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저유속 측정을 위한 고속푸리에변환 기반 시공간 영상 유속측정기법 개발
Flow discharge data in rivers are very important for efficient planning and management of water resources, flood damage prevention, water quality management, etc., so it is essential to measure flow discharge in continuous and reliable manners. However, since it is very difficult to directly measure the flow discharge of a river, it is mainly calculated by measuring the flow velocity. The flow discharge measurement method, which has been mainly used so far, is a float method or a current-meter, and they are too time- and cost-consuming and the results are different depending on the measurement environment. With the recent development of electricity, electronics, computers, and signal processing techniques, river flow measurement techniques have also developed significantly. Among them, the surface image velocimetry(SIV) using image analysis technology can measure the flow discharge only with ordinary video taking equipment and analysis software without directly contacting the river, which is very economical and safe, and has the advantage of rapidly changing flow velocity and discharge. However, the cross-correlation method currently used in surface image velocimetry has a short time interval for calculating flow velocities, so it is difficult to obtain accurate flow discharge calculation results if the image lacks proper light or particles, such as at night or at low water stages. Therefore, in this study, a fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis method(FT-STIV) applied with thermal images is developed to measure the flow discharge in a low water stage situation. When constructing space-time images to analyze flow velocity, it is difficult to produce space-time images if the axis of the image and the flow direction of the river do not match, so there is a limit to the direction of river taking to produce spatio-temporal images. This study developed a method of producing spatio-temporal images in a direction perpendicular to the measurement cross section using image coordinate transform method, and compared the existing spatio-temporal image construction method with actual river image, the quality of the created spatio-temporal image was improved. In addition, a fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis technique was developed and compared with the existing cross-correlation method and the existing spatio-temporal image analysis method. Most cases with high contrast standard deviation showed a low error rate of 15% or less, but fast Fourier transform-based spatio-temporal flow discharge measurement showed an increase as the contrast standard deviation decreased, but compared to the cross-correlation method and spatio-temporal image analysis. When the flow velocity of the river was very slow and the flow discharge could not be measured using ordinary images, the flow discharge was measured using thermal images and fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis. The experiment was conducted for thermal imaging to include both river and embankment areas and thermal imaging to include only river areas. In two cases, the flow discharge was calculated by applying the cross-correlation method and fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis. Both cross-correlation and fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis showed a very high error rate of more than 90%, and even though the actual flow velocity was very slow from 0.01 m/s to 0.02 m/s, the flow velocity was at least 10%, 64%, and 34% on average. Therefore, it was confirmed that the flow discharge can be measured using thermal images and fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis that only captured the river area even under low flow velocity situations of less than 0.05 m/s. In this study, a fast Fourier transform-based spatio-temporal image analysis method was developed for low flow discharge measurement by introducing spatio-temporal images and thermal images. In addition, it was possible to analyze the flow discharge using the water temperature distribution of the river as a tracker in a low-flow environment using thermal images. However, this research suggests an improved surface flow measurement method and verifies limited flow conditions, so additional research is required in consideration of the method in the future, and particularly, research on uncertainty is needed to improve the reliability of the developed method. 하천의 유량자료는 수자원의 효율적인 계획과 관리, 그리고 홍수피해방지, 수질 관리 등 국가 수자원관리에 있어 매우 중요한 자료이므로 지속적이고 신뢰성 있는 유량조사가 필요하다. 그러나 하천의 유량을 직접 측정하는 것은 매우 어려운 일이므로 주로 유속을 측정함으로써 하천의 유량을 산정한다. 하지만 현재까지 주로 사용되어온 유량 측정방법은 부자법 또는 유속계를 이용한 유속측정방법으로 소모되는 시간과 비용이 크고 측정환경에 따라 결과에 차이가 있는 한계가 있다. 최근 전기, 전자, 컴퓨터, 그리고 신호처리기법의 발전으로 하천유속측정 기법 또한 크게 발전하였다. 그중 영상 분석기법을 활용한 표면영상유속계는 하천에 직접 접촉하지 않고 일반적인 동영상 촬영 장비와 분석 소프트웨어만으로 유속을 측정할 수 있어 매우 경제적이며 소요되는 시간이 짧아 급변하는 유속 및 유량측정이 가능한 장점이 있다. 그러나 현재 표면영상유속계에서 사용하는 상호상관법(cross-correlation method)은 유속산정을 위한 시간 간격이 짦아 입자부족이나 잡음에 대한 저항성이 약하기 때문에 야간이나 저유속과 같이 영상에 광량이나 입자가 부족한 경우 정확한 유속산정 결과를 얻기 어렵다. 이에 본 연구에서는 열영상을 적용한 푸리에변환 기반 시공간영상 분석방법을 개발하여 저유속 상황에서 유속을 측정하고자 한다. 유속을 분석하기 위한 시공간 영상 제작 시 영상의 영상축과 하천의 흐름방향이 일치하지 않으면 시공간 영상을 제작하기 어려움 단점이 있어 지금까지 시공간 영상을 제작하기 위해서는 하천 촬영 방향에 제한이 있다. 본 연구에서는 영상의 좌표변환방법을 활용하여 측정단면에 수직인 방향으로 시공간 영상을 제작하는 방법을 개발하였으며, 실제 하천영상을 이용하여 기존 시공간 영상 제작 방법과 본 연구에서 개발한 시공간 영상 제작방법을 비교한 결과 제작된 시공간 영상의 품질 개선을 확인하였다. 또한, 푸리에변환 기반 시공간영상 분석기법을 개발하여 기존의 상호상관법 및 기존 시공간영상 분석법과 비교하였다. 기존 상호상관법과 시공간 영상 분석법을 적용하여 유속을 측정한 결과 명암값 표준편차가 비교적 높은 경우에는 대부분 15 % 이하의 낮은 오차율을 보였으나 명암값 표준편차가 작아짐에 따라 오차율이 증가하는 것을 확인하였으며, 푸리에 변환기반 시공간 유속측정법의 경우 명암값 표준편차가 작아짐에 따라 오차율이 증가하였으나 상호상관법과 시공간 영상분석법에 비교하면 적은 오차로 유속을 측정하였다. 하천의 유속이 매우 낮아 일반적인 영상을 이용하여 유속을 측정할 수 없는 경우에 대해 열영상과 푸리에 변환기반 시공간영상 분석법을 이용하여 유속을 측정하였다. 실험은 하천 영역과 제방 영역을 모두 포함하도록 열영상을 촬영한 경우와 하천 영역만을 포함하도록 열영상을 촬영한 경우에 대해 수행하였으며, 두 경우에 상호상관법과 푸리에 변환기반 시공간 영상 분석법을 적용하여 유속을 산정하였다. 분석 결과 하천 영역과 제방 영역을 모두 포함하도록 촬영한 경우에는 상호상관법과 푸리에변환 기반 시공간영상 분석법 모두 90% 이상의 매우 높은 오차율을 나타내었으며, 하천 영역만을 포함하도록 촬영한 경우 실제 유속이 0.01 ~ 0.02 m/s로 매우 낮음에도 상호상관법의 유속 오차율은 최소 10 %, 최대 64 %, 평균 34 %으로 산정되었으며, 푸리에변환 기반 시공간영상 분석법을 이용한 유속분석 결과 최대 14%, 평균 9%의 낮은 오차율을 보였다. 따라서 유속이 0.05 m/s 미만인 저유속 조건에서도 하천 영역만을 촬영한 열영상과 푸리에변환 기반 시공간영상 분석법을 이용하여 유속을 측정할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 시공간 영상과 열영상을 도입하여 저유속 측정을 위한 푸리에변환 기반 시공간영상 분석방법을 개발하였다. 또한 열영상을 이용하여 저유속 환경에서 하천의 수온 분포를 추적자로 하여 유속의 분석을 수행할 수 있었다. 단, 본 연구에서는 보다 개선된 표면유속측정방법을 제안하고 한정된 흐름조건에 대해 검증을 수행하였기 때문에 향후 이를 고려하여 추가적인 연구가 필요하며, 특히 개발한 방법의 신뢰도 향상을 위해서는 불확도 관련 연구가 필요하다.
MSB를 활용하여 CDAC를 구동하는 12비트 축차 비교형 아날로그-디지털 변환기 설계
사물인터넷(IoT, Internet of Things)에서 사용하는 ADC는 고해상도와 소 형화 및 높은 전력 효율을 갖는 고성능의 ADC를 요구한다. 본 논문에서 는 SAR (Successive Approximation) 구조를 사용하여 고해상도와 저전력의 특성을 갖는 SAR ADC를 제안한다. 제안하는 SAR ADC는 MSB sign 구간 을 통해 MSB sign을 결정하고 그 값을 CDAC 입력값으로 활용하여 동작 한다. 이 CDAC 입력값의 개수가 12개에서 11개로 줄어들어 스위칭 에너 지가 감소하고 증폭기를 사용하지 않고 비교기를 사용하여 정적 전류가 흐르지 않아 전력 효율이 향상하였다. 제안하는 12bit SAR ADC는 1.8V 공급전압을 사용하고 250KHz의 변환 속도를 가진다. 427.246Hz의 아날로 그 정현파를 입력신호로 사용하여 SNR (Signal to Noise Rate)은 68.8dB, ENOB (Effect Number of Bit)는 11.13bit가 측정되었다. 평균 전력은 255uW를 소모하고 FOM (Figure of Merit)은 461.8fJ/step을 갖는다. 칩 면 적은 0.396(0.43 X 0.92)mm2이다. 본 논문에서 제안하는 ADC의 결과를 확 인하였을 때 사물인터넷에서 사용하기에 적합하다. ADCs used in the Internet of Things (IoT) require high-performance ADCs with high resolution, miniaturization, and high power efficiency. In this paper, we propose a SAR ADC with high resolution and low power using the SAR (Successive Approximation) structure. In the proposed SAR ADC that operates with differential input signals, the input values of the two CDACs are applied with opposite magnitudes centered on the reference common voltage. Therefore, the proposed SAR ADC determines the MSB sign through the MSB sign section and operates by using that value as the input value of CDAC. Additionally, the number of CDAC input values was reduced from 12 to 11, reducing switching energy and improving power efficiency by preventing static current from flowing by using a comparator instead of an amplifier. The proposed 12-bit SAR ADC uses a 1.8V supply voltage and has a conversion rate of 250KHz. Using an analog sine wave of 427.246Hz as the input signal, the SNR (Signal to Noise Rate) was measured at 68.8dB and the ENOB (Effect Number of Bit) was measured at 11.13bit. And the average power consumes 255uW and the Figure of Merit (FOM) is 461.8fJ/step. The chip area is 0.396(0.43 X 0.92)mm2. The results of the ADC proposed in this paper are confirmed to be suitable for use in the Internet of Things.
A Study on Precision Alignment System using Micro Pattern Characteristics
본 연구는 미세 패턴을 대면적화할 때 필요한 패턴의 정밀 정렬 공정을 새로운 방법으로 제시하고 있다. 이는 주기적인 패턴의 특성을 활용하여 패턴을 주파수 영역에서 분석하고자 하며, 이미지를 고속 푸리에 변환하고 푸리에 스펙트럼이 나타나는 위치를 파악하여 방향의 정렬 오차를 측정하는 방법이다. 본 연구에서 사용된 패턴은 발수 성능이 검증된 피치 40 ㎛의 Hexagonal array micro wall 패턴으로 정렬 공정법을 검증하기 위해 패턴을 2D 모델링한 후 알고리즘에 사용됐다. 이후 회전된 패턴 이미지를 고속 푸리에 변환했을 때 푸리에 스펙트럼들이 이루는 각도는 패턴이 회전된 각도와 같은 것을 확인했다. 마찬가지로 반복되는 패턴 두 개를 겹친 후 한 패턴이 회전되었을 때도 푸리에 스펙트럼이 이루는 각도는 한 패턴이 회전한 각도와 같은 것을 확인했다. 하지만 겹쳐진 패턴을 정렬할 때 회전축의 위치에 따라 , 방향으로 정렬 오차가 발생하는 것을 확인했다. , 방향으로 발생한 정렬 오차는 MATLAB에 내장된 길이 측정 도구를 활용하여 픽셀 단위로 실측한 후 ㎛로 환산하여 정렬하고자 했다. 앞서 소개된 , , 방향의 정렬 오차 측정법을 이용하여 실제 패턴들을 이용하여 정렬 공정을 수행했다. 몰드 패턴(음각의 Hexagonal array micro wall 패턴)과 임프린트된 패턴(양각의 Hexagonal array micro wall 패턴)을 겹친 후 측정된 정렬 오차를 장비에 입력하여, 최종적으로 두 패턴의 형상이 일치되는 것을 확인했다.
FFT receiver를 이용한 군용기기 복사방출시험 측정기술 분석
한장훈 한국해양대학교 대학원 2022 국내석사
디지털 기술과 반도체 기술 등의 급격한 발달로 인하여 전자회로가 널리 사용되면서 여러 회로들이 밀집하여 함께 동작하는 상황이 많이 발생되고 있다. 이로 인해 전기/전자 장비 등으로부터 발생되는 전자파가 다른 전기/전자 장비에 영향을 미쳐 기기들이 원래의 목표대로 동작을 하지 못하거나 인체에 장해를 입힐 가능성 등 많은 문제점들이 나타나고 있다. 이를 해결하기 위해 전자기적합성(Electromagnetic compatibility: EMC)에 연구가 활발히 진행되고 있다. 군용기기의 전자파 규제를 다루는 MIL-STD-461G:2015 규격은 2015년도 12월에 공표되면서 EMI 시험에 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 측정수신기 사용이 가능하게 되었다. 하지만 기존의 스캔 방식과 FFT의 방식을 이용한 전자파 장해의 정확성을 분석하고 검증한 비교 데이터가 없었다. 본 논문에서는 동일한 시험대상품을 적용하여 RE102 시험 시 기존의 스캔 방식과 FFT의 방식에 대한 소요시간과 측정 결과 값을 비교하였고, 1 ㎓ 이상 주파수 대역의 복사방출 시험에서 측정시간을 줄일 수 있는 효율적 측정방안을 제안하였다. 시험시간의 단축으로 인해 시험의뢰 기업의 개발일정과 비용절감 등 많은 이점을 가져다 줄 것을 기대한다.
가속도 측정 및 신호 처리를 이용한 미세진동에 기인한 웨이퍼 영상 변위 측정 오차의 정밀 보정 방법
김성준 한국기술교육대학교 일반대학원 2025 국내석사
반도체 산업은 최근 인공지능용 고용량 초고속 메모리의 급격한 수요 증가에 따라 선폭 초미세화 등 급격한 발전을 이루고 있다. 반도체 제조공장은 24시간 일정 수준의 환경진동이 관리되고 있다. 하지만 기존 공장의 진동은 선폭 미세화가 진행됨에 따라 반도체 생산에 다양한 영향을 끼친다. 웨이퍼를 카메라로 촬영할 때, 발생하는 미세진동에 기인한 영상의 측정 오차는 반도체 공정에서 반도체 장비 제어를 위해 기계 좌표계와 웨이퍼 좌표의 원점 정렬시키는 작업을 방해한다. 이를 예방하기 위해 카메라가 촬영 대상으로 기동 후 발생하는 과도 상태에서 정착시간 동안 기다린 후 정상 상태에서 사진을 찍어야 한다. 하지만 이때 발생하는 대기 시간은 반도체 수율에 악영향을 미친다. 영상의 변위 오차를 제거하기 위한 고전적인 방법은 영상에 점 확산 함수를 수학적으로 나타낸 행렬을 역 합성곱 연산하는 것이다. 진동 신호를 계측하여 행렬을 예측하거나, 합성곱 신경망 학습을 통해 행렬을 예측하는 등 기존의 연구는 영상에서 피사체의 경계면을 뚜렷하게 만드는 등 성능 향상에 기여했다. 그러나 여전히 실제 이미지와 오차가 존재한다. 기존의 방법들에서 카메라 촬영 중 카메라와 피사체 사이의 상대 변위량 등 물리적인 정보를 제공하지 않으므로 오차를 정밀하게 보정 할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 영상의 측정 오차에 대해 분석하고 이를 구현 하기 위해 미세 환경 진동을 조성할 수 있는 웨이퍼 촬영 시스템을 구성하였다. 촬영 시스템을 통해 미세진동에 기인한 웨이퍼 영상 변위 측정 오차를 분석하고, 이를 보정해 주기 위하여 카메라와 웨이퍼 간의 상대 변위량을 가속도 측정 및 신호 처리 기법을 이용하여 추정하였다. 추정된 변위를 바탕으로 측정 변위 오차를 감소하여 오차 제거 성능을 확인하였다. 먼저 카메라로 웨이퍼 촬영 시 발생할 수 있는 오차를 이론적으로 분석하고, 미세 환경진동을 조성한 촬영 시스템을 구성하여 이를 실제로 검증 및 분석하였다. 발생한 측정 오차를 제거하기 위해 웨이퍼 스테이지에 가속도를 부착하여 신호를 추출하였다. 가속도 측정 데이터를 시간영역에서 적분할 때 오프셋을 유발하는 적분 상수가 초기 조건(위상)에 따라 변화함을 보이고 수식으로 정리하였다. 고속 푸리에 변환을 이용하여 주파수 스펙트럼과 윈도우 함수를 이용한 입력 신호의 주파수, 크기 그리고 위상을 구하는 방법을 제시하였다. 추정 주파수, 크기 및 위상을 토대로 변위를 추정하였고 이를 이용하여 웨이퍼 영상의 변위 측정 오차의 효과적인 제거 성능을 확인하였다. The semiconductor industry has recently achieved remarkable advancements, such as ultra-fine linewidth scaling, driven by the rapid increase in demand for high-capacity, ultra-high-speed memory for artificial intelligence applications. In semiconductor manufacturing plants, environmental vibrations are controlled to a certain level around the clock. However, as linewidth scaling progresses, vibrations in existing plants increasingly affect semiconductor production. During the wafer imaging process using cameras, measurement errors in images caused by micro-vibrations hinder the alignment of the mechanical coordinate system with the wafer coordinate origin, a critical task for controlling semiconductor equipment. To prevent this, photographs should ideally be taken after the transient state following the camera activation has stabilized. However, this waiting period negatively impacts semiconductor yield. A traditional method to eliminate displacement errors in images involves mathematically representing the point spread function (PSF) as a matrix and performing deconvolution operations. Previous research has contributed to performance improvements, such as enhancing the clarity of object boundaries in images, by estimating the matrix through vibration signal measurement or training convolutional neural networks. However, discrepancies between actual images and the corrected ones still persist. Existing methods lack the incorporation of physical information, such as the relative displacement between the camera and the subject during imaging, making precise error correction challenging. Therefore, this study analyzes the measurement errors in images and develops a wafer imaging system capable of inducing micro-environmental vibrations to implement the findings. Using this system, the displacement measurement errors in wafer images caused by micro-vibrations were analyzed. To correct these errors, the relative displacement between the camera and the wafer was estimated through accelerometer-based measurements and signal processing techniques. By leveraging the estimated displacement, the measurement errors were reduced, and the performance of the error correction was verified. First, the study theoretically analyzed potential errors during wafer imaging with a camera and validated these findings experimentally using a custom imaging system that simulates micro-environmental vibrations. To remove the observed measurement errors, acceleration sensors were attached to the wafer stage to extract signals. The integration of acceleration data in the time domain was shown to produce offset errors due to the integration constant, which varies depending on the initial phase conditions, and this relationship was formalized mathematically. The study proposed a method for determining the frequency, magnitude, and phase of input signals using frequency spectra and window functions via fast Fourier transform (FFT). Based on the estimated frequency, magnitude, and phase, the displacement was determined, and its application effectively eliminated displacement measurement errors in wafer images.
Pricing chooser options with heston's volatility
이정희 Graduate School, Yonsei University 2017 국내석사
이 논문에서는 이색옵션의 한 종류인 선택옵션에 대해 살펴보고, 그 선택옵션의 가격결정원리와 공정가격을 연구한다. 이 때, Black-Scholes와 변동성을 가지는 Heston 모델에서의 선택옵션을 각 각 정리한 후 우리가 계산한 선택옵션의 가격이 제대로 정해졌는지를 매트랩을 이용하여 살펴본다. 그 후, 고속 푸리에변환을 이용하여 선택옵션을 전개함으로써 이 논문을 마친다. In this thesis, we examine the chooser option, which is one of the exotic options, and study the pricing principle and the no arbitrage price of the chooser option. In this case, chooser options in Black-Scholes and Heston models with volatility are organized. We use MATLAB to check whether the chooser option pricing which we calculate is correctly decided. After that, we finish this thesis by developing the chooser option using Fast Fourier Transform.
저더 현상은 차량 주행 시 운전자가 느낄 정도로 큰 불쾌한 진동을 유도하며, 차량 동력전달계의 내구도의 하락을 가져온다. 근래에는 연비 향상을 위해 클러치 압력을 낮게 유지하려는 제어전략을 적용하려는 시도가 빈번한데, 이러한 경우에 내구 시험 단계에서부터 댐퍼 클러치의 결합 불량이 예상치 못한 시점에 발생하는 사례가 증가하고 있다. 본 연구에서는 차량 동역학 이론, 진동이론 등을 활용하여 저더 현상 발생 양상을 분석하였다. 또한, 기존 내구 성능시험의 댐퍼 클러치 열화 시점 조기 탐지기술 부재를 개선하기 위해, 저더 현상 발생 검출 프로그램을 개발하여 내구 성능시험에 투입되는 경제적 비용을 경감할 수 있는 방법을 제안하였다. 우선, 차량 동역학 이론 등을 활용하여 복잡한 동력전달계를 연구 목적에 맞는 모델로 등가화하였다. 등가화 모델을 바탕으로 댐퍼 클러치 중심의 운동방정식을 세워, 댐퍼 클러치 마찰면의 열화가 동력전달계의 저더 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 클러치 마찰면 열화가 엔진 작동점 변화, 댐퍼 클러치 직결 소요시간, 결합 안정성의 세 가지 측면에 가장 큰 영향을 주는 것으로 가정하여, 매트랩&시뮬링크 프로그램을 활용한 시뮬레이터로 저더 안정성 변화를 확인하였다. 다음으로, 물체의 고유 진동특성과 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)방법을 활용하여 저더 현상 검출 프로그램을 구성하였다. 동력전달계의 고유 진동특성을 크게 두 부분(구동 부위, 휠 부하 부위)으로 나누어 각각을 대표하는 고유진동수를 선정하였다. 구동 부위는, 차량의 기어 단수와 무관하게 일정한 고유진동수를 보이며, 엔진 마운트 시스템의 진동특성에 지배적인 영향을 받는다. 휠 부하 부위는, 변속기와 종감속 장치에 의한 기어비 변화로 단수별로 고유 진동특성이 다르게 나타난다. 댐퍼 클러치의 상대 회전속도는, 이러한 입출력 시스템의 고유진동과 클러치 마찰면 열화에 의한 영향을 분석하기에 적합하다. 클러치 상대 회전속도에 포함되어 나타나는 구동 부위와 휠 부하 부위의 고유진동수 신호를 검출 및 분석함으로써, 저더 안정성 감소를 조기에 탐지할 수 있도록 하였다. Judder is an unpleasant vibration that occurs while driving a vehicle. It also affects the durability of the power transmission system. Recently, a control strategy that is unfavorable to the durability of the damper clutch is used to improve fuel efficiency. Then, the expected durability life is not guaranteed. In this study, judder generation patterns were analyzed using vehicle dynamics theory and vibration theory. In order to improve the lack of technology, a judder phenomenon detection software was developed. This software will be of great help in reducing the economic cost required for durability performance testing. First, the complex power transmission system was simplified. Based on a simple model, the effect of deterioration of the damper clutch friction surface was predicted. The validity of the predicted impact was confirmed using Matlab & Simulink. Second, the idea of detecting the intrinsic analgesic properties of an object using fast Fourier transform was applied. The power transmission system was divided into two with the damper clutch as the center, and each natural vibration characteristic was defined. Finally, based on the idea that the effect of deterioration of the clutch friction surface appears as a judder phenomenon, judder detection software was developed by combining fast Fourier transform.