the sensors included in each of the optical fiber channels may be arranged in the same direction.
일 실시예에 의하면, 상기 광섬유 채널들은 삼각 로제트(triangular rosette) 형상으로 배치될 수 있다.According to one embodiment, the optical fiber channels may be arranged in a triangular rosette shape.
일 실시예에 의하면, 상기 광섬유 채널들은 복수의 패널들에 형성될 수 있다.According to an embodiment, the optical fiber channels may be formed on a plurality of panels.
일 실시예에 의하면, 상기 인터로게이션 시스템은 상기 충격 모니터링 신호의 파장이 제1 임계 범위를 초과하도록 변경된 제1 시점과 상기 충격 모니터링 신호의 파장이 제2 임계 범위 이내로 되돌아오는 제2 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 상기 구조물에 발생한 충격 속도를 감지할 수 있다.According to an embodiment, the interrogation system may further include a first monitoring unit configured to detect a difference between a first point of time at which the wavelength of the impact monitoring signal exceeds the first threshold range and a second point at which the wavelength of the impact monitoring signal returns to within the second threshold range The impact velocity generated in the structure can be detected based on the time length.
일 실시예에 의하면, 상기 인터로게이션 시스템은 상기 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제3 임계 범위를 초과하도록 변경된 제3 시점과 상기 충격 모니터링 신호의 잔차가 제4 임계 범위 이내로 되돌아오는 제4 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 상기 구조물에 발생한 충격을 감지할 수 있다.According to an embodiment, the interrogation system may further include a third point of time at which the residual of the wavelength of the impact monitoring signal exceeds the third threshold range, and a fourth point at which the residual of the impact monitoring signal returns to within the fourth threshold range The impact on the structure can be detected.
일 실시예에 의하면, 상기 인터로게이션 시스템은 상기 충격 모니터링 신호에 대한 푸리에 변환(fourier transform)을 수행함으로써 주파수에 대한 진폭 분포를 포함하는 변환 데이터를 도출하고, 상기 변환 데이터에 기초하여 상기 구조물에 발생한 충격을 감지할 수 있다.According to one embodiment, the interrogation system derives transformed data comprising an amplitude distribution for a frequency by performing a fourier transform on the impulse monitoring signal, and based on the transformed data, It is possible to detect an impact that has occurred.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 발명의 실시예들에 따른 광섬유 및 상기 광섬유에 형성된 적어도 하나의 센서를 포함하는 광섬유 채널을 구비하는 충격 감지 시스템의 충격 감지 방법은 상기 센서로부터 충격 모니터링 신호를 수신하는 단계, 상기 충격 모니터링 신호의 파장이 제1 임계 범위를 초과하도록 변경되는 제1 시점을 도출하는 단계, 상기 충격 모니터링 신호의 파장이 제2 임계 범위 이내로 되돌아오는 제2 시점을 도출하는 단계, 및 상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격 속도를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an impact sensing method for an impact sensing system having an optical fiber channel including an optical fiber according to embodiments of the present invention and at least one sensor formed on the optical fiber, Deriving a first point in time at which the wavelength of the impulse monitoring signal is changed to exceed a first threshold range, deriving a second point at which the wavelength of the impulse monitoring signal returns to within a second threshold range, And sensing a shock velocity generated in the structure based on a time length between the first point and the second point of time.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 발명의 실시예들에 따른 광섬유 및 상기 광섬유에 형성된 적어도 하나의 센서를 포함하는 광섬유 채널을 구비하는 충격 감지 시스템의 충격 감지 방법은 상기 센서로부터 충격 모니터링 신호를 수신하는 단계, 상기 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제3 임계 범위를 초과하도록 변경되는 제3 시점을 도출하는 단계, 상기 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제4 임계 범위 이내로 되돌아오는 제4 시점을 도출하는 단계, 및 상기 제3 시점과 상기 제4 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an impact sensing method for an impact sensing system having an optical fiber channel including an optical fiber according to embodiments of the present invention and at least one sensor formed on the optical fiber, A third point in time at which the residual of the wavelength of the impact monitoring signal is changed to exceed the third threshold range; a fourth point of time at which the residual of the wavelength of the impact monitoring signal returns to within the fourth critical range And detecting an impact on the structure based on a time length between the third time point and the fourth time point.
본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 시스템은 광섬유 센서를 포함하고 서로 교차하여 배열되는 복수의 광섬유 채널들을 이용하여 충격 모니터링 신호를 수신하고, 충격 모니터링 신호의 파장의 변화에 기초하여 극한의 환경(예를 들어, 우주 환경)의 구조물에서 발생될 수 있는 2~3km/s 이상의 속도를 갖는 초고속 대역의 충격을 용이하게 감지할 수 있다. 상기 충격 감지 시스템은 센서가 구조물의 내부에 삽입됨으로써 충격에 의한 파손을 방지하고 내구성이 증가될 수 있다. 상기 충격 감지 시스템은 복수의 광섬유 채널들을 서로 교차하는 리던던시(redundancy) 구조로 배열함으로써 충격을 전방향에서 민감하게 측정하고 채널 일부가 손상된 경우에도 전반적인 영역에 대해 모니터링할 수 있다. 또한, 충격 감지 시스템은 복수의 패널들에 광섬유 채널들을 형성함으로써 패널 단위로 교체 보수가 가능하도록 구성할 수 있다.The impact detection system according to embodiments of the present invention receives an impact monitoring signal using a plurality of optical fiber channels including an optical fiber sensor and arranged crossing each other, and detects an impact environment based on a change in the wavelength of the impact monitoring signal. It is possible to easily detect an impact of an ultra high-speed band having a velocity of 2 to 3 km / s or more, which can be generated in a structure of a space environment (for example, space environment). In the impact detection system, since the sensor is inserted into the structure, damage due to impact is prevented and durability can be increased. The impact detection system arranges a plurality of optical fiber channels in a redundancy structure intersecting with each other, thereby sensitively measuring impacts in all directions and monitoring the entire area even when a part of the channels is damaged. In addition, the impact detection system can be configured such that the optical fiber channels are formed in a plurality of panels so that the panel can be replaced and repaired.
본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 방법은 서로 교차하여 배열되는 복수의 광섬유 채널들을 이용하여 초고속 대역의 충격을 용이하게 감지할 수 있다.The impact detection method according to embodiments of the present invention can easily detect an impact of an ultra high-speed band using a plurality of optical fiber channels arranged crossing each other.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 충격 감지 시스템에 포함된 광섬유 채널의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광섬유 채널이 구조물에 설치되는 예들을 나타내는 도면들이다.
도 4 내지 도 9는 도 1의 충격 감지 시스템의 패널 구조 및 센서 배열 구조의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11 내지 도 15는 도 10a 및 도 10b의 충격 감지 방법에 의해 수행된 초고속 충격 검출 실험을 설명하기 위한 그래프들이다.1 is a block diagram illustrating an impact detection system in accordance with embodiments of the present invention.
2 is a view showing an example of a fiber channel included in the impact detection system of FIG.
FIGS. 3A and 3B are views showing examples in which the optical fiber channel of FIG. 2 is installed in a structure.
FIGS. 4 to 9 are views showing examples of a panel structure and a sensor array structure of the impact detection system of FIG.
10A and 10B are flowcharts illustrating a method for detecting a shock according to embodiments of the present invention.
FIGS. 11 to 15 are graphs for explaining the ultra-high speed impact detection experiment performed by the impact detection method of FIGS. 10A and 10B.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an impact detection system in accordance with embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 충격 감지 시스템(1000)은 복수의 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n) 및 인터로게이션(interrogation) 시스템(200)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
광섬유 채널들(100-1 내지 100-n) 각각은 광섬유 및 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱하는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 일반적으로, 광섬유 센서는 전자파 간섭 우수, 비전도성, 화학적 불활성, 고온 동작, 가벼운 무게, 얇은 두께, 낮은 소비 전력, 높은 감도, 등과 같은 다양한 장점들을 가질 수 있으므로, 우주 환경에서 대형 우주 구조물에 광섬유 센서를 적용하여 구조물에 가해지는 초고속 대역의 충격을 감지할 수 있다. 광섬유 채널의 구조에 대해서는 도 2을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.Each of the optical fiber channels 100-1 through 100-n may include at least one sensor formed on the optical fiber and the optical fiber and sensing the impact monitoring signal. In general, a fiber optic sensor can have various advantages such as excellent electromagnetic interference, nonconductive, chemical inert, high temperature operation, light weight, thin thickness, low power consumption, high sensitivity, , It is possible to detect the impact of the ultra high-speed band applied to the structure. The structure of the optical fiber channel will be described in detail with reference to FIG.
일 실시예에서, 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)은 서로 교차하여 배열될 수 있다. 일반적으로, 광섬유 센서는 내구성이 낮고 손상되기 쉽다는 단점이 있다. 따라서, 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)을 서로 교차하여 리던던시(redundancy) 구조로 배치함으로써 충격을 전방향에서 민감하게 측정하고 채널 일부가 손상된 경우에도 전반적인 영역에 대해 모니터링할 수 있도록 배열할 수 있다. 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)의 배치 구조에 대해서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 자세히 설명하기로 한다.In one embodiment, the optical fiber channels 100-1 through 100-n may be arranged crossing each other. In general, fiber optic sensors have the disadvantage of low durability and susceptibility to damage. Therefore, by arranging the optical fiber channels 100-1 to 100-n in a redundancy structure intersecting each other, the impact can be measured in all directions sensitively, and even if a part of the channel is damaged, can do. The arrangement of the optical fiber channels 100-1 to 100-n will be described in detail with reference to FIG. 4 to FIG.
인터로게이션 시스템(200)은 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)로부터 충격 모니터링 신호를 수신하고, 충격 모니터링 신호에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지할 수 있다. 인터로게이션 시스템(200)은 광원부(210), 스캔 제어부(220), 커플러 네트워크부(230), 프로세서(240), 및 감지부(250)를 포함할 수 있다.The
광원부(210)는 레이저 등의 광원을 방사하고, 스캔 제어부(220)는 광원부(210)에서 방사된 광원을 조정하여 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 광원부(210)는 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 방식 또는 TDM (Time Division Multiplexing) 방식으로 인터로게이션 동작이 수행되도록 광원을 조정할 수 있다. 커플러 네트워크부(230)는 광원이 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)에 적절히 분배될 수 있도록 광원을 분기할 수 있다. 감지부(250)는 반사된 광원을 충격 모니터링 신호로서 수신하고, 충격 모니터링 신호를 프로세서(240)에 제공할 수 있다. 프로세서(240)는 충격 모니터링 신호에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지할 수 있다. 일 실시예에서, 프로세서(240)는 충격 모니터링 신호의 파장이 제1 임계 범위를 초과하도록 변경된 제1 시점과 충격 모니터링 신호의 파장이 제2 임계 범위 이내로 되돌아오는 제2 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격 속도를 감지할 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(240)는 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제3 임계 범위를 초과하도록 변경된 제3 시점과 충격 모니터링 신호의 잔차가 제4 임계 범위 이내로 되돌아오는 제4 시점 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지할 수 있다. 인터로게이션 시스템(200)이 충격을 감지하는 방법에 대해서는 도 10a 및 도 10b를 참조하여 자세히 설명하기로 한다.The
따라서, 충격 감지 시스템(1000)은 광섬유 채널들(100-1 내지 100-n)이 설치된 구조물(예를 들어, 우주 구조물)에 가해지는 충격, 즉, 저속 대역 및 고속 대역의 충격 대역뿐만 아니라 초고속 대역의 충격을 감지하고, 충격 위치를 검출할 수 있는 SHM(Structural Health Monitoring, 구조 건전성 모니터링) 시스템을 구현할 수 있다.Therefore, the
비록, 도1 에서는 인터로게이션 시스템(200)이 광원부(210), 스캔 제어부(220), 커플러 네트워크부(230), 프로세서(240), 및 감지부(250)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 인터로게이션 시스템(200)은 이에 한정되지 않고 다양한 구조를 가질 수 있다.1, the
도 2는 도 1의 충격 감지 시스템에 포함된 광섬유 채널의 일 예를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an example of a fiber channel included in the impact detection system of FIG.
도 2를 참조하면, 광섬유 채널(100-k)는 광섬유 및 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱하는 적어도 하나의 센서(110)를 포함할 수 있다. 광섬유는 코어(core)(120), 클래딩(Cladding)(130), 제1 코팅막(140), 및 제2 코팅막(150)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the optical fiber channel 100-k may include at least one
코어(120)는 광섬유의 중심 부분에 위치하고, 빛이 전송되는 통로에 해당할 수 있다. 클래딩(130)은 코어(120)에서 빛의 전반사를 유도하기 위해 코어(120)의 둘러싸고 코어(120)의 표면을 보호할 수 있다. 코어(120)로 입사된 빛은 상대적으로 굴절률이 높은 코어(120)와 굴절률이 상대적으로 낮은 클래딩(130)의 경계면에서 전반사되어 코어(120)를 따라 전파될 수 있다. 예를 들어, 코어(120)의 직경은 약 10 마이크로미터이고, 클래딩(130)의 직경은 약 120 마이크로미터일 수 있다. 코어(120) 및 클래딩(130)은 실리카(Silica) 유리를 포함할 수 있으며, 코어(120)는 굴절률을 높이기 위해 저마늄(Ge)을 더 포함할 수 있다.The
광섬유는 클래딩(130)을 둘러싸는 코팅부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광섬유는 클래딩(130)을 둘러싸는 제1 코팅막(140) 및 제1 코팅막(140)을 둘러싸는 제2 코팅막(150)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 코팅막(140)의 직경은 약 200 마이크로미터이고, 제2 코팅막(150)의 직경은 약 800 마이크로미터일 수 있다. 제1 코팅막(140) 및 제2 코팅막(150)은 아크릴 수지(Acrylate), 폴리이미드(Polyimide) 등을 포함할 수 있다.The optical fiber may include a coating surrounding the
센서(110)는 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱할 수 있다. 일 실시예에서, 센서(110)는 광섬유의 코어(120)에 형성되는 FBG(fiber bragg grating) 센서일 수 있다. FBG 센서는 저마늄을 포함하는 코어(120)가 자외선 영역의 빛에 노출되면, 굴절률이 약간 증가하게 되는 현상을 이용하여, 격자(grating)에 따라 특정 파장을 반사시킴으로써 충격 모니터링 신호가 센싱될 수 있다. FBG 센서는 광섬유 길이에 비해 광손실이 적고, 전자파장해나 무선주파수 간섭을 받지 않으며, 크기가 작고 가볍우며, 유해물질, 고감도, 장기 안정성 등의 환경에서도 본질 안전 작동(intrinsically safe operation)이 보장되고, 직렬연결 형태의 다중화라는 본원적인 능력을 갖추고 있으며, 참조(reference)가 없어도 절대 측정이 가능한 장점을 가질 수 있다.The
비록, 도 2에서는 광섬유 채널(100-k)에 하나의 센서(110)가 포함된 것으로 도시하였으나, 광섬유 채널(100-k)는 복수의 센서들을 포함할 수 있다.Although the optical fiber channel 100-k includes one
도 3a 및 도 3b는 도 2의 광섬유 채널이 구조물에 설치되는 예들을 나타내는 도면들이다.FIGS. 3A and 3B are views showing examples in which the optical fiber channel of FIG. 2 is installed in a structure.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 광섬유 채널(100)은 구조물의 내부에 삽입되거나 구조물의 일면에 부착됨으로써 광섬유 채널(100)의 내구성을 높이고, 구조물에 가해지는 충격을 안정적으로 측정할 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B, the
도 3a에 도시된 바와 같이, 광섬유 채널(100)의 적어도 일부는 구조물(300)의 내부에 삽입될 수 있다. FBG 센서를 포함하는 광섬유 채널(100)은 얇은 두께로 구현될 수 있으므로, 복합 재료로 이루어진 구조물(300) 내부에 삽입될 수 있다. 항공 우주 분야의 구조물에서 복합 재료(예를 들어, 탄소섬유강화수지 등을 기지 재료로 하는 복합 재료, 등)가 금속을 대체하여 사용되고 있다. 보잉 787의 약 50%가 복합 재료로 이루어져 있다. 따라서, 복합 재료로 이루어진 우주 구조물 내부에 광섬유 채널(100)의 FBG 센서를 삽입함으로써 광섬유 채널(100)의 내구성을 높이고, 우주 구조물에 가해지는 충격(특히 초고속 대역의 충격)을 더 정확히 측정할 수 있다.At least a portion of the
일 실시예에서, 광섬유 채널(100)은 구조물(300)의 외부와 내부의 경계 영역에서 광섬유를 둘러싸는 보호 튜브(160)를 더 포함할 수 있다. 즉, 센서(110)를 포함하는 광섬유 채널(100)의 일부가 구조물(300)의 내부에 위치하고, 구조물의 외부와 내부의 경계 영역에서 광섬유 채널(100)의 파손을 방지하기 위해 광섬유를 둘러싸는 보호 튜브(160)가 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 보호 튜브(160)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테프론(teflon), 실리콘(silicon), 및 열 수축 튜브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the
도 3b에 도시된 바와 같이, 광섬유 채널(100)은 금속으로 이루어진 구조물(400)의 일면에 부착될 수 있다. 이 경우, 센서(110)를 포함하는 광섬유 채널(100)의 일부가 구조물(400)의 일면에 접촉할 수 있으며, 센서(110) 부분 전체가 균등하게 영향을 받을 수 있도록 센서(110)를 포함하는 부분(170) 전체가 일정하게 접착제(예를 들어, 에폭시(epoxy) 접착제, 등)로 도포되고, 외부의 극한 환경으로부터 직접적으로 노출되는 것을 방지할 수 있다.3B, the
광섬유 채널(100)은 구조물의 내부에 삽입되거나 구조물의 일면에 부착된 경우 모두, 광섬유 채널(100)의 나머지 부분은 구조물 표면에 따라 테이핑과 같은 부착 방법을 이용하여 배치하고, 인원이 있는 우주 구조물에 경우 통행에 방해되지 않도록 설치할 수 있다. 따라서, 광섬유 채널(100)의 파손을 방지하고 내구성을 높일 수 있다. 또한, 금속 배선을 이용한 기존의 충격 감지 시스템과는 달리 부식이 일어나지 않는 재료를 사용하기 때문에 본 발명의 충격 감지 시스템은 광섬유 채널(100)을 교체하지 않고 우주 구조물의 수명이 다하도록 운영이 가능한 장점이 있다.In the case where the
도 4 내지 도 9는 도 1의 충격 감지 시스템의 패널 구조 및 센서 배열 구조의 예들을 나타내는 도면들이다.FIGS. 4 to 9 are views showing examples of a panel structure and a sensor array structure of the impact detection system of FIG.
도 4 내지 도 9를 참조하면, 충격 감지 시스템은 인터로게이션 시스템을 이용한 다중화를 통해 충격 감지가 요구되는 모니터링 면적 혹은 범위를 커버할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 인터로게이션 시스템과 스위치를 이용하여 무수히 많은 센서를 구성할 수 있다. 이와 같이, 충격 감지 시스템은 다중화함으로써 다양한 구성으로 구현될 수 있다. Referring to FIGS. 4 to 9, the impact detection system can cover a monitoring area or a range requiring impact detection through multiplexing using an interrogation system. For example, as shown in FIG. 4, it is possible to configure a myriad of sensors using one interrogation system and a switch. Thus, the impact detection system can be implemented in various configurations by multiplexing.
특히, FBG 센서는 다중화에 적합한 특성을 가진다. 예를 들어, 하나의 광섬유에 수백 개의 FBG 센서를 형성할 수 있으며, FBG 센서의 브래그 격자는 서로 몇 mm 이내로 가까이 배치하거나, 몇 km 밖으로 멀리 배치할 수 있다. 또한, 충격 감지 시스템은 FBG 센서를 적절히 패키지화하여 센서 어레이(sensor array)로 구현함으로써, 온도, 스트레인, 압력, 가속도, 변위 등의 다양한 파라미터에 민감도를 가질 수 있으며, 하나의 광원을 통해 모든 파라메터의 값을 획득할 수도 있다.In particular, FBG sensors have characteristics suitable for multiplexing. For example, hundreds of FBG sensors can be formed on a single fiber, and the FBG sensor's Bragg gratings can be placed closer together within a few millimeters, or even a few kilometers away. In addition, the impact detection system can be sensitive to various parameters such as temperature, strain, pressure, acceleration, displacement, etc. by appropriately packaging the FBG sensor and implementing it as a sensor array. Value. ≪ / RTI >
인터로게이션 시스템은 상대적으로 고가이기 때문에 하나의 인터로게이션 시스템으로 복수의 광섬유 채널들을 커플링할 수 있다. 광섬유 채널들은 하나의 패널 또는 복수의 패널로 구성함으로써 각 패널이 특정 영역의 구조물을 모니터링하도록 구성할 수 있다. 따라서, 인터로게이션 시스템을 포함하는 충격 감지 시스템은 국제 우주 정거장과 같이 복잡한 우주 구조물에도 적용이 가능하다. 한편, 상대적으로 단순한 구조를 갖는 큐브 위성에는 저가의 인터로게이션 시스템을 적용하여 구현함으로써 비용을 절감할 수 있다. 이와 같이, 충격 감지 시스템은 유연한 구조로 구현될 수 있으므로, 우주 구조물 등에 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 충격 감지 시스템은 광손실이 거의 없고 누화가 발생하지 않는 광섬유를 이용하여 안정적으로 구조물에 가해지는 충격을 감지할 수 있다.Since the interrogation system is relatively expensive, it is possible to couple a plurality of fiber channels to one interrogation system. The optical fiber channels may be composed of one panel or a plurality of panels so that each panel can be configured to monitor the structure of a specific area. Thus, the impact detection system, including the interrogation system, is also applicable to complex space structures such as the International Space Station. On the other hand, cost can be reduced by applying a low-cost interrogation system to a cube satellite having a relatively simple structure. Thus, since the shock detection system can be implemented with a flexible structure, it can be applied variously to space structures and the like. In addition, the impact detection system can detect the shock applied to the structure stably by using the optical fiber which has little light loss and does not cause crosstalk.
도 5에 도시된 바와 같이, 충격 감지 시스템의 광섬유 채널들(CH1 내지 CH5)은 하나의 패널(PN)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 구조물 일면 전체에 센서를 여러 개의 광섬유 채널들(CH1 내지 CH5)로 구성할 수 있다. 이 경우, 일부 광섬유 채널이 파손되더라도 파손되지 않은 광섬유 채널을 이용하여 구조물 일면에 대한 충격 감지 모니터링을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 5, the optical fiber channels CH1 to CH5 of the shock detection system may be formed on one panel PN. For example, the sensor may be composed of a plurality of optical fiber channels (CH1 to CH5) on one surface of the structure. In this case, even if some of the optical fiber channels are broken, impact monitoring on one side of the structure can be performed using the unbroken optical fiber channel.
충격 감지 시스템의 FBG 센서들은 다중화의 장점이 충분히 발휘되도록 배치될 수 있다.The FBG sensors of the impact detection system can be arranged so that the merits of multiplexing are sufficiently exhibited.
일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 센서들(C1 내지 C3)이 매트릭스(matrix) 형태로 배치되도록, 광섬유 채널들(CH1 내지 CH3)이 지그재그 형상을 갖도록 연장될 수 있다. 이 경우, 광섬유 채널들(CH1 내지 CH3)을 서로 교차하여 리던던시(redundancy) 구조로 배열됨으로써 충격을 전방향에서 민감하게 측정하고 채널 일부가 손상된 경우에도 전반적인 영역에 대해 모니터링할 수 있다.In one embodiment, as shown in Fig. 6, the optical fibers CH1 to CH3 can be extended to have a zigzag shape so that the sensors C1 to C3 are arranged in a matrix form. In this case, since the optical fiber channels CH1 to CH3 are arranged in a redundancy structure intersecting each other, the impact can be measured sensitively in all directions and the entire region can be monitored even if a part of the channel is damaged.
다른 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 광섬유 채널들(CH1 내지 CH3)에 각각에 포함된 센서들은 서로 동일한 방향(예를 들어, 제1 방향(D1))으로 배치될 수 있다. FBG 센서의 경우, 광섬유 길이 방향으로 굴절율이 다른 격자(grating)가 새겨지고, 이 격자들에 의해서 센싱이 이루어지므로, 광섬유 길이 방향으로 FBG 센서가 민감성을 가질 수 있다. 반면에, 광섬유의 횡 방향은 광섬유의 길이 방향보다 덜 민감할 수 있다. 따라서, 모든 센서를 동일한 방향으로 배열할 경우, 센서 양측면으로 타원형의 유효 측정 범위가 형성될 수 있으므로. 최대한 전체 범위가 커버되도록 센서를 배열할 수 있다. 예를 들어, 제2 광섬유 채널(CH2)은 제1 방향(D1)으로 연장되도록 배치하고, 제1 및 제3 광섬유 채널들(CH1 및 CH3)은 제2 광섬유 채널(CH2)를 중심으로 지그재그 형상으로 배치될 수 있다.In another embodiment, as shown in Fig. 7, the sensors included in each of the optical fiber channels CH1 to CH3 may be arranged in the same direction (for example, the first direction D1). In case of the FBG sensor, gratings having different refractive indexes are inserted in the longitudinal direction of the optical fiber, and the sensing is performed by these gratings, so that the FBG sensor can be sensitive in the longitudinal direction of the optical fiber. On the other hand, the lateral direction of the optical fiber may be less sensitive than the longitudinal direction of the optical fiber. Therefore, when all the sensors are arranged in the same direction, an effective elliptical measuring range can be formed on both sides of the sensor. The sensors can be arranged to cover the full range as much as possible. For example, the second optical fiber channel CH2 is arranged to extend in the first direction D1, and the first and third optical fiber channels CH1 and CH3 are arranged in a zigzag shape around the second optical fiber channel CH2 As shown in FIG.
도 8에 도시된 바와 같이, 광섬유 채널들은 복수의 패널들(PN1 내지 PN4)에 형성될 수 있다. 이와 같이, 구조물의 복수의 영역으로 나누고, 각 영역에 센서들이 배열된 패널을 배치할 수 있다. 이 경우, 어느 한 패널에 충격에 의한 손상이 발생하였는지 확인하여 쉽게 교체할 수 있으므로, 효율적인 보수가 가능하며, 각 패널이 따로따로 설치될 수 있어 구조물에 적용이 용이하다. 패널이나 면적이 분할된 형태로 구성할 경우, 각각 패널에 포함된 센서들을 별개로 고려할 수 있으므로, 알고리즘 수행의 메모리 소비 혹은 처리 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 패널 형태로 미리 센서가 적용된 상태로 충격 감지 시스템을 제작할 수 있으므로, 대량 생산 및 품질 관리가 용이할 수 있다.As shown in FIG. 8, the optical fiber channels may be formed in the plurality of panels PN1 to PN4. In this way, it is possible to divide the structure into a plurality of regions, and arrange the panels in which the sensors are arranged in each region. In this case, since it is possible to check whether any one panel is damaged by an impact, the panel can be easily replaced. Thus, it is possible to repair efficiently, and each panel can be separately installed, so that the panel can be easily applied to a structure. When the panel or the area is divided, the sensors included in the panel can be separately considered, thereby reducing the memory consumption or processing time of the algorithm execution. In addition, since the impact sensing system can be manufactured in a state in which the sensor is applied in the form of a panel in advance, mass production and quality control can be facilitated.
일 실시예에서, 광섬유 채널들(CH1 내지 CH3)은 삼각 로제트(triangular rosette) 형상으로 배치될 수 있다. 즉, 각 로제트가 삼각형 형태로 배치된 3개의 센서로 구성됨으로써 거의 전방향에 대한 충격을 민감하게 센싱할 수 있으며, 각 로제트마다 원형의 넓은 유효 측정 범위를 가질 수 있다. 이 때, 인접한 로제트들은 서로 다른 광섬유 채널들에 연결되도록 구성함으로써 내구성을 높일 수 있다.In one embodiment, the optical fiber channels CH1 to CH3 may be arranged in a triangular rosette shape. That is, each of the roots is constituted by three sensors arranged in a triangular shape, so that it is possible to sensitively sense impacts in almost all directions and can have a wide effective measurement range of a circle for each rosette. At this time, the adjacent roots may be connected to different optical fiber channels to increase durability.
비록, 도 8은 각 패널에 광섬유 채널들이 삼각 로제트 형태로 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 각 패널은 매트릭스 형태로 배열된 센서를 포함할 수 있다. 또한, 도 8은 각 패널에 광섬유 채널들이 동일한 형태로 배치된 것으로 도시하였으나, 충격 감지 시스템의 각 패널은 배치되는 구조물의 특성에 따라 서로 다른 형태로 배치된 광섬유 채널들을 포함할 수 있다.Although FIG. 8 shows that the optical fiber channels are arranged in triangular rosettes in each panel, it is not limited thereto. For example, each panel may include a sensor arrayed in a matrix. In addition, although FIG. 8 shows that the optical fiber channels are arranged in the same form in each panel, each panel of the impact detection system may include optical fiber channels arranged in different forms according to the characteristics of the structure to be disposed.
이와 같이, 충격 감지 시스템의 다중화 특성을 이용하여 임무기간이 보통 몇 년에서 수십년으로 예상되는 우주 구조물에 충격이 발생하더라도 충격 감지 시스템이 온전하게 유지 및 운영될 수 있다. 즉, 충격 감지 시스템이 구조물의 감지 대상 영역에 대해 리던던시(redundancy) 구조로 센서를 배치할 수 있다. 이에 따라, 충격 감지 시스템은 광섬유 채널들을 서로 교차하여 다양하게 배치함으로써 광섬유가 파손되는 경우 손상된 코어 이후에 연결된 센서들에는 광선이 도달하지 못해 충격 모니터링 신호를 센싱할 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 서로 교차하여 다중화된 광섬유 채널들은 일부 광섬유 채널들이 중간에 손상되더라도 전반적인 전역에 대한 모니터링이 가능하다. 따라서, 충격 감지 시스템은 광섬유 채널들을 다중화하고 센서를 촘촘히 배치함으로써 내구성을 높일 수 있다.Thus, using the multiplexing characteristics of the impact detection system, the impact detection system can be fully maintained and operated even when the impact occurs on a space structure whose mission period is expected to be several years to several decades. That is, the impact sensing system can place the sensor in a redundancy structure with respect to the sensing target area of the structure. Accordingly, when the optical fiber is broken by arranging the optical fiber channels crossing each other variously, the impact detection system can solve the problem that the light sensor can not reach the sensors connected after the damaged core and can not sense the impact monitoring signal. That is, even though some of the optical fiber channels are damaged in the middle, the optical fiber channels crossing and crossing each other can be monitored over the entire area. Therefore, the impact detection system can increase the durability by multiplexing the optical fiber channels and closely arranging the sensors.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 방법을 나타내는 순서도이다. 도 11 내지 도 15는 도 10a 및 도 10b의 충격 감지 방법에 의해 수행된 초고속 충격 검출 실험을 설명하기 위한 그래프들이다.10A and 10B are flowcharts illustrating a method for detecting a shock according to embodiments of the present invention. FIGS. 11 to 15 are graphs for explaining the ultra-high speed impact detection experiment performed by the impact detection method of FIGS. 10A and 10B.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호를 수신하고, 충격 모니터링 신호의 파장의 변화에 기초하여 극한의 환경(예를 들어, 우주 환경)의 구조물에서 발생될 수 있는 초고속 대역의 충격을 용이하게 감지할 수 있다.10A and 10B, the shock detection system receives an impact monitoring signal and, based on a change in the wavelength of the impact monitoring signal, detects an ultrafast bandwidth (e.g., It is possible to easily detect the impact of the vehicle.
구체적으로, 임계값 트리거(trigger) 모드(MODE1), 잔차 트리거 모드(MODE2), 주파수 모니터링 모드(MODE3) 중 하나가 검출 모드로서 선택(S110)되고, 센서로부터 수신된 충격 모니터링 신호를 모니터링 할 수 있다. 여기서, 임계값 트리거 모드(MODE1)는 충격 모니터링 신호의 변형 또는 충격 모니터링 신호의 파장에 대한 임계값을 정하여 측정하는 방법이다. 잔차 트리거 모드(MODE2)는 초기 압축 신호 후에 나타나는 잔차 파장 변화가 충격전의 0에 가까운 노이즈(noise)로 돌아오는지 시간을 관찰하여 측정하는 방법이다. 주파수 모니터링 모드(MODE3)는 충격 모니터링 신호에 대한 푸리에 변환(fourier transform)을 수행함으로써 주파수에 대한 진폭 분포를 포함하는 변환 데이터를 도출하고, 변환 데이터에 기초하여 저속/고속/초고속 대역 충격 여부를 판단하기 위한 저속/고속/초고속 주파수 대역들에서 주파수 피크가 존재하는지 여부를 확인하여 저속/고속/초고속 대역 충격을 각각 감지하는 방법이다.Specifically, one of the threshold trigger mode (MODE1), the residual trigger mode (MODE2) and the frequency monitoring mode (MODE3) is selected as the detection mode (S110) and the shock monitoring signal received from the sensor have. Here, the threshold trigger mode (MODE1) is a method of determining a threshold value for the wavelength of the shock monitoring signal or the deformation of the impact monitoring signal. The residual trigger mode (MODE2) is a method of observing the time when the residual wavelength change appearing after the initial compression signal returns to noise close to zero before impact. The frequency monitoring mode (MODE3) derives the converted data including the amplitude distribution with respect to the frequency by performing a fourier transform on the impulse monitoring signal, and judges whether the low / high speed / Speed / high-speed / high-speed frequency bands for detecting a low-speed / high-speed / ultra-high-speed band impulse.
임계값 트리거 모드(MODE1)에서, 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호의 파장이 제1 임계 범위를 초과하도록 변경되는 경우 충격 감지 동작을 초기화(S130)하고, 제1 시점(T1)을 도출(S132)할 수 있다. 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호의 파장이 제2 임계 범위 이내로 되돌아오는지 여부를 확인(S134)하고, 제2 시점(T2)을 도출(S136)할 수 있다. 충격 감지 시스템은 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격 속도를 감지(S138)할 수 있다. 이 때, 최대한 넓은 충격 속도 영역에서 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 사이의 시간 길이에 대한 데이터베이스를 구축함으로써 효과적으로 구조물에 가해지는 충격을 감지할 수 있다. 충격 감지 시스템은 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 사이의 시간 길이에 기초하여 충격이 저속 대역, 고속 대역, 초고속 대역 중 어느 영역에 속하는 지와 충격 속도를 판단할 수 있다. 예를 들어, 저속 대역의 충격에 해당하는 해머 충격의 경우 임계값 영역 내로 되돌아올 때까지의 시간이 초고속 대역의 충격에 비하여 매우 길기 때문에, 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 사이의 시간 길이에 기초하여 속도 영역 판단과 충격 속도의 측정이 가능하다.In the threshold trigger mode (MODE1), when the wavelength of the impact monitoring signal is changed to exceed the first threshold range, the impact detection system initializes the impact sensing operation (S130), derives the first time point (T1) can do. The impact detection system can confirm whether or not the wavelength of the impact monitoring signal is returned to within the second critical range at step S134 and derive the second time point T2 at step S136. The impact detection system may detect the impact velocity occurring in the structure based on the time length between the first point of time T1 and the second point of time S138. At this time, by building a database on the time length between the first point of time T1 and the second point of time T2 in the maximum possible impact velocity range, the impact applied to the structure can be effectively detected. The impact detection system can determine the impact speed in which of the low-speed band, the high-speed band, and the ultra-high-speed band the impact belongs based on the time length between the first time T1 and the second time T2. For example, in the case of the hammer impact corresponding to the impact of the low-speed band, since the time from the start of the return to the threshold region is very long compared with the impact of the high-speed band, It is possible to judge the velocity region and measure the impact velocity based on the time length of the impact region.
잔차 트리거 모드(MODE2)에서, 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제3 임계 범위를 초과하도록 변경되는 경우, 충격 감지 동작을 초기화(S140)하고, 제3 시점(T3)을 도출(S142)할 수 있다. 여기서, 충격 모니터링 신호의 잔차는 기준 샘플링 신호와 비교하여 도출되거나, 이전 또는 직전에 감지한 충격 모니터링 신호와 비교하여 도출될 수 있다. 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호의 파장의 잔차가 제4 임계 범위 이내로 되돌아오는지 여부를 확인(S144)하고, 제4 시점(T4)을 도출(S146)할 수 있다. 충격 감지 시스템은 제3 시점(T3)과 제4 시점(T4) 사이의 시간 길이에 기초하여 구조물에 발생한 충격을 감지(S148)할 수 있다. 일 예에서, 제3 시점(T3)과 제4 시점(T4) 사이의 시간 길이가 임계값 이상인 경우, 센서 혹은 구조물에 상당한 충격이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 다른 예에서, 제4 시점(T4)이 측정되지 않는 경우 초고속 충격에 의해 돌이킬 수 없는 파손이 발생한 것으로 판단할 수 있다.In the residual trigger mode (MODE2), when the residual of the wavelength of the impact monitoring signal is changed to exceed the third threshold range, the impact detection system initializes the shock detection operation (S140) and derives the third time point (T3) S142). Here, the residual of the impact monitoring signal may be derived by comparison with the reference sampling signal or compared with the impact monitoring signal detected before or immediately before. The impact detection system can determine whether the residual of the wavelength of the impact monitoring signal is within the fourth critical range (S144), and derive the fourth time T4 (S146). The impact detection system can detect the impact generated in the structure based on the time length between the third time point T3 and the fourth time point T4 (S148). In one example, when the length of time between the third time point T3 and the fourth time point T4 is equal to or greater than the threshold value, it can be determined that a considerable impact has occurred in the sensor or the structure. In another example, when the fourth time point T4 is not measured, it can be determined that irreversible damage has occurred due to the ultra-high speed impact.
주파수 모니터링 모드(MODE3)에서, 충격 감지 시스템은 충격 감지 동작을 초기화(S150)하고, 제5 시점(T5)을 도출(S152)하며, 제5 시점(T5)으로부터 기준 충격 유효 시간 동안의 충격 모니터링 신호에 대한 푸리에 변환을 수행(S154)할 수 있다. 일 실시예에서, 충격 감지 시스템은 기 지정된 주기마다 충격 감지 동작을 초기화하거나 특정 이벤트가 발생한 경우 충격 감지 동작을 초기화(S150)하고, 제5 시점(T5)을 도출(S152)할 수 있다. 일 예에서, 충격 감지 시스템은 기준 충격 유효 시간마다 충격 감지 동작을 초기화할 수 있다. 다른 예에서, 충격 모니터링 신호의 파장이 제1 임계 범위를 초과하도록 변경되는 경우 충격 감지 동작을 초기화할 수 있다. 충격 감지 시스템은 푸리에 변환(fourier transform)을 수행함으로써 도출된 변환 데이터에서 주파수 피크가 존재하는지 여부를 확인하여 충격을 감지할 수 있다. 예를 들어, 변환 데이터의 초고속 주파수 대역에 주파수 피크가 포함된 경우, 초고속 대역 충격이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 다른 예에서, 변환 데이터의 초고속 주파수 대역에 주파수 피크가 포함되지 않고, 저속 주파수 대역에 주파수 피크가 포함된 경우, 저속 대역 충격이 발생한 것으로 판단할 수 있다.In the frequency monitoring mode (MODE3), the impact detection system initializes the shock detection operation (S150), derives the fifth time point (T5) (S152), and starts monitoring the impact from the fifth time point (T5) Fourier transform on the signal can be performed (S154). In one embodiment, the impact detection system may initialize an impact detection operation at predetermined intervals or initialize an impact detection operation when a specific event occurs (S150), and derive a fifth time point T5 (S152). In one example, the impact sensing system may initiate an impact sensing operation at each reference impact validity time. In another example, a shock sensing operation may be initiated if the wavelength of the impact monitoring signal is varied to exceed the first threshold range. The impact detection system can detect an impact by checking whether a frequency peak exists in the transformed data derived by performing a fourier transform. For example, if a frequency peak is included in the ultra high-speed frequency band of the conversion data, it can be determined that an ultra-high-speed band impact has occurred. In another example, when the frequency peak is not included in the high-speed frequency band of the conversion data and the frequency peak is included in the low-speed frequency band, it can be determined that the low-speed band impact has occurred.
또한, 구조물에 충격이 발생한 경우, 센서들이 충격 모니터링 신호를 각각 센싱하므로, 센서들에서 취득한 신호들은 충격 감지 시간이 각각 다를 것이다. 즉, 충격 위치에서부터 충격파가 각 센서까지 도달하는 시간이 다르기 때문에 이를 이용하여 기본적인 삼각 측량(triangulation) 기법을 이용하여 충격 위치를 검출할 수 있다. 초고속 대역의 충격이 발생하는 경우, 충격 위치를 검출하기 위한 도달 시간의 차이가 매우 작을 것이므로, kHz 대역의 샘플링 레이트(sampling rate)가 요구된다. 반면에, 저속 대역 및 고속 대역의 충격의 경우 더 낮은 샘플링 레이트로 충격 위치를 검출할 수 있으므로, 구조물의 종류 및 목적에 따라 샘플링 레이트를 결정할 수 있다.Further, when an impact occurs in the structure, since the sensors sense the impact monitoring signals, respectively, the signals obtained from the sensors will have different impact detection times. That is, since the time from the impact position to the shock wave reaches each sensor is different, it is possible to detect the impact position using a basic triangulation technique. When an ultra high-speed band impact occurs, the difference in arrival time for detecting the impact position is very small, so a sampling rate in the kHz band is required. On the other hand, since the impact position can be detected at a lower sampling rate in the case of impacts in the low-speed and high-speed bands, the sampling rate can be determined according to the type and purpose of the structure.
비록, 도 10a 및 도 10b에서는 임계값 트리거 모드(MODE1), 잔차 트리거 모드(MODE2), 주파수 모니터링 모드(MODE3) 중 하나의 검출 모드가 선택되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호를 동시에 임계값 트리거 모드(MODE1)와 잔차 트리거 모드(MODE2)로 충격을 감지할 수 있다.Although FIGS. 10A and 10B illustrate that one of the threshold trigger mode (MODE1), the residual trigger mode (MODE2), and the frequency monitoring mode (MODE3) is selected, the present invention is not limited thereto. For example, the impact detection system can simultaneously detect the impact of a shock monitoring signal in a threshold trigger mode (MODE1) and a residual trigger mode (MODE2).
도 11 및 도 12를 참조하면, 충격 감지 방법은 광섬유 채널들을 이용하여 초고속 대역의 충격을 용이하게 감지할 수 있다.Referring to FIGS. 11 and 12, the impact detection method can easily detect an impact of an ultra high-speed band using optical fiber channels.
2단 가스건을 이용한 2-3km/s 대역의 초고속 충격 실험을 수행함으로써 초고속 대역의 충격에 대한 신호 형태를 도출하였다. [0/90]2S stacking sequence의 복합재료 시편을 제작하였고 가운데 층에 FBG 센서가 충격 위치와 수직을 이루도록 배치된 45도 구성 시편(제1 실험예)과 FBG 센서가 충격 위치(시편 중심)을 향하도록 배치된 135도 구성 시편(제2 실험예)을 각각 2.46km/s과 2.84km/s 속도로 5.56mm 알루미늄 구 발사체로 가격하였다. 각각 100kHz 샘플링 레이트로 초고속 충격 실험에 대한 신호 형태를 도출하였다. A high - speed shock test of 2-3km / s band using a two - stage gas tank was conducted to derive the signal form for the impact of the ultra - high speed band. [0/90] Composite specimens of 2S stacking sequence were fabricated. In the middle layer, the FBG sensor was arranged perpendicular to the impact position, and the FBG sensor was placed at the impact position (specimen center) (Second experimental example) were priced at 5.56mm aluminum ball projectile at 2.46km / s and 2.84km / s, respectively. Signals for the ultrafast impact test were derived at 100kHz sampling rates, respectively.
제1 실험예 및 제2 실험예에서, 신호가 매우 짧은 시간 (예를 들어, 약 0.2 내지 0.3초)내에 압축적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 센서가 충격 위치와 수직인 제1 실험예의 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 인장 변형률(tensile strain) (즉, 양값의 파장 변화)가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 센서가 충격 위치로 향한 제2 실험예의 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 압축 변형률(compressive strain) (즉, 음값의 파장 변화)가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.In the first experimental example and the second experimental example, it was confirmed that the signal occurs in a compressible manner within a very short time (for example, about 0.2 to 0.3 second). Also, in the case of the first experimental example in which the sensor is perpendicular to the impact position, it was confirmed that the tensile strain (that is, the change in the wavelength of the positive value) was large as shown in FIG. On the other hand, in the case of the second experimental example in which the sensor is directed to the impact position, it was confirmed that a compressive strain (that is, a change in the wavelength of the sound wave) appears as shown in FIG.
또한, 실시예1 및 실시예2에서, 충격전의 0에 가까운 노이즈로 바로 돌아오지 않고 약 0.01 내지 0.02nm 파장 변화 정도의 잔차 영향이 일정 시간 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 인장 변형률과 압축 변형률의 차이는 FBG 센서의 방향에 따라 발생하였다. 직교 복합재료 stacking sequence 시편을 준비했기 때문에 충격파는 십자가 모양으로 전파되었을 것으로 추정되며, 이 충격파는 초기에 충격에 의해 tensile strain을 일으켜 반대로 충격 위치를 바라보는 대각선으로 위치한 135도 센서는 compression을 경험하고 이 십자가 모양의 tension에 의해 45도 센서는 tension을 더 강하게 경험하는 것으로 추정된다.It was also confirmed that in Examples 1 and 2, the residual influence of the degree of wavelength change of about 0.01 to 0.02 nm was maintained for a certain period of time without immediately returning to a noise close to 0 before impact. The difference between the tensile strain and compressive strain occurred along the direction of the FBG sensor. Because of the orthogonal composite stacking sequence specimen, shock waves are assumed to have propagated in the shape of a cross. This shock wave initially caused tensile strain due to impact. On the contrary, diagonal 135 degree sensor With this cross-shaped tension, the 45 degree sensor is presumed to experience a stronger tension.
이와 같이, 충격 감지 시스템은 충격 모니터링 신호의 파장에 대한 절대적 크기에 기초하여 충격을 감지(즉, 임계값 트리거 모드)하거나, 초기 압축 신호 후에 나타나는 잔차 파장 변화에 기초하여 초고속 대역 충격을 감지(즉, 잔차 트리거 모드)할 수 있다.Thus, the impact detection system can sense the impact (i. E., In the threshold trigger mode) based on the absolute magnitude of the impact monitoring signal's wavelength, or detect the ultra high speed impact based on the residual wavelength change appearing after the initial compression signal , Residual trigger mode).
도 13 내지 도 15를 참조하면, 충격 감지 시스템은 기준 충격 유효 시간 동안의 충격 모니터링 신호에 대한 푸리에 변환을 수행하여 변환 데이터를 도출하고, 변환 데이터의 각 주파수 대역에 주파수 피크가 존재하는지 여부를 확인함으로써 각 대역 충격(예를 들어, 저속 대역 충격 또는 초고속 대역 충격)을 감지할 수 있다.13 to 15, the impact detection system performs Fourier transform on the impact monitoring signal during the reference impact effective time to derive the transformed data, and determines whether there is a frequency peak in each frequency band of the transformed data To detect each band impulse (e.g., low band impulse or ultra high speed impulse).
도 13에 도시된 바와 같이, 구조물에 저속 대역의 충격에 해당하는 해머 충격을 가하고, 기준 충격 유효 시간 동안의 충격 모니터링 신호에 대한 고속 푸리에 변환(fast fourier transform; FFT)을 수행하였다. 이 경우, 저속 대역 충격을 확인하기 위한 변환 데이터의 저속 주파수 대역(LB) (예를 들어, 약 42kHz 내지 약 44kHz)에서 주파수 피크가 발생함을 확인하였다.As shown in FIG. 13, a hammer impact corresponding to a low-speed impact was applied to the structure, and a fast fourier transform (FFT) was performed on the impact monitoring signal during the reference impact time. In this case, it was confirmed that a frequency peak occurs in the low-frequency band LB (for example, about 42 kHz to about 44 kHz) of the converted data for confirming the low-speed band impact.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 구조물에 초고속 대역의 충격에 해당하는 가스건 충격을 가하고, FBG 센서가 충격 위치와 수직을 이루도록 배치된 45도 센서(도 14)와 FBG 센서가 충격 위치을 향하도록 배치된 135도 센서(도 15)에서 수신된 충격 모니터링 신호에 대한 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하였다. 이 경우, 저속 주파수 대역(LB)에서 동일하게 주파수 피크가 발생하였으나, 초고속 대역 충격을 확인하기 위한 초고속 주파수 대역(UB) (예를 들어, 약 26kHz 내지 약 40kHz)에서 기준치 이상의 주파수 피크가 발생함을 확인하였다.As shown in FIGS. 14 and 15, a 45-degree sensor (FIG. 14) and a FBG sensor arranged so that the FBG sensor is perpendicular to the impact position and the FBG sensor are placed in the impact position A fast Fourier transform (FFT) was performed on the received shock monitoring signal at a 135 degree sensor (Fig. In this case, although the same frequency peak occurs in the low frequency band LB, a frequency peak exceeding the reference value occurs in the ultra high-speed frequency band UB (for example, about 26 kHz to about 40 kHz) Respectively.
따라서, 충격 감지 시스템은 초고속 주파수 대역(UB)에 주파수 피크가 포함된 경우, 초고속 대역 충격이 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 변환 데이터의 초고속 주파수 대역(UB)에 주파수 피크가 포함되지 않고 저속 주파수 대역(LB)에 주파수 피크가 포함된 경우, 저속 대역 충격이 발생한 것으로 판단할 수 있다.Therefore, when the frequency peak is included in the ultra high-speed frequency band UB, the impact detection system can determine that an ultra-high frequency band shock has occurred, It can be determined that a low-speed band impact has occurred when the frequency peak is included in the low-frequency band LB.
이상, 본 발명의 실시예들에 따른 충격 감지 시스템 및 충격 감지 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기에서는 센서가 FBG(fiber bragg grating) 센서인 것으로 설명하였으나, 센서의 종류는 이에 한정되지 않고 다양한 광섬유 센서가 적용될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. And can be modified and changed by those skilled in the art. For example, in the above description, the sensor is a FBG (fiber bragg grating) sensor. However, the type of the sensor is not limited thereto and various optical fiber sensors can be applied.
본 발명은 초고속 충격을 감지하기 위한 다양한 충격 감지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 인공위성, 국제 우주 정거장, 등의 우주 구조물에 가해지는 초고속 충격을 감지하기 위한 충격 감지 시스템에 적용될 수 있다.The present invention can be applied to various shock detection systems for detecting an ultrahigh speed impact. For example, the present invention can be applied to an impact detection system for detecting ultra high-speed impact applied to a space structure such as a satellite, an international space station, and the like.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. You will understand.
100, 100-1 내지 100-n: 광섬유 채널
110: 센서 120: 코어
130: 클래딩 140: 제1 코팅막
150: 제2 코팅막 160: 보호 튜브
200: 인터로게이션 시스템 210: 광원부
220: 스캔 제어부 230: 커플러 네트워크부
240: 프로세서 250: 감지부
1000: 충격 감지 시스템100, 100-1 to 100-n: optical fiber channels
110: sensor 120: core
130: cladding 140: first coating layer
150: second coating film 160: protective tube
200: Interrogation system 210: Light source
220: scan control unit 230: coupler network unit
240: Processor 250:
1000: Shock Detection System
Claims (11)
광섬유 및 상기 광섬유에 형성되고 충격 모니터링 신호를 센싱하는 적어도 하나의 FBG(fiber bragg grating) 센서(110)를 각각 포함하는 광섬유 라인을 복수 개 포함하고, 상기 복수 개의 광섬유 라인들이 서로 교차하여 다중화된 리던던시(redundancy) 구조로 배열되는 복수의 광섬유 채널들(100-1, 100-2, ..., 100-n); 및
상기 복수의 광섬유 채널들을 다중화된 커플링하고, 상기 광섬유 채널들로부터 상기 충격 모니터링 신호를 수신하고, 상기 충격 모니터링 신호의 파장의 변화에 기초하여 상기 항공 우주 구조물에 가해지는 충격을 감지하는 인터로게이션(interrogation) 시스템(200)을 포함하고,
상기 인터로게이션 시스템은 광을 방사하는 광원부(210), 상기 광원부에서 방사된 광원을 조정하여 상기 복수의 광섬유 채널에 제공하는 스캔 제어부(220), 광이 상기 복수의 광섬유 채널들에 적절히 분배될 수 있도록 상기 광을 분기하는 커플러 네트워크부(230), 반사된 광을 충격 모니터링 신호로서 수신하는 감지부(250), 상기 감지부가 제공하는 충격 모니터링 신호에 기초하여 상기 구조물에 발생한 충격을 감지하는 프로세서(240)를 포함하며,
상기 인터로게이션 시스템의 상기 프로세서는 상기 충격 모니터링 신호에 대한 푸리에 변환을 수행함으로써 주파수에 대한 진폭 분포를 포함하는 변환 데이터를 도출하고, 상기 변환 데이터의 각 주파수 대역에 주파수 피크가 존재하는지 여부를 확인함으로써 상기 항공 우주 구조물에 발생한 충격을 충격 속도별로 구별하여 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 충격 감지 시스템(1000). A system for sensing an external impact on an aerospace structure,
A fiber bragg grating (FBG) sensor 110 formed on the optical fiber and sensing an impact monitoring signal, the plurality of optical fiber lines each including a plurality of optical fiber lines, a plurality of optical fiber channels 100-1, 100-2, ..., 100-n arranged in a redundancy structure; And
An interrogation module for multiplexing the plurality of fiber channels and receiving the impact monitoring signal from the optical fiber channels and detecting an impact applied to the aerospace structure based on a change in wavelength of the impact monitoring signal, an interrogation system 200,
The interrogation system includes a light source 210 for emitting light, a scan controller 220 for adjusting a light source emitted from the light source to provide the light to the plurality of optical fiber channels, A detector 250 for receiving the reflected light as an impact monitoring signal, a processor 250 for detecting an impact generated in the structure based on the impact monitoring signal provided by the sensing unit, (240)
Wherein the processor of the interrogation system derives transformed data that includes an amplitude distribution for a frequency by performing a Fourier transform on the impulse monitoring signal and determines whether a frequency peak exists in each frequency band of the transformed data Wherein the shock detection system (1000) is capable of distinguishing shocks generated in the aerospace structure by impact velocity.
상기 광섬유 채널들 각각은 상기 구조물의 외부와 내부의 경계 영역에서 상기 광섬유를 둘러싸는 보호 튜브(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 감지 시스템.2. The optical fiber module of claim 1, wherein at least a portion of each of the optical fiber channels is inserted into the interior of the structure,
Wherein each of the optical fiber channels further comprises a protective tube (160) surrounding the optical fiber in a boundary region between the outside and inside of the structure.
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