KR101545969B1 - Three-dimensional RF imaging method using spectrum interpolation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수초 동안에 수천 내지 수만의 아날로그 신호를 생성하여 3차원 공간에 자신의 주파수 응답을 투영하는 3차원 RF 이미징 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional RF imaging method using spectral interpolation, and more particularly, to a three-dimensional RF imaging method for generating thousands to tens of thousands of analog signals over a few seconds to project their frequency response in three-dimensional space .
일반적으로 3차원(3D) RF 이미징 기술은 패브릭(fabric) 소재는 통과하고 이온성 물질에서는 반사하는 밀리미터파(mm wave)의 특정 주파수 대역을 이용한다.Generally, three-dimensional (3D) RF imaging techniques use a specific frequency band of millimeter waves (millimeter waves) that pass through fabric material and reflect from ionic material.
3D RF 이미지는 대상체 주위를 다수의 센서 어레이가 회전하여 센싱하고, 수학적 변환을 계산하여 그 계산 결과를 가상의 3D 공간에 투영한다.A 3D RF image rotates and senses a plurality of sensor arrays around a target object, calculates a mathematical transformation, and projects the calculation result into a virtual 3D space.
이러한 상기 3D RF 이미지는 현재 신체를 측정하고, 옷 속의 폭발물을 감지하는 등에 이용된다.Such a 3D RF image is used for measuring the current body, detecting explosives in clothes, and the like.
RF 이미지의 해상도는 밀리미터파의 파장에 의해 결정되고, 종종 카메라 이미지보다 해상도가 떨어진다.The resolution of the RF image is determined by the wavelength of the millimeter wave and is often less resolution than the camera image.
이러한 RF 이미지는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통해 획득되고, 그 RF 이미지의 품질은 신호 샘플링과 주파수 분석에 의해 결정된다.Such an RF image is obtained through Fast Fourier Transform (FFT), and the quality of the RF image is determined by signal sampling and frequency analysis.
그런데 상기 FFT는 비정수 고조파와 비고조파 같은 다른 주파수 성분을 무시하고, 정수 고조파 성분만을 계산하므로, 연속적인 푸리에 변환을 하는 경우 정보의 손실을 가져오는 문제점이 있다.However, since the FFT ignores other frequency components such as non-constant harmonic and non-harmonic components and calculates only integer harmonic components, there is a problem that information is lost when continuous Fourier transform is performed.
상기 고속 푸리에 변환(FFT)은 전자 및 기계 분야 등 엔지니어링 분야에서 광범위하게 사용되고 있는 신호 변환 방법으로, 시간 축의 신호를 주파수 성분으로 바꾸는 것이다.The Fast Fourier Transform (FFT) is a signal transformation method widely used in engineering fields such as electronic and mechanical fields, and converts signals on the time axis into frequency components.
상기 고속 푸리에 변환은 일반 푸리에 변환의 연산 시간 문제를 해결한 방법으로 일반 푸리에 변환을 디지털 신호 처리에 관하여 유도하면 이산 푸리에 변환(DFT)을 얻을 수 있고, FFT는 DFT의 중복된 연산의 규칙성을 고려한 알고리즘으로 일반적으로 산업계에서는 FFT를 광범위하게 사용한다.
The fast Fourier transform solves the computation time problem of a general Fourier transform, and a discrete Fourier transform (DFT) can be obtained by deriving a general Fourier transform with respect to a digital signal processing, and the FFT can obtain the regularity of the DFT In general, industry uses FFT widely.
도 1은 3차원 RF 이미징 시스템에서 아날로그 신호 2채널을 100MHz로 디지털 샘플링하여 각각 실수부(I)와 복소부(Q)로 대입하여 FFT한 예이다.FIG. 1 shows an example of FFT by digital sampling two channels of analog signals at 100 MHz in a three-dimensional RF imaging system and substituting them into a real part I and a complex part Q, respectively.
파란선과 붉은선이 아날로그 신호이며, 녹색이 FFT한 결과이다.The blue and red lines are analog signals, and the green is the result of the FFT.
주파수 축상에서 진폭(amplitude)이 큰 신호가 지배적 신호이고, 신호를 구성하는 주요 주파수 성분을 알 수 있다. On the frequency axis, a signal with a large amplitude is the dominant signal, and the main frequency components constituting the signal are known.
전술한 바와 같이 FFT는 신호의 정수배의 주파수 성분을 고속으로 푸리에 변환한다.As described above, the FFT performs fast Fourier transform on frequency components of an integer multiple of a signal.
일반적인 신호는 정수 사이의 실수의 주파수 성분과 비조화 주파수 성분을 가지고 있으므로 FFT의 경우에 실수의 성분은 손실이나 왜곡이 발생하기 마련이다.Since a typical signal has a frequency component and a non-harmonic frequency component of a real number between integers, a component of a real number in the case of an FFT may cause loss or distortion.
또한, 상기 도 1과 같이 신호를 FFT하면 대부분의 경우 주파수 성분이 저주파쪽에 몰리는 경향이 있다.Also, when the signal is FFTed as shown in FIG. 1, the frequency component tends to be lowered in the lower frequency in most cases.
이와 같은 사실은 FFT라는 알고리즘이 3차원 RF 이미징 시스템에서 분해능 및 변별력의 한계를 가져오는 결과를 초래하는 것을 의미한다.This means that the FFT algorithm results in the limitation of resolution and discrimination in the 3D RF imaging system.
이러한 사항을 해결하고자 선행특허문헌 등록번호 10-0628303에는 가변 포인트 FFT 등을 개시하고 있으나, 근본적으로 정수 주파수 성분 연산이라는 한계를 가지고 있다.In order to solve such a problem, a variable point FFT or the like is disclosed in the prior art Patent Registration No. 10-0628303, but it basically has a limit of integer frequency component calculation.
또 다른 방법으로 선행특허문헌 발행번호 WO2000065710에는 하닝 원도우(Hanning window) 등 검출하고자 하는 특정 주파수 대역에 윈도우를 씌우는 방법이 개시되어 있으나, 이 방법은 윈도우를 설계하여 관련 공식의 계수를 산출해야 하며, 신호의 왜곡을 피할 수 없다는 단점이 있었다.In another method, a method of covering a window in a specific frequency band to be detected such as a hanning window is disclosed in a prior art publication No. WO2000065710. However, this method requires a window to be designed to calculate coefficients of a related formula, The signal distortion can not be avoided.
3차원 RF 이미징에 관련된 대표적인 선행특허문헌 발행번호 US5859609에 의하면 3차원 형상을 연산하는 내용만 기재되어 있고 푸리에 변환을 사용한다고 되어 있을 뿐이고, 실제적으로 관련 결과물을 살펴보면 FFT를 사용하고 있어서 원신호(original signal)의 정보 손실을 고려한 부분은 보이지 않는다.According to a prior art patent publication No. US5859609 related to three-dimensional RF imaging, only the contents for calculating a three-dimensional shape are described, and only the Fourier transform is used. As a result, when the FFT is used, signal is not seen in the part considering information loss.
또한, 원신호의 샘플링 시간은 이미지의 정밀도와 연관되나, 제한된 시간안에 이미징 데이터를 얻는 경우에는 샘플링 시간도 제한받을 수밖에 없으므로 제한된 시간 내에 얻어진 정보를 최대한 활용해야 하는 문제가 발생한다.In addition, although the sampling time of the original signal is related to the accuracy of the image, if the imaging data is obtained within a limited time, the sampling time is also limited. Therefore, the information obtained within a limited time must be utilized as much as possible.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 1/m 비고조파 성분 혹은 제로 패딩 기술의 스펙트럼(주파수) 보간을 통해 FFT의 실수 주파수 성분 및 비조화 주파수 성분의 손실 내지 왜곡을 최소화하고 제한된 시간 내에 검출된 측정된 원신호를 최대한 활용함으로써 FFT 결과가 저주파에 몰리는 것을 최소화하여, 3D RF 이미징에 있어서 피크 이미지의 정확성과 거친 이미지 품질을 개선할 수 있는 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to minimize loss or distortion of a real frequency component and a non-harmonic frequency component of an FFT through a spectral (frequency) interpolation of a 1 / m non- Dimensional RF imaging method using spectral interpolation that can improve peak image accuracy and coarse image quality in 3D RF imaging by minimizing FFT results to low frequencies by making full use of the measured original signals detected within a predetermined time The purpose is to provide.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법은, 고속 푸리에 변환(FFT)에 의한 밀리미터파의 3차원 RF 이미징 방법에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a method of three-dimensional RF imaging using spectral interpolation, the method comprising the steps of:
1보다 큰 비정수(non-integer) m을 이용해서 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행하여 주파수 성분을 계산하는 것을 특징으로 한다.And performing a discrete Fourier transform (DFT) using a non-integer m larger than 1 to calculate a frequency component.
또한, 상기 주파수 성분은 아래의 수식에 의해 얻는 것을 특징으로 한다.Further, the frequency component is characterized by being obtained by the following expression.
여기서 i, k, n은 정수이며, N은 2의 임의의 승수이다.Where i, k, n are integers, and N is an arbitrary multiplier of 2.
또한, 상기 m은 2M인 것을 특징으로 한다.The above-mentioned m is 2M .
상술한 과제의 해결 수단에 의하면 1/m 비고조파 성분 혹은 제로 패딩 기술의 스펙트럼(주파수) 보간을 통해 FFT의 실수 주파수 성분의 손실 내지 왜곡을 최소화하고 FFT 결과가 저주파에 몰리는 것을 최소화하여, 3D RF 이미징에 있어서 피크 주파수의 정확성과 거친 이미지 품질을 개선할 수 있다.According to the solution of the above-mentioned problem, the loss or distortion of the real frequency component of the FFT is minimized through the spectrum (frequency) interpolation of the 1 / m non-harmonic component or the zero padding technique and the FFT result is minimized to the low frequency, It is possible to improve the accuracy of the peak frequency and the rough image quality in imaging.
도 1은 종래 FFT 알고리즘을 적용한 신호의 그래프이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 3D RF 측정 시스템의 컨셉을 나타내는 개념도이다.
도 3은 원통형 대상체로부터 획득한 3D RF 이미지에서 특정(수평) 단면의 예시로서 종래 FFT와 본 발명에 따른 기술을 비교한 도면이다. 1 is a graph of a signal to which a conventional FFT algorithm is applied.
2 is a conceptual diagram showing the concept of a 3D RF measurement system applied to the present invention.
FIG. 3 is a diagram comparing a conventional FFT and a technique according to the present invention as an example of a specific (horizontal) section in a 3D RF image obtained from a cylindrical object.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.It is to be noted that the same components of the drawings are denoted by the same reference numerals and symbols as possible even if they are shown in different drawings.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Also, when a part is referred to as "including " an element, it does not exclude other elements unless specifically stated otherwise.
[프로파일 측정을 위한 3D RF 이미지][3D RF image for profile measurement]
도 2는 본 발명에 적용되는 3D RF 측정 시스템의 컨셉을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing the concept of a 3D RF measurement system applied to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 3D 프로파일 측정 시스템은 안테나 어레이(10), 주사기구(20), 운영 서버(30)의 신호 처리 장치로 구성된다.As shown in Fig. 2, the 3D profile measurement system is composed of an
상기 안테나 어레이(10)는 소스와, RF 반사면으로부터 거리를 측정하는 검지기로 이루어진 페어(pair)가 다수 개로 이루어지고, 스펙트럼의 피크 주파수와 상기 거리가 반비례한다.The
안테나 어레이(10)의 개별 안테나는 수직 방향(z)으로 연속으로 움직이고 안테나 어레이(10)는 주사기구(20)에 의해 예를 들어 원통형 대상체(40) 주위를 θ만큼 회전한다.The individual antennas of the
원시(raw) 신호 fz θ는 회전하는 동안 안테나 어레이(10)부터 발생하여 고속 ADC(Analog Digital Converter)(32)의 14비트 듀얼 채널로부터 100MHz로 획득하고, GPU(Genaral Processing Unit, 병렬연산장치)(34)를 이용하여 스펙트럼들을 변환한다.The raw signal f z θ originates from the
이때 원시 신호(fz θ)의 수는 예를 들어 192,000개이고, 그 샘플링 크기는 2048이다.At this time, the number of the raw signals (f z ? ) Is, for example, 192,000, and the sampling size is 2048.
상기 ADC(32), GPU(34)와 내장(on-board) 메모리(36)는 상기 운영 서버(30)에 구비된다.The ADC 32, the
3D 프로파일 Sz θ는 피크 주파수 pz θ를 계산하여 주파수 분석을 통해 수학식 1에 의해 얻을 수 있다.The 3D profile S z θ can be obtained from
여기서 C0, C1은 상수이다.Where C 0 and C 1 are constants.
피크 주파수(pz θ)의 정확도는 샘플링 크기를 증가시킴으로써 개선할 수 있으나 샘플의 수가 수십만 개이므로 상용 시스템에서는 측정 시간이 증가되는 문제가 있어샘플링 시간이 제한될 수밖에 없다.The accuracy of the peak frequency (p z θ ) can be improved by increasing the sampling size, but since the number of samples is several hundred thousand, the sampling time is limited due to the problem that the measurement time increases in the commercial system.
샘플링의 시간(time)은 3D RF 측정 시스템에서 지속적으로 제한을 주므로 더 높은 정확도를 위해 보간을 적용할 필요가 있다.Since the time of sampling is continuously limiting in the 3D RF measurement system, interpolation needs to be applied for higher accuracy.
또한, 샘플링 크기(size)는 3D 이미징 시스템을 제한하므로 다항식 방법, 라그랑지(Lagrange), 스무딩(smoothing), 큐빅 스플라인(cubic spline) 그리고 윈도우 함수를 이용한 주파수 응답의 보간 등을 적용하기도 한다.In addition, since the sampling size is limited to the 3D imaging system, interpolation of frequency response using a polynomial method, Lagrange, smoothing, cubic spline, and window function may be applied.
제로 패딩(zero padding) 또한 시간 제한 샘플링을 위한 보간된 스펙트럼에 제공되고, 간단해서 제로로 채워진 어레이(zero filled array)가 샘플링된 신호(sampled signal)에 첨가된다.Zero padding is also provided in the interpolated spectrum for time limited sampling, and a simple zero filled array is added to the sampled signal.
제로 패딩은 분석해야 할 데이터의 개수가 N인 시계열 함수를 고속 푸리에 변환(FFT)할 때 N + L이 2l(l은 자연수)이 되도록 L개의 0을 시계열 함수에 추가하는 것이다.Zero padding is to add L 0s to the time series function so that N + L is 2l (l is a natural number) when the time series function is N fast Fourier transform (FFT).
따라서 본 발명에서는 1/m 비고조파 성분 혹은 제로 패딩 기술을 고려하는 주파수 분석의 정확도 향상을 위한 보간을 수행하고, 결국 비정수 성분과 비조화 성분을 포함하는 상기 주파수 분석은 3D RF 프로파일에서 이미지 품질을 개선한다.
Therefore, in the present invention, interpolation is performed to improve the accuracy of the frequency analysis considering the 1 / m non-harmonic component or the zero padding technique, and the frequency analysis including the non-integer component and the non- .
[스펙트럼 보간과 제로 패딩][Spectral interpolation and zero padding]
현재 이산 푸리에 변환에서 비정수(non-integer) 주파수를 무시하나, 더 정확한 스펙트럼을 위해서는 다음 수학식 2와 같이 분할 계수 m에 의해 계산되는 비정수 성분을 고려해야 한다.The non-integer frequency in the current discrete Fourier transform is ignored, but for a more accurate spectrum, the non-integer component calculated by the division coefficient m must be taken into account as shown in the following equation (2).
만약 제로 패딩 샘플에 순방향 FFT가 수행되면 주파수 응답이 보간되고, 만약 보간된 스펙트럼에 역방향 FFT가 수행되면 1과 N 사이의 제로 패딩 샘플은 재건된다.If a forward FFT is performed on the zero padding sample, the frequency response is interpolated and if the reverse FFT is performed on the interpolated spectrum, the zero padding samples between 1 and N are reconstructed.
여기서 상기 m은 비정수 값으로서 1보다 크고, i, k, n은 정수이며, N은 2의 임의의 승수이다.Where m is a non-integer value greater than 1, i, k, n are integers, and N is an arbitrary multiple of 2.
상기 m은 연산 코드 및 수치 알고리즘의 적용 목적을 위해 m=2M인 것이 바람직하다.The m is preferably m = 2 M for the purpose of application of the arithmetic code and the numerical algorithm.
여기서 m은 푸리에 변환에서 살펴보면 주파수 도메인에서 m 분할을 나타낸다.Here, m represents m divisions in the frequency domain when viewed in the Fourier transform.
만약 스펙트럼에서 원신호를 복원한 경우 일반 푸리에 변환의 역변환 방법을 준용하면 된다.If the original signal is reconstructed from the spectrum, the inverse transform method of the general Fourier transform can be used in parallel.
상기 수학식 2의 비정수 주파수의 이산 푸리에 변환과 같은 효과로 제로 패딩 기술이 있다.There is a zero padding technique with the same effect as the discrete Fourier transform of the non-constant frequency of the above-mentioned equation (2).
이는 N개의 샘플에 0으로 채워진 (m-1)N개의 크기의 배열을 붙여 mN 크기의 새로운 배열을 만들고 이 배열에 대하여 FFT를 수행하는 것이다.
This is done by creating a new array of size mN by pasting (m-1) N sized arrays filled with zeros to N samples and performing an FFT on this array.
도 3은 원통형 대상체로부터 획득한 3D RF 이미지를 종래와 비교한 도면으로서, 좌측이 FFT를 적용한 이미지이고, 우측이 본 발명에 따른 비정수 푸리에 변환 혹은 제로 패딩 기술을 적용한 이미지이다.FIG. 3 is a diagram comparing a 3D RF image acquired from a cylindrical object with a conventional one, where the left side is an FFT applied image and the right side is an image using non-integer Fourier transform or zero padding technique according to the present invention.
주파수 스펙트럼 상의 검출 강도가 증가함에 따라 이미지의 색깔이 챙색에서 적색으로 변하고, 이미지의 최소치와 최대치는 0에서 1까지 크기가 변한다.As the detection intensity on the frequency spectrum increases, the color of the image changes from patchy to red, and the minimum and maximum values of the image change from 0 to 1.
원통형 형태를 이미지에서 확인할 수 있고, 비정수 푸리에 변환 혹은 제로 패딩 샘플이 FFT 샘플보다 더 상세하고 더 큰 형태를(m=4) 보여줌을 알 수 있다.
The cylindrical shape can be seen in the image and the non-integer Fourier transform or zero padded sample shows a more detailed and larger shape (m = 4) than the FFT sample.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. In addition, it is a matter of course that various modifications and variations are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention by anyone having ordinary skill in the art.
10: 안테나 어레이 20: 조사기구
30: 운영 서버 32: ADC
34: GPU 36: 내장 메모리
40: 대상체10: Antenna array 20: Irradiation instrument
30: Operational server 32: ADC
34: GPU 36: Internal memory
40: object
Claims (4)
1.0 보다 큰 비정수(non-integer) m을 이용해서 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행하여 주파수 성분을 계산하되,
상기 주파수 성분은 아래의 수식에 의해 얻는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법.
여기서 i, k, n은 정수이며, N은 2의 임의의 승수이다.In a three-dimensional RF imaging method of millimeter waves by a Fast Fourier Transform (FFT)
A frequency component is calculated by performing a discrete Fourier transform (DFT) using a non-integer m larger than 1.0,
Wherein the frequency component is obtained by the following equation.
Where i, k, n are integers, and N is an arbitrary multiplier of 2.
상기 m은 2M인 것을 특징으로 하는 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법.The method according to claim 1,
Wherein the m is 2M . ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 주파수 성분의 수식은 제로 패딩에 의해 얻은 수식과 같은 것을 특징으로 하는 스펙트럼 보간을 이용한 3차원 RF 이미징 방법.The method according to claim 1,
Wherein the expression of the frequency component is the same as that obtained by zero padding.
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