[논문]액체의 특성 분류를 위한 스펙트럼 분석 방법

이종길

doi:10.6109/jkiice.2016.20.12.2206

액체의 특성 분류를 위한 스펙트럼 분석 방법
Spectral Analysis Method for Classification of Liquid Characteristics 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.12, 2016년, pp.2206 - 2212

이종길 (Department of Information and Telecommunication Engineering, Incheon National University)

초록
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액체의 특성을 분류하기 위해서는 액상 물질의 유전율의 차이 등에 따른 특징적인 현상들을 파악하여야 한다. 이러한 현상들을 원격으로 탐지하여 추출할 수 있다면 폭발 가능성이 있는 위험물질의 검색이나 액체의 종류 등을 파악하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 논문에서는 광대역 전자파 신호를 이용하여 액체의 반사 및 투과신호를 하나의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나에서 획득하여 분석하였다. 반사 또는 투과신호는 액체의 종류에 따라 주파수별 응답특성이 다르게 나타난다. 그러나 기존의 FFT 스펙트럼 추정방식은 주파수 해상도 문제 및 윈도잉에 의한 왜곡 때문에 적용하기 어렵다. 따라서 이러한 문제들을 최소화할 수 있는 고유벡터 해석 기법을 이용한 고해상도 스펙트럼 추정 및 분석 방법을 적용하였다. 이렇게 얻어진 결과들로부터 투과 또는 반사경로 들에 따른 액체의 종류별 첨두치 주파수들 및 대응전력 값들을 비교함으로서 다양한 액체들의 분류가 가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is necessary to find characteristic phenomena related with permittivity differences for classification of liquid characteristics. If these phenomena can be remotely detected and characteristics can be extracted, it will be very useful in finding flammable liquid materials and classifying substances of these liquids. Therefore, in this paper, reflection and transmitted signals were analyzed from three receiving antennas with one transmitting antenna using wideband electromagnetic wave signals. Frequency response characteristics of reflected or transmitted signals are different according to characteristics of liquid materials. However, conventional FFT methods cannot be applied due to problems of low resolution caused by data windowing distortion. To minimize these problems, eigenvector analysis method was applied for high resolution spectrum estimation of received signals. From these results, it can be shown that classification of many kinds of liquids are possible using peak frequencies and corresponding peak power values of spectrum estimates obtained from various liquid materials.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재까지 원격탐지 목적으로 광대역 전자파 신호를 이용한 액체 특성 분류 방법에 관련된 연구들은 공개적으로 발표되거나 알려진 것이 거의 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 액체물질들을 비교적 멀리 떨어진 거리에서 원격으로 탐지하고 그 특성을 분류할 수 있는 방법을 제안하고 실질적인 사용 가능성을 확인하고자 한다.
결과 그림들로부터 알 수 있는 것처럼 액체시료 별로 반사 및 투과함수의 주파수 전달특성이 다소 다르게 나타나며 이와 같은 특성 차이로 인하여 수신 안테나에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼 추정치는 서로 다르게 나타난다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 서로 다른 스펙트럼 형태들을 보이는 액체시료들의 주파수 영역 특징을 추출하고자 이차원 공간, 즉 X, Y 평면에서 첨두치 전력과 이에 상응하는 주파수를 표시함으로서 액체시료들의 분류가 가능한지를 확인하였다.
본 논문에서는 액체시료의 특징이나 종류를 분류하는 것이 주목적이므로 경계면에서의 세부적인 반사 및 투과 신호에 의한 해석방법을 지양하고 전체적인 송수신 시스템에서의 입출력 특성 모델을 사용하고자 한다. 즉 반사 및 투과되는 수신 신호의 경우 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼 송신 신호의 입력 단 입력에 의한 출력 단에서의 반사 신호 및 투과 신호 모델로 표시할 수 있을 것이다.
그러나 이러한 응답특성은 송신 안테나로부터의 직접적인 간섭이나 주변 물체 또는 벽면 등에서의 다중 전파에 의한 간섭이 일어날 수 있으므로 이러한 현상들을 최대한 억제할 수 있도록 하여야 한다. 본 논문에서는 이렇게 구성된 송수신 시스템을 이용하여 액체 물질로부터 반사되는 신호 및 투과되는 신호의 주파수 응답 특성을 분석하고 이러한 액체들의 분류 가능성을 검토하였다.
본 논문에서는 폭발 위험물질로 분류될 수 있는 액체의 원격 탐지 및 종류의 식별등을 위한 목적으로 활용될 수 있는지 효용성을 확인하기 위하여 광대역 전자파 송수신 안테나를 이용하여 다양한 액체시료들에 대한 반사 신호 및 투과 신호들을 획득하였다. 이러한 반사 신호 및 투과 신호들의 주파수 영역에서의 분석을 위하여 다양한 액체시료의 특성에 따른 신호의 스펙트럼 추정을 통하여 특징을 추출하고자 하였다.
본 논문에서는 폭발 위험물질로 분류될 수 있는 액체의 원격 탐지 및 종류의 식별등을 위한 목적으로 활용될 수 있는지 효용성을 확인하기 위하여 광대역 전자파 송수신 안테나를 이용하여 다양한 액체시료들에 대한 반사 신호 및 투과 신호들을 획득하였다. 이러한 반사 신호 및 투과 신호들의 주파수 영역에서의 분석을 위하여 다양한 액체시료의 특성에 따른 신호의 스펙트럼 추정을 통하여 특징을 추출하고자 하였다. 특히 스펙트럼 추정에서의 짧은 데이터 획득시간으로 인한 문제점을 극복하기 위하여 고해상도 주파수 추정이 가능한 고유벡터 방법을 적용하여 신호들을 분석하였다.
이러한 주파수 대역 특성을 파악하기 위해서는 송신 단에서 광대역 안테나와 및 광대역 펄스 신호를 사용하여야 한다. 즉, 광대역 주파수 신호에 의한 주파수 별 전달특성의 변화를 파악함으로서 시료의 특성 분류가 가능한지 분석, 고찰하고자 하였다.

제안 방법

또한 송수신 안테나는 수신 단으로의 송신 누설전력 등을 최소화하기 위하여 분리형으로 설치하였다. 아울러 액체시료들에 대한 탐지 대상 영역을 충분히 확보하기 위하여 빔 폭이 넓은 광대역 비발디 안테나를 적용하였다.
이러한 수신 신호의 주파수 대역 특성을 확인하기 위하여 앞장에서 기술한 고유벡터 방법을 사용하여 반사 수신 신호의 전력 스펙트럼을 나타내었다. 그림 3은 톨루엔과 물의 반사 신호에 대한 전력 스펙트럼을 나타낸다.
이러한 반사 및 투과 스펙트럼 추정치의 특징들을 이용한다면 다양한 액체시료들의 분류가 가능할 것이다. 이와 같은 분류를 위한 방법으로 각 액체시료 물질들의 스펙트럼 첨두치 및 첨두치 주파수를 이차원 평면상에 도시하였다. 그림 7은 반사 신호, 그림 8은 투과신호의 스펙트럼 첨두치 및 첨두치 주파수를 각각 표시하였다.
이러한 반사 신호 및 투과 신호들의 주파수 영역에서의 분석을 위하여 다양한 액체시료의 특성에 따른 신호의 스펙트럼 추정을 통하여 특징을 추출하고자 하였다. 특히 스펙트럼 추정에서의 짧은 데이터 획득시간으로 인한 문제점을 극복하기 위하여 고해상도 주파수 추정이 가능한 고유벡터 방법을 적용하여 신호들을 분석하였다.

대상 데이터

반사 신호 해석에서는 액체시료로부터의 초기 반사 신호들, 즉 1~128개의 데이터들은 송신 시 발생하는 간섭전력이 인접한 수신 단에 나타나고 있는 현상이기 때문에 처음 128개의 데이터들을 제외하고 분석하였다. 반면 투과신호 분석에서는 송신 시 강력한 간섭 등에 의한 문제는 발생하지 않으나 일정한 지연시간이 지난 후 액체시료를 투과한 전자파 신호가 수신되게 된다.
송신 신호는 초 광대역 무선 시스템에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 일차 레일리(Rayleigh) 펄스를 사용하였다. 이러한 레일리 펄스는 펄스 파라메터를 조정하여 펄스의 길이를 300ps 로 하였으며 수신 단에서의 샘플링 주파수는 36GHz 로 하였다.
앞장에서 기술한 바와 같이 그림 1과 같은 구조에서 놓여 진 액체시료에 대한 반사 및 투과된 전자파 신호를 위쪽과 아래쪽의 광대역 비발디 수신 안테나를 이용하여 신호 데이터를 획득하였다. 신호 데이터는 512개로 36GHz 샘플링 주파수를 사용하였다.
앞장에서 기술한 바와 같이 그림 1과 같은 구조에서 놓여 진 액체시료에 대한 반사 및 투과된 전자파 신호를 위쪽과 아래쪽의 광대역 비발디 수신 안테나를 이용하여 신호 데이터를 획득하였다. 신호 데이터는 512개로 36GHz 샘플링 주파수를 사용하였다.
이제 물과 톨루엔 이외의 4개의 서로 다른 액체 시료에 대한 반사 및 투과된 신호를 획득하였다.

이론/모형

따라서 기존의 FFT(Fast Fourier Transform) 방법을 사용할 경우 수신 신호에 대한 데이터 획득시간이 매우 길지 않으면 윈도잉(windowing) 효과에 의한 누설 스펙트럼 전력으로 인하여 특성 왜곡이 발생하게 되어 높은 해상도가 유지될 수 없다. 그러므로 출력신호의 스펙트럼 분석을 위하여 파라미터 스펙트럼 추정방식중의 하나인 신호와 잡음 공간을 결정하는 고유벡터(eigenvector) 기법을 이용한 스펙트럼 추정 방법을 적용하였다.

성능/효과

결과 그림들로부터 알 수 있는 것처럼 액체시료 별로 반사 및 투과함수의 주파수 전달특성이 다소 다르게 나타나며 이와 같은 특성 차이로 인하여 수신 안테나에서의 신호의 주파수 영역 스펙트럼 추정치는 서로 다르게 나타난다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 서로 다른 스펙트럼 형태들을 보이는 액체시료들의 주파수 영역 특징을 추출하고자 이차원 공간, 즉 X, Y 평면에서 첨두치 전력과 이에 상응하는 주파수를 표시함으로서 액체시료들의 분류가 가능한지를 확인하였다.

후속연구

여기에서 시험하지 못한 일부 액체시료들의 경우에는 투과 또는 반사 신호 정보만을 이용할 경우 스펙트럼 첨두치 및 대응 주파수가 유사하게 나타나는 경우가 있을 수 있다.그러므로 두 개의 수신 안테나로부터 획득한 반사 및 투과 신호 정보들을 동시에 활용한다면 원격탐지에서의 정확도를 더욱 높일 수 있을 것이다. 또한 더 세부적인 특성 분류나 위험 물질들의 판정등이 가능할 수 있으므로 다양한 목적으로 응용될 수 있을 것이다.
그림 8로부터 확인할 수 있 바와 같이 액체시료의 종류에 따라 첨두치 전력 또는 첨두치 주파수가 다르게 나타남을 알 수 있다. 그러므로 전체 스펙트럼의 특징을 분석하지 않아도 수신 신호의 첨두치 전력과 이에 상응하는 주파수 추정치만을 활용하여도 액체시료의 분류가 가능할 것으로 판단된다.
이러한 다양한 액체 시료들에 대한 반사파 신호와 투과 신호들에 대하여 분석한 결과들을 종합하여 보면 액체시료의 특성이나 특징에 따라 이차원 공간상에서의 첨두치 전력 값 및 첨두치 주파수 정보를 활용하여 액체시료의 구별이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 반사 및 투과 신호의 스펙트럼 추정치의 특징을 모두 활용한다면 다양한 액체시료의 구별 및 분류에 적절하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 레일리 펄스는 펄스 파라메터를 조정하여 펄스의 길이를 300ps 로 하였으며 수신 단에서의 샘플링 주파수는 36GHz 로 하였다. 따라서 분석 가능한 주파수 응답영역은 18GHz 대역까지이나 안테나의 대역폭과 레일리 펄스의 길이를 감안하면 1~6GHz 주파수 영역에서의 특성 분석이 가능할 것이다.
그러나 액체 및 스티롬폼 판을 투과하여 신호를 수신하는 아래 수신 단에서는 상대적으로 송신 빔의 부엽 등에 의한 영향이 제한적이므로 직접적인 간섭에 의한 전력은 거의 나타나지 않는다. 따라서 초기 지연 구간, 즉 배경잡음 구간을 제외한 전체 구간을 유효한 투과신호로 간주하여 신호의 특성을 분석할 수 있을 것이다.
그러므로 두 개의 수신 안테나로부터 획득한 반사 및 투과 신호 정보들을 동시에 활용한다면 원격탐지에서의 정확도를 더욱 높일 수 있을 것이다. 또한 더 세부적인 특성 분류나 위험 물질들의 판정등이 가능할 수 있으므로 다양한 목적으로 응용될 수 있을 것이다.
이러한 다양한 액체 시료들에 대한 반사파 신호와 투과 신호들에 대하여 분석한 결과들을 종합하여 보면 액체시료의 특성이나 특징에 따라 이차원 공간상에서의 첨두치 전력 값 및 첨두치 주파수 정보를 활용하여 액체시료의 구별이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 반사 및 투과 신호의 스펙트럼 추정치의 특징을 모두 활용한다면 다양한 액체시료의 구별 및 분류에 적절하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
그림 5와 그림 6의 결과 그림들에서 보는 바와 같이 반사 또는 투과하여 수신되는 신호의 스펙트럼 추정 값은 액체시료의 종류에 따라 다소 다르게 나타남을 알 수 있다. 이러한 반사 및 투과 스펙트럼 추정치의 특징들을 이용한다면 다양한 액체시료들의 분류가 가능할 것이다. 이와 같은 분류를 위한 방법으로 각 액체시료 물질들의 스펙트럼 첨두치 및 첨두치 주파수를 이차원 평면상에 도시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체의 특성을 분류하기 위해 시행해야 하는 것은 무엇인가?	액체의 특성을 분류하기 위해서는 액상 물질의 유전율의 차이 등에 따른 특징적인 현상들을 파악하여야 한다. 이러한 현상들을 원격으로 탐지하여 추출할 수 있다면 폭발 가능성이 있는 위험물질의 검색이나 액체의 종류 등을 파악하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
	반사 또는 투과신호는 무엇에 따라 주파수별 응답특성이 다르게 나타나는가?	따라서 본 논문에서는 광대역 전자파 신호를 이용하여 액체의 반사 및 투과신호를 하나의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나에서 획득하여 분석하였다. 반사 또는 투과신호는 액체의 종류에 따라 주파수별 응답특성이 다르게 나타난다. 그러나 기존의 FFT 스펙트럼 추정방식은 주파수 해상도 문제 및 윈도잉에 의한 왜곡 때문에 적용하기 어렵다.
	액상 물질의 유전율의 차이 등에 따른 특징적인 현상들을 원격으로 탐지하여 추출할 수 있는 경우 어떤 이점이 있는가?	액체의 특성을 분류하기 위해서는 액상 물질의 유전율의 차이 등에 따른 특징적인 현상들을 파악하여야 한다. 이러한 현상들을 원격으로 탐지하여 추출할 수 있다면 폭발 가능성이 있는 위험물질의 검색이나 액체의 종류 등을 파악하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다. 따라서 본 논문에서는 광대역 전자파 신호를 이용하여 액체의 반사 및 투과신호를 하나의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나에서 획득하여 분석하였다.

참고문헌 (8)

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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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