KR20240047001A

KR20240047001A - 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20240047001A
Application number: KR1020220126091A
Authority: KR
Inventors: 최하진; 이태민
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2022-10-04
Filing date: 2022-10-04
Publication date: 2024-04-12

Abstract

본 발명은 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리에는, 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하고, 상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고, 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고, 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하고, 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이되도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장된 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치가 제공된다.

Description

전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 방법 및 장치{Method and apparatus for identifying internal reflection object in concrete based on electromagnetic wave phase angle}

본 발명은 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 방법 및 장치에 관한 것이다.

콘크리트 구조물에 적용되는 비파괴 검사의 한 종류인 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)는 전자기파를 활용하여 탐사 대상 내부의 구조를 분석할 수 있는 기법이다.

해당 기법은 전자기파를 기반으로 한 장비로, 실시간 계측과 분석이 가능하며 높은 분해능을 갖는다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여 지표투과레이더는 토목, 건축, 군사 분야에서 널리 사용되고 있으며, 토목 분야에서는 차량에 안테나를 설치하여 넓은 면적을 신속하게 조사할 수 있어 도로 매설물 조사 및 지반 탐사 등 널리 사용되고 있다.

또한, 건축 분야에서도 지표투과레이더를 활용하여 철근콘크리트 구조 건축물에서 콘크리트 내부에 있는 철근의 배근 상태를 평가하고 있다.

토목 및 건축 구조물의 복잡화 및 대형화로 인하여 시공 오차 발생 및 부실시공의 사례가 증가하고 있다. 이에 구조물의 사용단계에서 수행하는 안전진단 목적의 비파괴검사 이외에도 시공 중 또는 시공 직후 오차 확인 또한 필요한 실정이다. 시공오차로 인한 사고 예시로는 PC 구조물의 기둥-보 연결 작업 시, 연결부위에 체결되는 전도방지용 철근(Dawal Bar)의 누락 및 필로티 기둥 내부 구조도면에 명시되지 않는 PVC 파이프 등이 있다. 이와 같은 시공 오차는 PC 구조물 보 탈락으로 인한 인명사고 및 필로티 기둥 지진 피해와 같은 대형사고로 각각 이어지고 있다.

KR 등록특허공보 10-1917374

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 실시간 계측 및 데이터 시각화에 장점이 있는 GPR 기법을 활용하여 콘크리트 시설물 내부 구조 탐사를 수행하고, 구체적으로 철근과 공극, PVC의 상대 유전율 차이로 인한 전자기파의 반사계수에 입각하여 내부 반사물체 구별이 가능한 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리에는, 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하고, 상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고, 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고, 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하고, 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이되도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들이 저장된 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치가 제공된다.

상기 복수의 반사물체는 철근, 공극 및 PVC 중 하나를 포함하고, 상기 철근과, 상기 공극 및 PVC의 위상각의 반대 부호를 가질 수 있다.

상기 미리 설정된 임계치는 상기 반사파 신호의 취득 시점에 따라 동적으로 변경될 수 있다.

상기 반사파 신호는 시간-공간 도메인의 시계열 데이터이며, 한 점에서 시간에 따라 기록된 신호는 1차원의 A-Scan 데이터와, 상기 A-Scan 데이터를 탐사 방향에 따라 2차원의 진폭 정보로 구성한 B-Scan 데이터를 포함할 수 있다.

상기 전처리는, 안테나의 동작주파수 대역 이외에서 발생하는 노이즈를 제거하는 Bandpass Filtering 및 상기 시계열 데이터의 시작점을 동일하게 정렬하여 상기 복수의 반사물체의 깊이 예측값에 대한 오차를 줄이는 Time-zero correction을 포함할 수 있다.

상기 신호 처리는, 상기 A-Scan과 B-Scan 단위로 수행되고, 상기 콘크리트 표면에서 발생하는 반사파를 제거하는 Background Removal 및 상기 반사파 신호의 감쇄를 보정하는 Time-Gain Control을 포함할 수 있다.

상기 프로그램 명령어들은, 상기 시계열 데이터를 매질의 속도 정보 및 복수의 센서 각각의 위치에 따른 거리 정보로 변환하고, 미리 설정된 이미지 프레임에 상기 거리 정보를 매핑하여 상기 복수의 센서 각각에 대한 복수의 웨이브필드 이미지를 산출하고, 상기 복수의 웨이브필드 이미지를 중첩하여 가장 큰 진폭을 갖는 반사파의 위치에 상응하는 상기 웨이브필드 중첩이미지를 생성할 수 있다.

상기 프로그램 명령어들은, 상기 웨이브필드 중첩이미지에 상기 위상각 정보를 추가적으로 매핑하여 상기 위상각 이미지를 생성할 수 있다.

상기 위상각 정보는 +와 -로 이진화되어 서로 다른 색상으로 상기 위상각 이미지에 표현될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치로서, 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하는 송신안테나; 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 수신하는 수신안테나; 상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고, 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고, 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하는 프로세서; 및 상기 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 콘크리트 내부 반사물체를 식별하는 방법으로서, 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하는 단계; 상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하는 단계; 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하는 단계; 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하는 단계; 및 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이하는 단계를 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기한 방법을 수행하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.

본 발명에 따르면, 콘크리트 내부 반사물체의 상대 유전율에 따른 전자기파의 위상 차이를 확인하고, SAFT 이미지 프로세싱 알고리즘에 위상 차이를 반영하고 시각화하여 내부 반사물체에 대한 정보를 확인할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 콘크리트 구조체 내부의 철근과, 공극 및 PVC 구분이 가능하므로, 실제 시공현장에서 빈번하게 발생하는 철근의 선제거, 도면에 명시되지 않은 PVC 등에 대한 계측이 가능하며, 궁극적으로 콘크리트 내부의 불량을 도출할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 GPR 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 GPR 장치의 신호를 나타낸 도면이다.
도 4는 콘크리트 내부의 반사물체별 전자기파 반사계수를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 반사물체에 상응하는 SAFT 진폭 이미지와 위상각 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 실시예에서 제시한 위상각 기반 이미지 처리 알고리즘을 검증하기 위한 콘크리트 시편 정보 및 사진을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 실시예에서 제시한 위상각 기반 이미지 처리 알고리즘을 검증하기 위한 콘크리트 시편에 따른 결과 이미지를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 GPR(지표투과레이더) 장치(100)는 콘크리트 외부면을 따라 이동하면서 콘크리트 내부의 반사물체를 스캐닝하고, 복수의 반사물체로부터 수신된 신호를 처리하여 이에 상응하는 이미지가 디스플레이부(102)에 출력되도록 한다.

콘크리트 내부의 반사물체는 철근(Rebar), 공극(Air) 및 PVC일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에 따른 GPR 장치(100)는 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘에 위상각 정보를 추가적으로 이용하여 실제 반사물체와 유사한 형상의 결과 이미지와 반사물체의 위상각 정보를 직관적으로 파악할 수 있도록 한다.

도 2는 본 실시예에 따른 GPR 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 GPR 장치(100)는 프로세서(200), 메모리(202), 송신안테나(Transmitter, 204) 및 수신안테나(Receiver, 206)를 포함할 수 있다.

프로세서(200)는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그 밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다.

메모리(202)는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 콤팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리(202)는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 메모리(202)에는 전자기파 위상각 기반으로 콘크리트 내부 반사물체 식별하기 위한 프로그램 명령어들이 저장된다.

상기한 프로그램 명령어들은 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되는 것으로 정의될 수 있다.

본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하고, 상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고, 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고, 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하고, 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이되도록 한다.

GPR 장치(100)는 송신안테나(204)에서 수MHz~GHz 대역의 전자기파를 매질 내부, 즉 콘크리트 내부로 방사시킨 후, 내부의 전자기적 물성이 다른 매질을 만나 반사된 신호(반사파)를 수신안테나(206)를 통해 수신하여 기록한다.

수신안테나(206)를 통해 수신되는 정보는 반사파의 진폭 크기와 신호의 왕복 시간이며, GPR 장치(100)는 반사파의 진폭 크기 변화로 매질 내부의 구조를 탐사한다.

도 3은 GPR 장치의 신호를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 한 점에서 시간에 따라 기록된 반사파를 A-Scan 데이터라고 하며, A-Scan 데이터를 탐사 방향에 따라 2차원의 진폭 정보로 구성한 것을 B-Scan 데이터라고 한다. C-Scan 데이터는 B-Scan 데이터를 선형 보간하여 탐사 면적에 대한 진폭 정보로 재구성한 데이터를 의미한다.

시계열 데이터 기반으로 매질 내에서 전자기파의 속도를 도출하면 반사물체까지의 거리를 유추할 수 있다. 매질 내에서의 전자기파 속도는 매질의 특성인 상대유전율에 따라 결정되며 수학식 1과 같다.

여기서,

은 매질 내에서의 전자기파 속도,

은 빛의 속도,

은 매질의 상대유전율이다.

수학식 1에서 도출된 전자기파의 속도와 송신안테나에서 수신된 반사파에서의 시간을 아래의 수학식 2에 대입하면 탐사 대상 표면에서부터 반사물체까지의 거리가 도출된다.

여기서, d는 지표면에서 반사물체까지의 거리, t는 반사파의 왕복 시간을 의미한다.

탐사 대상 내에서 진행하는 전자기파가 이질의 매질을 통과하는 경우, 일정량의 신호는 반사되고 나머지 신호만 투과된다.

이때, 매질 경계층에서의 신호 반사량과 위상각은 각 매질의 특성인 상대유전율에 따라 결정된다.

입사파에 대한 반사파의 비율을 나타내는 반사계수는 다음 식에 따라 결정된다.

여기서,

은 반사파의 진폭,

는 입사파의 진폭,

이다.

은 전자기파의 특성 중 하나인 상태투자율(Relative permeability)이며, 자성체가 자기화하는 정도를 나타내는 물질 상수이다.

콘크리트와 같은 비자성체의 상대투자율은 1에 근사한 값을 갖으며, 따라서

을 대입하여 상대유전율에 대한 식으로 정리할 수 있다.

수학식 1에 의하면, 매질 경계층에서 반사되는 반사파의 진폭과 위상은 1번 매질과 2번 매질의 상대유전율 차이에 의해서 결정된다. 1번 매질에서 2번 매질로 전자기파가 전달될 때, 1번 매질의 상대유전율이 2번 매질의 상대유전율보다 클 경우(

), 반사파는 위상이 변하지 않고 반사된다. 반대로 2번 매질의 상대유전율이 1번 매질의 상대유전율보다 클 경우(

), 반사파는 위상이 역전되어 반사된다.

도 4는 콘크리트 내부의 반사물체별 전자기파 반사계수를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 철근은 콘크리트 내부에서 대부분의 반사파를 발생시키며 그 계측이 용이하다. 반면 공극과 PVC의 경우 반사파의 절대적 강도가 미세하지만 위상이 반대이기 때문에 위상 분석을 통해 철근과의 차이를 확인하는 것이 가능하다.

본 실시예에서의 구분 대상인 콘크리트 내부 공극, PVC, 철근에 대한 반사계수는 다음과 같다.

콘크리트에서 공극으로 전자기파가 전달될 경우에 반사계수는 +0.38~+0.48, 콘크리트에서 PVC로 전자기파가 전달될 경우에 반사계수는 +0.12~+0.24로써 양의 반사계수를 갖는다.

반면, 철근은 자성체이기 때문에 콘크리에서 철근으로 전자기파가 전달될 경우 반사계수는 -1로 도출된다.

도 5는 본 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 과정을 도시한 도면이다.

본 실시예에 따른 GPR 장치(100)는 송수신안테나를 통해 취득된 반사파 신호에 대한 시계열 데이터를 처리하여 콘크리트 내부의 반사물체에 상응하는 내부 이미지를 출력한다.

도 5를 참조하면, GPR 장치(100)는 소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호인 시간-공간 도메인 신호를 획득하고(단계 500), 획득된 반사파 신호에 대한 전처리를 수행한다(단계 502).

단계 502는 결과 이미지의 해상도 향상을 위해 외부 요인들로 인해 안테나의 동작주파수 대역 이외에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위한 Bandpass Filtering 및 취득된 시계열 데이터의 시작점을 동일한 선상에 놓이도록 데이터를 정렬하여 반사물체의 깊이 예측값에 대한 오차를 줄이는 Time-zero correction을 포함할 수 있다.

다음으로 A-Scan과 B-Scan 데이터 단위에서 신호 처리를 수행한다(단계 504).

단계 504는 Background Removal 및 Time-Gain Control을 포함할 수 있다.

Background Removal은 탐사 진행 방향에 따라 일정하게 나타나는 가진 신호인 링잉 현상이나 표면에서 강하게 계측되는 표면 반사파를 제거하는 기법으로, 수학식 4와 같이 동일한 도달 시간을 갖는 진폭의 평균을 구한 후 모든 신호에서 도출된 평균값을 제거하여 노이즈를 제거한다.

B(t,x)는 시간 t와 계측위치 x에서의 데이터이며, N은 A-Scan 데이터의 수이다.

Time-Gain Control은 전자기파의 진행에 따른 감쇄를 보정하여 주는 기법으로, 파동이 진행에 따라 감쇄되어 이미지 획득이 어려워지는 경우를 방지하기 위하여 반사파의 진폭을 증가시킨다.

본 실시예에 따르면, 반사파 도달 시간을 기준으로 기준점을 설정하여 각 기준점마다 신호 보정 배율값을 지정하여 신호를 보정할 수 있다. 예를 들어, 설정된 도달 시간은 0, 1, 2, 2.5, 3, 3.5, 4ns이며 각 시간 별 배율값은 1, 1, 5, 20, 40, 10, 1일 수 있다.

이후, SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘 기반으로 이미지 처리 과정을 수행한다(단계 506).

도 6은 본 실시예에 따른 전자기파 위상각 기반 콘크리트 내부 반사물체 식별 과정을 나타낸 도면이다.

본 실시예는 SAFT 알고리즘에 위상각 정보를 추가하여 실제 반사물체와 유사한 형상의 결과 이미지와 반사물체의 위상각 정보를 직관적으로 파악할 수 있도록 한다.

SAFT 알고리즘은 시계열 데이터 기반의 역해석 알고리즘으로서, 1차원 A-scan 데이터를 2차원의 Wavefield 이미지로 전환한다.

단계 506에서는 먼저 계측된 시계열 데이터를 매질의 속도 정보 및 복수의 센서 각각의 위치에 따른 거리 정보로 변환한다. 도출된 각 거리 정보의 파동데이터는 복수의 센서 각각의 위치 관점에서 재구성된다. 도 6과 같이 2차원의 Wavefield 이미지를 구성하기 위한 이미지 프레임의 크기를 설정한 후, 하나의 센서 기준으로 도출된 거리 정보를 맵핑(Mapping)한다. 이때, 거리에 따라 진폭이 감쇄하는 것을 보정하기 위한 Apodization factor가 적용된다. 각 센서별 Wavefield 이미지를 도출한 후, 모든 이미지를 중첩하여 Wavefield 중첩이미지를 생성한다.

Wavefield 중첩이미지를 통해 가장 큰 반사파의 위치를 관찰할 수 있다.

도출된 Wavefield 중첩이미지는 계측된 모든 데이터를 기준으로 강한 반사파의 거리 정보를 제공할 수 있다.

Wavefield 이미지에서 제공하는 정보는 파동의 형상이기 때문에 진폭만을 나타낸 이미지를 최종적으로 사용하게 된다.

SAFT 알고리즘 진행 과정에서 사용하는 Hilbert transform은 데이터를 복소수 형태로 제공하며, 추출된 복소수로부터 진폭과 위상각 정보를 각각 도출할 수 있다.

분리된 데이터 중 일반적으로 SAFT 최종 결과 이미지로 사용되는 진폭 이미지에 위상각 정보를 대입한다.

진폭 정보로 확인된 반사물체의 위치에 해당하는 위상각 정보를 추가적으로 맵핑하여 위상각 이미지를 도출한다.

본 실시예에서 위상각 정보는 +와 -로 이진화하여 다른 색상으로 나타내며, 해당 이미지에서는 반사물체의 위상각 정보를 한 눈에 파악할 수 있어 콘크리트 내부의 반사물체의 정보를 확인할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 노이즈가 위상각 정보를 가지면서 위상각 이미지로 디스플레이되는 것을 방지하기 위해, 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하고, 이에 상응하는 위상각 이미지를 디스플레이한다.

여기서, 미리 설정된 임계치는 반사파 신호의 취득 시점에 따라 동적으로 변경될 수 있으며, 노이즈가 포함된 수준에 따라 임계치가 변경될 수 있다.

도 7a는 기존 SAFT 진폭 이미지이며, 도 7b는 SAFT 결과 이미지에 위상각 정보를 맵핑하여 도출된 위상각 이미지이다. 예시 이미지는 모두 철근이 배근된 시편에서 취득된 데이터를 바탕으로 알고리즘을 진행하였기 때문에 동일한 음의 위상각이 도출되며, 이를 통해 콘크리트 내부 반사물체를 정확하고 직관적으로 식별할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예를 검증하기 위한 실험 과정을 설명한다.

본 실시예에서 제시한 위상각 기반 이미지 처리 알고리즘을 검증하기 위하여 콘크리트 시편 대상으로 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 콘크리트 시편은 가로 1,000 mm, 세로 500 mm, 높이 240 mm이며, 표면으로부터 120 mm 깊이에 D19 철근 2개와 20 mm의 공극, PVC를 배치하였다. 제작된 콘크리트 시편의 정보와 사진은 도 8과 같다.

실험체를 대상으로 GPR 스캐닝을 진행하였으며 수집된 Raw data를 바탕으로 위상각 기반 이미지 처리 알고리즘 검증을 진행하였다. 본 실시예에서 제시한 데이터처리 과정에 따라 진행하였으며, 각 과정별 결과 이미지는 도 9와 같다.

첫째, 위상각 고려/미고려에 대한 비교분석 결과, 고려하지 않은 진폭 기반 기존 SAFT 이미지에서는 철근으로 인한 강한 반사물체를 확인할 수 있는 반면, 공극과 PVC는 뚜렷하게 확인이 어렵다.

이는 반사계수의 차이에 따른 결과로 철근에 비하여 공극과 PVC의 반사계수가 다르기 때문이다. 특히, 같은 칼라바(Color bar)를 갖는 이미지의 특성상 직경이 같은 PVC는 공극보다 더욱 흐릿하게 표현됨을 확인할 수 있다. 위상각을 고려한 이미지의 경우, 해당 위치에서 철근은 음의 위상정보를 확인할 수 있는 반면, 공극과 PVC의 경우 양의 위상각 정보가 도출된 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 위상각을 고려한 이미지 처리를 통하여 콘크리트 구조체 내부에서 발생되는 전자기파의 정보 중 철근 이외에 공극, PVC의 구분이 가능하다.

즉, 철근의 경우에는 음의 위상각, 공극 및 PVC는 양이 위상각을 가지며, 도 9와 같이 서로 다른 색상을 이용하여 표현할 수 있다.

둘째, 추가적으로 본 실시예를 적용하고자 하는 구조시설물의 경우, 콘크리트 내부에 배근된 철근 위치를 도면으로 확인할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 위상각을 통한 개선 이미지를 통하여 배근이 제대로 되지 않은 경우에 대해서 집중적으로 진단할 수 있다. 이에 검증 시편에 위치한 철근 및 공극, PVC의 설계 위치에 따른 정량분석을 실시하였다. 최종 결과 이미지의 최대 진폭값을 100% 기준으로 원형 지름 내부에 표시된 진폭 및 위상각 정보의 충족 여부를 판단하였다. 구체적으로 전체 이미지 최대값과 각 위치의 반사파 최대값을 비교하여 반사체별 식별 정확성을 판단하였다. 기존 SAFT를 통하여 도출된 이미지의 경우, 철근의 식별 가능성은 100%인 반면, 공극과 PVC는 각각 44.9%, 32.6%이다. 다만 확인된 정보가 직경이 작은 철근에 대한 결과값인지, 철근 이외의 물질인지에 대한 정보는 도출할 수 없다. 위상각 이미지의 경우, 철근이 아예 배근되어 있지 않은 정보를 확실하게 도출할 수 있다. 위상각 알고리즘을 통해 도출된 이미지의 식별 정확성은 철근 100%, 공극 57.2%, PVC 35.4%이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

콘크리트 내부 반사물체 식별 장치로서,
프로세서; 및
상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
상기 메모리에는,
소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하고,
상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고,
상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고,
상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하고,
상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이되도록,
상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들이 저장된 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 반사물체는 철근, 공극 및 PVC 중 하나를 포함하고,
상기 철근과, 상기 공극 및 PVC의 위상각의 반대 부호를 갖는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제1항에 있어서,
상기 미리 설정된 임계치는 상기 반사파 신호의 취득 시점에 따라 동적으로 변경되는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제1항에 있어서,
상기 반사파 신호는 시간-공간 도메인의 시계열 데이터이며, 한 점에서 시간에 따라 기록된 신호는 1차원의 A-Scan 데이터와, 상기 A-Scan 데이터를 탐사 방향에 따라 2차원의 진폭 정보로 구성한 B-Scan 데이터를 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제4항에 있어서,
상기 전처리는, 안테나의 동작주파수 대역 이외에서 발생하는 노이즈를 제거하는 Bandpass Filtering 및 상기 시계열 데이터의 시작점을 동일하게 정렬하여 상기 복수의 반사물체의 깊이 예측값에 대한 오차를 줄이는 Time-zero correction을 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제4항에 있어서,
상기 신호 처리는, 상기 A-Scan과 B-Scan 단위로 수행되고, 상기 콘크리트 표면에서 발생하는 반사파를 제거하는 Background Removal 및 상기 반사파 신호의 감쇄를 보정하는 Time-Gain Control을 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제4항에 있어서,
상기 프로그램 명령어들은,
상기 시계열 데이터를 매질의 속도 정보 및 복수의 센서 각각의 위치에 따른 거리 정보로 변환하고,
미리 설정된 이미지 프레임에 상기 거리 정보를 매핑하여 상기 복수의 센서 각각에 대한 복수의 웨이브필드 이미지를 산출하고,
상기 복수의 웨이브필드 이미지를 중첩하여 가장 큰 진폭을 갖는 반사파의 위치에 상응하는 상기 웨이브필드 중첩이미지를 생성하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제7항에 있어서,
상기 프로그램 명령어들은,
상기 웨이브필드 중첩이미지에 상기 위상각 정보를 추가적으로 매핑하여 상기 위상각 이미지를 생성하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제8항에 있어서,
상기 위상각 정보는 +와 -로 이진화되어 서로 다른 색상으로 상기 위상각 이미지에 표현되는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
콘크리트 내부 반사물체 식별 장치로서,
소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하는 송신안테나;
상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 수신하는 수신안테나;
상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하고, 상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하고, 상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하는 프로세서; 및
상기 상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 콘크리트 내부 반사물체를 식별하는 방법으로서,
소정 주파수 대역의 전자기파를 콘크리트 내부에 방사하여 상기 콘크리트 내부의 복수의 반사물체에서 반사되는 반사파 신호를 취득하는 단계;
상기 반사파 신호를 전처리 및 신호 처리하여 상기 반사파 신호에 포함된 노이즈 제거 및 증폭을 수행하는 단계;
상기 노이즈 제거 및 증폭이 수행된 반사파 신호에 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 반사물체에 대한 웨이브필드 중첩이미지를 생성하는 단계;
상기 반사파 신호 중 미리 설정된 임계치 이상의 진폭을 갖는 신호를 이용하여 상기 복수의 반사물체 각각에 대한 위상각 정보를 추출하는 단계; 및
상기 위상각 정보에 상응하는 위상각 이미지가 디스플레이하는 단계를 포함하는 콘크리트 내부 반사물체 식별 장치.
제11항에 따른 방법을 수행하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.