목차
보고서 요약서 2
SUMMARY 4
제1장 연구개발과제의 개요 6
1. 연구개발 목적 6
2. 연구개발의 필요성 7
3. 연구개발 범위 8
제2장 국내외 기술 개발 현황 9
1. 세굴 모니터링 기술 현황 9
2. 수중 영상 (소나) 기술을 이용한 실시간 세굴 모니터링 기술 11
3. 수중 영상 (소나) 기술의 국내 기술 동향 11
4. 수중 영상 (소나) 기술의 해외 기술 동향 12
5. 수중 구조물 모니터링에 적용되는 기술 사례 12
제3장 연구 수행 내용 및 성과 16
제4장 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 70
1. 목표 달성도 70
2. 관련 분야 기여도 82
제5장 연구개발성과의 활용계획 83
1. 연구개발 성과의 활용방안 83
2. 기대효과 84
제6장 연구개발성과의 보안등급 84
제7장 연구시설ㆍ장비종합정보시스템에 등록한 연구시설ㆍ장비 현황 85
제8장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 85
제9장 연구개발과제의 대표적 연구 실적 87
표 1. volume fraction ratio에 따른 거동 비교 18
표 2. 설계 파라미터(압전복합재 두께, backing 정도)변화에 따른 주파수 특성 비교 21
표 3. 스캐닝 모듈 내부 파라미터 모음 33
표 4. 스캐닝 모듈 외부 파라미터 모음 34
표 5. 스캐닝 모듈 interrupt 메시지 35
표 6. 스캐닝 모듈 Parameter value (요청 형식; |#|name|, (|#|name| |empty|)) 35
표 7. 스캐닝 모듈 설정값 (downloaded on F/W) 36
그림 1. 스캐닝 소나 기술과 point cloud를 이용한 수중 구조물 및 지지 기반의 상태를 영상화하는 개념도 6
그림 2. 원통형 교각 및 해상 풍력 발전기 주변에 발생하는 세굴의 개념도 (B.W. Melville, S.E. ColemanBridge Scour, Water Resources Publications) 7
그림 3. 3차원 영상 센서 시스템 구현을 위한 핵심 기술 8
그림 4. 세굴 현상으로 인한 교량 붕괴: (a)자그레브의 사바 브리지 (b)더블린의 마라하이드 다리 9
그림 5. 3차원 세굴 현상 시뮬레이션의 예 (Telemac-3Dmodel of scour of gravity foundations in the Irish Sea (McDonnell 2016, in press) 10
그림 6. 각종 센서류를 활용한 교량 세굴 모니터링 기술 (Transport Research Arena(TRA) 5th Conference: Transport Solutions from Research to Deployment, At Paris, France, Apr2014) 10
그림 7. 온도계측을 통한 교량 세굴 및 수위 측정방법 (주봉철 et. al., 한국 콘크리트학회 2009년 춘계 학술대회) 11
그림 8. 사이드 스캔 소나 운용 개념도 13
그림 9. Nortek사의 multi-element singe beam echosounder를 적용한 세굴 모니터링 장비 13
그림 10. Imagenex 사의 3차원 수중 영상 장치 profiling scanning sonar + azimuth driver 14
그림 11. Teledyne Blueview(미)의 수중 입체 영상 장치 14
그림 12. Connectivity에 따른 압전 복합재의 구조 16
그림 13. 복합재 제작을 위한 세라믹 필라(pilar)정렬 구조 (a)Rectangular piezoceramic pilars, (b)Cylindrical piezoceramic pilars 17
그림 14. Dicing&Filling에 의한 1-3 압전 복합재료의 제조 공정 17
그림 15. 모노 세라믹트랜스듀서 vs 압전 복합트랜스듀서의 주파수 분석 비교 18
그림 16. 다양한 volume fraction ratio의 압전 복합재료 제작 18
그림 17. volume fraction ratio에 따른 압전 복합 재료 물성 변화(계산치 vs 시험치) (위로부터 acoustic impedance, electromechanical coefficient, sound speed) 19
그림 18. Heavy absorbing syntactic backing 적용 전후 전기적 임피던스 변화 20
그림 19. 압전복합재 stacking 후 주파수 분석 시험 (압전복합재 + backing material + molding) 20
그림 20. 주파수 분석 시험 장치 구성도 21
그림 21. Baem pattern 시험 (약3도 @1MHz) 21
그림 22. Multi-element transducer (MT1000)와 엘리먼트 배렬 투시도 22
그림 23. Electrical Impedance of MT1000 22
그림 24. MT1000의 주파수 반응 곡선 23
그림 25. MT1000의 Beam angle (좌: 45도 배치, 우: 90도 배치 후 측정) 23
그림 26/그림 25. MT1000의 Beam pattern (high resolution) 24
그림 27/그림 26. 동일 타겟(수조내 벽면)에 대해서 스케닝 방향에 따른 구현 이미지의 왜곡 현상 24
그림 28/그림 27. 직경 55mm 단일 composite element를 적용한 트랜스듀서(ST1000) (좌: 기존 multi element 트랜스듀서) 25
그림 29/그림 28. 임피던스 비교 (MT1000 vs ST1000) 25
그림 30/그림 29. ST1000의 주파수 반응 곡선 (Valid Peak freq.: 700, 880kHz, 1.0, 1.14MHz) 26
그림 31/그림 30. ST1000의 Beam pattern 26
그림 32/그림 30. ST1000의 Beam pattern (약 1도@1MHz, 약 1.5도@700kHz) 27
그림 33/그림 31. 송수신 회로 Schematic diagram 28
그림 34/그림 32. (a) 송수신 회로 조립도, (b) 인터페이스 회로 29
그림 35/그림 33. RS232/485 겸용 Interface 회로 pinout 29
그림 36/그림 34. 일체형 회로 (송수신 + 모터제어 + 인터페이스) 31
그림 37/그림 35. 스태닝 모듈 컨트롤러 개발 키트 구성도 32
그림 38/그림 36. 트랜스듀서 구동용 2차원 scanning 모듈 (홀센서 및 detector (red circles)) 34
그림 39/그림 37. GUI 소프트웨어 screenshot (a)3D, (b)2D 38
그림 40/그림 38. 펌웨어 운용 프로세스 39
그림 41/그림 39. 단일 element 압전 트랜스듀서 시제품 제작 순서도 (a)압전복합재료 (dicing/filling, electroding, wire terminating) (b)backing 재료 접합, (c) + (d) 임피던스 측정(공진/반공진)... 45
그림 42/그림 40. 스캐닝 모듈 + 송수신회로 연동 45
그림 43/그림 41. (a) 트랜스듀서와 스캐닝 모듈 결합, (b) 송수신 회로 및 인터페이스 보드 장착 46
그림 44/그림 42. 시제품 센서시스템의 구성 및 wiring diagram Oil filled parts (트랜스듀서, 모터 x 2, Slip ring x 2, Hall sensor, Frame basis PCB, Sonar head PCB, Penentrator x 2), Dry area parts... 46
그림 45/그림 43. 센서 시스템 시제품 외관 (a) 1차 시제 (b) 2차 시제 47
그림 46/그림 44. 수조 시험 및 스캔 후 취득 영상 48
그림 47/그림 45. 김포 아라마리나 현장 시험 설치 49
그림 48/그림 46. 김포 아라마리나 수중 영상 (a) 3D view, (b) top view, (c) x view, (d) y view 49
그림 49/그림 47. 인천 송도 현장 시험-1 (a) 시험 현장, (b) 교각주위 3D view (c) 다른 색상표현으로 3D view, (d) 세굴 지형 포착 (e) x view (세굴지형) 50
그림 50/그림 48. 인천 송도 현장 시험-2 (a) 교각주위 3D view (b) 다른 각도에서의 3D view, (c) 세굴 지형 포착 51
그림 51/그림 49. 한국해양대학교 정박장 현장 시험 (a) 현장 주변 (b) 시험 장치 (c) 3D view, (d) Top view (e) 세굴 지형 포착 52
그림 52/그림 50. 부산 해양 종합 공원앞 바다 현장 시험 (a) Pier 구조물 (b) 시험 장치 설치 (c) 3D view, (d) Cloud compare 영상 (교각 주위 세굴 현상 없음) 53
그림 53/그림 51. 3차원 정보 처리 방법 및 저장 방법에 대한 flowchart 58
그림 54/그림 52. 한 개의 Depth_camera를 통하여 pointcloud가 추출된 데이터 저장 및 가시화 58
그림 55/그림 53. 다중 깊이 카메라의 3차원 정보의 정합(registration) 및 가시화 소프트웨어 개발 58
그림 56/그림 54. Point cloud registration 59
그림 57/그림 55. RANSAC과 ICP를 이용한 정합 63
그림 58/그림 56. 정합 결과 64
그림 59/그림 57. 보간 전(a)과 후(b)의 모습 66
그림 60/그림 58. 여러개의 원기둥 정합 결과 67
그림 61/그림 59. 2개의 사각기둥 정합 결과 67
그림 62/그림 60. 2개의 기둥 정합 결과 68
그림 63/그림 61. Color Legend를 통한 깊이 표시와 X, Y, Z 축 스케일 표시 68
그림 64/그림 62. 성능시험 세팅 71
그림 65/그림 63. 시험감독관(KTC) 입회 성능시험 (a) 실내 시험 (b) 현장 시험 72
그림 66/그림 64. 압력시험 (KTL) (a) 압력 chamber 내 설치된 시제품 (b) chamber 가압 (c) 가압중 제품 작동 검사 73
그림 67/그림 1. 시험품 사진 80
그림 68/그림 2. 시험품 설치 사진 80
그림 69/그림 3. 시험품 작동 사진 81
그림 70/그림 1. 자동 정합만을 사용하는 경우 88
사진 1. 본체 및 구성품 78