[논문]테라헤르츠파의 디컨벌루션을 통한 유리섬유 복합재 내부 결함 신호 분석

김헌수; 박동운; 김상일; 이종민; 김학성

doi:10.7234/composres.2022.35.1.008

초록
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테라헤르츠(THz)파의 디컨벌루션을 통한 유리섬유 복합재 내부 결함 신호 분석 기법을 연구하였다. 결함이 존재하는 유리섬유 복합재료 시편을 제작하였고, Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) 시스템의 반사모드를 통해 THz 신호를 측정하였다. 디컨벌루션을 위해 THz 입사 신호와 검출 신호의 Normalized Cross Correlation (NCC) 계산을 통해 THz 신호의 피크 위치를 증폭하였다. 증폭된 피크의 위치 및 세기를 임펄스로 추출하였고 THz 원신호에서 추출된 임펄스 위치의 신호를 제거하였다. 해당 과정을 반복함으로써 시편의 경계면을 나타내는 THz 검출 신호의 주요 임펄스를 도출하였다. 주요 임펄스와 기준 신호의 컨벌루션을 통해 노이즈가 제거된 THz 원신호의 복원이 가능한 것을 확인함으로써 디컨벌루션 과정을 검증하였다. 결과적으로 주요 임펄스들의 검출 시간을 통해 15 ㎛ 이내의 정확도로 유리섬유 복합재 내부 결함의 두께 판별이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Analysis of defect signals inside glass fiber reinforced polymer (GFRP) was conducted through deconvolution of terahertz (THz) wave. The GFRP specimen with internal defects was manufactured and the THz signal was measured through the reflection mode of the Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS...

Analysis of defect signals inside glass fiber reinforced polymer (GFRP) was conducted through deconvolution of terahertz (THz) wave. The GFRP specimen with internal defects was manufactured and the THz signal was measured through the reflection mode of the Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) system. For deconvolution of the measured THz signal, the peak position of the THz signal was amplified through Normalized Cross Correlation (NCC) of the incident and detected THz signals. The position and intensity of the amplified peak were extracted as impulse, and the extracted signal of the impulse position was removed from the THz original signal. By repeating the process, the critical impulses, which represent boundary of the specimen, were derived. The deconvolution process was verified by confirming that the original THz signal without noise can be restored through the convolution of the critical impulses and the incident signal. From the derived critical impulses, the thickness of the internal defect in the GFRP was calculated through the detection time of impulses within 15 ㎛ accuracy.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic of defect inspection through THz system
그림 Fig. 2. (a) Curing temperature of the GFRP prepreg (b) The GFRP specimens with internal defect (100, 235, 375, 505 μm)
그림 Fig. 3. Schematic of THz-TD system (a) reflection mode with 30⁰ incidence angle and (b) incidence angle in specimen
그림 Fig. 4. (a) THz signals measured by reflection mode with respect to the defect size, (b) NCC result of THz incident and detected signal, (c) extracted impulse and the signal after impulse extraction, (d) extracted impulse function and critical impulses
그림 Fig. 5. (a) Comparison of THz detected signal and convolution signal (b) magnification of the result, (c) extracted critical impulses with respect to the defect size
표 Table 1. Comparison of the defect sizes derived from the time differences of the peak points and the critical impulses

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 테라헤르츠(THz)파의 디컨벌루션을 통한 유리섬유 복합재 내부 결함 신호 분석 기법을 개발하였다. THz 반사모드를 통해 유리섬유 복합재료 내부의 결함 크기에 따른 THz 신호를 측정하였고, NCC를 통해 THz 검출 신호의 피크 위치를 증폭하였다.

제안 방법

이를 통해 NCC를 통한 디컨벌루션 과정을 검증하였으며, 추출된 주요 임펄스로부터 15 μm 이내로결함크기계산이가능한것을확인하였다

대상 데이터

내부 결함 크기에 따른 유리섬유 복합재료를 제작하기 위해 UD 프리프레그(UGN160B, SK Chemical) 11장을 단방향으로 적층하면서 프리프레그 사이에 100, 235, 370, 505 um의 두께를 가지는 테플론 필름을 각각 삽입하였다. 적층된 프리프레그는 진공 포장 방식을 이용하여 0.
유리섬유 복합재료의 내부 결함 분석을 위해 테라헤르츠 시간영역 분광(THz-TDS) 시스템을 이용하였다. 연구에서 사용된 THz-TDS 시스템(FiCOTM, Zomega Terahertz Corp.)은 펨토초 레이저, THz 발생기, THz 검출기 및 광학 기구들로 구성되어 있다. THz 신호는 0.

데이터처리

NCC를 통한 디컨벌루션 과정을 검증하기 위해, 반대로 추출된 주요 임펄스들과 기준 신호의 합성곱을 계산하여 THz 검출 신호와 비교하였다(Fig. 5(a)).

이론/모형

이때 시편 내부에서는 굴절률의 차이로 입사각도가 바뀌게 되며, 이는 Fig. 3(b)와 같이 스넬 법칙을 이용하여 계산하였다.
유리섬유 복합재료의 내부 결함 분석을 위해 테라헤르츠 시간영역 분광(THz-TDS) 시스템을 이용하였다. 연구에서 사용된 THz-TDS 시스템(FiCOTM, Zomega Terahertz Corp.

성능/효과

4(d)에 나타나 있다. 4개의 경계면에 맞게 주요 임펄스도 4개로 추출되는 것을 확인할 수 있으며, 임펄스의 검출 시간도 THz 검출 신호의 피크 위치와 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
증폭된 피크를 임펄스로 추출하고, 원신호로부터 증폭된 위치를 제거한 뒤 해당 과정을 반복하여 임펄스 함수를 도출하였다. 이후, 시편의 경계면을 나타내는 주요 임펄스만을 추출하였고, 주요 임펄스와 기준 신호의 합성곱 결과 노이즈가 제거된 원신호의 복원이 가능한 것을 확인하였다. 이를 통해 NCC를 통한 디컨벌루션 과정을 검증하였으며, 추출된 주요 임펄스로부터 15 μm 이내로결함크기계산이가능한것을확인하였다.
5(a)). 합성곱 결과와 THz 검출 신호가 거의 동일한 것을 통해 디컨벌루션 과정으로 부터 주요 임펄스들이 정확히 추출되는 것을 확인할 수 있다. 추가적으로, 합성곱 결과에서 THz 검출 신호의 노이즈가 제거된 결과를 확인할 수 있다(Fig.

후속연구

이를 통해 NCC를 통한 디컨벌루션 과정을 검증하였으며, 추출된 주요 임펄스로부터 15 μm 이내로결함크기계산이가능한것을확인하였다. NCC를 통한 디컨벌루션 과정은 THz 신호뿐만 아니라 초음파 등의 전자기파 분석 과정에도 적용될 수 있으며, 좀 더 정확하고 직관적인 신호 분석이 가능하게 해준다. 또한, 결함 분석시 재료의 종류, 적층 각도 등에 따라 달라지는 굴절률값을 보정해 줌으로써 다양한 시편에 대한 결함 분석이 가능하다.
또한, 결함 분석시 재료의 종류, 적층 각도 등에 따라 달라지는 굴절률값을 보정해 줌으로써 다양한 시편에 대한 결함 분석이 가능하다. 결과적으로 디컨벌루션을 통해 주요 임펄스들을 추출함으로써 임의의 신호로부터도 결함 분석이 가능해지기 때문에 제품의 신뢰성 개선에 크게 도움이 될 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

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Ryu, C.H., Park, S.H., Kim, D.H., Jhang, K.Y., and Kim, H.S., "Nondestructive Evaluation of Hidden Multi-delamination in a Glass-fiber-reinforced Plastic Composite Using Terahertz Spectroscopy," Composite Structures, Vol. 156, 2016, pp. 338-347.

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Kim, H.S., Park, D.W., Kim, S.I., and Kim, H.S., "Detection of Fine Delamination in Glass Fiber Reinforced Polymer Analyzing Full Width Half Maximum of Superimposed Terahertz Signal," Composites Research, Vol. 34, No. 3, 2021, pp. 143-147.
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Dong, J., Jackson, J.B., Melis, M., Giovanacci, D., Walker, G., Locquet, A., Bowen, J., and Citrin, D., "Terahertz Frequency-wavelet Domain Deconvolution for Stratigraphic and Subsurface Investigation of Art Painting," Optics Express, Vol. 24, No. 23, 2016, pp. 26972-26985.

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Chen, Y., Huang, S., and Pickwell-MacPherson, E., "Frequency-wavelet Domain Deconvolution for Terahertz Reflection Imaging and Spectroscopy," Optics Express, Vol. 18, No. 2, 2010, pp. 1177-1190.

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