KR101477607B1 - 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치는 피검사체로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 신호 처리부; 및 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.

Description

필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법{ULTRASONIC WAVE LINEAR/NON-LINEAR HYBRID IMAGING DEVICE USING FILTER AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명의 실시예들은 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
초음파 영상화 기법으로는 PA(Phased Array)와 SAT(Synthetic Aperture Technique)를 이용하는 방법이 있다. PA 기법은 배열 탐촉자의 각각의 탐촉자들에 대한 펄스의 가진시간을 전기적으로 조절하여 초음파 빔을 집속 또는 조향하는 기법으로 집속 또는 조향 방향을 바꿔가며 수신신호를 수집하여 영상을 획득하는 기법이다.
SAT 기법은 배열 탐촉자들 중 하나의 탐촉자만 가진하여 초음파를 송신하고, 재료 내부로부터 반사되는 초음파를 가진한 탐촉자를 포함한 모든 배열 탐촉자로부터 수신하는 과정을 가진 탐촉자를 바꿔가며 반복적으로 수행하여 수신결과를 중첩하여 영상을 획득하는 기법이다.
한편, 2차 고조파 성분(f2)을 분리하는 방법으로는 위상 반전법과 STFT (Short Time Fourier Transform)를 이용하는 방법이 있다. 위상 반전법을 이용하는 방법은 버스트 형태의 초음파 신호를 송신하는데 위상을 180° 반전시킨 신호와 반전시키지 않은 신호, 즉 비반전, 반전 신호 두 개를 순차 송신하고 재료 내부에서 반사되어 탐촉자로 수신된 신호를 합함으로써, 기본 주파수 성분(f1)을 제거하고 2차 고조파 성분(f2)만을 남기는 기술이다.
STFT (short time Fourier transform) 기법은 탐촉자로부터 수신된 신호를 짧은 시간 간격의 윈도우로 잘라내어 FFT(Fast Fourier Transform)하고, 이 과정을 윈도우를 이동시키면서 반복적으로 수행함으로써 결과적으로 시간별 주파수 스펙트럼을 구하고 기본 주파수 성분(f1)과 2차 고조파 성분(f2)을 분리할 수 있는 방법이다.
기존의 PA 기법과 SAT 기법은 기본 주파수 성분(f1)만을 이용하여 영상화 하는 선형 초음파 기술로 열려진 균열 또는 계면의 검출은 가능하지만, 초기 피로 균열이나 외부의 스트레스 및 열팽창으로 인해 부분적으로 닫힘균열(partially closed crack) 또는 미세한 들뜸이나 접착이 불완전한 접촉 계면에서는 입사초음파의 일부가 부분적으로 투과하고 반사하기 때문에 명료한 신호를 얻을 수 없어 이런 결함을 검출하는데 어려움이 있다. 또한, 용접부 개재물과 같이 외견상 결합되어 있지만 거의 결합강도가 없는 부분의 경우에도 같은 이유로 선형 초음파 기법으로는 결함을 판별하기 어렵다.
2차 고조파 성분(f2)을 측정하여 이용하는 비선형 초음파 기법은 이런 문제를 극복할 수 있는 기술이다. 그러나 2차 고조파 성분(f2)을 영상화하기 위해 위상 반전법을 사용하는 경우 송신신호를 원신호와 180° 위상 반전시킨 신호 두 개 신호를 보내주어야 하기 때문에 처리속도가 느려지는 문제가 있으며, 각각의 수신 신호의 기본파 성분 사이에 파형 형상의 차이나 비대칭이 약간이라도 생기면, 잔류 기본파 성분이 남는 문제점이 있다.
STFT 기법을 통한 2차 고조파 영상화 역시, 윈도우의 이동 간격에 따라서 시간축의 분해능도 감소하게 되고, FFT를 반복적으로 수행해야 하므로 소요시간이 상당히 길어지는 문제점이 있어, 실시간 영상화가 어렵다.
또한, PA 기법의 경우에는 작은 탐촉자를 배열로 사용하는데 이들 탐촉자로부터 발생되는 초음파의 음향에너지가 금속재료에서의 음향 비선형성을 발생시키기에는 매우 미약하다. 의료영상기술에서 위상 배열 기법으로 고조파의 이미지를 얻기도 하였으나, 이는 생체조직의 경우 비선형성이 매우 커서 비교적 작은 음향 에너지에서도 음향 비선형성에 의한 고조파 성분이 관측 가능할 정도로 발생하기 때문이다. 즉, 산업용 금속재료에서의 균열이나 불완전 접촉 계면과 같이 미세한 결함을 검출하는데 적용할 수 없다.
이에 반해 SAT 기법은 큰 탐촉자를 사용할 수 있어 금속재료에서 음향 비선형성을 발생시킬 수 있는 음향 에너지를 공급할 수 있어서 비선형 초음파의 영상화에 보다 유리하다. 다만, 효과적인 2차 고조파 성분(f2)의 분리 및 추출과 고속 영상 처리를 위해서 보다 개선된 다른 기술의 개발이 필요하다.
관련 선행기술로는 공개특허공보 제10-2010-0072820호(발명의 명칭: 비선형 초음파 발생을 이용한 강판의 내부결함 검출시스템 및 검출방법, 공개일자: 2010년 7월 1일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 피검사체 내부의 결함, 즉 균열이나 접촉 계면을 열린부분과 닫힘부분으로 구분하여 정밀하게 검사할 수 있는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치는 피검사체로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부; 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 신호 처리부; 및 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.
상기 신호 처리부는 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리할 수 있다.
상기 신호 처리부는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 기본 주파수 파형 추출부; 및 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 2차 고조파 파형 추출부를 포함할 수 있다.
상기 영상 처리부는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여, 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 나타내는 비선형 파라미터를 추출하는 비선형 파라미터 추출부; 및 상기 추출된 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상 데이터를 생성하는 영상 데이터 생성부를 포함할 수 있다.
상기 비선형 파라미터 추출부는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식을 이용하여 비선형 파라미터 값으로 변환할 수 있다.
β'= k * (A2 / A1 2)
여기서, β'은 상기 비선형 파라미터 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타냄.
상기 피검체 내부의 영상은 복수의 픽셀로 구성되는 2차원 또는 3차원 형태의 영상이고, 상기 영상 데이터는 상기 피검체 내부의 영상을 구성하는 복수의 픽셀에 각각 대응하는 것일 수 있다.
상기 영상 처리부는 닫힘균열의 조기 발견을 위하여, 상기 피검사체 내부의 접촉 계면으로부터 반사되는 경사입사 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검체 내부의 영상을 생성할 수 있다.
상기 초음파 송신부 및 수신부는 라인 형태 또는 어레이 형태로 배열되어 상기 피검체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법은 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 초음파 송신부에서, 피검사체로 초음파 신호를 송신하는 단계; 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 초음파 수신부에서, 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 신호 처리부에서, 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 단계; 및 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 영상 처리부에서, 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 필터는 대역 통과 필터를 포함할 수 있다.
상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 단계는 상기 신호 처리부의 기본 주파수 파형 추출부에서, 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 단계; 및 상기 신호 처리부의 2차 고조파 파형 추출부에서, 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 단계는 상기 영상 처리부의 비선형 파라미터 추출부에서, 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여, 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 나타내는 비선형 파라미터를 추출하는 단계; 및 상기 영상 처리부의 영상 데이터 생성부에서, 상기 추출된 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 단계는 닫힘균열의 조기 발견을 위하여, 상기 피검사체 내부의 접촉 계면으로부터 반사되는 경사입사 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검체 내부의 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 신호를 원 신호 하나만을 송신하고 수신된 신호를 필터를 이용하여 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분으로 분리하여 수신함으로써, 피검사체 내부의 결함, 즉 균열이나 접촉 계면을 열린부분과 닫힘부분으로 구분하여 정밀하게 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 신호 처리부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 영상 처리부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 원 신호(위), 대역 필터를 이용하여 기본 주파수 성분만 추출한 신호(아래)를 나타낸 도면이다.
도 6은 원 신호(위), 대역 필터를 이용하여 2차 고조파 성분만 추출한 신호(아래)를 나타낸 도면이다.
도 7은 기본 주파수 성분에서 envelop를 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 2차 고조파 성분에서 envelop를 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 1번 채널의 탐촉자에서 송신한 초음파에 대하여 1-4까지의 모든 채널에 대하여 수신하고 이를 모든 채널에 반복하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 10은 배열탐촉자 및 그 영상화 포인트의 위치와 이에 대한 이미지 구성 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 닫힘균열성 접촉계면에서 음향 비선형 특성을 실험으로 검증하기 위하여 구성한 실험 장치를 도시한 도면이다.
도 12는 시편의 크기와 형상을 나타낸 도면이다.
도 13은 시편의 접촉상태를 일정하게 유지하기 위해서 사용하는 지그를 도시한 도면이다.
도 14는 접촉압력에 따른 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분의 영상화 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 접촉 압력에 따른 상대적 비선형 파라미터의 값의 변화량을 영상화 결과로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)는 초음파 송신부(110), 초음파 수신부(120), 신호 처리부(130), 영상 처리부(140), 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
상기 초음파 송신부(110)는 피검사체 내부로 초음파 신호를 송신한다. 이때, 상기 초음파 송신부(110)는 라인(line) 형태 또는 어레이(array) 형태로 배열되어 상기 피검사체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착될 수 있다.
상기 초음파 수신부(120)는 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신한다. 이때, 상기 초음파 수신부(120)는 상기 초음파 송신부(110)와 마찬가지로, 라인 형태 또는 어레이 형태로 배열되어 상기 피검사체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착될 수 있다.
피검사체 내부에 결함이 존재하는 경우, 피검사체 내부로 방사된 초음파 신호는 결함이 존재하는 지점에서 반사를 일으키게 되는데, 상기 초음파 수신부(120)는 상기 결함이 존재하는 지점에서 반사된 초음파 신호를 수신한다. 이때, 상기 반사된 초음파 신호는 결함에 대한 정보를 포함하게 된다.
상기 신호 처리부(130)는 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리한다. 이때, 상기 신호 처리부(130)는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리할 수 있다.
이를 위해, 상기 신호 처리부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 기본 주파수 파형 추출부(210) 및 2차 고조파 파형 추출부(220)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 2는 도 1의 신호 처리부(130)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
상기 기본 주파수 파형 추출부(210)는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리할 수 있다. 참고로, 도 5는 원 신호(위), 대역 필터를 이용하여 기본 주파수 성분만 추출한 신호(아래)를 나타낸 도면이고, 도 7은 기본 주파수 성분에서 envelop를 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
상기 2차 고조파 파형 추출부(220)는 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여, 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리할 수 있다. 참고로, 도 6은 원 신호(위), 대역 필터를 이용하여 2차 고조파 성분만 추출한 신호(아래)를 나타낸 도면이고, 도 8은 2차 고조파 성분에서 envelop를 적용한 모습을 나타낸 도면이다.
이렇게 함으로써, 상기 신호 처리부(130)는 상기 수신된 초음파 신호로부터 시간 축에 대한 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 획득할 수 있게 된다.
상기 영상 처리부(140)는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상을 생성한다.
이를 위해, 상기 영상 처리부(140)는 도 4에 도시된 바와 같이 비선형 파라미터 추출부(310) 및 영상 데이터 생성부(320)를 포함할 수 있다. 참고로, 도 4는 도 1의 영상 처리부(140)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
상기 비선형 파라미터 추출부(310)는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여, 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 나타내는 비선형 파라미터를 추출할 수 있다.
즉, 상기 비선형 파라미터 추출부(310)는 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식(수학식 1)을 이용하여 비선형 파라미터 값으로 변환할 수 있다.
[수학식 1]
β′ = k * (A2 / A1 2)
여기서, β′은 상기 비선형 파라미터 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타낸다.
상기 영상 데이터 생성부(320)는 상기 추출된 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
여기서, 상기 피검사체 내부의 영상은 복수의 픽셀로 구성되는 2차원 또는 3차원 형태의 영상일 수 있다. 그리고, 상기 영상 데이터는 상기 피검사체 내부의 영상을 구성하는 복수의 픽셀에 각각 대응하는 것일 수 있다.
이러한 영상 처리부(140)는 닫힘균열의 조기 발견을 위하여, 상기 피검사체 내부의 접촉 계면으로부터 반사되는 경사입사 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상을 생성할 수 있다.
다시 말해, 상기 영상 처리부(140)는 상기 경사입사 초음파 신호를 이용하여 계면 접촉 음향 비선형성에 의해 발생한 고조파를 영상화시킴으로써, 닫힘균열을 조기에 발견할 수 있게 된다.
상기 제어부(150)는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100), 즉 상기 초음파 송신부(110), 상기 초음파 수신부(120), 상기 신호 처리부(130), 상기 영상 처리부(140) 등의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 단계(410)에서 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 초음파 송신부(110)는, 피검사체 내부로 초음파 신호를 송신한다.
다음으로, 단계(420)에서 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 초음파 수신부(120)는, 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신한다.
다음으로, 단계(430)에서 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 신호 처리부(130)는, 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리한다.
이때, 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 신호 처리부(130)는 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리할 수 있다.
이를 위해, 상기 신호 처리부(130)의 기본 주파수 파형 추출부(210)는 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부(130)의 2차 고조파 파형 추출부(220)는 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여, 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리할 수 있다.
이렇게 함으로써, 상기 신호 처리부(130)는 상기 수신된 초음파 신호로부터 시간 축에 대한 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 획득할 수 있게 된다.
다음으로, 단계(440)에서 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 영상 처리부(140)는, 상기 분리된 성분을 비선형 파라미터 수식을 이용하여 비선형 파라미터 값으로 변환한다.
다음으로, 단계(450)에서 상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치(100)의 영상 처리부(140)는, 상기 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상을 생성한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치 및 그 제어 방법에 대해 실험 등의 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
1. 서 론
구조물은 운전연한이 증가함에 따라 재료에 가해지는 응력 및 피로 등의 하중과 열, 부식 등 환경의 영향 때문에 점차 노후화된다. 이러한 원인으로 발생하는 결함 중에서 균열은 구조물의 건전성을 심각하게 위협하므로 구조물의 건전성 확보를 위하여 파손으로 이어질 수 있는 잠재적 결함까지 정확하게 진단하는 것이 매우 필요하다. 이러한 균열성 결함에는 균열의 생성 위치와 상관없이 일반적으로 초음파의 변위와 균열의 두 계면 폭을 기준으로 하여 열림균열과 닫힘균열로 구분할 수 있다.
열림균열은 거시적인 균열로 균열 폭보다 초음파의 변위가 작을 때이며 일반 초음파로 검출이 가능하다. 하지만 닫힘균열은 균열 폭이 초음파의 변위수준이 된다. 따라서 기존의 초음파 검사법으로는 이러한 닫힘균열을 검사하는데 한계가 있다. 이런 문제를 극복하기 위해 비선형 초음파를 이용하는 기술이 주목받고 있다.
비선형 초음파란 음파가 매질을 따라 전파할 때 기본 주파수 성분 이외에 고조파 성분이 발생하는 것으로, 그 발생 메커니즘으로는 재료의 비선형 탄성과 계면 접촉으로 구분된다. 그 중에서 계면 접촉에 의한 비선형 초음파 효과는 초음파가 내부 미세균열에 입사될 때 균열면에서 압력과 변위의 관계가 선형이 아닌 비선형 관계를 보임에 따라 신호의 파형이 왜곡되고 고조파 성분이 발생하는 현상이다. 이러한 계면에서의 비선형 초음파 현상은 재료에 의한 비선형성보다 매우 커서 기존의 투과법 또는 반사법으로 측정하기 어려운 미세균열이나 닫혀있는 균열을 검출하는 데 매우 효과적이다.
그러나 초음파 비선형 특성을 이용한 기술은 아직 현장에 제한적으로 적용되고 있다. 그 이유는 현재까지 연구된 비선형 초음파기술은 대부분 투과모드로써 In-service 상태의 현장 사용성 측면에서 비실용적이며, A-scan 신호에 대한 분석에 치중되어 있어 고도의 숙련자만이 적용할 수 있기 때문이다. 이런 문제를 극복하기 위해서는 더욱 실용적인 기법으로의 발전이 필요하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 경사입사 초음파의 계면 접촉 음향 비선형성에 의해 발생한 고조파 영상화 기술을 제안한다. 영상화 기술은 검사 결과의 분석을 용이하게 하며, 현장 적용성을 높이는데 있어서 매우 효과적이다. 한편, 초음파 영상화 기술은 이미 의료진단이나 비파괴검사에서 위상배열기법으로 실용화 되어 있다. 그러나 현재의 위상 배열 기법을 비선형 초음파의 영상화에 직접 적용하는 데에는 어려운 점이 있다. 그 이유는 다음과 같다.
우선 위상 배열 기법에서는 작은 탐촉자를 배열로 사용하는데 이들 탐촉자로부터 발생되는 초음파의 음향에너지가 금속재료에서의 음향비선형성을 충분히 야기시키기에는 아직 너무 미약하다. 의료영상기술에서 위상배열기법으로 고조파의 이미지를 얻기도 하였으나 이는 생체조직의 경우 비선형성이 매우 커서 비교적 작은 음향에너지에서도 음향비선형성에 의한 고조파성분이 관측 가능할 정도로 발생하기 때문에 가능한 일이다.
한편, 탐촉자에서 발생되는 초음파의 음향에너지를 크게 하기 위해서는 고전력의 전기신호를 인가해야 하고, 이를 기존의 위상배열기법으로 구현하기 위해서는 이런 고전력의 전기신호를 배열탐촉자에 짧은 시간차로 순차 공급해 주기 위한 고속 스위치가 필요한데, 현 시점에서 이런 스위치가 일반화되어 있지 않다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서는 일반적으로 사용되고 있는 단일 탐촉자를 스캔하여 영상을 처리할 수 있는 SPA(sampling phased array)와 SAFT(synthetic aperture focusing technique) 기법을 이용하는 기술을 적용하였다. SPA는 한 개의 탐촉자에서 송신하고 여러 탐촉자에서 수신하는 기법이며, SAFT는 수신신호를 이용하여 계산을 통해 집속효과를 얻는 방법이다.
또한 음향 비선형의 영상화를 위해서는 기본주파수 성분과 고조파 성분을 분리하여 영상화할 필요가 있으며, 이를 위해 대역 통과 필터를 이용하였다. 본 발명의 일 실시예서는 이들과 관련된 일련의 영상화 알고리즘을 제시하였으며, 이를 고체-고체 접촉계면으로 닫힘균열로 모사된 시험편에 적용하여 그 타당성을 실험적으로 검증하였다. 특히 접촉계면에 압력의 변화를 주면서 계면접촉상태의 변화에 따라 달라지는 계면 음향 비선형 특성의 변화를 2차 고조파 성분의 영상을 통하여 비교 분석하였다.
2. 영상화의 기본 원리
SPA 기법은 배열로 이루어진 탐촉자에 대하여 1개의 채널에서 초음파를 송신하고 모든 채널에서 반사된 신호를 수신하는 방법이다. SPA 기법은 전통적인 빔 집속방법과 비교하여 여러 가지 실용적인 장점을 가지고 있다. SPA 기법을 통하여 수신된 신호에 대한 가상의 빔 집속 효과 및 신호의 중첩을 위해서는 SAFT이 이용된다. SAFT는 SPA 기법을 통하여 얻게 된 수신 데이터를 이용하여 계산을 통해 집속 효과를 얻는 방법이다. 도 9는 SPA의 기본 원리를 나타낸다.
도 9는 1번 채널의 탐촉자에서 송신한 초음파에 대하여 1-4까지의 모든 채널에 대하여 수신하고 이를 모든 채널에 반복하는 과정을 나타낸 그림이다. 결함으로부터 각각의 채널까지의 거리가 다르므로, 수신된 1-4번의 데이터는 시간 축에서 서로 다른 반사신호의 위치를 가진다. 이처럼 서로 다른 시간 축을 가지는 수신신호를 이용하여 결함을 영상화하기 위해서는 도 10과 같은 방법을 이용할 수 있다.
도 10의 (a)는 배열탐촉자 및 그 영상화 포인트의 위치를 나타내고 있으며, 도 10의 (b)는 이에 대한 이미지 구성 방법을 나타낸다.
이때 배열탐촉자의 i번째 탐촉자에서 송신된 초음파가 영상화 포인트(xp, yp)에서 j번째 탐촉자에서 수신되는 경우의 초음파의 전파거리(dij(xp, yp))는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013065808511-pat00001
그리고 이에 대한 전파시간은 하기 수학식 3과 같이 나타내어진다.
[수학식 3]
Figure 112013065808511-pat00002
여기서, (xi, zi)는 송신위치, (xj, zj)는 수신위치, c는 전파속도, 그리고 di는 초음파가 입사된 위치(xi, zi)와 영상화 포인트(xp, zp) 간의 거리, dj는 수신된 위치(xj, zj)와 영상화 포인트(xp, zp) 간의 거리이다. 여기서 초음파의 진행속도 c는 다른 실험을 통해서 측정한다. 그러면, 재료 내부의 임의 위치(xp, zp)에 대한 영상정보는 하기 수학식 4와 같은 이미지 재구성을 통하여 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013065808511-pat00003
여기서 yij는 i번째 탐촉자에서 송신하고, j번째 탐촉자에서 수신한 신호이다. 신호는 N*N개 획득되며, 이들 신호에서 영상화 포인트(xp, zp)를 경유하는 경로 dij에 해당하는 전파시간 tij에서의 신호크기를 모두 합하여 최종적으로 영상화 이미지(I(xp, zp))를 얻게 된다.
3. 실 험
닫힘균열성 접촉계면에서 음향 비선형 특성을 실험으로 검증하기 위하여 도 11과 같이 실험 장치를 구성하였다. 접촉계면을 모사하기 위하여 상하부 두 개의 시편을 만들어 접촉시켰으며 하부 시편에는 약간의 돌기를 만들어 상부 시편과 접촉되도록 하였다. 중앙부 직사각형로 표시한 영역이 영상화 영역이며, 우측에 확대된 그림을 나타내었다. 영상화 영역의 좌측은 비접촉 상태로, 우측은 접촉 상태가 되도록 하였다.
시편의 크기와 형상은 도 12에 나타냈다. 또한, 시편의 두께는 40 mm이다. 중심선의 오른쪽 돌기 부분은 압력이 증가함에 따라 열림균열에서 부분닫힘균열, 압력이 더욱 증가하면 완전닫힘균열로 변하게 된다. 시험편의 재료는 Al6061-T6를 이용하였다. 시편의 접촉면은 #600 사포를 이용하여 연마하여 표면 상태를 일정하게 유지되도록 하였다.
한편, 상부시편 좌우에 경사를 두어 송수신 탐촉자를 배치하여 경사입사-반사법이 적용되도록 하였다. 송신탐촉자는 중심 주파수가 2.25 MHz이고 크기가 12.7mm인 사각탐촉자를 사용하고, 수신에는 고조파 성분을 보다 민감하게 측정하기 위하여 동일크기의 5 MHz 사각탐촉자를 사용하였다. 또한 시편의 접촉상태를 일정하게 유지하기 위해서 도 13과 같은 지그를 사용하였다.
지그 안에 있는 스프링을 이용하여 시편과 탐촉자 간의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 동시에 탐촉자의 이동을 자유롭게 하였다. 수신된 초음파 신호로부터 주파수 분석을 통해 효과적으로 고조파 성분을 분리 및 측정하기 위해서 톤버스트 형태의 협대역 신호를 이용하였다. 톤버스트 신호는 2.5 MHz의 사인파형을 사용하였고 개수는 5개이며 피크 간의 시간 간격은 0.4 ㎲ 이다. 이러한 톤버스트 형태의 초음파를 발생시키기 위해 Ritec Gated Amplifier(RITEC, USA) 시스템이 사용되었다. 수신 신호는 디지털 오실로스코프(Lecroy WS452)에서 A/D 변환되고 컴퓨터에서 신호를 처리하였다.
SPA와 SAFT 기법을 적용하기 위해 상부 시편에서 송신탐촉자와 수신탐촉자를 5mm 간격으로 이동시키면서 총 6개의 지점에서 송수신하여 N*N개, 총 36개의 신호를 얻었다.
그리고 대역 통과 필터를 이용하여 기본주파수의 시간별 크기, 2차 고조파의 시간별 크기를 얻었다. 또한, 계면 접촉 압력은 유압장치를 이용하여 압력을 가하고 가압하중을 로드셀로 측정하였다.
4. 실험 결과
접촉압력에 따른 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분의 영상화 결과는 도 14와 같다. 비접촉계면 부분에 대한 기본주파수 성분 및 2차 고조파 성분은 압력에 따라 진폭의 차이에 의한 컨트라스트 변화가 거의 미미한 수준으로 나타났다. 하지만 시편 중심 축 오른쪽 접촉계면 부분에서는 접촉압력이 증가함에 따라 발생하는 기본 주파수 성분은 지속적으로 감소하는 결과를 볼 수 있다.
이는 열림계면 상태에서 접촉압력이 증가함에 따라서 계면이 닫힘화 되므로 하부시편으로의 에너지 전달에 기인한 것이다. 하지만 2차 고조파 성분은 점차 증가하다가 접촉압력 20 MPa에서 최대값(도 14의 contact 영역)을 보이다가 이후 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상대적 비선형 파라미터의 값은 도 15에 나타낸 결과와 같이 접촉계면의 경우에는 상대적 비선형 파라미터가 증가하는 반면에, 비접촉계면에서는 큰 변화를 보이지 않음을 알 수 있다.
5. 결 론
비접촉계면 및 접촉계면을 가지는 시험편에 대하여 하중이 증가함에 따라 발생하는 기본 주파수 및 2차 고조파 성분의 특성을 이용하여 접촉 계면을 영상화 하였다. 접촉압력의 증가에 따라 열림균열부와 부분닫힘균열 그리고 완전닫힘균열로 모사되는 부분에서의 영상화 결과가 다름을 확인할 수 있었다. 열림균열부로 모사된 부분에서 부분닫힘균열로 계면이 변하는 경우에는 기본 주파수 성분이 감소하고 2차 고조파 성분이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 부분닫힘균열에서 완전닫힘균열로 계면이 변하는 경우에는 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분이 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 접촉 계면의 영상화에서 닫힘균열부가 강조된 이미지를 성공적으로 얻을 수 있었으며, 향후 2차 고조파를 이용한 닫힘균열을 이미지화하는 기법은 구조물의 미세균열까지도 정밀하게 측정하는 데 매우 유망한 기법이 될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 초음파 송신부
120: 초음파 수신부
130: 신호 처리부
140: 영상 처리부
150: 제어부
210: 기본 주파수 파형 추출부
220: 2차 고조파 파형 추출부
310: 비선형 파라미터 추출부
320: 영상 데이터 생성부

Claims (13)

  1. 피검사체로 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부;
    상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
    필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 신호 처리부; 및
    상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상을 생성하는 영상 처리부
    를 포함하고,
    상기 영상 처리부는
    닫힘균열의 조기 발견을 위하여, 피검사체 내부의 접촉 계면으로부터 반사되는 경사입사 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분으로 분리하여 추출된 비선형 특성을 이용하여 피검사체 내부의 영상을 생성하고,
    상기 초음파 송신부 및 상기 초음파 수신부는
    하나의 탐촉자에서 송신하고 다수의 탐촉자에서 수신하는 SPA(Sampling Phased Array) 기법 및 수신신호를 이용한 연산을 통해 집속 효과를 얻는 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 기법을 이용하여 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 기본 주파수 파형 추출부; 및
    상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 2차 고조파 파형 추출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는
    상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여, 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 나타내는 비선형 파라미터를 추출하는 비선형 파라미터 추출부; 및
    상기 추출된 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상 데이터를 생성하는 영상 데이터 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비선형 파라미터 추출부는
    상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 하기의 비선형 파라미터 수식을 이용하여 비선형 파라미터 값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
    β'= k * (A2 / A1 2)
    여기서, β'은 상기 비선형 파라미터 값이고, k는 임의의 상수, A1은 상기 기본 주파수 성분의 크기, A2는 상기 2차 고조파 성분의 크기를 각각 나타냄.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 피검사체 내부의 영상은
    복수의 픽셀로 구성되는 2차원 또는 3차원 형태의 영상이고,
    상기 영상 데이터는
    상기 피검사체 내부의 영상을 구성하는 복수의 픽셀에 각각 대응하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 송신부 및 수신부는
    라인 형태 또는 어레이 형태로 배열되어 상기 피검사체의 일면 또는 초음파의 빔의 경로가 집속될 수 있는 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치.
  9. 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 초음파 송신부에서, 피검사체로 초음파 신호를 송신하는 단계;
    상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 초음파 수신부에서, 상기 피검사체 내부에서 반사되는 초음파 신호를 수신하는 단계;
    상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 신호 처리부에서, 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 단계; 및
    상기 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 영상 처리부에서, 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분으로 분리된 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 영상을 생성하는 단계는
    닫힘균열의 조기 발견을 위하여, 피검사체 내부의 접촉 계면으로부터 반사되는 경사입사 초음파 신호를 기본 주파수 성분과 2차 고조파 성분으로 분리하여 추출된 비선형 특성을 이용하여 피검사체 내부의 영상을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 초음파 송신부 및 상기 초음파 수신부는
    하나의 탐촉자에서 송신하고 다수의 탐촉자에서 수신하는 SPA(Sampling Phased Array) 기법 및 수신신호를 이용한 연산을 통해 집속 효과를 얻는 SAFT(Synthetic Aperture Focusing Technique) 기법을 이용하여 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 필터는
    대역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수신된 초음파 신호를 기본 주파수 성분 및 2차 고조파 성분으로 분리하는 단계는
    상기 신호 처리부의 기본 주파수 파형 추출부에서, 제1 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 기본 주파수 성분을 분리하는 단계; 및
    상기 신호 처리부의 2차 고조파 파형 추출부에서, 상기 제1 대역 통과 필터와 다른 대역을 가지는 제2 대역 통과 필터를 이용하여 상기 수신된 초음파 신호로부터 상기 2차 고조파 성분을 분리하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 피검사체 내부의 영상을 생성하는 단계는
    상기 영상 처리부의 비선형 파라미터 추출부에서, 상기 기본 주파수 성분 및 상기 2차 고조파 성분을 이용하여, 상기 초음파 신호의 비선형 특성을 나타내는 비선형 파라미터를 추출하는 단계; 및
    상기 영상 처리부의 영상 데이터 생성부에서, 상기 추출된 비선형 파라미터를 이용하여 상기 피검사체 내부의 영상 데이터를 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터를 이용한 초음파 선형/비선형 하이브리드 영상 장치의 제어 방법.
  13. 삭제
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