KR100221494B1 - Maximum efficiency acquisition method of ultra searching system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 신호처리 시스템에 펄스압축 기술을 적용할 때 압축된 초음파 반사신호의 이득을 최대로 얻기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다. 종래의 초음파 시스템의 입력은 임펄스나 톤-버스트파 정도이었으며, 이들을 이용할 경우 경제적인 면에서 유리하지만 축방향분해능과 S/N비의 개선이 제한점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 축방향 분해능 개선과 S/N비의 증가 효과가 있는 chirp신호를 이용하고, chirp신호를 이용할 때 반사신호의 최대 이득을 얻을 수 있는 방법을 제시한다. 본 발명에서는 이러한 chirp신호가 초음파 시스템에 이용될 때 최대 효과를 얻기 위한 최적 대역폭 결정하여야 한다. 상기 목적을 달성하기 위하여 초음파 펄스-반사 시스템을 해석하였고 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 펄스폭 T가 클수록 커다란 출력이 얻어지고 입력신호의 최적 대역폭은 초음파 시스템의 대역폭보다 1.15배 큰 경우인 것을 확인하였다. 이와 같이 chirp 신호를 이용하고 최적 대역폭을 결정하면, 반사신호의 최대 이득을 얻을 수 있어서, 콘크리트등과 같은 초음파 감쇠가 심한 매질에 대한 초음파 탐상에서 매우 효율적인 특성을 나타낸다.The present invention provides a method for maximizing the gain of a compressed ultrasonic reflection signal when applying pulse compression technology to an ultrasonic signal processing system. The input of the conventional ultrasonic system was about impulse or tone-burst wave, and the use of them is economically advantageous, but there are limitations in improving axial resolution and S / N ratio. Accordingly, the present invention proposes a method of using a chirp signal having an effect of improving the axial resolution and increasing the S / N ratio, and obtaining a maximum gain of the reflected signal when the chirp signal is used. In the present invention, when the chirp signal is used in an ultrasonic system, it is necessary to determine an optimum bandwidth for obtaining the maximum effect. In order to achieve the above object, an ultrasonic pulse-reflection system was analyzed and computer simulations and experiments confirmed that the larger the pulse width T was, the larger the output was obtained and the optimum bandwidth of the input signal was 1.15 times larger than the bandwidth of the ultrasonic system. By using the chirp signal and determining the optimum bandwidth, the maximum gain of the reflected signal can be obtained, which is very efficient in the ultrasonic inspection for a medium with high ultrasonic attenuation such as concrete.

Description

초음파 탐상 시스템의 최대이득 획득방법Maximum Gain Acquisition of Ultrasonic Scanning System

본 발명은 펄스 압축기술을 이용하는 초음파 탐상 시스템에 펄스압축 기술을 적용하기 위하여 chirp 신호를 입력으로 사용하고, 반사신호 펄스의 압축률과 크기가 최대로 얻어지는 chirp 신호를 얻을 수 있도록 최적의 대역폭을 결정하기 위한 것이다. 본 발명은 초음파 콘크리트 비파괴 검사등과 같은 초음파 감쇠가 심한 매질에 대한 초음파 탐상분야 효과적으로 이용될 수 있을 것이다.The present invention uses a chirp signal as an input for applying a pulse compression technique to an ultrasonic flaw detection system using a pulse compression technique, and determines an optimal bandwidth to obtain a chirp signal with the maximum compression ratio and magnitude of the reflected signal pulse. It is for. The present invention can be effectively used in the field of ultrasonic flaw detection for a medium with high ultrasonic attenuation, such as ultrasonic concrete nondestructive testing.

초음파 펄스-반사 시스템은 초음파 탐상을 비롯한 초음파 신호처리 분야에서 널리 이용되는 것으로 펄스 압력기술을 이용한 초음파 시스템의 특성을 해석하기 위한 블록선도는 제1도와 같다.Ultrasonic pulse-reflection system is widely used in the field of ultrasonic signal processing including ultrasonic flaw detection. The block diagram for analyzing the characteristics of the ultrasonic system using pulse pressure technology is shown in FIG.

제1도에서 x(t)는 입력신호이고, y(t)는 반사신호, z(t)는 압축된 반사신호를 나타낸다. 이에 도시된 바와 같이, 파형발생기에서 초음파신호를 발생하고, 송수신 스위치를 통하여 초음파 변환기에서 탐상하고자 하는 시료에 초음파를 조사한다. 이에 따라 시로로부터 반사되는 신호를 초음파 변환기에서 수십받아 송수신 스위치를 통한 후, 펄스 압축 필터를 통하여 수신기로 입력되도록 되어 있다. 제 1도의 입력단에 있는 증폭기의 전달함수 H1(ω)과 출력단의 증폭기 H7(ω) 그리고 송수신 스위치의 전달함수인 H2(ω)와 H6(ω)가 충분히 광대역으로 설계되고 시간 변화나 기타 환경변화 등에 영향이 없도록 제작되었다면 이들의 특성은 일정할 것이다. 그러므로 펄스압축 기술을 이용한 초음파 시스템의 반사신호 출력은 초음파 변환기와 펄스 압축 기술을 이용한 초음파 시스템의 반사신호 출력은 초음파 변환기와 펄스 압축 필터만으로 간략하게 표현할 수 있을 것이다.In FIG. 1, x (t) represents an input signal, y (t) represents a reflected signal, and z (t) represents a compressed reflected signal. As shown therein, the waveform generator generates an ultrasonic signal and irradiates the ultrasonic wave to the sample to be inspected by the ultrasonic transducer through a transmission / reception switch. Accordingly, dozens of signals reflected from the siro are received by the ultrasonic transducer through the transmission and reception switch, and then input to the receiver through the pulse compression filter. The transfer function H 1 (ω) of the amplifier at the input of Figure 1, the amplifier H 7 (ω) at the output, and the transfer functions H 2 (ω) and H 6 (ω) of the transmit / receive switch are designed to be sufficiently wideband and change in time. If they are manufactured so as not to affect other environmental changes, their characteristics will be constant. Therefore, the reflected signal output of the ultrasonic system using the pulse compression technology can be expressed simply by the ultrasonic transducer and the pulse compression filter.

Z(ω)=X(ω)H(ω)G(ω) (1)Z (ω) = X (ω) H (ω) G (ω) (1)

여기서 X(ω)는 x(t)의 퓨리에 변환이고, H(ω)는 시료의 특성과는 관계없이 주로 초음파 변환기에 의하여 결정되는 시스템의 전달함수를 나타낸다.Where X (ω) is the Fourier transform of x (t) and H (ω) represents the transfer function of the system, which is mainly determined by the ultrasonic transducer, irrespective of the properties of the sample.

기존의 초음파 시스템에서의 입력신호를 알아보면 다음과 같다.The input signal of the conventional ultrasonic system is as follows.

초음파 시스템에서는 주로 임펄스신호와 톤-버스트신호를 이용하였다. 임펄스 신호는 매우 큰 펄스의 크기와 좁은 폭을 갖는 신호로써 다른 신호들에 비하여 만들기 쉬운 장점이 있으나 매우 큰 신호를 인가시켜야 한다는 단점이 있고, 감쇠가 심한 물체일수록 인기되는 신호는 더욱 커지게 되며 일반적으로 170~250V사이에서 많이 사용된다.In the ultrasonic system, impulse and tone-burst signals are mainly used. Impulse signal has a very large pulse size and narrow width, which is easy to make compared to other signals, but has the disadvantage of applying a very large signal. The more attenuated an object, the more popular the signal becomes. It is widely used between 170 and 250V.

톤-버스트 신호는 주파수가 일정한 정현파신호를 포함한 펄스파로써 반송파를 가지고 있기 때문에 임펄스 신호에 비하여 입출력비를 높일 수 있다. 그러나 임펄스 신호에 비하여 신호를 만들기가 힘들며 종모양의 스펙트럼 모양으로 인해 데이터의 손실을 가져올 수 있다.The tone-burst signal is a pulse wave including a sinusoidal signal with a constant frequency, and thus has a carrier wave, and thus an input / output ratio can be increased compared to an impulse signal. However, it is harder to produce a signal than an impulse signal, and the bell-shaped spectral shape can cause data loss.

일반적인 초음파 펄스반사 시스템에서 축방향분해능은 중요한 요소중의 하나이다. 축방향분해능은 반사신호의 대역폭이 증가할수록 증가하지만 펄스의 폭이 좁이면 좁을수록 그 에너지는 작기 때문에 S/N비의 감소를 초래한다.Axial resolution is one of the important factors in general ultrasonic pulse reflection system. The axial resolution increases as the bandwidth of the reflected signal increases, but the narrower the pulse width, the smaller the energy, resulting in a decrease in the S / N ratio.

따라서, 본 발명에서는 상기한 문제점들을 극복하기 위해서 초음파 탐상 시스템에서 초음파 탐상신호로써 chirp 신호를 이용하고, 펄스 압축된 반사신호의 이득이 최대가 되도록 최적 대역폭을 결정한 펄스 압축기술을 이용한 초음파 탐상 시스템의 최대이득 획득방법을 제공하기 위한 것이다.Therefore, in the present invention, in order to overcome the above problems, the ultrasonic flaw detection system uses a chirp signal as the ultrasonic flaw detection signal, and determines the optimum bandwidth to maximize the gain of the pulse-compressed reflection signal. It is to provide a method of obtaining maximum gain.

chirp 신호는 상기한 종래 초음파 시스템에서 임펄스 신호나 톤-버스트신호를 이용하는 경우의 문제점들을 극복할 수 있는데 다음과 같은 특징을 고려하여야 한다. 초음파 시스템의 핵심부분의 초음파변환기의 스펙트럼은 대부분 종 모양의 협대역 형태를 갖기 때문에 적절한 폭과 대역폭을 가진 chirp 신호를 인가시키지 못할 경우, 펄스 압축된 반사신호의 이득을 최대로 얻을 수 없게 된다.The chirp signal can overcome the problems in the case of using an impulse signal or a tone-burst signal in the conventional ultrasonic system, and the following characteristics should be considered. Most of the spectrum of the ultrasonic transducer in the core part of the ultrasonic system is narrow and narrow in the form of a narrow band, so if the chirp signal with the appropriate width and bandwidth is not applied, the gain of the pulse-compressed reflected signal cannot be maximized.

그러므로 본 발명에서는 초음파 시스템에 chirp 신호의 유용성과 펄스압축 기술을 적용할 때 chirp 신호의 최적대역폭을 결정하는 방법을 제시하였고, chirp 신호는 기존의 임펄스, 톤-버스트 신호에 비해 이득이 큰 것을 실험을 통하여 확인하였다.Therefore, the present invention proposed a method for determining the optimal bandwidth of a chirp signal when the usefulness of the chirp signal and the pulse compression technique are applied to an ultrasonic system, and the experiments show that the chirp signal has a larger gain than the conventional impulse and tone-burst signals. It was confirmed through.

chirp 신호의 최적 대역폭을 결정하기 위하여 chirp 신호를 해석하면, chirp 신호는 펄스의 폭과 T와 대역폭 B에 의하여 결정된다. 이 두가지 파라미터는 펄스-압축된 반사신호의 진폭을 최대로 하기 위한 최적상태로 선택하여야 하며 본 발명에서는 상기한 대역폭을 최적의 상태가 되도록 결정한다.When the chirp signal is interpreted to determine the optimal bandwidth of the chirp signal, the chirp signal is determined by the pulse width, T, and bandwidth B. These two parameters should be selected as the optimal state for maximizing the amplitude of the pulse-compressed reflected signal, and the present invention determines the above bandwidth to be optimal.

제1도는 일반적인 초음파 시스템의 블록선도.1 is a block diagram of a general ultrasonic system.

제2도는 대역폭 변화에 따른 시뮬레이션의 결과.2 is the result of simulation according to the change of bandwidth.

제3도는 입력으로 사용한 chirp 입력파형Figure 3 shows the chirp input waveform used as input

제4도는 알루미늄 표면으로부터 반사된 반사파형4 shows the reflected wave reflected from the aluminum surface.

제5도는 반사파형에 따른 진폭스펙트럼5 is an amplitude spectrum according to the reflected waveform.

제6도는 반사파형을 압출시킨 파형6 is a waveform obtained by extruding the reflected waveform.

주어진 펄스폭과 초음파변환기의 대역폭에 대하여 펄스-압축된 반사신호의 진폭을 최대로하기 위한 입력신호의 대역폭을 구하기 먼저 chirp 신호의 스펙트럼을 구해야 한다. chirp 신호는 선형 주파수 변조된 신호와 구형파의 함수로 표현할 수 있으며 실수부를 xr(t)라고 하면 식 (2)와 같다.For the given pulse width and the bandwidth of the ultrasonic transducer, the spectrum of the chirp signal must first be determined to find the bandwidth of the input signal to maximize the amplitude of the pulse-compressed reflected signal. The chirp signal can be expressed as a function of a linear frequency modulated signal and a square wave. The real part x r (t) is given by Equation (2).

Figure kpo00002
Figure kpo00002

여기서,

Figure kpo00003
,
Figure kpo00004
, 그리고 f1과 f2는 각각 최저 및 최고주파수이다.here,
Figure kpo00003
,
Figure kpo00004
And f 1 and f 2 are the lowest and highest frequencies, respectively.

x(t)의 스펙트럼을 X(f)라고 하고 H(f)는 시스템 전달함수, G(f)의 전달함수라고 하면 출력신호 z(t)는 다음과 같다.If the spectrum of x (t) is called X (f), and H (f) is the system transfer function and G (f), the output signal z (t) is as follows.

Figure kpo00005
Figure kpo00005

여기서 F-1은 퓨리에 역변환이며, 식(3)을 풀고 z(t)가 최대가 되기 위한 BT와 B의 간계를 구해보면 식 (4)와 같다.Where F -1 is the Fourier inverse transform, and solve for Eq. (3) and find the interval between B T and B to maximize z (t).

Figure kpo00006
Figure kpo00006

식 (4)를 이용하여 반사신호가 최대가 되기 위한 조건을 찾기 위하여 BT=1MHz로 가정하고 B를 1MHz까지 변화시키면서 출력을 시뮬레이션 해보면 제2도와 같다.Using Equation (4), the output signal is simulated by changing B to 1MHz, assuming B T = 1MHz to find the condition for the maximum reflection signal.

제2도에서 A는 T=20㎲, B는 T=10㎲ 그리고 C는 T=5㎲인 경우이다. 신호의 펄스폭이 넓을수록 출력이 증가한는 것을 볼 수 있으나 출력의 최대값은 항상 B=1.1479BT인 경우로 일치하였다.In FIG. 2, A is T = 20 ms, B is T = 10 ms and C is T = 5 ms. It can be seen that the output increases as the pulse width of the signal increases, but the maximum value of the output is always consistent with B = 1.1479B T.

Bopt=1.1479BT식 (5)B opt = 1.1479 B T formula (5)

본 발명의 실험적 확인을 위하여 임의 파형발생기(AWG2021)와 데이터 획득장치(RTD710A Waveform Digitizer)를 이용하고, 중간 주파수가 3.5MHz이고, 6dB 대역폭이 2.65MHz인 초음파 변환기를 사용하여 실험시스템을 구성하였다.For experimental verification of the present invention, an experimental system was constructed by using an arbitrary waveform generator (AWG2021) and a data acquisition device (RTD710A Waveform Digitizer), and using an ultrasonic transducer having an intermediate frequency of 3.5 MHz and a 6 dB bandwidth of 2.65 MHz.

chirp 신호의 대역폭을 B=0.5BTB=1.0BTB=1.15BTB=1.8BT로 변화시켰으며, 제3도는 입력으로 사용한 chirp 신호의 대역폭의 변화에 따른 chirp 신호의 파형이며, 제4도는 알루미늄 반사체 표면으로부터 반사된 신호파형이다. 이때 시스템 입력파형은 15㎲의 T(폭)와 5V를 인가시켰으며, 데이터 획득장치에서의 입력파형과 초음파 반사신호에 대한 데이터 획득은 20㎲의 간격으로 1024개로 하였다.and the bandwidth of the chirp signal B = 0.5B T B = 1.0B T B = 1.15B T B = 1.8B was has changed to T, the waveform of the chirp signal due to changes in the chirp signal used as input three degrees bandwidth, 4 is a signal waveform reflected from the aluminum reflector surface. At this time, T (width) and 5V were applied for the system input waveform of 15㎲, and data acquisition for the input waveform and the ultrasonic reflection signal in the data acquisition device was set to 1024 at 20 간격 intervals.

제5,6도는 B=0.5BTB=1.0BTB=1.15BTB=1.8BT에 대한 반사 신호의 스펙트럼과 압축된 펄스신호이다.Claim 5 and 6 turn a spectrum and compressed pulse signals B = 0.5B T B = 1.0B T B = 1.15B T B = reflection signal for the T 1.8B.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의해 chirp 신호를 초음파 시스템에 이용할 때 chirp 신호의 대역폭을 B=1.15BT인 조건으로 최적 대역폭을 결정하면, 펄스-압축된 반사신호의 진폭을 최대로 할 수 있어서, 초음파 콘크리트 비파괴 검사등과 같은 초음파 감쇠가 심한 매질에 대한 탐상분야에서 효과적으로 이용될 수 있다.As described above, when the chirp signal is used in the ultrasonic system according to the present invention, if the optimum bandwidth is determined under the condition that the bandwidth of the chirp signal is B = 1.15B T , the amplitude of the pulse-compressed reflected signal can be maximized. It can be effectively used in the field of inspection for medium with high ultrasonic damping, such as ultrasonic concrete nondestructive testing.

Claims (1)

파형발생기에서 초음파 신호를 발생시켜 송수신 스위치 및 초음파 변환기를 통하여 탐상하고자 하는 시료에 조사하고, 그 시료로부터 반사되는 신호를 초음파 변환기 및 송수신 스위치를 통한 후 펄스 압축필터를 통해서 수신기가 수신하여 상기 시료를 탐상하도록 이루어진 펄스 압축 기술을 이용한 초음파 탐상 시스템에 있어서, 상기 파형발생기에서 초음파신호로서 chirp 신호를 발생하되, 상기 chirp신호의 스펙트럼을 분석하고, 그 스펙트럼 함수와 시스템 전달함수 및 전달함수를 퓨리에 역변환시킨 출력값이 최대가 되도록 chirp 신호의 대역폭 B와 시스템 대역폭 BT와의 관계를 정의하여, B=1.15BT의 조건으로 chirp 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 시스템의 최대이득 획득방법.The waveform generator generates an ultrasonic signal and irradiates the sample to be inspected through a transmission / reception switch and an ultrasonic transducer. The signal reflected from the sample is passed through the ultrasonic transducer and the transmission / reception switch, and then received by the receiver through a pulse compression filter. In an ultrasonic flaw detection system using a pulse compression technique, the waveform generator generates a chirp signal as an ultrasonic signal, analyzes the spectrum of the chirp signal, and inversely transforms the spectral function, the system transfer function, and the transfer function. A method for acquiring the maximum gain of an ultrasonic flaw detection system, characterized in that the chirp signal is generated under the condition of B = 1.15B T by defining a relationship between the bandwidth B of the chirp signal and the system bandwidth B T such that the output value is maximized.
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