KR20240048996A - 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치 및 방법 - Google Patents

반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신하는 이동수단을 사용하여 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치에 관한 기술이 개시된다. 비파괴 이미징 장치는 반사파 신호에서 누적 에너지 값을 구하는 누적 에너지 산출부와, 주파수를 대응하는 깊이에 매칭하는 깊이 매칭부, 그리고 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력하는 시각화부를 포함한다. 누적 에너지는 최저 주파수부터 선택된 주파수까지의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 구한다. 본 발명에 따르면, 복잡한 신호처리 과정이 없이도 간단하게 매질의 공극 또는 매립된 물체의 깊이를 정확하게 탐지할 수 있다.

Description

반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치 및 방법{Non-destructive imaging apparatus and method for imaging the interior of a medium from a reflected wave signal}
본 발명은 전자기파를 이용한 이미징 기술에 관한 것이다. 특히 반사파 신호를 주파수 변환하고 주파수별 에너지를 비교하여 매질내 이물질의 깊이를 파악하는 기술에 관한 것이다.
레이더는 강한 전자기파를 발사하고 그것이 물체에 반사되어 되돌아온 전자기파를 분석하여 대상물과의 거리를 측정한다. 레이더는 종래 군사용, 항공용으로 주로 사용되었으나, 레이더 기술의 발전에 따라 자동차, 지하 탐사 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
지표투과레이더(Ground Penetrating Radar; GPR)는 수 MHz 내지 수 GHz 범위의 전자기파를 지표와 접한 송신 안테나를 통해 매질 내부로 방사시키고, 수신 안테나로 매질 내의 지층경계, 매설물, 동공 등의 이물질에 부딪혀 반사되는 전파를 입력받는다. 입력된 전자기파를 분석하여 지층 내부 구조 및 광물, 동공 등을 비파괴 방법으로 탐사할 수 있다.
GPR 장치에서 방사되는 전자기파는 지면을 투과하는 과정에서 손실이 크기 때문에 탐지 거리가 짧은 경향이 있고, 거리가 깊어질수록 정확한 데이터를 얻기 어렵다. 통상적인 GPR 장치에서는 펄스파를 송신하고 반사파 신호를 수신하여 시간영역에서 깊이에 매칭하여 이미지로 나타낸다. 깊은 위치의 이물질을 검출하기 위해서는 장파장의 전자기파를 송신하여야 하는데, 장파장의 전자기파는 해상도가 떨어져서 이물질의 위치를 정확히 파악하는 것이 어렵다.
2013년 09월 06일 등록된 등록특허 제10-1308101호는 저주파/고주파 복합형 지하 탐사 레이더 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 저주파 레이더 모듈과, 고주파 레이더 모듈, 그리고 영상처리장치를 포함하는 지하 탐사 레이더 시스템을 개시한다. 저주파 레이더 모듈은 저주파 대역 펄스 신호를 생성하여 방사하고, 상기 생성된 저주파 대역 펄스 신호가 지하 매설 표적으로부터 반사되는 신호를 획득한다. 고주파 레이더 모듈은 고주파 대역 펄스 신호를 생성하여 방사하고, 상기 생성된 고주파 대역 펄스 신호가 지하 매설 표적으로부터 반사되는 신호를 획득한다. 영상 처리 장치는 상기 저주파 레이더 모듈에서 획득된 신호와 상기 고주파 레이더 모듈에서 획득된 신호를 합성하여 표시한다. 저주파 모듈과 고주파 모듈을 사용하여 하나의 시스템에서 얕은 곳과 깊은 곳의 이물질을 동시에 인식할 수 있다.
2015년 07월 03일 등록된 등록특허 제10-1535495호는 표적 신호를 강화할 수 있는 지하 표적 탐지 시스템 및 방법에 관한 것으로, 측정부와 데이터 처리부를 포함하는 지하 표적 탐지 시스템을 개시하고 있다. 측정부는 위치를 이동하면서 송신 안테나에서 방사되는 레이더 신호를 수신 안테나에서 수신하는 동작을 수행하여 각 위치에서 레이더 신호를 측정한다. 데이터 처리부는 상기 각 위치에서 측정된 레이더 신호에 대해 단시간 푸리에 변환(short Time Fourier Trasnform)을 수행하고, 상기 단시간 푸리에 변환 결과를 나타내는 단시간 푸리에 변환 그래프에서 상기 각 위치에 대응하여 추출된 첫번째 첨두치 위치를 나타내는 프로파일 그래프를 구하며, 상기 프로파일 그래프에서 가장 돌출된 부분에 대응하는 위치를 표적 위치로 판정한다.
다만, 주파수별 에너지를 이용하여 간단하면서도 신속 정확하게 매질내 이물질의 위치를 파악하는 기술에 대해서는 아직 개시되지 않았다.
본 발명의 일 목적은, 간단한 신호처리 과정으로 매질 내 이물질의 깊이에 따른 위치를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 비파괴 이미징 장치를 제공하는 것이다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치는 이동수단을 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신하며, 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다. 비파괴 이미징 장치는 누적 에너지 산출부와, 깊이 매칭부와, 시각화부를 포함한다. 누적 에너지 산출부는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구한다. 깊이 매칭부는 주파수를 대응하는 깊이에 매칭한다. 시각화부는 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치는 반사파 신호 샘플링부와, 푸리에 변환부를 더 포함한다. 반사파 신호 샘플링부는 수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. 푸리에 변환부는 디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 일정 크기의 윈도우 영역에 대해 주파수 영역의 신호로 변환한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치는 주파수별 에너지 산출부를 더 포함한다. 주파수별 에너지 산출부는 반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치는 로그 누적 에너지 산출부를 더 포함한다. 로그 누적 에너지 산출부는 상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시킨다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치는 위치별 에너지 산출부와, 배경 에너지 산출부와, 배경 에너지 차감부를 더 포함한다. 위치별 에너지 산출부는 주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시켜서 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 산출한다. 배경 에너지 산출부는 상기 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출한다. 배경 에너지 차감부는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 누적 에너지에서 상기 위치의 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시킨다.
제안된 발명의 다른 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치는 프로세서와, 메모리와, 지표투과레이더를 포함한다. 지표투과레이더는 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신한다. 메모리는 수신된 반사파 신호를 저장한다. 프로세서는 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다. 메모리에는 프로세서가 수행할 명령 프로그램이 저장될 수 있다. 비파괴 이미징 장치는 이동수단과, 누적 에너지 산출부와, 깊이 매칭부와, 시각화부를 더 포함할 수 있다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 비파괴 이미징 장치에서 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다. 상기 비파괴 이미징 장치는 이동수단을 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신한다. 상기 비파괴 이미징 방법은 누적 에너지 산출 단계와, 깊이 매칭 단계와, 시각화 단계를 포함한다. 누적 에너지 산출 단계에서는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구한다. 깊이 매칭 단계에서는 주파수를 대응하는 깊이에 매칭한다. 시각화 단계에서는 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 반사파 신호 샘플링 단계와 푸리에 변환 단계를 더 포함한다. 반사파 신호 샘플링 단계에서는 수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. 푸리에 변환 단계에서는 디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 일정 크기의 윈도우 영역에 대해 주파수 영역의 신호로 변환한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 주파수별 에너지 산출 단계를 더 포함한다. 주파수별 에너지 산출 단계에서는 반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 로그 누적 에너지 산출 단계를 더 포함한다. 로그 누적 에너지 산출 단계에서는 상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시킨다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 위치별 에너지 산출 단계와, 배경 에너지 산출 단계와, 배경 에너지 차감 단계를 포함한다. 위치별 에너지 산출 단계에서는 주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시켜서 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 산출한다. 배경 에너지 산출 단계에서는 상기 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출한다. 배경 에너지 차감 단계에서는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 누적 에너지에서 상기 위치의 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시킨다.
제안된 발명에 따른 비파괴 이미징 장치는 매질 내 이물질에서 반사되는 반사파의 주파수별 에너지를 이용하여 매질 내 이물질의 깊이에 따른 위치를 정확하게 측정할 수 있다.
나아가 제안된 발명은, 임펄스 파를 이용하여 다양한 주파수에 대한 응답을 신속하게 측정하는 비파괴 이미징 장치를 제공할 수 있다.
나아가 제안된 발명은, 반사파의 주파수별 에너지를 구하는 간단한 신호처리 과정만으로 매질 내 이물질의 깊이를 측정할 수 있는 비파괴 이미징 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작원리를 나타내는 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치 및 신호처리부의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 일 실시예의 변형들에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치에서 산출된 누적 에너지를 나타내는 예시도이다.
도 5는 일 실시예의 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 일 실시예의 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 일 실시예의 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 일 실시예의 또 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 또는 타 실시예의 구성 요소들과 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 기재 내용 혹은 제안된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에서 모듈 또는 부분은, 컴퓨터 또는 프로세서에서 실행가능하도록 메모리에 저장된 프로그램 명령어의 집합이거나, 이러한 명령들을 수행할 수 있도록 ASIC, FPGA 등의 전자 부품 또는 회로의 집합을 이용하여 구현할 수 있다. 또한, 각 모듈 또는 부분의 동작은 하나 또는 복수의 프로세서 또는 장치에 의해 수행될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작원리를 나타내는 개념도이다.
매질의 이물질 공극 등을 탐사하기 위해 지상 침투 레이더(ground-penetrating radar; GPR)를 사용할 수 있다. GPR은 송신 안테나를 이용하여 매질 표면에서 매질을 향해 MHz 또는 GHz 전파를 방출한다. 방출된 전파는 매질과 전자기 특성이 다른 매질내 공극, 암석 등에 의해서 매질 표면으로 반사된다.
매질내 전자기파의 감쇄 특성은 주파수가 증가할수록 커지는 것으로 알려져 있다. 따라서 매질내 전자기파의 침투(투과)깊이는 주파수가 커질수록 짧아지는 경향을 보인다. 즉 장파장의 저주파 신호는 깊은 곳까지 침투가 가능하고, 단파장의 고주파 신호는 얕은 곳까지만 침투가 가능하다.
도 1(a)는 매질 내부로 송신되는 신호의 주파수별 투과 깊이를 설명하는 개념도이다. 다양한 주파수 중에서 5개의 주파수를 예시하였다. 도면에서 주파수는 f1에서 f5로 갈수록 커진다. 즉 f1은 저주파이고, f5는 고주파를 나타낸다. 저주파인 f1은 매질의 깊은 곳까지 투과하여 도달하고, 고주파인 f5는 매질의 얕은 곳까지만 투과하고 감쇄하여 소멸한다. 즉, 얕은 곳에서는 f1부터 f5까지의 모든 주파수가 존재하지만, 깊은 곳에서는 f1만 남고 나머지 주파수는 소멸한다.
도 1(b)는 점선으로 표시된 비파괴 이미징 장치(110)에서 지하로 복수의 주파수 신호들을 송신한 경우를 나타낸다. 매질과 반사율이 다른 암석, 공극 등과 같은 매질내 이물질(130)이 저주파인 f1만 도달하는 지하 깊은 곳에 존재한다. 저주파인 f1은 이물질(130)까지 도달하며, 이 반사파를 점선으로 표시한 비파괴 이미징 장치(110)가 수신할 수 있다. 비파괴 이미징 장치(110)는 전파가 이물질(130)까지 왕복하는 시간 경과후에 이물질(130)에서 반사된 저주파 f1을 수신할 수 있다.
도 1(c)는 실선으로 표시된 이동수단에 의해 x 축으로 이동된 비파괴 이미징 장치(150)에서 지하로 복수의 주파수 신호들을 송신한 경우를 나타낸다. 매질과 반사율이 다른 암석, 공극 등과 같은 매질내 이물질(170)은 지하의 중간 부분에 위치한다. 도면에서 상대적으로 저주파인 f1, f2, f3의 3개의 주파수가 이물질(170)에 의해서 반사한다. 상대적으로 고주파인 f4와 f5는 물체에 도달하기 전에 지하의 매질에 의해 흡수되어 감쇄하여 사라진다. 반사파 중에서 저주파인 f1의 감쇄가 가장 적어서 비파괴 이미징 장치(150)에서 가장 뚜렷하게 검출되고, 그 다음으로 f2의 반사 신호가 검출되며, f3의 반사 신호는 미약하게 검출될 수 있다.
즉, 매질의 깊은 곳에 존재하는 이물질(130)에서 반사하는 신호에는 저주파 f1만 존재하지만, 매질의 중간 위치의 이물질(170)에서 반사하는 신호에는 저주파 f1부터 f3까지의 신호가 함께 검출된다. 한편, 이물질의 깊이가 증가함에 따라 반사되는 주파수의 개수가 감소할 뿐만 아니라, 각 주파수의 신호 또는 에너지가 감쇄되는 정도도 증가한다.
따라서, 반사파 신호의 최소 저주파로부터 이물질에서 반사 가능한 모든 주파수의 에너지를 더한 값은 반사되는 이물질의 깊이가 깊을수록 작아진다. 즉, 이물질의 깊이는 반사되는 전자기파의 최저 주파수에서 최고 주파수까지의 에너지를 누적하여 더한 값에 관계된다. 깊이와 주파수별 에너지간의 정확한 관계를 얻기 위해, 매질 내에 깊이를 달리하며 이물질을 위치시키고 반사파를 측정한다. 측정된 데이터를 이용하여 깊이와 주파수별 에너지 누적값을 보정할 수 있다.
시간 영역에서 임펄스는 주파수 영역에서 상수에 해당하므로, 임펄스 파형은 다양한 주파수 성분을 포함하고 있다. 송신 안테나를 통해 임펄스파를 지면으로 방출하면, 도 1(a)에 나타낸 주파수들보다 훨씬 많은 주파수 성분이 방출되고, 수신되는 반사파에도 훨씬 많은 주파수 성분을 검출할 수 있다. 반사파에서 이렇게 많은 주파수 성분을 일일이 계산하는 것은 전산자원을 많이 소모하고 시간이 많이 소요되므로, 주파수 영역의 에너지를 누적하여 더하는 방법을 사용하여 훨씬 간단하고 신속하게 이물질의 위치를 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치 및 신호처리부의 구성을 나타내는 구성도이다.
제안된 발명의 일 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치(200)는 이동수단을 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신하며, 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다.
도 2(a)는 비파괴 이미징 장치(200)의 주요 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2(a)를 참조하면, 비파괴 이미징 장치(200)는 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar; GPR)(290)와 신호처리부(210)를 포함한다. 지표투과레이더(290)는 송신부(293)와 수신부(297)를 포함한다.
송신부(293)는 송신 신호를 발생시키는 신호 발생부와 송신 안테나를 포함할 수 있다. 신호 발생부는 임펄스 신호를 발생시키는 임펄스 생성 모듈을 포함한다. 임펄스 신호는 폭이 10 ns 이하이고, 상승시간은 1 ns 이하인 펄스 신호를 사용할 수 있다. 임펄스 신호로 f(t) = exp(-t2/2T2) 형태의 가우시안 펄스 신호를 사용할 수 있다. 생성된 임펄스 신호는 매질에서의 감쇄를 감안하여 충분히 증폭하여 송신 안테나로 전달된다. 송신 안테나는 광대역 신호를 송신할 수 있는 형태로 구현하며, 최대 탐사 깊이에 해당하는 저주파를 송신할 수 있을 정도의 크기로 제작한다.
수신부(297)는 수신 안테나와 수신된 신호를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 수신 안테나도 광대역 신호를 수신할 수 있는 형태로 구현하며, 최대 탐사 깊이에 해당하는 저주파를 수신할 수 있을 정도의 크기를 가진다.
비파괴 이미징 장치는 이동수단(205)을 추가로 포함하여, 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신할 수 있다. 이동수단(205)에는 위치 측정 모듈을 포함하여, GPR로 측정중인 위치를 파악한다. 위치 측정 모듈은 GPS 센서를 포함할 수 있다. 이동수단은 바퀴와 바퀴의 회전을 감지하는 회전 센서를 포함할 수 있다. 회전 센서는 바퀴의 회전을 검출하여 이동수단의 위치를 검출할 수 있다. 이동수단을 예를 들어 x 축으로 이동시키며 일정 시간간격 또는 일정 거리마다 GPR에서 임펄스를 송신하고, 반사파를 수신한다. 수신된 반사파는 이동장치의 지표면 위치와 함께 저장되고, 지표면의 위치별로 이물질의 깊이를 시각화할 수 있다.
도 2(b)는 신호처리부(210)의 주요 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2(b)를 참조하면, 비파괴 이미징 장치의 신호처리부(210)는 누적 에너지 산출부(250)와, 깊이 매칭부(270)와, 시각화부(280)를 포함한다.
누적 에너지 산출부(250)는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구한다. 예를 들어, 도 1(b)의 경우에, 반사파 중 최저 주파수인 f1의 주파수 에너지를 f1주파수의 누적 에너지 값으로 설정할 수 있다. 도 1(c)의 경우에, 반사파에서 선택된 주파수가 f3인 경우, 최저 주파수인 f1부터 f3까지의 각 주파수별 에너지를 더하여 주파수 f3의 누적 에너지 값으로 설정할 수 있다. 이때, 반사파의 주파수별 누적 에너지는 해당 주파수가 도달할 수 있는 깊이에서 반사된 에너지의 합이다. 따라서 누적 에너지는 매질 깊이별 상태를 나타낼 수 있다. 이때 주파수는 정성적 깊이에 해당한다.
깊이 매칭부(270)는 주파수를 대응하는 깊이에 매칭한다. 깊이별 측정값을 알고 있는 테스트 매질을 사용하여 주파수와 깊이 사이에 보정(calibration)을 할 수 있다. 즉, 주파수를 해당 매질에서의 깊이에 매칭할 수 있다.
시각화부(280)는 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력한다. 주파수별 누적 에너지를 세로로 배치하면, 주파수에 대응하는 깊이별로 매질내의 상태를 파악할 수 있다. 이동수단(205)을 이용하여 지표면상 위치를 이동하면 GPR 레이더 신호를 지표면으로 방사하고 신호를 수신하면, 지표면의 위치에 따른 깊이별 이물질 존재 여부를 파악할 수 있다. 지표면의 좌표별로 깊이에 따른 에너지를 표현하면, 지하 구조를 3차원적으로 시각화하여 나타낼 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치의 신호처리부(210)는 프로세서와 메모리를 포함하여 구성할 수 있다. 메모리에는 수신된 신호를 저장할 수 있다. 한편, 메모리에는 프로세서가 수행할 명령 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서는 메모리에 저장된 매질 내부에서 반사된 반사파 수신 신호에서 주파수 성분을 구하고, 각 주파수별 에너지를 구하고, 임의의 선택된 주파수에 대해, 반사파 신호의 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구할 수 있다. 프로세서는 각 주파수에 대응하는 깊이를 매칭시키고, 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하고, 그 결과를 외부 저장장치 또는 출력장치를 통해 출력하도록 한다.
도 2(a)에는 지표투과레이더(290)를 움직이는 이동수단(205)에 신호처리부(210)가 배치되어, 지표투과레이더(290)와 신호처리부(210)가 함께 움직이는 구성이 나타나있다. 그러나 신호처리부(210)를 지표투과레이더(290)와 별도의 장치에 설치하고, 유무선 통신망을 통해서 지표투과레이더(290)의 신호를 신호처리부(210)로 전달하는 것도 가능하다.
도 3은 일 실시예의 변형들에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3(a)는 일 실시예의 일 변형에 따른 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 3(a)의 구성 중 도 2(b)와 유사한 번호로 표시한 구성은, 도 2(b)의 구성과 동일하거나 유사한 동작을 한다. 예를 들어, 도 3(a)의 깊이 매칭부(370)는 도 2(b)의 깊이 매칭부(270)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 따라서 도 2(b)에 설명한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치(200)의 신호처리부(310)는 반사파 신호 샘플링부(320)와 푸리에 변환부(330)를 더 포함한다. 반사파 신호 샘플링부(320)는 수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. 푸리에 변환부(330)는 디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 일정 크기의 윈도우 영역에 대해 주파수 영역의 신호로 변환한다.
반사파 신호 샘플링부(320)는 AD컨버터를 포함할 수 있다. 반사파 신호는 AD컨버터를 통해 디지털 신호로 변환될 수 있다. 반사파 파형의 진폭 해상도는 AD컨버터의 비트수에 의해 결정된다. 이때 샘플링 주파수(sampling frequency) fs 는 나이퀴스트(Nyquist) 정리에 의해 최대 주파수 fm 의 2배 이상으로 샘플링하여야 한다. 즉 fs ≥ 2 * fm 이므로, fm ≤ fs / 2 이다. 최대 주파수 fm 보다 작은 주파수로 샘플링하면 잘못된 주파수 성분이 검출되는 앨리어싱 현상이 발생할 수 있다.
샘플링된 디지털 신호에서 주파수를 구하기 위해 이산 푸리에 변환, 바람직하게는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)을 실시한다. 고속 푸리에 변환에서도 나이퀴스트 정리에 의해 샘플링 주파수 Fs 는 변환하려는 주파수 범위의 최고 주파수 Fm 의 2배 이상으로 샘플링하여야 한다. 즉 Fs ≥ 2 * Fm 이므로, Fm ≤ Fs / 2 이다.
푸리에 변환하려는 샘플링 수가 N 개이면, FFT의 주파수 빈(bin)은 N/2 개가 된다. 즉 주파수 해상도 dF 는 dF = Fm / bin = (Fs/2) / (N/2) = Fs / N 이다. 푸리에 변환되는 주파수 F 는 0 부터 Fs/2 까지 dF 간격을 가진다. 즉 푸리에 변환된 주파수는 0, dF, 2*dF, 3*dF, …, (N/2)*dF = (N/2)*(Fs/N) = Fs/2 의 주파수를 가진다.
주파수 해상도를 높이기 위해서는 dF 가 작은 값을 가지도록 해야 한다. Fs 를 작게하면 최대 주파수도 줄어들기 때문에, 주파수 해상도를 높이기 위해서는 샘플링 수 N 을 늘리는 것이 바람직하다. 다만 샘플링 수 N 의 증가에 따라 메모리 등의 푸리에 연산에 소요되는 전산자원이 증가하고, 연산 시간이 증가하게 된다. 원활한 FFT 변환을 위해 샘플링 총 수는 2의 거듭제곱으로 선택하는 것이 바람직하다.
시간축에서 푸리에 변환에 사용되는 N 개의 샘플링 데이터를 윈도우(window)라고 한다. 윈도우 시작 샘플과 종료 샘플의 위상이 다르면, 주파수 영역에서 누수(leakage)가 발생한다. 누수를 억제하기 위해, 윈도우의 시작 위치에서 진폭이 0에서 부드럽게 증가하고, 끝 위치에서 진폭이 0으로 부드럽게 줄어드는 윈도우잉 함수(windowing function)를 곱해준다. 윈도우잉 함수로는 해닝(Hanning), 해밍(Hamming), 블랙만(Blackmann), 카이저(Kaiser) 윈도우 등을 사용할 수 있다. 비파괴 이미징 장치(200)는 푸리에 변환부(330)를 이용하여 각각의 윈도우 영역에 대한 푸리에 변환을 구한다.
1번의 푸리에 변환에 사용되는 윈도우 영역은 시간영역에서 반사파의 신호가 수신되는 범위보다 작게 설정될 수 있다. 즉, 반사파 신호가 수신되는 범위를 복수의 윈도우 영역으로 나누어 각각 푸리에 변환을 실시한다. 예를 들어, 윈도우 영역의 샘플링 개수를 N개라 하면, 푸리에 변환부(330)는 N개의 데이터에 대해 푸리에 변환을 한다. 반사파 신호가 수신되는 영역에 대해 윈도우 영역을 M개 선택하면, 푸리에 변환을 M번 수행하게 된다. 푸리에 변환하는 전체 시간 영역 데이터는 N*M 개가 된다. 샘플링 주파수가 Fs인 경우, 각각의 푸리에 변환으로 0 에서 Fs/2 까지의 N/2개의 주파수에 대한 푸리에 계수를 얻을 수 있다. M번의 푸리에 변환에 의해, 각각의 주파수에 대해 M개씩의 푸리에 계수를 얻을 수 있으므로, (N/2)*M 개의 푸리에 계수를 얻을 수 있다.
매질내 재질이 다른 여러 층이 있거나, 깊이가 다른 곳에 수신된 반사파는 반사되는 거리가 서로 다르므로, 서로 다른 시간에 수신 안테나에 도착한다. 서로 다른 시간에 도착한 신호들을 각각 서로 다른 윈도우 영역에 배정하여 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 이 경우 서로 다른 시간에 도착한 신호들은 각 주파수 성분의 푸리에 계수가 서로 다른 값을 가질 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치(200)는 주파수별 에너지 산출부(335)를 더 포함한다. 주파수별 에너지 산출부(335)는 반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산한다.
FFT의 결과로 얻은 각 주파수별 푸리에 계수는 복소수이다. 푸리에 계수의 크기의 제곱은 해당 주파수에서의 전력(power) 또는 에너지에 해당한다. 주파수별 에너지 산출부(335)는 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구한다. 예를 들어, i 번째 주파수 Fi = i * dF 에 대한 푸리에 계수를 ai 라고 하면, 해당 주파수에서 전력 pi 는 다음 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
누적 에너지 산출부(250)는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 i 번째 주파수 Fi = i * dF 가 선택된 경우, 선택된 주파수 Fi 에 대해, 최저 주파수 0 부터 선택된 주파수 Fi 까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지 pi 를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구한다. 즉, 주파수 i 에 대한 주파수별 누적 에너지 Si 는 다음 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
예를 들어, 푸리에 변환을 위한 반사파 윈도우에 포함된 샘플링 개수가 512개인 경우, 푸리에 변환에 의해 변환되는 주파수는 512/2 = 256 개이다. 따라서 주파수별 누적 에너지(Si)는 S0, S1, S2, …, S254, S255 와 같이 256개가 산출된다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치(200)는 로그 누적 에너지 산출부(361)를 더 포함한다. 로그 누적 에너지 산출부(361)는 상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시킨다.
푸리에 변환으로 얻은 주파수 영역의 주파수들의 분포를 살펴보면, 주로 저주파에서 큰 값을 가지고 고주파에서 작은 값을 가지게 된다. 고주파의 값을 알아보기 쉽게 로그 스케일로 나타내면 dB 단위로 나타낼 수 있어서, 고주파의 작은 값도 표현하기 용이해진다. 한편, 누적 에너지에 대해서 로그 함수를 적용하면, 누적 에너지 간의 비교를 좀더 쉽게 할 수 있다. 즉, 다음 수학식 3과 같이 주파수별 누적 에너지(Si)에 로그를 취한 로그 누적 에너지(Li)를 주파수별 누적 에너지 대신에 사용하여, 깊이에 따른 반사에너지를 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
일 실시예에 따른 비파괴 이미징 장치(200)는 이동수단(205)에 의해 매질의 표면을 이동하며, 매질층을 향해 펄스 신호를 방사한다. 예를 들어, 비파괴 이미징 장치는 지표면 위에서 한방향(x축 방향)으로 이동하며 지표면을 향하여 임펄스 신호를 방사할 수 있다. x축 방향으로 측정이 완료된 경우, y축 성분을 증가시킨 후 다시 x축 방향으로 이동하면서 측정하면, 지표면의 일정 면적에 대해 전반적으로 매질내 공극 등 이물질을 측정할 수 있다.
푸리에 변환은 이동 방향(x축 방향)의 각 위치에서 얻은 데이터마다 실시할 수 있고, x축 방향의 각 점에 대해 변환된 주파수를 이용하여 각 주파수까지의 누적 에너지를 구할 수 있다. x축 방향의 점들에 대해 각 주파수까지의 누적 에너지를 그래프로 나타내면, x축 방향으로 매질 내부의 이물질 여부를 확인할 수 있다.
도 3(b)는 일 실시예의 다른 변형에 따른 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 3(b)의 구성 중 도 3(a)와 동일한 번호 또는 유사한 번호로 표시한 구성은, 도 3(a)의 구성과 동일하거나 유사한 동작을 하므로 상세한 설명을 생략한다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치(200)는 위치별 에너지 산출부(367)를 더 포함한다.
위치별 에너지 산출부(367)는 이동 방향(x축 방향)의 각 위치에서 얻은 주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시킨다. 그 결과 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 얻을 수 있다. 깊이 매칭부(270)에서 주파수를 깊이에 매칭시키고, 시각화부(280)에서 주파수별 누적 에너지를 이용하여 위치별 데이터를 시각화 하는 경우, 비파괴 이미징 장치(200)의 이동 방향의 위치에 따른 지하 구조를 시각화 할 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 상기 비파괴 이미징 장치(200)는 배경 에너지 산출부(368)와, 배경 에너지 차감부(369)를 더 포함한다.
배경 에너지 산출부(368)는 각 주파수마다 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값(moving average)을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출할 수 있다.
배경 에너지 차감부(369)는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 누적 에너지에서 상기 위치의 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시킨다. 모든 위치에 대해서 위치별 누적 에너지 값에서 위치별 배경 에너지 값을 차감하면 모든 위치의 주파수별 누적 에너지 값을 구할 수 있다. 즉, 각 주파수에 대해 배경 에너지가 차감된 위치별 누적 에너지 데이터를 산출할 수 있다. 깊이 매칭부(270)가 주파수를 깊이에 매칭시키면, 시각화부(280)에서 주파수별 누적 에너지를 이용하여 지하 구조를 시각화 할 수 있다. 누적 에너지에서 배경(이동 평균)을 차감하면 매질 내부의 이물질에 대해 보다 정확한 판정이 가능해진다.
도 4는 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치에서 산출된 누적 에너지를 나타내는 예시도이다.
도 4(a)는 위치에 따른 반사파 신호를 시간영역에서 표현한 개념도이다. 가로축은 비파괴 이미징 장치(200)의 위치(x1, x2, x3, … , xn)를 나타내고, 세로축은 반사파 신호가 도착하는 시간(T1, T2, … , Tm)을 나타낸다. 도 4(a)를 참조하면, 매질내(지하)의 이물질 경계면에서 반사되는 파동에 의한 펄스파가 수신되는 것을 알 수 있다. 경계면의 깊이에 따라 도달하는 시간이 달라지므로, 세로축은 지표면에서의 거리에 해당한다.
도 4(b)는 각 위치에서 수신된 반사파 신호를 주파수영역에서 표현한 예시도이다. 도 4(a)의 각 위치에서 수신된 신호를 푸리에 변환하면, 해당 위치의 주파수 성분을 구할 수 있다. 도 4(b)에는 두개의 위치 x1 과 x2 에 대한 반사파 신호의 주파수영역 그래프만 예시하였다. 가로축은 주파수(ω1, ω2, ω3, … , ωk)를 나타내고, 세로축은 각 주파수 성분의 진폭(amplitude)을 나타낸다. 예를 들어 주파수 ωi 의 진폭을 ai 로 나타낼 수 있다. 상기 수학식 1을 이용하면 각 주파수 성분의 에너지(power) pi 를 구할 수 있다.
도 4(c)는 각 위치에서 수신된 반사파 신호의 누적 에너지를 주파수영역에서 표현한 예시도이다. 도 4(c)에는 두개의 위치 x1 과 x2 에 대한 누적 에너지의 주파수영역 그래프만 예시하였다. 가로축은 주파수이고, 세로축은 누적 에너지의 크기를 나타낸다. 주파수 ωi 에서의 누적 에너지 Si 는 상기 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
도 4(d)는 위치에 따른 반사파 신호를 주파수 영역에서 나타낸 예시도이다. 가로축은 비파괴 이미징 장치(200)의 위치(x1, x2, x3, … , xn)를 나타내고, 세로축은 각 주파수별 누적 에너지(S1, S2, … , Sk)를 나타낸다. 주파수별 누적 에너지를 깊이에 매칭시키면, 매질내(지하) 구조를 시각화해서 출력할 수 있다.
도 4(d)에서 각 주파수에 대한 위치별 누적 에너지 그래프는 점선으로 표현되었다. 임의의 주파수 예를 들어 Si 에 대해 구한 위치별 누적 에너지 그래프에서 이동 평균(배경)을 뺀 값을 위치별 누적 에너지 그래프로 사용할 수 있다. 이 경우 배경 잡음을 감소시켜 보다 정확한 시각화가 가능하다.
도 5는 일 실시예의 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2 및 도 3에 이미 개시한 구성에 대해서는 유사한 번호를 가진 구성요소에 대한 설명을 참조할 수 있으므로 설명을 생락한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치(200)는 차단 주파수 설정부(540)와 저역 통과 필터부(545)를 더 포함한다.
저역 통과 필터부(545)는 반사파 신호에서 고주파 성분을 제거하고 저주파 성분만 통과시킨다. 도 1에서 설명한 바와 같이 매질내 이물질로부터 반사된 주파수 성분은, 최저 주파수에서 이물질 깊이까지 도달하여 반사되는 주파수 성분까지 포함한다. 따라서 고주파 성분을 차단하는 경우, 나머지 저주파 성분들이 반사되는 깊이의 이물질에 대한 정보를 얻을 수 있다. 저역 통과 필터부(545)는 차단 주파수를 조정할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
차단 주파수 설정부(540)는 저역 통과 필터의 차단 주파수를 설정한다. 차단 주파수 설정부는 저역 통과 필터부의 차단 주파수를 최저 주파수에서 시작해서 점점 고주파로 조정할 수 있다. 각 차단 주파수에서 얻은 신호는 고주파 성분이 제거되었기 때문에, 누적 에너지 산출부(550)에서 시간영역의 전체 에너지를 구하면 누적에너지를 얻을 수 있다.
제안된 발명의 다른 양상에 따르면, 비파괴 이미징 장치는 프로세서와, 메모리와, 지표투과레이더를 포함한다. 지표투과레이더는 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신한다. 메모리는 수신된 반사파 신호를 저장한다. 프로세서는 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다. 메모리에는 프로세서가 수행할 명령 프로그램이 저장될 수 있다. 비파괴 이미징 장치는 이동장치와, 누적 에너지 산출부와, 깊이 매칭부와, 시각화부를 더 포함할 수 있다. 누적 에너지 산출부, 깊이 매칭부, 및 시각화부는 프로세서가 수행하는 명령 프로그램으로 구현될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
제안된 발명의 또 다른 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 비파괴 이미징 장치에서 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화한다. 상기 비파괴 이미징 장치는 이동장치를 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신한다. 비파괴 이미징 방법은 누적 에너지 산출 단계(S650)와, 깊이 매칭 단계(S670)와, 시각화 단계(S680)를 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 반사파 신호 샘플링 단계(S620)와 푸리에 변환 단계(S630)를 더 포함한다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 주파수별 에너지 산출 단계(S635)를 더 포함한다.
도 6을 참조하면, 반사파 신호 샘플링 단계(S620)에서 비파괴 이미징 장치는 수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다. 샘플링 주파수는 주파수 분석할 최대 주파수의 2배 이상, 바람직하게는 5배 이상의 주파수를 사용한다.
비파괴 이미징 장치는 디지털 신호로 변환된 시간영역의 반사파 신호에서 주파수 분석할 윈도우 영역을 선택하는 윈도우 선택 단계를 수행한다(S625). 선택된 윈도우 영역의 데이터에 윈도우잉 함수를 곱하여 푸리에 변환에 입력할 데이터를 준비한다.
비파괴 이미징 장치는 푸리에 변환 단계(S630)에서 디지털 신호로 변환된 반사파 신호 중에서 일정 크기로 선택된 윈도우 영역에 대해 FFT 변환을 수행한다. FFT 변환을 통해, 시간 영역의 반사파 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여, 반사파 신호의 주파수 성분을 산출한다.
주파수별 에너지 산출 단계(S635)에서는 반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산한다. 주파수별 에너지는 상기 수학식 1로 구할 수 있다.
누적 에너지 산출 단계(S650)에서는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구한다. 누적 에너지 값은 상기 수학식 2로 구할 수 있다.
비파괴 이미징 장치를 이동 방향(x축 방향)으로 이동시키면서 측정한 경우, 이동 방향의 위치(x 좌표)에 따라 반사파 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 추가로 측정된 위치가 있는지 확인하여(S665), 모든 x 좌표의 반사파 측정값에 대하여 상기 과정들(S620 내지 S650)을 반복할 수 있다.
비파괴 이미징 장치는 깊이 매칭 단계(S670)에서 각각의 주파수를 대응하는 깊이에 매칭한다. 깊이 매칭 단계에서는 이물질이 매설된 깊이별 주파수 특성을 미리 측정한 데이터를 이용하여 주파수에 따른 깊이를 보정하여 매칭시킨다.
시각화 단계(S680)에서는 깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력한다. 비파괴 이미징 장치는 주파수별 누적 에너지를 세로로 배치하여, 주파수에 대응하는 깊이별로 매질내의 상태를 시각화하여 출력한다. 비파괴 이미징 장치를 이동수단을 이용하여 지표면상 위치를 이동하는 경우, 지표면의 위치에 따른 깊이별 이물질 존재 여부 또는 지하 구조를 3차원적으로 시각화하여 나타낼 수 있다.
도 7은 일 실시예의 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
앞의 비파괴 이미징 장치의 설명에서와 마찬가지로, 이하의 비파괴 이미징 방법에서도, 도 6에서 이미 설명한 단계들과 동일·유사한 단계는 유사한 번호를 부여하였고, 다른 특징이 없는 한 별도로 설명하지 않고 도 6의 설명을 참조하여 이해할 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 로그 누적 에너지 산출 단계(S760)를 더 포함한다. 로그 누적 에너지 산출 단계(S761)에서는 상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시킨다.
고주파의 작은 값을 dB 단위로 표현하기 쉽도록 하기 위해, 로그 누적 에너지 산출 단계(S761)에서는 상기 수학식 3을 이용하여 주파수별 누적 에너지(Si)에 로그를 취한 로그 누적 에너지(Li)를 주파수별 누적 에너지 대신에 사용한다. 그 결과 깊이에 따른 반사에너지를 보다 용이하게 비교할 수 있다.
도 8은 일 실시예의 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
추가적인 양상에 따르면, 비파괴 이미징 방법은 위치별 에너지 산출 단계(S867)와, 배경 에너지 산출 단계(S868)와, 배경 에너지 차감 단계(S869)를 포함한다.
위치별 에너지 산출 단계(S867)에서는 주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시켜서 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 산출한다.
배경 에너지 산출 단계(S868)에서는 상기 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출한다.
배경 에너지 차감 단계(S869)에서는 반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 누적 에너지에서 상기 위치의 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시킨다.
도 9는 일 실시예의 또 다른 변형에 따른 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
비파괴 이미징 장치는 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환한다(S920). 먼저 저역 통과 필터의 차단 주파수를 가장 낮은 주파수로 선택한다(S940). 디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 저역 통과 필터에 입력하여 고주파를 제거하고 차단 주파수 이하의 저주파 성분만 남기도록 필터링한다(S945). 통과된 저주파들의 모든 신호를 합하여 전체 에너지를 산출한다(S950). 산출된 전체 에너지는 차단 주파수까지의 누적 에너지에 해당한다. 반사파의 고주파성분까지 모든 주파수에 대해 누적 에너지를 산출하였는지 확인한다(S960).
아직 모든 주파수에 대해 누적 에너지를 산출한 것이 아니면, 차단 주파수 설정 단계(S940)로 되돌아가서 반복한다. 이때 차단 주파수는 푸리에 변환에 사용하는 주파수 간격만큼씩 증가시킬 수 있다.
모든 주파수에 대해 누적 에너지를 산출한 경우, 각 주파수별 누적 에너지를 깊이에 매칭시킨다(S970). 주파수별 깊이의 관계는 이미 알고 있는 매질에 알려진 깊이에 매설된 물체를 측정하여 보정함으로써 정량적으로 정확하게 구할 수 있다.
누적 에너지를 주파수 또는 깊이에 따라 정렬하면, 매질 내부의 광물, 공극 등의 이물질의 깊이를 손쉽게 파악할 수 있으며(S980), 반사파를 이동하면서 측정하면 지하의 구조를 3차원적으로 시각화 할 수도 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.
110 : 비파괴 이미징 장치 130 : 매질 내 이물질
150 : 비파괴 이미징 장치 170 : 매질 내 이물질
200 : 비파괴 이미징 장치 205 : 이동수단
210 : 신호처리부 250 : 누적 에너지 산출부
270 : 깊이 매칭부 280 : 시각화부
290 : 지표 투과 레이더(GPR)
293 : 송신부 297 : 수신부
310 : 신호처리부 320 : 반사파 신호 샘플링부
330 : 푸리에 변환부 335 : 주파수별 에너지 산출부
350 : 누적 에너지 산출부 361 : 로그 누적 에너지 산출부
367 : 위치별 에너지 산출부 368 : 배경 에너지 산출부
369 : 배경 에너지 차감부
370 : 깊이 매칭부 380 : 시각화부
510 : 신호처리부 520 : 반사파 신호 샘플링부
540 : 차단 주파수 설정부 545 : 저역 통과 필터부
550 : 누적 에너지 산출부
570 : 깊이 매칭부 580 : 시각화부

Claims (10)

  1. 이동수단을 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신하며, 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 장치에 있어서,
    반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구하는 누적 에너지 산출부;
    주파수를 대응하는 깊이에 매칭하는 깊이 매칭부; 및
    깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력하는 시각화부;
    를 포함하는 비파괴 이미징 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 :
    수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 반사파 신호 샘플링부; 및
    디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 일정 크기의 윈도우 영역에 대해 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 변환부;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 :
    반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산하는 주파수별 에너지 산출부;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 :
    상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시키는 로그 누적 에너지 산출부;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 장치는 :
    주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시켜서 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 산출하는 위치별 에너지 산출부;
    상기 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출하는 배경 에너지 산출부; 및
    반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 누적 에너지에서 상기 위치의 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시키는 배경 에너지 차감부;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 장치.
  6. 이동수단을 사용하여 매질 표면을 이동하면서 펄스 신호를 매질로 송신하고 반사파를 수신하는 비파괴 이미징 장치에서, 수신된 반사파 신호로부터 매질의 내부를 영상화하는 비파괴 이미징 방법에 있어서,
    반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 최저 주파수부터 선택된 주파수까지 반사파 신호의 각 주파수별 에너지를 더한 값을 이용하여 주파수별 누적 에너지 값을 구하는 누적 에너지 산출 단계;
    주파수를 대응하는 깊이에 매칭하는 깊이 매칭 단계; 및
    깊이에 따른 누적 에너지를 시각화하여 출력하는 시각화 단계;
    를 포함하는 비파괴 이미징 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 방법은 :
    수신된 반사파 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 반사파 신호 샘플링 단계; 및
    디지털 신호로 변환된 반사파 신호를 일정 크기의 윈도우 영역에 대해 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 변환 단계;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 방법은 :
    반사파 신호의 주파수 성분에 속하는 각 주파수에 대해, 푸리에 계수의 크기의 제곱을 구하여 주파수별 에너지를 계산하는 주파수별 에너지 산출 단계;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 방법은 :
    상기 주파수별 누적 에너지 값에 로그 함수를 적용하여 산출된 주파수별 로그 에너지를 누적 에너지 값에 대응시키는 로그 누적 에너지 산출 단계;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 방법은 :
    주파수별 누적 에너지 데이터를 이동 방향의 각 위치에 맞추어 정렬시켜서 각 주파수에 대해 위치별 누적 에너지 데이터를 산출하는 평균 누적 에너지 산출 단계;
    상기 위치별 누적 에너지 데이터에서 이동 방향에 따른 누적 에너지의 이동 평균값을 구하여 각 주파수의 위치별 배경 에너지 값을 산출하는 배경 에너지 산출 단계; 및
    반사파 신호의 주파수 성분 중에서 선택된 주파수에 대해, 특정 위치의 평균 누적 에너지에서 상기 위치의 누적 배경 에너지 값을 차감한 값을 상기 위치의 주파수별 누적 에너지 값에 대응시키는 배경 에너지 차감 단계;
    를 더 포함하는 비파괴 이미징 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150153470A1 (en) * 2012-06-13 2015-06-04 Adrok Ltd. Methods for determining material and/or subsurface composition
KR101535495B1 (ko) * 2014-01-08 2015-07-09 이성 주식회사 표적 신호를 강화할 수 있는 지하 표적 탐지 시스템 및 방법
KR101865016B1 (ko) * 2018-01-16 2018-06-05 채휘영 지표투과레이다 자료 기반의 공동 검출 방법 및 공동 검출 장치

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