[논문]디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템의 검증

노현석; 강보선

doi:10.15435/jilasskr.2013.18.3.119

디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템의 검증
Validation of Digital Holographic Particle Velocity Measurement System 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.18 no.3, 2013년, pp.119 - 125

Abstract ▼ AI-Helper

Digital holographic particle velocity measurement system can be a promising optical tool for the measurements of three dimensional particle velocities. In this research, validation experiments for the digital holographic particle velocity measurement system were conducted with measuring the velocities of glass beads on a rotating disk. Uncertainty analysis was performed to identify the sources of all relevant errors and to evaluate their magnitudes. The measurement results of particle velocities obtained with digital holographic method are compared reasonably well with the known values within acceptable range of errors. Moreover, digital holographic method showed better performance compared with that of optical holographic system.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템을 구축하고 계측의 정확성을 검증하였다. 디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템은 레이저 동기화 시스템을 포함한 디지털 홀로그래피 방법을 이용하여 입자 이미지 홀로그램을 기록하였다.

가설 설정

z축 이동거리 측정의 불확실도 uDx 는 초점면 결정시 재생 간격의 절반인 ±∆z/2로 가정하였다.

제안 방법

홀로그램의 재생 방법은 convolution 재생 방법이며, 재생시 상관계수법을 이용한 초점면 결정, Wiener 필터를 사용한 잡음제거, 두 개의 이진화 값 및 분할 이진화 방법을 사용한 입자의 이미지 분석을 통하여, 입자의 크기, 이동 거리 및 속도를 측정할수 있는 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템의 정확성을 검증하기 위하여 회전원판 위에 놓인 유리구의 속도를 측정하여 실제 유리구의 속도와 비교, 검증하는 실험을 수행하였다. 뿐만 아니라, 입자의 속도 측정 과정에 결부된 오차 요인들에 대한 불확실도 분석을 수행하였다.
. 두 재생방법을 비교한 이전 연구⁽⁹⁾에서 Convolution 방법에 의해 재생된 이미지의 해상도가 Fresnel 근사 방법보다 더 우수했기 때문에 본 연구에서는 Convolution 재생방법을 선택하였다. Convolution 재생방법의 수학적 표현은 다음과 같다.
본 연구에서는 디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템을 구축하고 계측의 정확성을 검증하였다. 디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템은 레이저 동기화 시스템을 포함한 디지털 홀로그래피 방법을 이용하여 입자 이미지 홀로그램을 기록하였다. 홀로그램의 재생 방법은 convolution 재생 방법이며, 재생시 상관계수법을 이용한 초점면 결정, Wiener 필터를 사용한 잡음제거, 두 개의 이진화 값 및 분할 이진화 방법을 사용한 입자의 이미지 분석을 통하여, 입자의 크기, 이동 거리 및 속도를 측정할수 있는 시스템을 구축하였다.
재생 이미지는 모든 영역에서 균일하지 않기 때문에 전체 영역에서 단일 이진화기준을 사용하여 이진화해버리면 중요한 정보가 상실될 가능성이 높다. 따라서, 본 연구에서는 전체 영역을 작은 해석 영역으로 구분한 뒤 영역마다 다른 이진화기준을 적용하였으며, 계산 시간을 고려하여 재생이미지를 16 개로 분할하여 서로 다른 이진화기준을 적용하였다.
본 연구에서는 3차원 입자 속도 계측을 위하여 디지털 홀로그래피 방법을 이용하여 입자 이미지를 기록하고, 재생한 입자의 이미지 분석을 통하여 입자의 크기, 이동거리 및 속도를 측정할 수 있는 디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템을 구축하였다.
임의의 광축 위치에서 재생된 액적 이미지는 배경과의 명암 차이가 크지 않으며 스페클을 비롯한 잡음이 많기 때문에 적절한 이진화기준을 사용하여 이진화할 필요가 있다. 본 연구에서는 두 단계에 의해 계산된 이진화기준을 적용하였다. 첫 단계의 이진화기준, I_th1은
구축된 시스템의 정확성을 검증하기 위하여 회전원판 위에 놓인 유리구의 속도를 측정하여 실제 유리구의 속도와 비교, 검증하는 실험을 수행하였다. 뿐만 아니라, 입자의 속도 측정 과정에 결부된 오차 요인들에 대한 불확실도 분석을 수행하였다.
디지털 홀로그래피 입자 속도 계측시스템은 레이저 동기화 시스템을 포함한 디지털 홀로그래피 방법을 이용하여 입자 이미지 홀로그램을 기록하였다. 홀로그램의 재생 방법은 convolution 재생 방법이며, 재생시 상관계수법을 이용한 초점면 결정, Wiener 필터를 사용한 잡음제거, 두 개의 이진화 값 및 분할 이진화 방법을 사용한 입자의 이미지 분석을 통하여, 입자의 크기, 이동 거리 및 속도를 측정할수 있는 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템의 정확성을 검증하기 위하여 회전원판 위에 놓인 유리구의 속도를 측정하여 실제 유리구의 속도와 비교, 검증하는 실험을 수행하였다.

대상 데이터

7에 나타내었다. 실험장치는 구동 회전부와 회전원판으로 구성되어 있으며, 직류 전력조절기를 이용하여 회전수를 최대 1,800 rpm까지 조절할 수 있으며, 회전원판 회전수는 타코미터를 사용하여 측정하였다. 유리구는 회전원판 위에 가는 철핀을 고정시키고, 그 위에 설치하였다.

이론/모형

각 펄스의 재생된 액적 이미지에서 액적의 x, y 좌표는 쉽게 결정되며, 광축인 z 좌표는 상관계수법을 사용하여 구함으로써 각 펄스에서의 액적의 3차원 좌표가 구해진다. 다음 단계는 입자추적알고리즘(particle tracking algorithm)을 적용하여 첫 번째와 두 번째 펄스에서의 동일 액적을 찾는 것이며, 본 연구에서는 Baek과 Lee의 일치 확률(matching probability) 방법⁽¹⁸⁾을 이용하였다.
실제 기록되는 홀로그램은 실험 조건과 광학 부품에 의해 많은 노이즈를 포함하고 있기 때문에 이를 효과적으로 제거할 수 있는 적절한 이미지처리 방법이 필요하다. 이러한 목적으로 inverse 필터⁽¹³⁾, subtraction 방법⁽¹⁴⁾, Gaussian high pass and spectral 필터⁽¹⁵⁾등이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 이러한 필터들을 검증해 본 결과 가장 성능이 좋은 Wiener 필터⁽¹⁶⁾를 사용하였다.
홀로그래피에서 재생된 입자 이미지는 일반적인 카메라 이미지와는 다르게 대개 초점 심도(depth of focus)가 매우 크기 때문에, 초점면을 어떻게 결정하느냐가 입자 홀로그래피 해석에 있어서 중요한 문제 중의 하나이다. 지금까지 제안된 방법 중에는 강도를 이용하는 방법⁽¹⁰⁾, Wavelet 변환에 의한 최대 크기를 이용하는 방법⁽¹¹⁾ 등이 있으며, 본 연구에서는 본 연구그룹에서 제안한 상관계수법⁽¹²⁾을 사용하였다. 두 영상 F와 G에 대해 정의되는 상관계수(CC, Correlation Coefficient)는 식 (4)와 같이 정의되며, 두 영상간 유사성이 낮으면 0에 가까운 값, 유사성이 아주 높으면 1에 가까운 값을 갖는다.

성능/효과

56%로 디지털 홀로그래피가 상대오차가 작음을 알 수 있다. 또한 저속보다는 고속에서 디지털 홀로그래피가 광학 홀로그래피보다 상대적으로 불확실도 및 상대오차가 작음을 알 수 있다.
5% 이내였으며, 디지털 홀로그래피 방법이 기존 광학적 홀로그래피 방법에 의한 측정값보다 상대오차 및 불확실도가 감소하였음을 확인하였다. 이를 통해 3차원 입자 속도 계측에 디지털 홀로그래피가 매우 정확하고 효과적임을 알 수 있었다.
구축된 시스템의 정확성을 검증하기 위하여 회전원판 위에 놓인 유리구의 속도를 측정하여 실제 유리구의 속도와 비교, 검증하는 실험을 수행하였다. 입자의 속도는 원판 회전수에 의해 예측된 입자의 속도값과 상대 오차 2.5% 이내였으며, 디지털 홀로그래피 방법이 기존 광학적 홀로그래피 방법에 의한 측정값보다 상대오차 및 불확실도가 감소하였음을 확인하였다. 이를 통해 3차원 입자 속도 계측에 디지털 홀로그래피가 매우 정확하고 효과적임을 알 수 있었다.
을 디지털 홀로그래피 측정값과 비교하기 위해 Table 2에 나타내었다. 저속에서는 디지털 홀로그래피를 이용한 756 rpm일 때와 광학 홀로그래피를 이용한 813 rpm일 때의 값을 비교했을 시, 불확실도는 각각 0.066 m/s와 0.207 m/s로 큰 차이를 보였고 상대오차 역시 각각 0.68%, 2.56%로 디지털 홀로그래피가 상대오차가 작음을 알 수 있다. 또한 저속보다는 고속에서 디지털 홀로그래피가 광학 홀로그래피보다 상대적으로 불확실도 및 상대오차가 작음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저를 이용한 입자 특성을 계측하는 광계측 시스템에는 무엇이 있는가?	레이저를 이용한 입자 특성을 계측하는 광계측 시스템으로는 LDV(Laser Doppler Velocimetry), PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer), PIV(Particle Image Velocimetry), 영상처리기법, 홀로그래피 기법 등이 있다. 1980년대 초부터 가장 보편적으로 이용되어 온 LDV는 대량의 샘플링이 가능하여 신뢰성이 높은 측정이 가능하고, 3차원 속도 벡터를 얻을 수 있지만, 점 측정이라는 단점이 있다.
	디지털 홀로그래피의 장점은 무엇인가?	물체를 3차원적으로 기록, 재생할 수 있는 홀로그래피는 측정 체적의 정보를 기록한 이후에, 다양한 방법으로 재생함으로써 홀로그램에 저장된 많은 양의 정보를 추출할 수 있다. 디지털 홀로그래피는 홀로그램의 화학적 처리가 필요하지 않고 시스템을 단순화시킬 수 있으며, 실시간분석이 가능하다는 여러 가지 장점으로 인하여 여러 분야에서 광범위하게 응용되고 있다(1).
	PDPA의 문제점은 무엇인가?	위상 도플러 기법을 이용하는 PDPA는 입자의 크기와 형상을 측정하기 위해서서로 다른 각도에서 입자에 의해 굴절된 빛의 위상 정보를 해석한다. 하지만, LDV와 같은 점 측정이며, 입자가 희박하게 분포되어 있고 거의 구형에 가까울 경우에는 신뢰성이 있는 측정 결과를 얻을 수 있지만 입자가 과밀하게 분포하면서 크기도 크고 모양도 매우 불규칙적인 노즐의 출구와 가까운 영역에서는 측정의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.

참고문헌 (19)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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