고정밀 테라헤르츠 주파수 변조 연속파 영상 및 연속 웨이브렛 변환 기법

초록

본 논문은 테라헤르츠(FM‑CW) 시스템에 연속 웨이브렛 변환(CWT)을 결합하여 다층 열차폐재의 결함을 고정밀로 탐지하는 방법을 제시한다. 다양한 웨이브렛 기반 함수를 적용해 신호‑대‑잡음비(SNR)를 향상시키고, 이미지에서 결함 면적을 정량화하여 실제 샘플과 비교 검증하였다. 결과는 복합재, 의약품, 문화재 등 비파괴 검사의 새로운 도구로 활용 가능함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 테라헤르츠 영역에서 주파수 변조 연속파(FM‑CW) 기술을 이용해 반사 신호를 획득하고, 이를 연속 웨이브렛 변환(CWT)으로 후처리하는 전반적인 흐름을 설계하였다. FM‑CW 방식은 레이저 기반 THz 소스의 주파수를 선형적으로 스위프함으로써 거리와 반사 강도를 동시에 측정할 수 있는 장점을 갖는다. 그러나 전통적인 FFT 기반 처리에서는 고해상도 거리 측정에 필요한 좁은 대역폭과 잡음에 취약한 특성 때문에 미세 결함을 구분하기 어려운 문제가 있었다.

CWT는 시간‑주파수 영역에서 신호를 다중 해상도로 분석할 수 있어, 국부적인 주파수 변동이나 급격한 위상 변화를 효과적으로 포착한다. 논문에서는 Morlet, Mexican‑Hat, Haar 등 세 종류의 웨이브렛을 시험했으며, 각각의 스케일 파라미터가 결함 크기와 깊이에 따라 최적화될 수 있음을 보였다. 특히 Morlet 웨이브렛은 연속적인 주파수 변조와 잘 맞물려 스펙트럼 라인 폭을 최소화하고, SNR을 6 dB 이상 향상시켰다.

시스템 구성은 0.1 THz~0.3 THz 대역의 광전도성 안테나와 고속 전압 제어 발진기로 이루어졌으며, 주파수 스윕 속도는 1 kHz 수준이다. 반사 신호는 믹서에서 로컬 오실레이터와 이중 변조되어 중간 주파수(IF)로 다운컨버트된 뒤, 고속 ADC로 디지털화된다. 이후 CWT를 적용해 스케일‑시간 매트릭스를 생성하고, 결함 영역은 에너지 집중도가 높은 영역으로 추출한다.

결함 면적은 CWT 매트릭스에서 임계값을 적용해 바이너리 마스크를 만든 뒤, 레이블링 알고리즘으로 픽셀 수를 계산함으로써 정량화하였다. 실험 결과, 0.2 mm 이하의 미세 균열도 95 % 이상의 검출률을 보였으며, 측정된 면적 오차는 평균 3 % 수준에 머물렀다. 이는 기존 FMCW‑THz 시스템이 0.5 mm 수준에서 한계에 부딪히던 것에 비해 현저한 개선이다.

또한, 다층 구조물에서 각 층의 반사 신호가 겹치는 경우에도 CWT의 다중 스케일 특성 덕분에 층별 신호를 분리할 수 있었다. 이는 열차폐재와 같은 복합재의 내부 결함을 비파괴적으로 탐지하는 데 큰 의미가 있다. 다만, 웨이브렛 선택과 스케일 파라미터 튜닝에 대한 자동화가 부족하고, 실시간 처리 속도가 아직 제한적이라는 점은 향후 연구 과제로 남는다.