KR20120051507A - 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법 - Google Patents

비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에 관한 것으로, 구조물에 펄스 레이저를 조사하여 구조물에 유도파를 가진하는 생성부와, 구조물에서 생성된 유도파를 비접촉식으로 계측하는 계측부 및 계측부에서 계측된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리부를 포함한다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 센서를 부착하거나 케이블을 사용하지 않고 비접촉식으로 구조물에 대한 진단이 가능하며, 높은 영상 해상도를 통하여 구조물의 손상을 신뢰성 있게 검출할 수 있다.

Description

비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법{NONCONTACT IMAGING DEVICE AND METHOD FOR NONDESTRUCTIVE TESTING}
본 발명은 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비접촉식으로 구조물에 유도파를 가진하고 계측하여 유도파가 전파하는 거동을 영상화함으로써, 구조물의 손상 여부를 시각적으로 파악할 수 있는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 구조물은 콘크리트 외에도 강재 등을 재료로 하여 일정한 설계에 따라 건설되는 것으로서, 거주용 건물과 비거주용 건물이 포함된다.
거주용 건물에는 아파트와 주택 등이 포함되고, 비거주용 건물에는 사회 기반시설인 터널, 교량. 원전 또는 플랜트 배관 등이 포함된다.
구조물의 강도는 시간이 지남에 따라 저하되므로, 구조물에 대한 안전한 사용을 위해서는 구조물에 대한 검사가 꾸준히 이루어져야 된다.
구조물에 대한 안전 검사 중에서 비파괴검사는 구조물에 대한 파괴 없이 구조물 내부의 기공이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결함 등을 검사한다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
기존 유도파 방식의 비파괴검사는 구조물에 부착된 압전소자가 유도파 가진과 센싱 기능을 하고, 전력케이블은 압전소자와 연결되어 유도파 신호를 송수신하고 있다.
그러나, 기존 유도파 방식의 비파괴검사는 소수지점에서만 측정이 가능하여 충분한 공간해상도와 시간해상도를 얻을 수 없고, 크기가 작은 구조물의 손상에 대하여 신뢰성 있게 감지하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 구조물에 부착된 센서는 시간이 지남에 따라 외부 환경변화에 의하여 노후화되고, 센서와 연결된 전력케이블의 길이가 길어질수록 신호 감쇠 및 왜곡이 발생하여 구조물 검사에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 비접촉식으로 구조물에 유도파를 생성하고 이를 비접촉식으로 계측하여 신호에 대한 왜곡이 없고 원거리에서 대상물에 대한 손상 여부를 판별하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 공간해상도와 시간해상도가 높은 유도파 영상을 구축하여 작은 크기의 손상에 대한 감지능력을 높이고, 자동화된 영상처리기법을 통해 구조물의 손상을 검사인력의 확인 없이도 판별할 수 있도록 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조물에 펄스 레이저를 조사하여 상기 구조물에 유도파를 가진하는 생성부; 상기 구조물에서 생성된 유도파를 비접촉식으로 계측하는 계측부; 및 상기 계측부에서 계측된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치를 제공한다.
상기 생성부는 상기 펄스 레이저를 조사하는 조사부; 및 상기 조사부에서 조사되는 상기 펄스 레이저를 다지점으로 분산하는 레이저방향조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저방향조절부에는 2개의 갈바노 거울이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저방향조절부는 로봇장치인 것을 특징으로 한다.
상기 레이저방향조절부는 매니퓰레이터인 것을 특징으로 한다.
상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 레이저 진동계인 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 진동계에는 2개의 갈바노 거울이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 적외선 카메라인 것을 특징으로 한다.
상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 레이저 간섭계인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 생성부가 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계; 상기 구조물에 생성되는 유도파를 계측부가 비접촉식으로 계측하는 단계; 및 상기 계측부가 계측한 데이터를 영상처리부가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법을 제공한다.
상기 생성부가 상기 펄스 레이저를 상기 구조물에 조사하는 단계는 상기 구조물에 대한 이미지를 촬영하여 좌표를 설정하는 단계; 상기 생성부가 상기 구조물에 상기 펄스 레이저를 조사하여 표식을 형성하는 단계; 상기 좌표의 기준점과 상기 표식을 일치화하는 단계; 상기 이미지 상에서 상기 펄스 레이저의 조사범위를 설정하는 단계; 및 상기 생성부가 상기 펄스 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 데이터를 상기 영상처리부가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계는 한 지점에서의 단위 계측시간 별로 상기 계측부를 통해 수신된 계측값을 색상별로 표시하여 2차원 이미지를 형성하는 단계; 한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 얻어진 2차원 이미지들을 통합하여 영상화하는 단계; 진동수-파수 영역 조작을 통하여 정상파 성분을 추출하는 단계; 상기 정상파 성분을 통하여 정상파 운동에너지를 추출하는 단계; 상기 정상파 운동에너지에 라플라스 필터를 적용하여 배경 노이즈를 제거하는 단계; 상기 구조물의 손상부분에 대한 이미지를 추출하는 단계; 및 상기 구조물의 손상부분에 대한 이미지를 이용하여 상기 구조물의 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 공간해상도와 시간해상도가 높은 유도파 영상을 구축하여 작은 크기의 손상에 대해서도 신뢰도 높은 감지가 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 케이블을 사용하지 않고 비접촉식으로 구조물의 손상 여부를 감지하므로, 부착센서의 신호감쇄나 왜곡이 억제되어 멀리 떨어진 구조물에 대해서도 정확한 손상 정보를 획득할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 구조물의 유도파 계측값을 색상별로 표시하고 이를 영상화함으로써, 검사자가 육안으로 식별이 용이한 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 정상파 운동에너지를 추출하고 이를 영상화함으로써, 층간박리의 위치를 특정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 라플라스 필터를 적용하여 정상파 운동에너지의 노이즈를 제거함으로써, 구조물의 손상 유무를 명확히 판별할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법은 구조물의 손상여부를 자동으로 감지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법에서 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계를 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법에서 영상처리부가 계측부를 통해 수신된 계측값을 바탕으로 손상 이미지를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에서 유도파 생성 및 계측 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에 의해 추출된 손상된 구조물 영상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법에서 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계를 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법에서 영상처리부가 계측부를 통해 수신된 계측값을 바탕으로 손상 이미지를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 구체적으로 나타내는 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에서 유도파 생성 및 계측 방식을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치 및 방법에 의해 추출된 손상된 구조물 영상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치(1)에는 생성부(10), 계측부(20) 및 영상처리부(30)가 구비된다.
생성부(10)는 구조물(40)에 펄스 레이저를 조사한다. 이러한 펄스 레이저가 구조물(40)에 조사되면, 구조물(40)에는 유도파가 생성된다.
즉, 펄스 레이저가 구조물(40)에 조사되면, 구조물(40) 표면에서의 열적 팽창을 유발하여 열탄성파(熱彈性波)가 생성된다. 이러한 열탄성파는 펄스파형을 가지므로 광대역의 주파수 영역에 걸쳐 분포되며 판형 구조물(40)에 입사되는 경우 유도파를 생성한다.
계측부(20)는 구조물(40)에서 생성된 유도파를 비접촉식으로 계측하고, 영상처리부(30)는 계측된 유도파 신호를 영상 이미지로 구현함으로써, 검사자가 구조물(40)의 손상 여부를 시각적으로 판단할 수 있도록 안내한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생성부(10)에는 조사부(11) 및 레이저방향조절부(12)가 구비된다. 조사부(11)는 펄스 레이저를 생성하여 구조물(40)로 조사한다. 레이저방향조절부(12)는 조사부(11)와 구조물(40) 사이에 위치되고, 펄스 레이저를 다지점으로 분산한다.
즉, 조사부(11)는 구조물(40)의 동일 지점을 향해 지속적으로 펄스 레이저를 조사하고, 레이저방향조절부(12)는 펄스 레이저의 진행 방향을 변경하여 구조물(40)의 다지점으로 펄스 레이저가 골고루 도달되도록 한다.
레이저방향조절부(12)에는 갈바노 거울이 구비된다. 이러한 갈바노 거울은 전압에 따라 거울의 각도가 변경되어 펄스 레이저 신호를 원하는 위치로 반사시킨다. 이러한 레이저방향조절부(12)에는 2개의 갈바노 거울이 구비되어 펄스 레이저가 2차원으로 조사된다.
레이저방향조절부(12)에는 갈바노 거울 외에 펄스 레이저의 조사 각도를 변경할 수 있는 로봇장비나 기타 매니퓰레이터를 활용하여도 무방하다. 여기서 로봇장비는 자동으로 펄스 레이저의 조사 각도를 변경하는 기계장치를 통칭하고, 매니퓰레이터를 사람의 팔 형상을 하여 펄스 레이저의 조사각도를 변경하는 장치를 일컫는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계측부(20)에는 레이저 진동계가 사용된다.
레이저 진동계는 도플러 효과를 이용하여 구조물(40)의 변위를 측정한다. 도플러 효과는 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 중 하나 이상이 운동하고 있을 때 발생하는 효과로, 파원과 관측자 사이의 거리가 좁아질 때에는 파동의 주파수가 더 높게, 거리가 멀어질 때에는 파동의 주파수가 더 낮게 관측된다.
따라서, 펄스 레이저가 구조물(40)에 조사될 경우, 구조물(40)의 진동에 따라 입사 레이저와 반사 레이저의 주파수가 달라진다. 이를 통하여 구조물(40) 표면의 속도와 변위를 측정할 수 있다.
레이저 진동계에는 2개의 갈바노 거울이 설치되어 2차원에 대한 스캐닝이 가능하다.
계측부(20)에는 레이저 진동계 외에 비접촉식으로 유도파를 측정할 수 있는 레이저 간섭계, 적외선 카메라 등을 사용하여도 무방하다.
영상처리부(30)는 계측부(20)를 통해 수신된 정보를 이미지로 추출한다. 이와 같이 추출된 영상 이미지는 검사자가 구조물(40)에 대한 손상 여부를 인지할 수 있도록 안내한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법은, 펄스 레이저를 생성하는 생성부(10)가 펄스 레이저를 구조물(40)에 조사하는 단계(S10)와, 계측부(20)가 구조물(40)에 생성되는 유도파를 비접촉식으로 계측하는 단계(S20) 및 계측부(20)가 계측한 계측값(데이터)를 영상처리부(30)가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S30)로 이루어진다(도 1과 도 2 참조).
생성부(10)에는 펄스 레이저를 조사하는 조사부(11)와, 조사된 펄스 레이저 광선을 구조물(40)에 2차원으로 분산되도록 하는 레이저방향조절부(12)가 구비되고, 레이저방향조절부(12)에는 2개의 갈바노 거울이 설치된다.
계측부(20)로는 레이저 진동계가 사용되며, 영상처리부(30)는 레이저 진동계가 수신한 데이터를 통해 구조물(40)의 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동을 판별한다.
생성부(10)가 펄스 레이저를 구조물(40)에 조사하는 단계(S10)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다(도 1 내지 도 3 참조).
먼저, 구조물(40)에 대한 이미지를 촬영하여 좌표를 설정(S11)한다. 즉 카메라를 이용하여 구조물(40)에 대한 사진을 촬영하고, 촬영된 영상에 그리드를 표시하여 레이저방향조절부(12)가 인식하는 구조물(40)의 좌표를 설정한다.
그리고, 생성부(10)가 구조물(40)에 펄스 레이저를 조사하여 표식을 형성(S12)한다. 즉, 생성부(10)에서 구조물(40)의 임의의 지점에 펄스 레이저를 조사하면, 구조물(40)에는 자국이 발생하는바, 이러한 자국이 표식이 된다.
이때, 생성부(10)에서 펄스 레이저를 조사하기 전에, 펄스 레이저의 스캐닝 속도, 스캐닝 시간, 지연시간, 레이저 종류 등의 값이 생성부(10)에 입력되어 레이저 구동조건을 초기화한다.
좌표설정(S11)과 표식형성(S12)이 완료되면, 좌표와 표식을 일치화(S13)한다. 즉, 좌표설정(S11) 과정에서 2개의 기준점을 설정하고, 펄스 레이저를 통해 구조물(40)에 2개의 표식이 완료되면, 이들을 일치화한다.
좌표와 표식의 일치화(S13)가 완료되면, 이미지 상에서 펄스 레이저의 조사범위를 설정(S14)한다. 이러한 펄스 레이저의 조사범위는 궁극적으로 구조물(40)에 도달되는 펄스 레이저의 영역을 의미한다.
펄스 레이저의 조사범위가 설정(S14)되면, 생성부(10)는 펄스 레이저를 구조물(40)에 조사한다.
한편, 계측부(20)로 사용되는 레이저 진동계는 도플러 효과를 이용하여 구조물(40)의 변위를 측정한다.
유도파는 도 5에 도시된 바와 같이, 단일지점에서의 유도파 생성 및 스캐닝을 통한 유도파 계측(도 5a), 스캐닝을 통한 유도파 생성 및 단일지점에서의 유도파 계측(도 5b), 스캐닝을 통한 유도파 생성 및 계측(도 5c), 스캐닝을 통한 유도파 생성과 적외선카메라, 레이저 간섭계를 이용한 계측(도 5d)으로 구분된다.
단일지점에서의 유도파 생성 및 스캐닝을 통한 유도파 계측은 레이저로 인한 구조물 표면의 용발(ablation)이 쉽게 일어나는 복합재 구조물에 적합하다. 용발현상이 일어날 경우 구조물 표면에 손상을 입을 수 있기 때문에, 여러 지점에 펄스레이저를 조사하는 것보다는 하나의 고정지점에 펄스레이저를 조사하는 편이 적절하다. 이 경우 유도파 계측은 스캐닝을 통하여 수행하므로 유도파가 전파하는 영상을 쉽게 구현할 수 있다.
스캐닝을 통한 유도파 생성 및 단일지점에서의 유도파 계측은 표면반사율이 높아 일정한 스캐닝 측정 민감도를 유지하기 어려운 금속 구조물의 경우 유리하다. 이 경우 가장 민감도가 높은 한 지점을 선별하여 측정을 진행하는 것이 적합하다. 그러나 단일지점에서의 유도파 생성 및 스캐닝을 통한 유도파 계측 보다 영상 이미지 획득이 어려우므로, 상반원리(相反原理, reciprocal theorem)를 이용하여 단일지점에서의 유도파 생성 및 스캐닝을 통한 유도파 영상 이미지로 변환한다.
스캐닝을 통한 유도파 생성 및 계측 방법은 구조물에 정상파(定常波, standing wave)를 생성하여 기계적 임피던스를 측정하는 데 유리하다. 기계적 임피던스의 측정을 위해서는 파의 생성과 측정이 같은 지점에서 이루어져야 하므로 본 방법이 적합하다. 기계적 임피던스는 연결부, 볼트체결부와 같은 복잡한 구조형상에서의 손상 감지에 민감한 것으로 알려져 있다.
유도파의 계측의 경우 앞서 언급한 레이저 진동계 외에도 상용 적외선 카메라나 레이저 간섭계 등을 활용할 수 있다. 스캐닝을 통한 유도파 생성과 적외선카메라, 레이저 간섭계를 이용한 계측은 짧은 시간에 넒은 면적에 대한 유도파 거동을 측정하는 데 유리하다. 이 때문에 사회기반시설물이나 빌딩과 같은 장대 구조물에 적합하다.
한편, 계측부(20)가 계측한 데이터를 영상처리부(30)가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계(S30)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다(도 1, 도 2 및 도 4 참조).
먼저, 영상처리부(30)는 어느 한 지점에서의 단위 계측시간 별로 계측부(20)를 통해 수신된 계측값을 색상으로 표시하여 2차원 이미지를 형성(S31)한다. 이때, 계측부(20)를 통해 수신된 계측값에 따라 다양한 색상이 설정된다.
그리고, 영상처리부(30)는 한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 얻어진 2차원 이미지들을 통합하여 영상화(S32)한다.
즉, 계측부(20)를 통해 수신된 계측값을 그 크기에 따라 색상을 달리하여 2차원 이미지로 도시하면, 구조물(40)의 손상지점에는 손상되지 않은 지점과 구별되는 색상이 이미지로 표시된다.
여기서, 계측시간이란 계측부(20)가 구조물(40)의 전체 스캐닝 영역 중 한 지점에 대하여 유도파를 측정하는 시간을 의미한다. 예를 들어, 계측부(20)는 전체 스캐닝 영역 중 한 지점에 대하여 0.2μsec 간격으로 100μsec간 구조물(40)의 유도파를 측정한다.
영상처리부(30)가 한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 2차원 이미지들을 통합하면, 계측시간 동안의 유도파 측정 이미지가 영상으로 구현된다.
영상처리부(30)에 의한 2차원 이미지들의 통합으로 영상화(S32)가 완료되면, 진동수-파수 영역 조작을 통해 정상파 성분을 추출(S33)한다. 이러한 정상파는 구조물(40)의 손상을 파악하는데 필요한 요소이다.
유도파가 경계에서 반사되는 경우, 입사파-반사파간의 상호작용과 입사파-손상과의 상호작용을 제대로 구분하기 어렵다. 또한 연결부, 볼트 체결부 등의 복잡한 형상의 구조물인 경우, 구조물 형상에 의한 효과와 손상에 의한 효과를 제대로 감지하기 어렵다.
선행연구결과에 따르면 구조물(40)에 입사되는 유도파가 손상이 생긴 영역을 통과하면서 손상영역 안에 유도파가 갇히는 현상이 관찰됨이 알려진 바 있다. 이러한 현상은 특히 복합재 구조물의 층간박리(層間剝離, delamination) 손상에서 지배적으로 나타난다.
만약, 층간박리를 포함한 영역이 유도파 파장에 비교했을 때 충분히 작다면, 손상 내부에서는 반사파로 인하여 입사파의 전파를 방해하여 정상파(定常波, standing wave)를 만든다. 따라서, 앞서 얻어진 유도파 영상에서 정상파 성분을 추출하게 되면, 구조물(40)의 손상 여부를 시각적으로 명확하게 파악할 수 있다.
진동수-파수 영역 조작을 통하여 정상파 부분을 추출하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 유도파 영상에서의 (x,y,t) 영역의 속도장을 (kx,ky,ω)영역의 속도장 성분으로 변환시킨다. 이러한 변환은 수학식 1과 같은 3차원 푸리에 변환을 통해 획득된다.
Figure pat00001
V(kx,ky,t)는 x와 y축의 단위 벡터인
Figure pat00002
와
Figure pat00003
의 선형 결합인
Figure pat00004
벡터 방향으로의 진행 파면을 말한다. 정상파는 진폭과 진동수가 같은 파동이 서로 반대방향으로 이동할 때 파동의 합성에 의해 발생된다.
일단 정상파가 특정 지점에 생성되면 수학식 2를 통하여 정상파를 (kx,ky,ω) 영역으로 특정할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, sw는 정상파를 의미하며, w는 나이퀴스트 진동수(Nyquist frequency) 보다 작다. 위의 수식은 (kx,ky,ω) 영역의 정상파 필터(standing wave filter)로 해석 할 수 있다. 이러한 정상파 필터는 복합재 구조물의 층간박리에 가장 효과적이다.
이와 같이 필터링한 영상은 수학식 3에 기재된 3차원 역푸리에 변환을 (x,y,t) 영역의 값으로 변환된다. 이러한 영상은 정상파가 층간박리된 영역만을 나타낸다.
Figure pat00006
상술한 바와 같이 정상파 성분을 추출(S33)한 후, 정상파 성분을 통해 정상파 운동에너지를 추출(S34)한다.
정상파 운동에너지 추출을 위해 수학식 4를 사용한다. 이러한 정상파 운동에너지 추출기법은 주로 균열 손상에 가장 효과적이다.
Figure pat00007
이러한 수식에 의해 층간박리의 위치를 특정할 수 있다.
한편, 라플라스 필터(Laplacian filter)를 적용하여 추출된 정상파 운동에너지 영상의 배경 노이즈를 제거(S35)한다.
라플라스 필터는 영상 내 명암도의 불연속을 강조함으로써, 전체 배경 노이즈를 제거하기 위한 영상처리기법으로써, 수학식 5로 표현된다. 이러한 라플라스 필터는 층간박리, 균열, 박리(disbond)와 같은 다양한 형상의 손상을 명확하게 감지할 수 있다.
Figure pat00008
수학식 5를 통해 알 수 있듯이, 이산화된 라플라스 연산자로부터 유도된 라플라스 연산자 마스크를 전체 이미지와 상관연산(correlation)을 시켜줌으로써, 영상을 선명하게 표현한다.
따라서, 정상파 운동에너지의 노이즈를 제거(S35)하면, 구조물(40)의 손상부분에 대한 이미지가 도 6c와 같이 추출(S36)된다. 도 6c에서 짙은 색으로 표시된 부분이 구조물(40)의 손상지점이다.
참고로, 도 6a는 영상처리를 하지 않은 경우의 유도파 전파 영상이고, 도 6b는 주파수-파수 필터로 영상처리한 유도파 전파 영상이다.
구조물(40)의 손상성분에 대한 이미지가 추출(S36)되면, 이상치분석(outlier analysis)을 통하여 손상을 자동으로 판별(S37)한다.
이상치란 어떤 데이터 집단 내에서 다수의 데이터가 분포한 범위에서 많이 벗어난 아주 작은 값이나 아주 큰 값을 말한다. 일변수(univariate) 경우에 대해서 이상치
Figure pat00009
는 수학식 6과 같이 정규화된 척도
Figure pat00010
로 측정된다.
Figure pat00011
수학식 6에서
Figure pat00012
는 데이터 집단의 평균, s는 표준편차를 의미한다. 손상으로 인한 이미지 변화를 이상치로 만들어주기 위하여,
Figure pat00013
와 s는 손상이 없는 경우에 대한 값으로 계산한다.
따라서
Figure pat00014
가 특정한 기준값(threshold) c보다 큰 경우 이상치로 판단되어 구조물(40)에 손상이 있다고 간주하게 된다.
기준값 c는 극한값이론(extreme value theory)등의 확률론에 기반한 방법이나 경험에 기반하여 결정된다.
이러한 이상치분석을 적용하면 구조물 손상 이미지를 육안으로 검사하지 않고도 손상의 여부를 자동으로 판별할 수 있고, 재난경보시스템에 즉시적으로 통보될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 생성부 11 : 조사부
12 : 레이저방향조절부 20 : 계측부
21 : 레이저 진동계 22 : 이미지 검출부
30 : 구조물

Claims (12)

  1. 구조물에 펄스 레이저를 조사하여 상기 구조물에 유도파를 가진하는 생성부;
    상기 구조물에서 생성된 유도파를 비접촉식으로 계측하는 계측부; 및
    상기 계측부에서 계측된 데이터를 영상화하여 손상정보를 추출하고 자동으로 판별하는 영상처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 생성부는
    상기 펄스 레이저를 조사하는 조사부; 및
    상기 조사부에서 조사되는 상기 펄스 레이저를 다지점으로 분산하는 레이저방향조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 레이저방향조절부에는 2개의 갈바노 거울이 구비되는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 레이저방향조절부는 로봇장치인 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 레이저방향조절부는 매니퓰레이터인 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 레이저 진동계인 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 레이저 진동계에는 2개의 갈바노 거울이 구비되는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 적외선 카메라인 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 계측부는 상기 구조물에서 생성된 유도파를 수신하는 레이저 간섭계인 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 장치.
  10. 생성부가 펄스 레이저를 구조물에 조사하는 단계;
    상기 구조물에 생성되는 유도파를 계측부가 비접촉식으로 계측하는 단계; 및
    상기 계측부가 계측한 데이터를 영상처리부가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 생성부가 상기 펄스 레이저를 상기 구조물에 조사하는 단계는
    상기 구조물에 대한 이미지를 촬영하여 좌표를 설정하는 단계;
    상기 생성부가 상기 구조물에 상기 펄스 레이저를 조사하여 표식을 형성하는 단계;
    상기 좌표의 기준점과 상기 표식을 일치화하는 단계;
    상기 이미지 상에서 상기 펄스 레이저의 조사범위를 설정하는 단계; 및
    상기 생성부가 상기 펄스 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 계측부가 계측한 데이터를 상기 영상처리부가 영상화하여 손상정보를 추출하고 손상여부를 자동으로 판별하는 단계는
    한 지점에서의 단위 계측시간 별로 상기 계측부를 통해 수신된 계측값을 색상별로 표시하여 2차원 이미지를 형성하는 단계;
    한 지점에서의 전체 계측시간에 대하여 얻어진 2차원 이미지들을 통합하여 영상화하는 단계;
    진동수-파수 영역 조작을 통하여 정상파 성분을 추출하는 단계;
    상기 정상파 성분을 통하여 정상파 운동에너지를 추출하는 단계;
    상기 정상파 운동에너지에 라플라스 필터를 적용하여 배경 노이즈를 제거하는 단계;
    상기 구조물의 손상부분에 대한 이미지를 추출하는 단계; 및
    상기 구조물의 손상부분에 대한 이미지를 이용하여 상기 구조물의 손상여부를 자동으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사용 비접촉식 영상화 방법.
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