KR101173955B1 - 주파수 영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치와 그 방법 - Google Patents

주파수 영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치와 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치와 그 방법 관한 것으로서, 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치는, 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 레이저 빔 조사부와, 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하는 빔 분리기와, 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 레이저 거울 스캐너와, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면을 통해 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 면내(in-plane)에서 전파되면, 전파된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 피치-캐치 모드(pitch-catch mode)로 수신하고, 수신된 초음파를 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 수신 처리부와, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 영상 처리부와, 상기 레이저 빔 조사부가 상기 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점으로 반사하도록 제어하는 제어부를 구성한다.

Description

주파수 영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치와 그 방법{APPARATUS OF IN-PLANE OR OUT-OF-PLANE ULTRASONIC PROPAGATION IMAGING IN FREQUENCY DOMAIN AND METHOD THEREOF}
본 발명은 초음파 주파수 분할 영상화 및 초음파 에너지 전파 영상화 장치 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 면내 또는 면외 초음파 주파수 분할 영상화와 이를 이용하는 면내 또는 면외 초음파 에너지 전파 영상화 장치와 그 방법에 관한 것이다.
일반적인 초음파 검사 기술로는 A-스캔, B-스캔, C-스캔 등의 전통적인 검사 기술이 있으며, 최근에는 검사 결과를 동영상으로 제시하는 초음파 전파 영상화 기법이 소개되고 있다.
A-스캔은 초음파가 특정 거리를 전파한 후 도착한 시간 대 진폭의 파형을 분석하는 기술이다. A-스캔 기술은 피치-캐치(pitch-catch) 모드와 펄스-에코(pulse-echo) 모드로 수행될 수 있다. 그리고 B-스캔은 기본적으로 A-스캔을 수행하되, 대상체 내의 특정 패스(path)를 따라 일정한 간격으로 수행함으로써 복수의 파형들을 분석하여 표시하는 기법이다. 다음으로, C-스캔은 대상체의 일정한 2차원 스캔 영역을 스캔하되, 스캔 영역의 깊이 방향으로의 전파 시간(TOF: time of flight) 혹은 진폭의 분포를 2차원 공간에 표시하는 영상화 기법이다.
한편, 초음파 전파 영상화 기법은 대상체의 2차원 스캔 영역에 시간축을 추가하여 3차원 데이터 구조를 구성한 후, 2차원 초음파 파장(진폭)이 시간에 따라 어떻게 변화해 가는지를 표시하는 기법이다. 초음파 전파 영상화 기법은 2005년에 미국 조지아(Georgia) 공대 연구팀에 의해 2005년 최초 개발된 이후 후속적인 연구가 도처에서 잇따르고 있다. 다양한 초음파 전파 영상화 장치가 소개되고 있으나, 여전히 여러 가지 문제점을 노출하고 있으며, 그 한계를 보이고 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 종래의 다양한 초음파 전파 영상화 기법에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 조지아 공대 연구팀의 초음파 전파 영상화 장치에 의한 초음파 영상이다.
먼저 조지아 공대 연구팀에서 최초로 개발된 초음파 전파 영상화 장치의 경우에는, 에어-커플드 트랜스듀서(air-coupled tranducer)를 이용한 접근 방식에 의해 평판 구조의 대상체만 스캔 가능하다. 한편, 비접촉식 센서에 의한 스캔이 가능하다는 장점이 있으나, 원거리의 스캔은 불가능하다는 단점이 있다. 그리고 평면 운동에 의한 스캐닝만 지원하기 때문에 과도한 스캐닝 시간이 요구되며, 18.75 ㎜ 이상의 열린 균열(open crack)이나 7.8 ㎜ 이상의 동공(open hole)과 같은 과도한 손상에서만 가시적인 결과를 확인할 수 있을 정도로 검출능이 매우 낮다는 단점이 있다.
도 1의 (a)는 35 ㎲의 전파 시간(propagation time)에서의 초음파 전파 영상을 나타내고, 도 1의 (b)는 42 ㎲의 전파 시간에서의 초음파 전파 영상을 나타낸다. 본 명세서에서는 도 1과 같이 초음파의 진폭의 2차원 분포를 시간축에 따라 순차적으로 제시하여 동영상화하는 기존의 기술을 시간 영역 단순 초음파 전파 영상화로 칭한다.
도 2는 종래 기술에 따른 셰필드 대학 연구팀의 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.
도 2의 (a)에 도시된 초음파 전파 영상화 장치는 영국 셰필드(Sheffield) 대학 연구팀에 의해 2007년 개발되었다. 도 2의 초음파 전파 영상화 장치는 비접촉 레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer)를 사용하는 수신 레이저를 스캐닝한다. 도 2의 초음파 전파 영상화 장치는 레이저 도플러 진동계를 이용하여 원거리의 비접촉 스캐닝을 실현시켰다. 그러나, 곡률부 스캐닝을 수행하는 경우 여러 문제점을 노출하고 있다. 곡률부 스캐닝의 경우 초점 조정 모듈이 장착되어야 하며, 초점 조정을 위해서는 과도한 시간이 소요되며 빔의 입사각(incidence angle)이 20˚ 이내로 제한되는 한계를 나타낸다. 또한 레이저 도플러 진동계의 초음파 수신의 낮은 감도에 의해 초음파의 반복 생성을 통해 다수의 신호를 획득하여 평균화해야 하는 검사시간에 치명적인 제약을 주는 단점이 있다. 검출능의 경우에는 41.5 ㎜ 이상의 열린 균열과 같은 과도 손상에서만 가시적으로 출력 결과를 확인할 수 있을 정도이다. 한편, 110 ㎜ × 60 ㎜의 스캔 영역에 405 점에 불과한 조사점(스캐닝점)을 갖기 때문에 매우 낮은 공간 해상도를 갖는다. 아울러 장치의 가격이 매우 비싸다.
도 2의 (b)는 (a)의 초음파 전파 영상화 장치에 의해 출력된 단순 초음파 전파 영상을 나타낸다.
도 3은 종래 기술에 따른 일본 산업 기술 총합 연구소의 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.
도 3의 (a)에 도시된 초음파 전파 영상화 장치는 2008년 일본 산업 기술 총합 연구소에 의해 개발된 초음파 전파 영상화 장치인데, 이는 펄스 레이저 빔을 초음파 생성에 사용하기 때문에 곡률부 레이저빔 회전 스캐닝이 가능하다는 장점을 가진다. 그러나, 무거운 레이저 헤드를 기계적 방식에 따라 제어하기 때문에, 스캐닝 속도가 느려 과도한 스캐닝 시간이 요구된다. 그리고 Q-스위치 펄스드 레이저(Q-switched pulsed laser)를 사용하기 때문에 초음파의 신호 대 잡음비가 낮고 신호 재현성도 낮다. 검출능의 경우에는 16 ㎜ 열린 균열에 대한 스캔 결과를 출력함에 따른 낮은 공간 해상도의 한계를 나타낸다.
도 3의 (b)는 (a)의 초음파 전파 영상화 장치에 따른 단순 초음파 전파 영상을 나타낸다.
도 4는 종래 기술에 따른 전북대 항공우주공학과 스마트구조 연구팀의 시간영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.
도 4의 (a)에 도시된 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치는 2008년 전북대학교 항공우주공학과 스마트구조 연구팀에 의해 개발되었다. 도 4의 (a)의 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치는 고속회전 레이저 거울 스캐너를 이용하여 스캔을 수행함으로써 스캐닝 속도를 현저히 증가시키고 고분해능이 가능해졌다. 1 ㎜ 이하의 균열도 감지할 수 있으며, 파면의 붕괴를 이용한 초음파 전파 영상화 기법을 활용하여 균열의 크기를 정량화하였다. 이러한 초음파 전파 영상화 장치는 균열을 검출하는 데에는 매우 적합하나, 이보다 복잡한 형태인 예를 들어, 복합재 패널 및 샌드위치의 충격 손상, 접착 분리, 층간 분리 등에 대해서는 기존의 C-스캔 방식 보다도 현저히 빠른 검사시간을 보이나 그 결함의 크기를 정량화하기에 적합하지 않다는 문제점이 있다.
도 4의 (b)는 (a)의 시간 영역 초음파 전파 영상화 장치에 의해 구성된 3차원 데이터 구조의 초음파 영상이라고 할 수 있다. 상기 3차원 데이터 구조에서 가로축과 시간축은 펄스 레이저 빔이 조사되는 스캔 영역에 해당되며, 나머지 시간축은 각 조사점에서의 시간에 따른 펄스 레이저 빔의 진폭을 나타내고 있다. 이때, 도 4의 (c)에서 보듯이 특정 시간을 기준으로 3차원 데이터 구조의 단면을 추출하면 하나의 초음파 전파 영상이 생성된다. 도 4의 (c)에서 보이는 파장(wavefield)이 전파하면서 결함이 있는 곳에서는 기형적 전파 특성을 보이게 되여 손상을 검출 할 수 있다.
위에서 설명한 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치는 단지 시간에 대한 진폭의 신호를 이용하는 것으로서, 시간 영역 초음파 전파 영상화라고 칭한다.
본 발명의 목적은, 주파수 변환을 이용한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 주파수 변환을 이용한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 주파수 변환을 이용한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 주파수 변환을 이용한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치는, 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 레이저 빔 조사부와, 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하는 빔 분리기와, 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 레이저 거울 스캐너와, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면을 통해 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 면내(in-plane)에서 전파되면, 전파된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 피치-캐치 모드(pitch-catch mode)로 수신하고, 수신된 초음파를 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 수신 처리부와, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 영상 처리부와, 상기 레이저 빔 조사부가 상기 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점으로 반사하도록 제어하는 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 영상 처리부는, 상기 주파수 변환된 신호 중에서 상기 외부면의 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 상기 외부면의 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 영상 처리부는, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 레이저 빔 조사부는, Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 빔 조사부는, 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 다른 한편, 상기 레이저 거울 스캐너는, 검류계(galvanomotor) 방식의 복수의 거울을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 수신 처리부는, 상기 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 펄스 레이저 빔을 수신하는 레이저 빔 수신부와, 상기 수신된 펄스 레이저 빔 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 필터링된 초음파를 증폭하는 증폭부를 포함하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치는, 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 레이저 빔 조사부와, 상기 조사된 펄스 레이저 빔과 수신 레이저 빔의 결합 빔을 전달하는 빔 분리기와, 상기 전달된 결합빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 레이저 거울 스캐너와, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파되면, 깊이 방향으로 존재하는 손상 또는 반대쪽 경계면에서 반사된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 초음파를 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 수신 처리부와, 상기 처리된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 영상 처리부와, 상기 레이저 빔 조사부가 상기 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점을 반사하도록 제어하는 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 영상 처리부는, 상기 초음파 주파수 분할 영상 중에서 상기 손상에 의해 주파수를 검출하고, 상기 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 영상 처리부는, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 레이저 빔 조사부는, Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 빔 조사부는, 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 거울 스캐너는, 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 수신 처리부는, 상기 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하는 레이저 초음파 수신부와, 상기 수신된 초음파 중 소정의 주파수 대역을 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 필터링된 초음파를 증폭하는 증폭부를 포함하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법은, 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계와, 선택적으로, 빔 분리기가 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하는 단계와, 레이저 거울 스캐너가 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계와, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되면, 수신 처리부가 상기 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 수신하여 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계와, 상기 영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계와, 상기 영상 처리부가 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 상기 영상 처리부가 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 시간별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하는 단계는, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는, 상기 영상 처리부가 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는, 상기 레이저 빔 조사부가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는, 상기 레이저 빔 조사부가 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 거울 스캐너가 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계는, 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 반사하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되면, 수신 처리부가 상기 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 수신하여 시간 대 진폭의 신호로 처리하는 단계는, 레이저 빔 수신부가 상기 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터가 상기 수신된 초음파 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부가 상기 필터링된 초음파를 증폭하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법은, 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계와, 빔 분리기가 상기 조사된 펄스 레이저 빔과 수신 레이저 빔의 결합 빔을 전달하는 단계와, 레이저 거울 스캐너가 상기 전달된 결합 빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계와, 상기 수신 처리부가, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 펄스 레이저 빔을 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계와, 영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계와, 상기 영상 처리부가, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는, 상기 영상 처리부가 상기 처리된 주파수 대 진폭의 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호 중에서 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서의 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 상기 영상 처리부가, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 영상을 생성하고 출력하는 단계는, 상기 영상 처리부가 상기 추출된 신호를 상기 다수의 조사점에서 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는, 상기 영상 처리부가, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는, 상기 레이저 빔 조사부가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는, 상기 레이저 빔 조사부가 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 레이저 거울 스캐너가 상기 분리된 펄스 레이저 빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계는, 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 반사하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 수신 처리부가, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 펄스 레이저 빔을 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계는, 레이저 초음파 수신부가 상기 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터가 상기 수신된 초음파 중 소정 주파수대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부가 상기 필터링된 펄스 레이저 빔을 증폭하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 주파수 영역 면내 또는 면외 초음파 에너지 전파 영상화 장치 및 그 방법에 따르면, 각종 주파수 변환에 이은 초음파 주파수 분할 및 초음파 에너지 전파 영상화를 수행하여 대상체의 손상에서 변화되는 초음파 주파수를 검출함으로써, 균열뿐만 아니라 복잡한 손상모드(복합재 패널 및 샌드위치의 충격손상, 접착 분리, 층간분리)등을 정확하게 검출하고 그 크기 또한 정량적으로 제시할 수 있는 효과가 있다. 한편, 현장에서 대상체를 즉시 자동으로 검사하여 결과를 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 조지아 공대 연구팀의 초음파 전파 영상화 장치에 의한 초음파 영상이다.도 2는 종래 기술에 따른 셰필드 대학 연구팀의 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.도 3은 종래 기술에 따른 일본 산업 기술 총합 연구소의 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.도 4는 종래 기술에 따른 전북대 항공우주공학과 스마트구조 연구팀의 시간영역 면내 또는 면외 초음파 전파 영상화 장치의 구성도이다.도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치의 블록 구성도이다.도 6은 본 발명에 따라 시간 대 진폭의 신호가 주파수 대 진폭의 신호로 변환되는 것을 나타내는 파형 예시도이다.도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 주파수에 따라 변화하는 면내 초음파 주파수 분할 영상의 3차원 데이터 구조이다.도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 주파수에 따라 변화하는 면내 초음파 주파수 분할 영상의 예시도이다.도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 대 진폭의 신호가 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 변환된 후 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호로 변환되는 것을 나타내는 파형 예시도이다.도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간에 따라 변화하는 면내 초음파 에너지 전파 영상의 3차원 데이터 구조이다.도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 초음파 주파수에서 시간에 따라 변화하는 면내 초음파 에너지 전파 영상의 예시도이다.도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치의 블록 구성도이다.도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스-에코 모드로 수신된 시간 대 진폭의 신호와 시간정보를 포함하는 주파수 변환 후 특정주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 구성한 3차원 데이터 구조이다.도 14는 본 발명에 따른 모바일 시스템 구성 및 다영역 검사를 위한 응용구성이다도 15는 본 발명에 따른 구조 보관 영역에서 고정설치된 다영역 검사 시스템으로의 구성이다도 16은 본 발명에 따른 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법이다.도 17은 본 발명에 따른 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치를 도 5 내지 도 11을 참조하여 상세하게 설명한다. 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치는 대상체의 외부 구조의 구조 건전성을 평가하기 위한 장치로서, 외부 구조가 포함하고 있는 손상 및 결점 등을 검출한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치의 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)는 레이저 빔 조사부(110), 빔 분리기(120), 레이저 거울 스캐너(130), 수신 처리부(140), 영상 처리부(150) 및 제어부(160)를 포함하도록 구성될 수 있다. 한편, 수신 처리부(140)는 초음파 수신부(141), 대역 통과 필터(142), 증폭부(143) 및 접촉형 센서 또는 비접촉 센싱점(144)을 포함하도록 구성될 수 있다.
먼저, 본 발명의 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)는 2차원 스캔 영역 상의 각 조사점에서의 발생된 초음파를 수신하는 장치이다. 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)는 각 조사점에서의 획득된 시간 대 진폭의 초음파 신호를 주파수 대 진폭 형태로 변환하고, 이를 각 조사점(2차원 평면의 스캔 영역)과 스캔 영역에 수직한 주파수 축(1차원)이 시간축이 되는 3차원 데이터 구조로 재구성한다. 그리고 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)는 3차원 데이터 구조에서 소정 주파수 간격으로 2차원 단면 영상을 추출하여 생성한 초음파 주파수 분할 영상을 제공한다. 이때, 각 초음파 영상을 살펴보면, 손상이 있는 부위(스캔 영역 내의 손상이 있는 부위)에서는 주파수의 변화가 발생하기 때문에, 손상이 있는 부위는 동일 주파수로 구성되는 초음파 영상에서 가시화되어 나타날 수 밖에 없다. 이와 같은 주파수의 변화는 다양하고 복잡한 구조의 손상에 대해서도 세밀하게 발생하므로, 손상의 검출과 검출된 손상의 크기를 정량화하는 것에 매우 유용하다. 이하, 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)의 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 레이저 빔 조사부(110)는 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 이때, 레이저 빔 조사부(110)는 신호 대 잡음비와 반복성이 우수한 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 비접촉적으로 초음파를 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 이때 생성되는 펄스 레이저 빔의 파장은 211 ㎚ 내지 1064 ㎚인 것이 바람직하다. 그리고 펄스 레이저 빔은 1 ㎐ 내지 10 ㎑의 반복 속도를 가지고 조사되는 것이 바람직하다.
다음으로, 빔 분리기(120)는 레이저 빔 조사부(110)로부터 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하도록 구성될 수 있다. 빔 분리기(120)는 펄스 레이저 빔을 대상체(200)에 여러 스캔 영역(210)을 설정하여 동시에 조사될 수 있도록 하기 위한 구성이다. 이때, 펄스 레이저 빔의 빔 분산 특성과 조사 거리에 따라서 시준기(미도시)가 더 포함되도록 구성될 수 있다. 시준기(미도시)는 레이저 빔 조사부(110)와 빔 분리기(120) 사이에 포함되도록 구성될 수 있다.
다음으로, 레이저 거울 스캐너(130)는 빔 분리기(120)로부터 분기된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하도록 복수로 구성될 수 있다. 레이저 거울 스캐너(130)는 전기식 모터, 검류계(galvanomotor), 압전 소자, MEMS 식 거울 등으로 구동되는 2축 이상의 단수 혹은 복수의 거울을 사용하도록 구성될 수 있으며, 상기 거울은 펄스 레이저 빔의 파장을 작동 범위에 포함하여야 한다. 한편, 펄스 레이저 빔이 대상체에 조사되기전 격리될 필요가 있을 경우 레이저 창을 더 포함되도록 구성될 수 있다. 레이저 거울 스캐너(130)는 대상체의 소정 스캔 영역(210) 내에서 일정 간격(0 ㎜ 내지 50 ㎜)의 조사점으로 스캐닝 경로를 따라 펄스 레이저 빔을 빠른 속도로 반사하기 위해서는 고속 회전이 가능하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 수신 처리부(140)는 초음파 수신부(141), 대역통과필터(142), 증폭부(143)로 구성된다. 수신 처리부(140)는 레이저 거울 스캐너(330)로부터 반사된 펄스 레이저빔이 상기 외부면을 통해 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 외부면을 통해 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 면내(in-plane)에서 전파되면, 전파된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 피치-캐치 모드(pitch-catch mode)로 수신하고, 수신된 초음파를 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하도록 구성될 수 있다. 좀 더 구체적으로는 다음과 같다. 수신 처리부(140)는 펄스 레이저 빔이 대상체(200)에 조사되어 초음파를 발생시키고 대상체에서 소정거리 전파한 후 접촉형 센서 혹은 비접촉형 센싱점(144)를 통해 감지되고, 수신 처리부(140)는 실시간 신호처리를 수행한다. 초음파 수신부(141)는 레이저 빔 조사부(110)와 제어부(160)과 정밀 동기화되어 초음파를 수신하며, 대역 통과 필터(142)는 수신된 초음파의 소정의 주파수 대역 이외의 노이즈나 불안정한 저주파 신호를 제거하며, 증폭부(143)가 필터링된 신호를 증폭하여 영상 처리부(150)로 전달한다.
다음으로, 영상 처리부(150)는 수신 처리부(140)에서 처리된 시간 대 진폭의 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점(스캔 영역)에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 영상 처리부(150)의 처리 동작을 도 6 내지 도 8을 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따라 시간 대 진폭의 신호가 주파수 대 진폭의 신호로 변환되는 것을 나타내는 파형 예시도이다.
도 6의 (a)는 수신 처리부(140)에서 감지된 초음파를 시간 대 진폭의 형태로 처리한 파형의 예시를 나타낸다. 그리고 도 6의 (b)는 시간 대 진폭의 신호가 주파수 대 진폭의 형태로 변환된 예시를 나타낸다. 여기에서는, 패스트 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)이 적용되었다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 초음파 주파수 분할 영상화를 위한 3차원 데이터 구조이다.
도 7에서 보듯이, 이러한 3차원 데이터 구조는 각 조사점으로 구성되는 2차원 스캔 영역에 대해, 각 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호로 구성된다.
한편, 영상 처리부(150)는 3차원 데이터 구조를 주파수별로 분할한 단면인 면내 초음파 주파수 분할 영상을 연속적으로 출력하도록 구성될 수 있다. 이때, 영상 처리부(150)는 3차원 데이터 구조로부터 주파수별 단면 영상을 생성하기 때문에, 각 면내 초음파 주파수 분할 영상은 동일한 주파수로 구성되어야 한다. 그러나, 스캔 영역에 손상이 있는 경우에는 손상으로 인해 주파수의 변화가 초래되기 때문에, 하나의 면내 초음파 영상에서 다른 주파수로 검출되는 조사점이 있게 마련이다. 특히 얇은 대상체의 손상으로 인한 주파수의 변화는 민감하게 나타나므로, 본 발명은 손상의 검출이나 그 크기의 정량화에 매우 유용하다. 이에, 영상 처리부(150)는 상기 주파수 변환된 신호 중에서 상기 대상체의 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 상기 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수에 대한 면내 초음파 주파수 분할 영상을 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 주파수에 따라 변화하는 면내 초음파 주파수 분할 영상의 예시도이다.
도 8에서 보듯이 면내 초음파 주파수 분할 영상은 각 주파수별로 생성되어 손상이 가시화되어 나타남을 알 수 있다.
다른 한편, 영상 처리부(150)는 상기 주파수 변환된 신호 중에서 상기 외부면의 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 상기 외부면의 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 영상 처리부(150)는 앞서 설명한 바와 같이 단순히 시간에 대한 신호를 주파수에 대한 신호로 변환할 수도 있지만, 시간 정보를 포함하는 주파수에 대한 신호로 변환하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 그 검출된 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 출력함으로써 손상과 연관된 주파수 성분만을 가진 초음파 에너지 전파 영상을 획득하는 것이다. 여기에서, 이러한 변환을 위해서, 영상 처리부(150)는, 상기 수신 처리부(140)에서 처리된 신호를 웨이블릿 변환, 쇼트 타임 푸리에 변환, 바이그너-빌 변환에 의해 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 영상 처리부(150)의 처리 동작을 도 9 내지 도 11을 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 대 진폭의 신호가 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 변환된 후 특정 주파수 성분만을 가진 시간 대 진폭의 신호로 재구성된 파형 예시도이다.
여기에서, 도 9의 (a)는 시간 대 진폭의 신호를 나타내며, 도 9의 (b)는 시간 정보를 포함하는 주파수 영역의 신호로 변환된 영상을 나타낸다. 그리고 도 9의 (c)는 특정 주파수 혹은 초음파 주파수 분할 영상에서 손상이 검출된 주파수에 대하여 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 나타낸 파형을 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 초음파 주파수 성분만을 포함하는 면내 초음파 에너지 전파 영상의 3차원 데이터 구조이다.
도 10에서 보듯이, 3차원 데이터구조를 2차원 평면의 스캔 영역에 대하여 시간별로 분할하는 것이 도시되어 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 초음파 주파수에서 시간에 따라 변화하는 면내 초음파 에너지 전파 영상의 예시도이다.
도 11에서 보듯이, 도 10의 3차원 데이터 구조를 시간에 대해 분할하여 그 특정 주파수에서의 면내 초음파 에너지 전파 영상이 도시되어 있음을 알 수 있다. 즉, 면내 초음파 주파수 분할 영상에서 손상이 검출된, 10 kHz의 주파수에서 각 시간별 초음파 에너지의 진폭의 변화 형태를 연속적으로 나타내고 있다.
다음으로, 제어부(160)는 레이저 빔 조사부(110)가 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점으로 반사하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 면외 초음파 에너지 전파 영상화 장치를 도 12 및 도 13을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기에서, 면외 초음파 에너지 전파 영상화 장치는 앞서 설명한 면내 초음파 에너지 전파 영상화 장치와 달리 대상체의 외부면에 대해 깊이 방향으로 존재하는 손상을 효율적으로 검출해 내기 위한 장치이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 주파수 분할을 이용한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)는 레이저 빔 조사부(310), 빔 분리기(320), 레이저 거울 스캐너(330), 수신 처리부(340), 영상 처리부(350) 및 제어부(360)를 포함하도록 구성될 수 있다. 한편, 수신 처리부(340)는 레이저 초음파 수신부 (341), 대역 통과 필터(342), 증폭부(343)를 포함하도록 구성될 수 있다.
먼저, 본 발명의 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)는 2차원 스캔 영역 상의 각 조사점에서 상기 스캔 영역에 수직한 깊이 방향의 초음파 경로에 대한 초음파의 변화를 감지하기 위한 장치이다. 펄스 레이저 빔은 조사점의 반대면으로부터 반사되어 돌아오면서 깊이 방향의 구조에 대한 정보를 제공하게 된다. 즉, 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치 (300)는 펄스-에코 모드로 동작된다. 각 조사점(2차원의 스캔 영역)에서 펄스-에코 모드로 획득된 시간 대 진폭의 초음파를 직접 3차원 데이터 구조로 재구성하여 단면 영상으로 출력하면, 도 4로 대표되는 시간 영역 면외 초음파 전파 영상화가 된다. 이때, 본 발명에 따른 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)는 시간 대 진폭의 신호를 주파수 대 진폭의 신호로 변환함으로써, 손상에 대해 민감하게 변화하는 주파수를 이용하여 손상을 검출하도록 구성될 수 있다. 즉, 시간 대 진폭의 신호를 주파수 대 진폭(에너지) 형태의 신호로 변환하고, 이를 각 조사점(2차원 평면의 스캔 영역)과 스캔 영역에 수직한 주파수 축(1차원) 상의 시간 대 진폭의 데이터로 구성되는 3차원 데이터 구조로 재구성한다. 그리고 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)는 3차원 데이터 구조에서 소정 주파수 간격으로 2차원 단면 영상을 추출하여 생성한 초음파 영상을 제공한다. 이때, 각 초음파 영상을 살펴보면, 손상이 있는 부위(스캔 영역 내의 손상이 있는 부위)에서는 주파수의 변화가 발생하기 때문에, 손상과 관계된 주파수의 초음파 영상에서 손상이 가시화되어 나타날 수밖에 없음은 앞서 살펴본 바와 같다. 이 역시 다양하고 복잡한 구조의 손상에 대해서도, 용이하게 손상을 검출하고 검출된 손상의 크기를 정량화기에 유리하다. 이하, 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)의 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
먼저, 레이저 빔 조사부(310)는 소정의 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 레이저 빔 조사부(310)는 신호 대 잡음비와 신호 재현성이 우수한 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 비접촉적으로 초음파를 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다. 이때 생성되는 펄스 레이더 빔의 파장 역시 211 ㎚ 내지 1064 ㎚인 것이 바람직하다. 그리고 펄스 레이저 빔은 1 ㎐ 내지 10 ㎑의 반복 속도를 가지고 조사되는 것이 바람직하다.
다음으로, 펄스 레이저 빔의 빔 분산 특성과 조사 거리에 따라서 시준기(미도시)가 더 포함되도록 구성될 수 있다. 시준기(미도시)는 레이저 빔 조사부(310)와 빔 분리기(320) 사이에 포함되도록 구성될 수 있다. 한편, 빔 분리기(320)는 레이저 빔 조사부(310)에서 조사된 펄스 레이저 빔을 반사모드로, 수신 레이저 빔을 투과모드로 레이저 거울 스캐너(330)에 결합 빔을 전달하고, 레이저 초음파 수신부(341)는 이후에 펄스-에코 모드에 의해 초음파를 수신하여 수신 처리부(340)에서 실시간 신호처리를 수행한다.
다음으로, 레이저 거울 스캐너(330)는 빔 분리기(320)로부터 전달된 펄스 레이저 빔과 수신 레이저 빔의 결합빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하도록 구성될 수 있다. 레이저 거울 스캐너(330)는 전기식 모터, 검류계(galvanomotor), 압전 소자, MEMS 등으로 구동되는 2축 이상의 단수 혹은 복수의 거울을 사용하도록 구성될 수 있으며, 사용되는 거울들은 펄스 레이저 빔 및 수신 레이저 빔의 파장을 작동 범위에 포함하여야 한다. 한편, 레이저 거울 스캐너(330)를 통해 조사되는 펄스 레이저 빔이 대상체와 격리되어 조사되도록 하는 레이저 창을 더 포함되도록 구성될 수 있다. 레이저 거울 스캐너(330)는 대상체의 소정 스캔 영역(410) 내에서 일정 간격(0 ㎜ 내지 50 ㎜)의 조사점으로 스캐닝 경로를 따라 결합빔을 빠른 속도로 반사하기 위해서는 고속 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 수신 처리부(340)는 상기 반사된 결합빔 중 펄스 레이저 빔이 상기 대상체(400)의 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향을 전파되면, 깊이 방향으로 존재하는 손상 또는 반대쪽 경계면에서 반사된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 초음파를 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 수신 처리부(340) 중 레이저 초음파 수신부(341)는 스캔 영역의 깊이 방향인 면외(out-of-plane) 구조 검사를 위해 펄스-에코 모드에 의해 대상체(400)의 외부면을 수신 레이저 빔으로 스캔한다. 대역 통과 필터(342)는 레이저 빔 조사부(310)에서 조사된 펄스 레이저 빔이 생성하는 초음파 주파수 대역 중 노이즈나 불안정한 저주파 신호를 제거하고 필요한 주파수 대역만 통과시키며, 증폭부(343)가 필터링된 신호를 증폭하여 영상 처리부(350)로 전달한다.
다음으로, 영상 처리부(350)는 수신 처리부(340)에서 처리된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 앞서 설명한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)에서와 같이 시간에 대한 신호를 주파수에 대한 신호로 변환함으로써, 손상에 민감한 주파수의 변화를 포착하여 손상을 검출하고 그 크기를 정량화하도록 하는 것이다. 이때, 영상 처리부(350)는 3차원 데이터 구조를 주파수별로 분할한 단면인 면외 초음파 주파수 분할 영상을 연속적으로 출력하도록 구성될 수 있다. 이때, 영상 처리부(350)는 3차원 데이터 구조로부터 주파수별 단면 영상을 생성하기 때문에, 각 면외 초음파 주파수 분할 영상은 동일한 주파수로 구성되어야 한다. 그러나, 스캔 영역에 손상이 있는 경우에는 손상으로 인해 주파수의 변화가 초래되기 때문에, 하나의 면외 초음파 주파수 분할 영상에서 다른 주파수로 검출되는 조사점이 있게 마련이다. 대상체(400)의 손상으로 인한 주파수의 변화는 민감하게 나타나므로, 본 발명은 손상의 검출이나 그 크기의 정량화에 매우 유용하다. 이에, 영상 처리부(350)는 상기 초음파 주파수 분할 영상 중에서 상기 손상에 의해 주파수를 검출하고, 상기 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면외 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 영상 처리부(350)의 처리 동작을 도 13을 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 13은 주파수 영역 면외 초음파 전파 장치를 통해 획득된 시간 대 진폭의 신호를 이용하여 3차원 데이터 구조화 한 것이다.
도 13의 (a)를 살펴보면, 펄스 레이저 빔이 생성한 초음파를 대상체의 외부면 동일 지점에서 수신 레이저 빔을 이용하여 펄스-에코 모드에 의해 획득하면, 각 조사점에서는 도 13의 (a)와 같은 형태의 시간 대 진폭의 신호를 얻을 수 있다. 이를 각 조사점에서의 직접 3차원 데이터 구조 구성에 사용하면 도 13의 (b)와 같은 구조가 될 수 있다. 본 발명에서는, 영상 처리부(350)는 상기 수신 처리부(340)에서 처리된 신호를 도 6을 참조하여 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 영상 처리부(350)는 앞서 설명한 바와 같이 시간에 대한 신호를 단순히 주파수에 대한 신호로 변환할 수도 있지만, 도 9를 참조하여 시간 정보를 포함하는 주파수에 대한 신호로 변환하도록 구성될 수도 있다. 다시 말하면, 손상에 관련된 주파수를 면외 초음파 주파수 분할 영상을 통해 검출하고, 그 검출된 주파수 혹은 기타 특정주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 출력하는 것이다. 여기에서, 이러한 변환을 위해서, 영상 처리부(350)는, 상기 수신 처리부(340)에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환, 웨이블릿 변환, 쇼트 타임 푸리에 변환, 바이그너-빌 변환에 의해 시간 정보를 포함하는 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호로 주파수 변환하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 제어부(360)는 레이저 빔 조사부(310)가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점으로 반사하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
앞서 도 5 내지 도 13을 통해 설명한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100) 및 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)는 도 14의 (a)와 같이 모바일 구조로 제조될 수 있다. 도 14의 (b)에 도시된 비행기와 같은 대상체의 실구조 건전성 평가를 위해 모바일 형태로 구성될 수 있다. 한편, 도 15와 같이 고정 구조로 제조될 수도 있다. 구조 건전성 관리 측면에서는 일체형 센서를 포함하는 수송체가 검사 가능 장소(예, 항공기의 경우 행거)에 머무르는 동안에는 고정 구조의 장치에 의한 자동 검사가 수행되도록 구성될 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 초음파 에너지 전파 영상화 방법을 도 16을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 분할을 이용한 면내 초음파 에너지 전파 영상화 방법의 흐름도이다. 대상체(200)의 외부면(210)의 구조 건전성 평가를 위해 앞서 설명한 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치(100)가 이용될 수 있다.
도 16을 참조하면, 레이저 빔 조사부(110)가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사한다(S110). 여기에서, 레이저 빔 조사부(110)가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 이때, 레이저 빔 조사부(110)는 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 선택적으로, 빔 분리기(120)가 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달한다(S120).
다음으로, 레이저 거울 스캐너(130)가 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사한다(S130). 여기에서, 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너(130)가 펄스 렐이저 빔을 반사하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되면, 수신 처리부(140)가 상기 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 수신하여 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리한다(S140). 이때, 초음파 수신부 (141)가 상기 접촉형 혹은 비접촉형 센서로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터(142)가 상기 수신된 초음파 중 소정의 주파수 대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부(143)가 상기 필터링된 초음파를 증폭하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 영상 처리부(150)가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성한다(S150). 여기에서, 상기 수신 처리부(140)에서 처리된 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호에서 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하도록 구성될 수 있다(S155). 그리고 영상 처리부(150)는 수신 처리부(140)에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환, 웨이블릿 변환, 쇼트 타임 푸리에 변환, 바이그너-빌 변환에 의해 주파수 변환하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 영상 처리부(150)는 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력한다(S160). 이때, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다(S165).
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법을 도 17을 참조하여 상세하게 설명한다. 대상체(400)의 외부면(410)의 구조 건전성 평가를 위해 앞서 설명한 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치(300)가 이용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법의 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 먼저 레이저 빔 조사부(310)가 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사한다(S210). 여기에서, 레이저 빔 조사부(310)가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 이때, 레이저 빔 조사부(310)가 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 빔 분리기(320)가 상기 조사된 펄스 레이저 빔과 수신레이저 빔의 결합 빔을 전달한다(S220). 이때, 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 반사하고 수신 레이저 빔을 투과하여 결합 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 그리고 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너(330)을 통해 펄스 레이저 빔을 반사하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 레이저 거울 스캐너(330)가 상기 전달된 결합빔을 대상체(400)의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사한다(S230).
다음으로, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체(400)의 깊이 방향으로 전파된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 펄스 레이저 빔을 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리한다(S240). 이때, 레이저 초음파 수신부(341)가 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터(342)가 상기 수신된 초음파 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부(343)가 상기 필터링된 펄스 레이저 빔을 증폭하도록 구성될 수 있다.
상기 수신 레이저 빔으로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터(342)가 상기 수신된 초음파 중 소정의 주파수 대역을 필터링하고, 증폭부(343)가 상기 필터링된 초음파를 증폭하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 영상 처리부(350)가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성한다(S250). 여기에서, 영상 처리부(350)가 상기 처리된 주파수 대 진폭의 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호 중에서 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서의 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하도록 구성될 수 있다. 이때, 영상 처리부(350)가 수신 처리부(340)에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환, 웨이블릿 변환, 쇼트 타임 푸리에 변환, 바이그너-빌 변환에 의해 주파수 변환하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 영상 처리부(350)가 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력한다(S260). 여기에서, 상기 영상 처리부(350)가 상기 추출된 신호를 상기 다수으 조사점에서의 시간별로 분할하여 면외 초음파 에너지 전파 영상을 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 주파수 대 진폭의 신호를 3차원 데이터 구조화 한 후 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파 분할 영상을 생성하고 출력한다(S270). 이때, 영상 처리부(350)가 상기 주파수 변환된 신호 중에서 상기 외부면(410)에 대한 깊이 방향의 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 상기 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수에 대한 면외 초음파 주파수 분할 영상을 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다. 한편, 수신 처리부(350)가 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환한 경우에는, 상기 면외 초음파 주파수 분할 영상에서 검출된 주파수 혹은 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출한 후 3차원 데이터 구조화 하여 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 에너저 전파 영상을 생성하고 출력하도록 구성될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치
110: 레이저 빔 조사부 120: 빔 분리기
130: 레이저 거울 스캐너 140: 수신 처리부
141: 초음파 수신부 142: 대역 통과 필터
143: 증폭부 144: 접촉형 센서 또는 비접촉형 센싱점
150: 영상 처리부 160: 제어부
200: 대상체 210: 스캔 영역
300: 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치
310: 레이저 빔 조사부 320: 빔 분리기
330: 레이저 거울 스캐너 340: 수신 처리부
341: 레이저 초음파 수신부 342: 대역 통과 필터
343: 증폭부 350: 영상 처리부
360: 제어부 400: 대상체
410: 스캔 영역

Claims (28)

  1. 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 레이저 빔 조사부와,
    상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하는 빔 분리기와,
    상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 레이저 거울 스캐너와,
    상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면을 통해 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 면내(in-plane)에서 전파되면, 전파된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 피치-캐치 모드(pitch-catch mode)로 수신하고, 수신된 초음파를 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 수신 처리부와,
    상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 영상 처리부와,
    상기 레이저 빔 조사부가 상기 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점으로 반사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 상기 주파수 변환된 신호 중에서 상기 외부면의 손상에 의해 변화된 주파수를 검출하고, 상기 외부면의 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부는, Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부는, 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 거울 스캐너는, 검류계(galvanomotor) 방식의 복수의 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수신 처리부는,
    상기 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 펄스 레이저 빔을 수신하는 레이저 빔 수신부와,
    상기 수신된 펄스 레이저 빔 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하는 대역 통과 필터와,
    상기 필터링된 초음파를 증폭하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  8. 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 레이저 빔 조사부와,
    상기 조사된 펄스 레이저 빔과 수신 레이저 빔의 결합 빔을 전달하는 빔 분리기와,
    상기 전달된 결합빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 레이저 거울 스캐너와,
    상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파되면, 깊이 방향으로 존재하는 손상 또는 반대쪽 경계면에서 반사된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 초음파를 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 수신 처리부와,
    상기 처리된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 영상 처리부와,
    상기 레이저 빔 조사부가 상기 소정 조사 반복 속도로 펄스 레이저 빔을 생성하도록 제어하고, 상기 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 소정 간격의 다수의 조사점을 반사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 상기 초음파 주파수 분할 영상 중에서 상기 손상에 의해 주파수를 검출하고, 상기 손상의 크기를 정량적으로 가시화할 수 있도록 상기 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고, 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 영상 처리부는, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부는, Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부는, 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저 거울 스캐너는, 검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수신 처리부는,
    비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하는 레이저 초음파 수신부와,
    상기 수신된 초음파 중 소정의 주파수 대역을 필터링하는 대역 통과 필터와,
    상기 필터링된 초음파를 증폭하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 장치.
  15. 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계와,
    빔 분리기가 상기 조사된 펄스 레이저 빔을 복수의 펄스 레이저 빔으로 분리하여 대상체의 외부면 상의 복수의 영역으로 전달하는 단계와,
    레이저 거울 스캐너가 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계와,
    상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되면, 수신 처리부가 상기 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 수신하여 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계와,
    영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계와,
    상기 영상 처리부가 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계를 포함하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는,
    상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호 중 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고,
    상기 영상 처리부가 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계는,
    상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 상기 검출된 주파수에서 시간별로 분할하여 면내(in-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하고 출력하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 영상 처리부가 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는,
    상기 영상 처리부가 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는,
    상기 레이저 빔 조사부가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는,
    상기 레이저 빔 조사부가 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 레이저 거울 스캐너가 상기 전달된 펄스 레이저 빔을 상기 복수의 영역 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계는,
    검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 반사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되면, 수신 처리부가 상기 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 생성된 초음파를 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 수신하여 시간 대 진폭의 신호로 처리하는 단계는,
    레이저 빔 수신부가 상기 접촉형 또는 비접촉형 레이저 초음파 센서로부터 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터가 상기 수신된 초음파 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부가 상기 필터링된 초음파를 증폭하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면내 초음파 전파 영상화 방법.
  22. 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계와,
    빔 분리기가 상기 조사된 펄스 레이저 빔과 수신 레이저 빔의 결합 빔을 전달하는 단계와,레이저 거울 스캐너가 상기 결합 빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계와,
    상기 수신 처리부가, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 펄스 레이저 빔을 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계와,
    영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계와,
    상기 영상 처리부가, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계를 포함하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는,
    상기 영상 처리부가 상기 처리된 주파수 대 진폭의 신호를 시간 정보를 포함하는 주파수 대 진폭의 신호로 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호 중 검출된 주파수 또는 특정 주파수에서의 시간 대 진폭의 신호를 추출하여 상기 다수의 조사점에서의 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하고,
    상기 영상 처리부가, 상기 재구성된 3차원 데이터 구조의 신호를 주파수별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 주파수 분할 영상을 생성하고 출력하는 단계는,
    상기 영상 처리부가 상기 추출된 신호를 상기 다수의 조사점에서 시간별로 분할하여 면외(out-of-plane) 초음파 에너지 전파 영상을 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 영상 처리부가, 상기 처리된 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 신호를 상기 다수의 조사점에서의 주파수 대 진폭 또는 주파수 변환된 시간 대 진폭의 신호인 3차원 데이터 구조의 신호로 재구성하는 단계는,
    상기 영상 처리부가, 상기 수신 처리부에서 처리된 신호를 패스트 푸리에 변환(fast Fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform), 쇼트 타임 푸리에 변환(short time Fourier transform), 바이그너-빌 변환(Wigner-Ville transform)에 의해 주파수 변환하는 것을 특징으로 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는,
    상기 레이저 빔 조사부가 Q-스위칭 방식의 다이오드 펌핑 CW 레이저(Q-switched diode pumped continuous wave laser)를 이용하여 펄스 레이저 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  26. 제25항에 있어서,상기 레이저 빔 조사부가 소정 조사 반복속도로 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 단계는,
    상기 레이저 빔 조사부가 211 nm 내지 1064 nm 파장의 펄스 레이저 빔을 생성하여 조사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 레이저 거울 스캐너가 상기 분리된 펄스 레이저 빔을 대상체의 외부면 상의 다수의 조사점으로 반사하는 단계는,
    검류계 방식의 복수의 거울을 포함하는 레이저 거울 스캐너가 펄스 레이저 빔을 반사하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 수신 처리부가, 상기 반사된 펄스 레이저 빔이 상기 외부면에 전달되고 전달된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되어 상기 대상체의 깊이 방향으로 전파된 초음파를 수신 레이저 빔을 통해 펄스-에코 모드로 수신하고, 수신된 펄스 레이저 빔을 소정의 주파수 대역의 시간 대 진폭의 신호로 실시간 처리하는 단계는,
    레이저 초음파 수신부가 비접촉형 레이저 초음파 센서를 통해 초음파를 수신하고, 대역 통과 필터가 상기 수신된 초음파 중 소정 주파수 대역의 초음파를 필터링하고, 증폭부가 상기 필터링된 펄스 레이저 빔을 증폭하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 면외 초음파 전파 영상화 방법.
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