Development of Multi-channel Simultaneous Laser Shock Sensing System for Linear Explosive-induced Pyroshock Propagation Prediction

Nomenclature SRS : shock response spectrum

Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2015.19.5.046

선형화약 파이로 충격파 전파 예측을 위한 다채널 동시 레이저 충격파 센싱 시스템 개발

장재경

․ Haider Abbas

․ 이정률

Development of Multi-channel Simultaneous Laser Shock Sensing System for Linear Explosive-induced Pyroshock

Propagation Prediction

Jae Kyeong Jang

․ Haider Abbas

․ Jung Ruyl Lee

a

LANL-CBNU Engineering Institute-Korea and Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University, Korea

b

Department of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institude of Science and Technology, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

Multi-channel DAQ system was developed to predict propagation characteristic of the shock wave generated by linear explosive. The system can generate shock wave from 1000 points per second using a pulsed laser and simultaneously obtain the shock wave signals using 15 chanel contact sensor. The system is expected to pridict the propagation characteristics of various linear explosive-induced pyroshock because it can be used with a user-defined time delay that corresponds to detonation speed of the linear explosive.

초 록

선형 화약 폭발의 전파 특성예측을 위해 다채널 동시 충격파 센싱 시스템을 개발하였다. 개발된 시 스템은 펄스 레이저를 이용하여 초당 1000점에서 충격파 생성이 가능하며, 접촉식 센서를 이용하여 15 개 채널에서 동시에 충격파 획득이 가능하다. 특히, 선형 화약의 폭파 시간에 상응한느 각 채널의 시간 지연을 사용자 요구에 따라 적절하게 적용할 수 있는 능력을 갖춤으로써 다양한 선형 화약의 폭발에 의한 충격파 전파를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.

Key Words: Multi-channel DAQ System(다채널 DAQ 시스템), Laser-induced Shock(레이저 유도 충 격파), Linear Explosive-induced Shock Wave Propagation(선형 화약 충격파 전파)

Received 1 June 2015 / Revised 6 September 2015 / Accepted 12 September 2015 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

[이 논문은 한국추진공학회 2015년도 춘계학술대회(2015. 5. 28-29, 부산 해운대 그랜드호텔) 발표논문을 심사하여 수정 ・ 보완한 것임.]

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FPGA : field programmable gate array FMC : FPGA mezzanine card

VHDL : VHSIC hardware descriptive language ADC : analog to digital converter

PRR : pulse repetition rate

1. 서 론

군사 분야 및 항공우주 분야에서 널리 사용되 고 있는 파이로 장치는 작동과 함께 높은 구조 적 충격하중을 방생시킨다. 파이로 충격하중은 매우 짧은 파장과 광대역 주파수 영역을 갖는 특성 때문에 큰 규모의 구조에는 거의 손상을 입히지 않지만 전자 장비에는 치명적인 손상을 입힐 수 있다[1-3]. 1988년에 기술된 NASA 기술 서[4]에 의하면 1963년부터 약 23년 동안 84건의 화약 기폭 장치의 고장이 발생하였고 그 중에 42%가 발사체의 임무수행에 큰 실패 원인이라고 보고되고 있다. 따라서 성공적인 발사체의 임무 수행을 위해서는 충격파의 구조적 응답 예측은 매우 중요하다. 그러나 실제 크기의 구조물을 이 용한 분리 실험은 비용적인 문제와 위험성이 따 르기 때문에 수치 해석방법이나 축소 모형을 이 용한 분리 실험이 진행되고 있다. 최근 레이저 빔의 광학적 조건을 실험적 제어를 통해 폭발 볼트 및 분리 너트 등과 같이 한 지점에서 폭발 하는 점형 화약에 의해 발생된 파이로 충격파의 SRS 곡선을 예측하는 비파괴적인 예측기법이 보 고되었고[5], 또한 선형 화약 폭발을 다수의 점 형 소스에서 발생되는 충격파의 huygen's principle[6]을 이용한 선형 화약 유도 충격파 전 파 예측 기법에 과한 연구[7]가 발표된 바 있다.

본 연구에서는 다점 동시 센싱이 가능한 FPGA 기반의 멀티 채널 DAQ 시스템을 제안한 다. 선행 연구[7]에서 개발된 선형 화약 유도 충 격파의 전파예측 기법을 구현하기 위해서는 다 수의 센싱 지점에서 독립적으로 충격파를 획득 하여 후처리 기법을 이용하여 선형 화약 폭파에 의해 발생한 충격파특성을 예측하였으나 동시에 15채널에서 충격파를 동시에 획득할 수 있는 다

점 동시 DAQ 보드를 개발함으로써 모든 절차를 간소화 시키며 광범위한 크기의 충격파 신호를 빠르게 처리할 수 있어 해석 결과를 획득하기 위한 시간을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

2. 다점 동시 DAQ를 위한 보드 선정

DAQ 시스템은 크게 아래와 같이 세 가지로 구분 할 수 있다.

(1) Computer based DAQ (2) Microcontroller based DAQ (3) FPGA based DAQ

Computer based DAQ 시스템은 데이터 저장 을 수행 할 수 있는 컴퓨터의 처리 능력을 이용 한다. 이 시스템은 내부의 PCL 슬롯 혹은 USB 의 사용과 같은 외부적인 연결 방법을 사용하며, PC와 연결할 수 있는 특별한 연결 케이블을 이 용한다. Microcontroller based DAQ 시스템은 의료 시스템, 자동차 산업, 발전소 및 환경 모니 터링에 널리 사용된다. 이러한 DAQ 시스템은 매우 휴대하기 편리할 뿐만 아니라 낮은 가격, 작은 사이즈 그리고 낮은 전력 소모와 같은 장 점을 갖고 있지만 제안된 시스템 기능으로 인해 사용자에 맞게 재구성하기 어렵다는 단점을 갖 고 있다.

반면에 FPGA based DAQ 시스템은 재구성 가능한 특징으로 인해 매우 주목받고 있다. 본 시스템은 PC 기반이긴 하나 재구성된 제어 알고 리즘에 따라 Timing과 Triggering을 사용자의 요구에 맞게 조정할 수 있기 때문에 본 연구에 서 제안하고 있는 다점 동시 DAQ 시스템에 적 합한 시스템이라 판단된다.

본 연구에서는 FPGA 보드를 전문적으로 개발

하는 4DSP사의 FM680-FMC116 보드를 사용하

였으며, 전체 형상과 사양은 각 각 Fig. 1과

Table 1과 같다. 이들은 고성능 디지털 신호 처

리를 위한 다기능 보드를 제공하며 이러한 보드

는 사용자 프로그래밍 및 신호 처리 알고리즘의

구현에 매우 적합하다. 또한 그들은 다양한

A/D 또는 D/A, digital signal processor 등을 포한한 FMC solution을 제공한다.

Fig. 1 FPGA based signal processing board.

Specification Performance

Channels 16

Sampling rate 125 MS/s Resolution 14 bit Onboard memory 2×4 GB Table 1. Specifications for multi-channel DAQ board.

3. 멀티채널 DAQ 시스템 개발

디지타이저가 통합된 FPGA 기반의 DAQ 시 스템을 개발하기 위해 펨웨어 디자인과 소프트 웨어 응용 프로그램이 필요하다.

펨웨어는 FPGA 보드에 사용자의 의도된 제어 프로그램과 명령을 구현하기 위해 디자인된다.

FPGA Virtex 6 장치를 프로그램하기위해 우리 는 VHDL을 활용한다. 이것은 디지털 및 혼합 신호 시스템을 설명하기 위한 전자 설계 자동화 에 일반적으로 사용되는 하드웨어 기술 언어이 다. Fig. 2에 도시된 블록선도는 멀티채널 DAQ 시스템 디자인을 설명한다. 레이저 유도 충격파 를 획득하기 위한 멀티 센서는 FMC116의 각 채 널에 연결된다. 각 채널에서 획득된 신호는 FMC116에서 디지털 화 된 후 FMC680으로 전 송된다. ADC 제어기는 사용자의 요구 수요에 맞는 채널을 활성화 할 수 있도록 설계되며, 각 채널에서 획득된 신호는 user logic unit에 의해 선형 화약 폭파를 모사하기 위한 각 채널 시그 널에 시간 지연을 적용하거나, 시간 지연이 적용 된 신호들을 모두 통합하여 하나의 신호로 처리 하는 등의 사용자 요구에 맞게 처리된 후 DDR3 에 보관된다. 이때 메모리 컨트롤러는 작동중인 프로그램에 더 이상 필요 없는 메모리를 해제하

Fig. 2 Block diagram for multi-channel DAQ design.

고 데이터를 보관 할 수 있도록 내부 메모리 블 레스트(Blast)와 통신하는 역할을 수행한다. 충격 파 신호를 보관하기 위해 2개의 4 GB DDR3가 사용된다. vitex6와 메모리 컨트롤러사이의 통신 은 32 bit data bus와 address bus를 이용한 메 모리 인터페이스에 의해 수행된다. 그 후, DDR3 에 보관된 충격파 신호는 DMA out buffer로 전 송된다. 16 bit to 64 bit DMA out buffer는 메 모리 컨트롤러에서 DDR3 메모리에 보관된 데이 터를 읽어 들여 virtex-5 FPGA 장치로 보내기위 한 데이터 전송 버퍼이다. DMA를 통과한 데이 터는 PCle bus를 통해 데이터를 다음 단계로 전 송하는 FPGA-5를 거쳐 최종적으로 컴퓨터에 저 장되게 된다.

소프트웨어 응용프로그램은 펌웨어 설계와 통 합하여 작동할 수 있도록 장치 드라이버와 API 라이브러리를 활용하여 개발되며, 본 연구에서는 오픈소스로 누구나 쉽게 사용가능한 Qt 플렛폼 을 기반으로 사용자 인터페이스를 개발 하였다.

사용자 인터페이스를 통해 레이저 빔의 에너지, PRR 그리고 충격파의 생성 위치 등을 사용자 요구에 맞게 제어 할 수 있다. 추가적으로, 샘플 링 주파수, 신호 길이 및 센싱 채널 개수 등

DAQ 제어를 위한 변수들도 제어 할 수 있다.

그 중에서 계측 시스템의 샘플링 주파수 선택은 충격파의 정량적 표현을 위해 매우 중요하다.

Nyquist-Shannon sampling theorem[8]에 의하면 디지털 신호 처리과정에서 샘플링 주파수는 획 득 하고자 하는 신호의 가장 높은 주파수보다 적어도 두 배 이상의 값을 사용해야 된다고 명 시되어 있다. 특히, 참고 문헌[1]에 따르면 파이 로 충격파 측정 시 최대 SRS 고유 주파수의 10 배 혹은 그 이상의 샘플링 주파수 사용을 권장 하고 있다.

본 연구에서 제안된 다점 동시 DAQ 시스템은 내부 클럭 주파수(30 MHz ~ 125 MHz)를 사용 자의 정의에 따라 주파수를 분할 할 수 있도록 함으로써 수 MHz의 샘플링 주파수를 사용 할 수 있도록 설계되었다. 즉 다시 말해, 폭발 소스 에 따라 샘플링 주파수 변동이 가능하다.

4. 멀티채널 DAQ 시스템의 성능 테스트

선형화약 폭발에 의해 발생되는 충격파를 모 사하기 위해 Fig. 3(b)과 같이 15개의 선형적인

Fig. 3 Multi-channel DAQ system with laser shock generation and sensing system.

센서 배열과 멀티채널 DAQ 시스템을 이용하여 성능을 테스트 하였으며 15채널 레이저 유도 충 격파 센싱 테스트를 위한 실험구성은 Fig. 3(a)와 같다. 테스트 시스템의 구성은 1064 nm 파장의 Q-switched 레이저(QL), QL 제어장치, 레이저 거울 스캐너(LMS), 15개의 PZT센서 그리고 FPGA 기반 멀티 채널 DAQ 시스템으로 구성되 어 있다. LMS는 1064 nm 반사 코팅이 된 두 개 의 거울이 부착되어 있고, 각 각의 거울은 갈바 노미터에 고정되어 작동된다. LMS는 측정 지점 에 레이저 빔 펄스를 기동하기 위해 사용된다.

레이저 유도 충격파 획득 시스템은 만족스런 신 호 대 잡음 비로 낮은 진폭 레이저 유도 충격파 를 측정하기 위해 앰프가 내장된 PZT 센서가 사용된다. 센서는 2 MHz 이하의 광대역 주파수 특성을 갖고 있다. 마지막으로 컴퓨터는 레이저 유도 충격파를 생성하고 획득하는 일련의 과정 을 제어하며, 추후 신호처리를 위한 데이터를 저 장한다. 자세한 실험 구성 및 방법은 참고 문헌 [7]을 통해 확인할 수 있다.

시스템의 성능 테스트는 단지 검사 시편 표면 에 pulsed 레이저를 가진함으로서 발생되는 충 격파를 선형 화약을 모사하기 위해 배열된 15개 의 센서를 통해 획득하고, 인접한 두 센서사이의 시간 지연을 각 측정 지점에 적용하여 모든 신 호를 중첩함으로서 최종적으로 충격파의 전파 영상을 생성하는 것에 초점을 맞추고 있다.

시스템 성능은 두 가지 테스트를 통해 검증 되 었다. 첫째, Fig. 3(b)에 표시된 포인트 A에서 생 성된 충격파를 15개의 접촉형 센서를 이용하여 15채널에서 동시에 충격파의 획득 하였다. 이 테 스트는 모든 채널에서 사용자의 정의에 맞는 신 호를 정상적으로 획득가능한지 여부를 확인하기 위함이며, 15개의 센서는 Fig. 3(b)에 표시된 것 과 같이 선형 화약을 모사하기 위해 테스트 시 편의 하단부에 일직선상에 부착되어 있으며, 각 센서사이의 거리는 20 mm 간격으로 배열되어 300 mm의 선형화약을 모사하고 있다. 각 각의 PZT 센서에서 획득되는 신호는 10번 측정되어 평균화되고, PRR은 1 kHz를 사용 하였다. 측정 포인트에서 신호들은 1,800개 샘플을 1 μs 간격

으로 측정되었다. Fig. 4는 15개의 센서에 의해 측정된 레이저 유도 충격파의 신호들을 보여준 다. 결과적으로, 멀티채널 DAQ 시스템에 의해 15개의 채널에서 동시에 정상적으로 신호를 획 득 할 수 있음을 확인하였다.

둘째, Fig. 3(b)에 표시된 640 mm × 640 mm 의 스캔 영역에서 2 mm 간격으로 충격파를 생 성하여 충격파의 전파 영상을 획득하였다[7].

Fig. 5는 레이저 유도 충격파 영상 중 142 μs에 해당되는 정지화면이다. 결과적으로, 각 채널에 서 생성되는 충격파를 10 μs의 시간 지연을 적 용하여 선형화약의 폭파에 의한 충격파 전파를 모사할 수 있었다.

Fig. 4 Fifteen laser-induced shocks acquired by multi- channel.

Fig. 5 Laser shock wave propagation Imaging based

on the time delay 10 μs at the snapshot of

142 μs.

5. 결 론

선형화약을 다수의 점형 소스를 이용해 예측 할 수 있도록 하는 레이저 충격파 생성 및 획득 시스템이 통합된 FPGA 기반의 멀티 채널 DAQ 시스템을 개발 하였다. FPGA DAQ보드는 4DSP 사의 FM680-FMC116 보드를 사용하였다.

개발된 시스템은 C++를 이용하여 FPGA 보드 를 포함한 전체 시스템을 통제하며 사용자 편의 를 위해 Qt 플렛폼을 생성하여 이를 제어할 수 있도록 설계되었다.

시스템 검증을 위해 300 mm의 선형 화약을 모사할 수 있도록 15개의 접촉형 센서를 20 mm 간격으로 배열하여 각 센싱 지점에서 생성된 레 이저 유도 충격파를 15개 채널을 통해 동시에 획득하는 테스트를 실시하였으며, 또한 640 mm

× 640 mm의 스캔영역을 2 mm 간격으로 스캔 하여 검사영역에서의 충격파 전파를 영상화 하 였다. 결과적으로, 15개 채널에서 정상적으로 충 격파를 획득할 수 있었으며, 초당 1000 점에서 충격파를 생성하고 이들을 15개 채널에서 센싱 하여 선형화약 충격파의 전파 영상을 실시간으 로 획득할 수 있었다.

레이저 유도 충격파 생성 및 센싱 시스템이 통합된 FPGA 보드 기반의 멀티 채널 DAQ 시 스템은 선형화약을 discrete point source로 실험 적 가정을 가능케 하기 때문에 선형화약 연구에 전환점을 마련해 줄 것으로 기대되며, 특히 영상 처리고속화 연구 및 SW 개발에 이용되어 추후 충격파 회피 설계, 저감구조 및 재료 개발에 활 용될 수 있을 것으로 예상된다.

후 기

본 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행

된 과학기술국제화사업(2011-0030065)과 우주핵 심기술개발 사업(2013042548) 및 방위사업청과 국방과학 연구소의 지원으로 수행되었습니다.

References

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2. IEST, “Pyroshock Testing Techniques,”

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Caused and Ptrvention,” NASA TM 100633, 1988.

5. Jang, J.K. and Lee, J.R., “Nondestructive Prediction of Point Source Pyroshock Response Spectra based on Experimental Conditioning of Laser-induced Shocks,”

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6. Huygens. C., Traitée de la Lumièere. Pieter Van Der Aa, Ch. 1, Paris, France, 1690.

7. Lee, J.R., Jang, J.K., Choi, M. and Kung, C.W., “Visualization and Simulation of a Linear Explosive-Induced Pyroshock Wave Using Q-switched Laser and Phased Array Tranducers in a Space Launcher Composite Structure,” Optics & Laser Technology, Vol.

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8. Wikipedia, “Nyquist–Shannon sampling theorem,” World Wide Web location https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2

%80%93Shannon_sampling_theorem, 2015.