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- 비 접촉 센싱을 이용한 이상징후 진단 연구

  • 분광영상 및 비 접촉 센싱을 이용한 이상징후 진단 기술개발

전자파는 물체 내 전자의 운동에 의해 야기된 파동으로 에너지를 한곳에서 다른 곳으로 전달해 주는 역할을 하는 파동으로 그 파동의 초당 진동수(Frequency) 또는 거리로 표현한 진동주기, 즉 파장(Wavelength)에 따라 전자파를 구분한다. 각각의 파장 영역에 맞는 전자파 수집장치와 검지기(Detector)가 있으면 모든 전자파에 대응하는 피사체의 영상 획득이 가능하다.

분광 영상은 0.3 ∼ 15의 파장 영역을 가진다. 파장을 1nm로 나누어 촬영하는 것은 거의 단색영상을 촬영하는 것과 같은데 이를 Ultra-Spectral Imaging, 그리고 몇 개의 아주 근접한 색상을 섞은 것과 같은 10nm의 경우는 Hyper-Spectral Imaging이라 한다. 구조물/비구조물의 상태평가, 식품 품질 안전 평가 및 관리, 지상의 각종 생태계 및 자원, 환경오염 정도, 기상 상황, 각종 시설(도로, 건물 등)의 노후, 농산물 수확 시기, 군사 목표물 등의 정확한 판별과 식별은 물론 이들에서 일어나는 변화 정도를 더 정밀하게 관측함으로써 이상징후를 사전에 감지하여 차단할 수 있다. 과일형상(레몬) 표면의 녹색 곰팡이(Penicillium digitatum) 병원균의 감염된 상태를 확인하기 위해 500nm∼600nm의 스펙트럼 파장 범위의 Hyper-Spectral Imaging을 사용하였다. 영상은 500nm에서 560nm의 스펙트럼 범위가 분광 강도가 감염된 곳에 비례하기 때문에 과일형상(레몬)에서 병원균의 초기 단계를 검출 하는데 유용하게 사용될 수 있다.

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그림1 . 시간에 따른 녹색 곰팡이 균 진행 현상에
대응하는 레몬 표면의 색 변화

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그림 . 500nm∼560nm 범위의 분광영상을 이용한
레몬의 촬영 모습

또한, 분광 영상을 이용하여 구조물/비구조물의 이상징후를 진단하고 예방을 할 수 있다. 아래 그림은 충남 논산시에 있는 탑정호 댐의 외벽을 대상으로 분광 영상을 이용한 표면 손상 테스트를 시행한 결과를 보여준다. 가시 영상만으로는 확인할 수 없는 변색, 백태, 균열, 누수, 박리, 박락 등의 표면 손상을 확인 할 수 있다. Hyper-spectral filter, DSRL, 고정 기구물로 구성된 비접촉식 분광 영상 촬영 장비를 이용하여 250nm부터 900nm까지 분광 영상을 촬영하였다. 그림 3에서는 특정 파장 대역에서 나타나는 표면 특성을 예를 들어 표현하였으며 가시 영상에서는 볼 수 없는 이상징후 특성을 확인 할 수 있다. 적외선 영상은 0.7 ∼ 100 사이의 파장대역을 차지하는 광으로 야간에 물체를 인식 및 식별할 수 있게 해주므로, 야시경 (Night Vision Goggle)에 주로 이용되었으나 최근에는 구조물/비구조물에서 누설되는 열을 측정하여 이들의 상태를 진단하는 목적으로 많이 사용되고 있다. 본 공공안전연구소에서는 열적외선 카메라(FLIR IR Camera)를 이용하여 구조물/비 구조물을 대상으로 이상징후 진단 촬영을 실시하였으며, 그 결과는 아래 그림 4에서 확인 할 수 있다.

그림 3. 충남 논산 소재의 탑정호 댐의 외벽 표면 손상 분광 영상 테스트

그림 3. 충남 논산 소재의 탑정호 댐의 외벽 표면 손상 분광 영상 테스트

주로 건물(구조물) 외벽에서 발생하는 누수 지역 진단, 품질검사, 비구조물의 동작 여부 확인, 콘트리트 균열 확인 등 촬영된 적외선 영상을 육안으로 쉽게 확인 할 수 있다.

이 외에도 밀미리터파 영상, 마이크로 및 단파 영상등 다양한 전자파를 이용하여 비 접촉 센싱 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 비 접촉식 센싱 전자파 영상 장치는 그 파장 별로 다른 특성을 가지고 있어 각종 재난 시 동반되는 악천후 및 악조건 하에서도 재난 현장의 원격 영상화를 가능케 하므로 공공안전분야의 필수 영상 기술이다.

  • 분광영상 및 비 접촉 센싱을 이용한 이상징후 진단 기술개발

교량, 댐, 수리시설 등 국가의 사회기반 시설물은 물론이고, 각종 건축물에 자생하는 균열/공동은 이들 시설물의 내구성 및 안전성을 위협하는 가장 큰 요인들이므로 이들의 생성 및 진행 정도의 주기적인 진단은 필수적이다. 그러나 균열은 영상에 의한 표면 균열탐지만 가능하고, 가장 중요한 균열의 깊이나 내부 진행 정도는 표면 균열을 이용한 초음파에 의한 수직 균열 깊이만 측정 가능하고 곡선의 균열은 측정할 수 없다. 그러므로 균열의 깊이나 내부 진행 정도를 측정할 수 있는 새로운 진단방법이 필요하다.

- 구조물에서 생겨나는 여러 가지 결함의 진단/계측 기술로는 음파/초음파, 전자파 및 와류에 기반을 둔 접촉식 방식과 소형 현미경을 사용하는 접촉/비접촉식의 영상기술방식 등이 있으나, 이들 접촉식 방식들은 음파나 전자파가 가지는 파동의 특성들인 파장, 위상, 주파수, 전파속도, 진폭, 편광방향의 제한에 의해 구조물 내의 수 mm 이상의 직경을 가진, 균열, 공동 철근들의 존재 여부 및 위치나 구조물 표면의 균열을 탐지할 수가 있으나, 수 mm 이하의 내부 미세 균열이나 이들의 깊이 및 위치를 탐지하는 것은 거의 불가능하다. 본 연구에서는 지금까지 개발된 전자파 계측장치에서 사용하는 전자파 주파수인 4GHz보다 진동수가 2배에서 8배가 되는 10GHz에서 30GHz 대의 밀리파 잡음발진기와 유연성이 뛰어난 미세 탐침 자를 이용하여 구조물 내에 수 mm 이하의 크기를 가진 철근, 공동 및 균열의 폭과 깊이를 동시에 측정하는 접촉 및 비접촉 방식이 결합된 새로운 구조물의 결함 진단을 한다. 기존기술보다 정확도를 높이고 균열의 폭과 깊이를 동시에 측정 가능토록 기술을 개발한다.

지하 매핑을 위한 GPR 시스템 개발

  • 지하 매핑을 위한 GPR 시스템 개발

우리 지하에는 하수관, 전선 등의 지하매설물, 유물, 투기 물, 자원, 지하수로, 지하 구조물은 물론 최근에 싱크홀(Sink Hole)을 야기하는 지하 공동 등의 다양한 객체가 지층과 어울려 존재하고 있다. 이 객체 중 다수의 지하매설물, 지하 구조물은 사회의 기반시설로서 보호하기 위해, 유물 및 자원, 지하수는 국가의 자산으로 등록을 위해, 지하 공동과 투기 물, 매설 폭발물들은 향후 위험 방지나 불법 여부 파악을 위해 지하 객체 및 구조 매핑(Mapping)을 위한 탐사가 필요하다.
최근의 지구 온난화에 의한 이상기후의 증가는 지진 안전지대로 여겨지던 한반도에도 잦은 지진을 유발하고 있어, 지층 및 지하수로의 변화에 따른 지하 공동의 생성과 지하수의 무분별한 사용에 의한 지하수의 고갈과 토사의 이동으로 인한 공동화가 예상되고 있다. 이를 반영하듯 2000년도 이후 국내에서 도로함몰 발생 사고가 급격하게 증가하고 있는 추세이다. 그리고 아파트 화의 급속한 진행과 도심의 고층 빌딩 화에 의해 우리나라에서 이들 지하 공동의 증가는 크나큰 인명피해로 이어지는 치명적인 재난의 위험을 내포하고 있다. 현재 GPR은 싱크홀만 아닌 포장도로 내부 상태분석, 콘트리트 철근 상태분석, 철로 밸러스트 상태분석, 지뢰탐지, 문화재 발굴, 환경성 평가, 터널 라이닝 배면 탐사 등에 사용됨은 물론 향후 각 아파트나 고층건물의 지반 상태 검사와 한반도의 주기적인 지하 매핑을 통해 지하 구조의 변동의 확인 등을 위해서도 GPR의 사용이 예상되므로, 앞으로 GPR의 국내외 수요가 크게 증가 할 것으로 예상한다. 현재 영국 등 일부 국가에서 행해지고 있는 지반침하 우려 지역에 대한 재해 위험도 지도 작성 및 지반침하 발생 가능성의 순위 평가 등이 우리나라에서도 절실히 요구되고 있다.

그림 1. 자기장 안테나의 기본원리

그림 1. 자기장 안테나의 기본원리

그림 2. 차량 탑재형 GPR 시스템을 이용한 지하 맵핑 개념도

그림 2. 차량 탑재형 GPR 시스템을 이용한 지하 맵핑 개념도

전자파의 송수신(Transmit/Receive)에는 주파수에 따라 다양한 종류의 안테나(Antenna)가 사용된다. 대표적인 안테나로는 모노폴(Monopole) 안테나, 다이폴(Dipole) 안테나, 스마트(Smart) 안테나, 마이크로스트립(Microstrip) 안테나, 헤리컬(Helical) 안테나, 솔레노이드 타입 안테나 등이 있다.

그림 3. 대표적 안테나의 종류 및 정의

그림 3. 대표적 안테나의 종류 및 정의

모노폴(Monopole) 안테나는 전기장에 기반을 둔 안테나로, 전자파를 공중으로 전파하는 직선 형태의 한 개의 Pole로 되어 있다, 하기의 다이폴 안테나보다 짧은 길이로도 전자파의 전파를 원활하게 하며, 전자파가 Pole을 중심으로 사방으로 전파되므로 무지향성 안테나라 부른다. 이동 통신용 개인휴대 단말기나, FM라디오 수신기 장비 등에 많이 사용된다. 전기장 이용 GPR의 안테나로 사용된다. 다이폴(Dipole) 안테나는 모노폴 안테나 옆에 또 다른 모노폴을 배치한 2개의 폴을 가진 안테나로 두 방향으로 전파에너지를 보내는 지향성 안테나이다. 전기장에 기반 한 단파 청취에 사용되는 표준 안테나로 단파는 물론 초단파 대역에도 사용된다. 두 개의 Pole 대신 여러 개의 폴을 사용하면 지향성이 증가되어 한 방향으로 퍼짐 각도가 아주 적게 하여 전자파를 유도하는 것이 가능하다. 대표적인 것이, 흔히 주택의 옥상에 올려놓고 사용하는 TV 수신용 Yagi 안테나이다. 모노폴과 같이 전기장 이용 GPR의 안테나로 사용된다. 스마트(Smart) 안테나는 모노폴 안테나의 2차원 배열로, 각 안테나의 위상을 조절하여 전자파가 들어오는 입사 방향, 즉 공간적 신호 특징을 구분하기 위해 사용되는 안테나로써 음향 신호처리, 레이더 추적과 검사, 전파 전문학 및 전파 망원경 같은 대부분의 셀룰러 시스템에서 사용된다. 마이크로스트립(Microstrip) 안테나는 패턴을 가진 박막형 안테나로 박막 면이 개방되어 있는 마이크로스트립 선로가 개방 면을 통해 고주파를 방사하는 원리를 이용하여 제작된 소형 평면 안테나이다. 휴대폰과 같은 밀리미터 대역의 소형기기에 많이 사용된다. 헤리컬(Helical) 안테나는 도선을 나선 모양으로 감은 형태의 안테나이며, 지향성을 갖는 것과 없는 것 두 종류로 나뉜다. 전자는 나선의 지름과 전 길이 및 피치를 적당하게 하면 나선 축 위에 지향성을 갖게 할 수 있고 광대역성이 있다. 후자는 원관 철주 주위에 도선을 감은 것으로, 중심점에서 궤환 되어 수직 방향의 방사를 상쇄하게 되어 있다. 솔레노이드 타입 안테나는 도선을 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만든 타입의 안테나이다. 에너지 변환장치 및 전자석으로 이용될 수 있다. 솔레노이드에 전원을 인가하면 코일에 전류가 흐르며 자기장이 형성된다.

기존의 지하 탐지 레이더(GPR)은 전기장(Electric Field)의 전기 전도 특성 변화를 이용하는 모노폴(Monopole) 안테나 또는 다이폴(Dipole) 안테나를 이용하여 제작되었다. 이러한 특성은 임피던스 매칭 때문에 설치 시 지표면에 밀착되어 설치되어있으며, 지표 방향의 수직 배열로 설치되어있다. 하지만 공공안전연구소에서는 자기장(Magnetic Field)의 솔레노이드(Solenoidal) 타입 안테나의 전자기 유도 현상을 이용한 방법을 이용한다. 전기장을 사용하는 상기 안테나들과는 달리 지표면에서 일정 공간 띄어져 설치할 수 있기 때문에 차량탑재형 GPR 시스템 설치의 용이성이 있으며 안테나의 수직 배열과는 달리 일정 입사 각도를 가지고 특정 방향으로 진행 하도록 설치가 가능하여 깊이 측정의 정확성이 뛰어나고 또한 금속물체의 영향을 최소화가 가능하다.

그림 4. 지향성 제어 자기장 안테나의 동작 원리 개념도

그림 4. 지향성 제어 자기장 안테나의 동작 원리 개념도

그림 5. 자기장 안테나를 이용한 GPR 측정시스템의 지하 맵핑 개념도 (단계별 깊이 탐사)

그림 5. 자기장 안테나를 이용한 GPR 측정시스템의 지하 맵핑 개념도 (단계별 깊이 탐사)

그림 6 측정 데이터의 해석 및 프로파일 S/W 예시 1

그림 6 측정 데이터의 해석 및 프로파일 S/W 예시 1

그림 7. 측정 데이터의 해석 및 프로파일 S/W 예시 2

그림 7. 측정 데이터의 해석 및 프로파일 S/W 예시 2

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