전자파 문제는 넓은 의미로 산란(scattering)문제와 역산란(inverse scattering)문제로 나눌 수 있다. 먼저 산란 문제는 에너지 또는 정보가 실린 전자파를 한 지점에서 다른 지점으로 보낼 때 통과하는 경로상의 매질 분포에 따라 왜곡 또는 변형되는 정도를 알아내는 것으로 반사(reflection), 굴절(refraction), 회절(diffraction)등 의 현상을 수반한다. 이 때 전자파를 왜곡시키는 물체를 산란체라고 부르며, 이러한 산란체로서는 전송선, 도파관, 광섬유 등과 같은 도파구조(guided wave structure)자체일 수 있으며 그들 내부에 고의로 부착된 첨가물일 수도 있다. 또한 공기나 지하와 같은 개방 구조 내의 물체나 비균일 매질 분포도 산란체가 될 수 있다. 이와는 반대로 역산란 문제는 알고 있는 전자파를 미지의 산란체에 가한 후, 여기서 산란된 전자파를 측정하여 얻은 자료로 부터 역으로 산란체의 위치, 크기, 모양, 매질 특성 등을 알아내는 것이다. 이러한 역산란 문제는지하 탐사(geophysical probing), 원격탐사(remote sensing), 레이다 영상(radar imaging), 의료진단(medical diagnosis), 비파괴 검사(nondestructive testing)등과 같은 많은 응용분야에 걸쳐 있다. 본 원고에서는 전자파 산란 및 역산란 문제에 대한 기존의 다양한 해석기법들을 체계적으로 분류하고, 이들의 적용범위와 한계에 대해 간략히 소개하기로 한다.
다중산란매질의 광학계수를 측정하기 위하여 광세기의 변화와 위상차이를 동시에 측정하는 주파수 영역 분광장치를 구성하고, 산란과 흡수가 다른 매질 조건하에서 진폭 변조된 광을 입사시킨 후 후방 산란광의 교류 및 위상지연 성분을 heterodyne 검지 방법을 이용하여 측정하였다. 실험을 통하여 산란자와 흡수체의 농도가 증가함에 따라 흡수계수와 수송산란 계수는 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었으며, 흡수계수와 수송산란계수를 확산이론을 이용하여 구할 수 있었다. 광원과 검출기의 거리, 변조주파수에 따라 측정 가능한 광학계수의 범위를 분석하였다. 레이저 다이오드를 사용하는 소형화된 이 장치는 생체조직과 같은 다중 산란매질의 비침습적 광학계수 측정에 이용될수 있으리라 기대된다.
방사선원과 감마카메라 사이에 위치한 산란매질의 종류, 두께 그리고 조준기 종류가 감마카메라 영상에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 실험과 시뮬레이션을 수행하였다. 감마카메라는 조준기, NaI(T1) 섬광결정(60$\times$60$\times$6 ㎣), 위치민감형 광전자증배관(PSPMT), NIMs, 제어용 컴퓨터를 사용하여 개발하였다. 시뮬레이션은 산란매질(아크릴매질/공기)의 두께 변화(0~8 cm)와 조준기의 종류(평행구멍형조준기/확산형조준기) 변화에 따라 계산하였으며 실험 역시 시뮬레이션과 같은 조건으로 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 보면, 매질의 두께가 0 cmn에서 8 cm로 증가하면, 계수율은 평행구멍형조준기의 경우 17%(공기), 60%(아크릴) 감소하였으며 확산형 조준기의 경우 감소율이 더 심하여 각각 86%(공기), 98%(아크릴)의 계수율 감소를 보였다. 실제 실험 결과도 시뮬레이션 결과와 비슷하게 매질의 두께가 0 cm에서 8 cm로 증가하면 평행구멍형조준기의 경우 계수율은 10%(공기), 54%(아크릴) 감소하였으며 확산형조준기의 경우 36%(공기), 63%(아크릴)의 계수율 감소를 보였다. 영상의 공간분해능 역시 매질의 두께가 증가할수록 저하되었다. 연구결과 소형 감마카메라를 임상적으로 사용하고자 할 때 감마카메라를 질환 부위에 최대한 밀착시키고 산란매질 두께를 최소화해야 고효율, 고분해능 영상을 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 지한 탐사용 레이더를 이용한 특정 산란체의 간단한 탐지 방법을 제안하였다. 기본 원리는 매설된 특정 산란체를 기준으로 하여 몇 가지 크기와 모양 및 전기적 특성이 유사한 산란체들로부터 발생되는 산란신호의 차이를 상관함수(correlation function)을 이용하여 탐지하는 것이다. 산란체가 매설된 지하매질로는 레이더의 동작 주파수에 다른 분산과 손실 등의 전기적 특성 변화를 시뮬레이션에 반영하기 위하여 다항 Debye 모델이 사용되었다. 지상 및 지하 매질에서의 3차원 전파(電波) 전파(傳播) 시뮬레이션을 위한 EDTD 방법을 사용하였다.
손실 반공간 묻혀 원동형 산란체와 주면 매질의 특성을 반복 기법 최적화 역산란을 적용하여 구했다. 산란파는 경계요소법을 이용하여 계산하였으며 산란체의 크기, 위치 내부매질의 비유전율, 도전율, 주변 매질의 비유전율, 도전율 등의 파라미터는 측정 산란파로부터 유전 알고리즘과 Levenberg-Marquardt 알고리즘의 혼합 알고리즘을 이요하여 역으로 계산하였다. 산란타의 측정오차에 의한 illposedness는 파수 영역에서 자수함수적으로 감쇠하는 감쇠모드를 제거하여 안정하시켰다.
산란된 파동의 형태는 그 산란체의 기하학적 형상 및 위치에 따라 변한다. 본 논문에서는 매질 내에 임피던스를 가지는 무한 실린더가 있는 경우 평면 입사파에 대한 산란된 파동을 유도하였고 그 결과로부터 산란된 파동의 방향성을 나타내는 지표로서 전방 산란파의 peak 값에 대해 산란파의 크기가 반으로 떨어지는 각도를 구하였다. 이 각도를 검토해 본 결과 입사파의 주파수 및 거리에 따라 그 각의 변화가 뚜렷함을 볼 수 있었다. 따라서 매질 내에 어떠한 산란체가 있는 경우 이 각도가 산란체의 위치 및 형상을 추정하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 생각된다.
Methotrexate의 영향은 혼탁매질에서 형광체, 산란체와 응흡수체에 의해 파장과 산란된 형광 세기로 규명되는데, laser induced fluorescence(LIF) 분광학에 의해 분자특성으로 나타난다. 산란매질에서 광학적 효과는 광학적 파라미터들((${\mu}_s$, ${\mu}_a$, ${\mu}_t$)에 의해 표현되고 응집은 고-액상 분리공정에서 중요하게 활용되고 있다. 따라서 입자가 서로 접근될 때 콜로이드 입자들의 상호작용을 LIF와 응집효과로 분석하였다. 산란계수는 산란매질, L-${\alpha}$-Phosphatidylcholine의 농도가 증가함에 따라 산란 광학적 파라미터가 증가하였으나 흡수 파라미터는 감소하였다. 광학적 파라미터들은 레이저 광원에서 검출기까지 깊이의 함수에 의해 깊이가 깊어짐에 따라 산란세기가 기하급수적으로 감소함을 알 수 있다. 이는 유지화학, 생의학 생성물, 레이저 의학, 의공학 분야적용에 LIF와 입자이동 현상은 아주 적합한 모델 연구에 큰 도움이 될 것이다.
고주파 (126-㎑) 음향 신호를 이용하여 퇴적층의 구성 매질 및 표면 형태에 따른 산란 신호 변화를 측정하였다. 퇴적층은 구성 매질에 따라 사니질 (sandy mud), 사질 (sand), 자갈 (gravel)의 세가지 경우와 이를 혼합한 경우로 하였으며, 표층 연흔 (ripple) 형태에 따라 연흔과 음파 진행방향이 직각을 이루는 경우 및 평행한 경우를 모의하였다. 평면입사각 변화 및 연흔 구성 형태에 따른 후방산란 강도는 평면입사각에 비례하여 증가하였으며, 연흔 형성 방향과 음파 진행 방향이 이루는 각이 작을수록 삼차원적인 측방산란이 강하게 나타났다. 연흔과 음파가 이루는 각이 증가할수록 후방산란은 증가하였으며, 지음향적 요소 외에도 연흔 형성과 방향에 음파 산란이 강하게 의존함을 알 수 있었다.
섬유강화 복합재료의 동탄성계수와 감쇠특성을 규명하기 위하여 랜덤하게 분포된 무한 실린더 형상의 산란체를 가진 점탄성 매질내에서 , 축방향으로 분극되어 조화 운동을 하는 탄성파의 전파에 관하여 연구하였다. 다중 산란에 관한 이론으 이용하여 매질내에서의 파동전파 특성을 내포하는 분산관계식을 얻었다. 다중산란에 의한 실린더간의 상호작용을 수식화하기위하여 필요한 실린더의 쌍분포함수는 몬테카를로 모의 실험을 이용하여 구하였다. 수치적으로 구한 감쇠계수 및 유효전단강성을 주파수와 체적율의 함수로 제시하였다. 또한 감쇠계수의 주파수에 따른 변화에 있어서, 저주파에서는 매질의 점탄성 손실이 지배적이며, 고주파수로 갈수록 다중산란에 의한 손실이 지배적인 것으로 나타났다.
섬유강화 복합재료의 동탄성계수와 감쇠특성을 규명하기 위하여 랜덤하게 분포된 무한 실린더 형상의 산란체를 가진 매질내에서, 조화운동을 하는 압축 및 SV탄성파의 전파에 관하여 연구하였다. 단일 실린더에 대한 산란계수로부터 La의 준결정근사법을 이용하여 다중산란에 관한 이론을 유도하였고, 매질내에서의 파동전파 특성을 내포하는 분산관계식을 얻었다. 수치적으로 분산관계식의 해를 구함으로써 2 차원 유효체적강성, 횡방향 유효전단강성 및 각 파동의 전파에 따른 감쇠계수를 주파수와 체적비의 함수로서 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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