Non-destructive testing method for FSS using microwave time reversal FDTD
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2023
학위논문사항
학위논문(석사) -- Graduate School, Yonsei University Department of Electrical and Electronic Engineering 2023.2
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
마이크로웨이브 시간역전 유한차분 시간영역법을 활용한 주파수선택표면의 비파괴검사 방법
형태사항
xii, 77장 : 천연색삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Jong-Gwan Yook
UCI식별코드
I804:11046-000000544441
소장기관
Frequency selective surface (FSS) is a structure that serves as a frequency filter to selectively transmit and block specific frequencies, and has a structure in which conductive unit cell patterns are periodically arranged and stacked on dielectric materials. It is mainly applied to systems for control and sensor of electromagnetic waves, and various studies are being conducted on these. However, FSS may have defects such as discontinuities and damage of the conductive patterns in the manufacturing and operating stages, which are major factors in deteriorating the performance of the systems. In particular, for the defects occurring in the operating stages, it is difficult to accurately identify the locations of them because FSS is mainly included inside the dielectric materials. Since these defects affect the achievements of the operational purposes of the overall system in the operating stages, periodic inspections of defects are very important.
In the operating stages of systems, Non-destructive testing (NDT) is widely used for inspections of defects. NDT detects the locations and shapes of the defects in the specimens without physically destroying them, and has the advantages of applying local repair techniques or reusing the specimens according to the inspection results. Compared to other NDT methods, microwave NDT methods have some advantages such as being applicable to dielectric materials, simple configurations for inspections, fewer safety issues and being applicable to large areas of specimens. So, studies on the microwave NDT methods have been actively conducted.
Microwave NDT methods using Time reversal detect defects by back-propagating the electromagnetic waves that are scattered from specimens through computers. Compared to other microwave NDT methods, they have some advantages such as ease to implementation, low consumption of resources due to non-iterative computations, suitability for broadband measurements and imaging the results of inspections. In this regard, studies on applications to dielectric composite materials and improvements of Time reversal algorithm are mainly in progress, but studies on applications to FSS are insufficient.
This thesis proposes a microwave NDT method using Time reversal to perform inspections of defects on FSS and demonstrates the feasibility. The proposed method uses appropriate signal processing methods and Time reversal Finite-difference time-domain (FDTD) method for the signals measured in the frequency domain to image the locations of defects. Through simulations and experiments, the validity of proposed method is demonstrated and some future works are derived. The proposed method is easy to implement, consumes less computer resources and can accurately detect the locations of defects in the conductive patterns of FSS. In the future, it is expected to be used as an effective NDT method for structures with FSS applied in the operating stages of systems through research on improving resolution, detecting shapes of various defects and applying 3D and curved structures.
주파수선택표면은 특정 주파수를 선택적으로 투과, 차단하는 주파수 필터 역할의 구조물로써 전도성 단위구조 패턴이 주기적으로 배열되어 유전체에 적층된 구조를 갖는다. 이는 주로 전자기파 제어, 센서 시스템에 응 용되며 이에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 주파수선택표면의 경우 제작단계 및 운영단계에서 전도성 패턴의 불연속, 손상과 같은 결함이 발생할 수 있으며 이는 시스템의 주된 성능저하의 요인이 된다. 특히 시스템 운영단계에서 발생하는 결함의 경우 주파수선택표면은 주로 유전체 구조물 내부에 포함되어 있으므로 정확한 결함의 위치를 식별하기가 어렵다. 이러한 결함은 운영단계에서 전체적인 시스템의 운용목적 달성에 영향을 초래하므로 정기적인 결함검사는 매우 중요하다.
시스템 운영단계에서는 결함검사를 위해 비파괴검사가 폭 넓게 활용된다. 비파괴검사는 시편의 물리적 파괴없이 시편에 존재하는 결함의 위치와 형상 등을 검출하는 것으로 검사결과에 따른 국부적인 수리기법 적용과 시편의 재사용이 가능한 장점이 있다. 특히 마이크로웨이브를 활용한 비파괴검사 방법은 다른 검사방법 대비 유전체에 대해 적용이 가능하 고, 검사를 위한 구성이 간단하며, 안전성 문제가 적고, 넓은 면적에 대해서도 적용이 가능한 장점들을 가지고 있으므로 이를 활용한 비파괴검사방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
시간역전을 활용한 마이크로웨이브 비파괴검사 방법은 시편에서 산란되는 전자기파를 컴퓨터 상에서 역전파 시킴으로써 결함을 검출한다. 이는 다른 방법 대비 구현이 쉽고, 광대역 측정에 적합하며, 비반복적인 계산으로 컴퓨터의 자원 소모가 적고, 결함을 이미지화 할 수 있는 장점이 있다. 이와 관련하여 주로 유전체로 구성된 물질에 대한 적용 연구와 알고리
즘 개선에 대한 연구가 진행 중이나, 주파수선택표면에 대한 적용 연구는 미비한 상황이다.
본 논문에서는 주파수선택표면의 결함검사를 수행하기 위한 시간역전을 활용한 마이크로웨이브 비파괴검사 방법을 제안하고 적용 가능성을 보 인다. 제안하는 방법은 주파수영역에서 측정된 신호에 대해 적절한 신호처리 기법과 시간역전 유한차분 시간영역법을 활용하여 결함의 위치를 이미지화 한다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안하는 방법의 유효성을 보이고 향후 연구과제를 도출한다. 제안하는 방법은 구현이 쉽고, 비반복적 계산으로 컴퓨터의 자원 소모가 적으며, 주파수선택표면의 전도성 패턴에 존재하는 결함의 위치를 정확하게 검출할 수 있다. 향후 검출 분해능 향상, 다양한 결함의 형상 식별, 3D 및 곡면구조에 대한 적용 연구를 통해 시스템 운영단계에서 주파수선택표면이 적용된 구조물에 대한 효과적인 비파괴검사 방법으로 활용 될 것으로 기대된다.
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